Tổng quan về các loại động cơ xăng

Động cơ xăng lean burn.

Loại động cơ chạy bằng hợp khí – nhiên liệu nghèo được gọi là động cơ lean burn.

Về cơ bản, loại động cơ chạy bằng hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo thì gọi là động cơ lean burn. Đi tiên phong trong công nghệ này phải kể đến các nhà sản xuất xe hơi Nhật Bản, dẫn đầu là Toyota.

Nhìn bề ngoài, hỗn hợp khí - nhiên liệu càng nghèo thì động cơ càng tiết kiệm xăng. Tuy nhiên, có hai lý do không cho phép động cơ thông thường chạy bằng hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo, đó là nếu hỗn hợp quá nghèo, động cơ sẽ không đốt cháy được, và theo lẽ tự nhiên, sự tập trung nhiên liệu nghèo sẽ dẫn đến công suất thấp.

Động cơ lean burn tránh những vấn đề kể trên bằng cách ứng dụng quá trình pha trộn hiệu quả cao. Chúng sử dụng loại pittong có hình dáng đặc biệt với ống góp được đặt và tạo góc phù hợp, luồng không khí đi vào sẽ tạo ra gió xoáy bên trong buồng đốt. Gió xoáy giúp hoàn thiện quá trình pha trộn nhiên liệu và không khí, từ đó giảm đáng kể các hạt nhiên liệu khó hòa lẫn và không cháy được trong động cơ thông thường. Nhờ vậy, quá trình đốt cháy sẽ được hoàn thiện, không chỉ giảm các chất gây ô nhiễm mà còn hạ tỷ số nhiên liệu/không khí từ 1:14 đến 1:25 nhưng vẫn giữ nguyên công suất.

Hiện nay, công nghệ lean burn được ứng dụng vào động cơ phun trực tiếp (DI). Về bản chất, DI vẫn là loại động cơ cũ được trang bị thêm thiết bị bơm nhiên liệu trực tiếp. Các hãng xe hơi Nhật Bản như Toyota, Mitsubishi và Nissan đều tập trung vào việc phát triển công loại động cơ DI này.

 Động cơ phun xăng trực tiếp - Mitsubishi GDI

Điểm khác biệt duy nhất giữa động cơ GDI của Mitsubishi với động cơ lean burn là sự xuất hiện của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp.

Mitsubishi hiện tại đang dẫn đầu về công nghệ GDI (phun xăng trực tiếp). Hãng này đã ứng dụng công nghệ GDI vào nhiều loại động cơ khác nhau, từ V8 1,5 lit tới 4,5 lit. Phần lớn các động cơ sản xuất hàng loạt của Mitsubishi đều được trang bị công nghệ GDI.

Mitsubishi cam đoan rằng động cơ GDI tiết kiệm được từ 20-35% lượng nhiên liệu tiêu thụ, giảm 20% khí thải và cho công suất lớn hơn 10% so với loại thông thường. Vậy bí quyết của loại động cơ này là gì? Đoạn thông tin dưới đây sẽ tiết lộ cho bạn biết bí mật bên trong động cơ GDI.

Nguyên lý của động cơ GDI

Công nghệ phun xăng trực tiếp là một nhánh của công nghệ lean burn. Điểm khác biệt so với động cơ lean burn là sự xuất hiện của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp.

Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp đã được ứng dụng trong máy dầu từ nhiều năm nay nhưng gần đây mới xuất hiện trong động cơ xăng. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp có hai ưu điểm như sau:

- Do nhiên liệu được bơm trực tiếp dưới áp suất cao vào trong buồng đốt ngay trước thời điểm đánh lửa của bugi nên việc điều khiển phân tầng tải trọng cần thiết để đốt cháy hỗn hợp khí - nhiên liệu "siêu nghèo" trở nên chính xác hơn.

- Hệ thống bơm phun nhiên liệu trực tiếp còn điều phối nhu cầu sử dụng van tiết liệu, từ đó loại bỏ những tổn thất trong quá trình bơm liên quan đến việc rút không khí trong van bướm của động cơ thông thường.
 

Trái ngược với loại thông thường, động cơ phun nhiên liệu trực tiếp có thể phân phối nhiên liệu một cách đồng đều khắp mọi nơi.

Trong thiết kế động cơ thường, phun nhiên liệu và thậm chí cả MPi (bơm đa điểm), phần nhiên liệu được bơm sẽ phân tán trong cổng nạp khí (gần van nạp) trước khi đi vào buồng đốt. Lý do không bơm trực tiếp vào xi-lanh là vì thật khó để có thể phân bổ nhiên liệu một cách đồng đều khắp mọi nơi. Trái lại, nếu bơm vào cổng nạp khí sẽ đảm bảo sự đồng nhất trong tỷ số nhiên liệu/không khí.

Không giống như động cơ thông thường, GDI sử dụng cổng nạp khí thẳng đứng đi kèm với bề mặt pittong cắt lõm để tạo ra dòng không khí xoáy trong suốt kỳ nén. Khi nhiên liệu phun trực tiếp vào trong buồng đốt, gió xoáy sẽ giúp không khí hòa lẫn với nhiên liệu.

Vòi phun nhiên liệu là một tính năng mới. Nó có chức năng bơm nhiên liệu dưới áp suất cao, phun thành bụi mịn và phân bổ đồng đều hơn.

Quá trình bơm nhiên liệu được chia thành hai pha. Trong kỳ nạp, một lượng nhiên liệu được bơm trước vào trong buồng đốt, làm mát khí nạp từ đó tăng công suất riêng và đảm bảo tỷ số nhiên liệu/không khí đồng đều mọi nơi.

Quá trình bơm chính diễn ra khi pittong chạm đến điểm chết trên trong kỳ nén ngay trước quá trình đốt cháy. Pittong cắt lõm tập trung nhiều nhiên liệu hơn xung quanh bugi và cho phép quá trình đốt cháy diễn ra thành công mà không bị tắt ngay cả khi hỗn hợp khí - nhiên liệu cực nghèo. Điều này giải thích tại sao GDI có thể hoạt động với tỷ số nhiên liệu/không khí dừng ở mức 1:40 trong điều kiện tải non, tức là nghèo hơn cả động cơ lean burn và tạo ra được quá trình cháy hoàn thiện hơn.

Công suất cao hơn

Động cơ GDI của Mitsubishi sở hữu tỷ số nén 12:5:1 cực cao, có thể nói là kỷ lục trong dòng động cơ sản xuất hàng loạt. Đó là nguyên do vì sao công suất của GDI bao giờ cũng cao hơn.

Bí quyết tránh hiện tượng nổ dưới áp suất cao của GDI nằm ở quá trình bơm một ít nhiên liệu vào buồng đốt trước. Trong suốt kỳ nén, không khí nóng sẽ được giảm nhiệt nhờ bụi nhiên liệu, vì vậy hiện tượng nổ sẽ khó xảy ra hơn.

Phát thải NOx

Một trong những nhược điểm của động cơ GDI là phát thải lượng NOx gây ô nhiễm nhiều hơn. Thật may mắn, hiện nay đã xuất hiện bộ chuyển đổi xúc tác hoàn toàn mới giúp GDI giải quyết vấn đề đó. Dẫu sao, Mỹ và nhiều nước đang phát triển khác sẽ không được lợi từ loại thiết bị này vì loại xăng chứa hàm lượng sunphua cao sẽ phá hủy chất xúc tác.

Động cơ phun xăng trực tiếp - Renault IDE

Theo kết quả thử nghiệm do một tạp chí tại Mỹ đưa ra, mẫu xe Mitsubishi Carisma GDI không tiết kiệm nhiên liệu bằng các “đối thủ” sử dụng động cơ thông thường - hoàn toàn trái ngược so với những lời quảng cáo của hãng này. Thực tế này chưa được giải thích hợp lý cho tới gần đây khi hãng Renault tung ra thiết kế động cơ phun xăng trực tiếp của riêng họ. Tập tài liệu phát trong cuộc họp báo của Renault có ám chỉ rằng “một loại động cơ đến từ Nhật Bản” phải chịu hậu quả nặng nề do nhiên liệu tại châu Âu chứa hàm lượng sunphua 150ppm cao hơn so với 10-15ppm tại Nhật Bản. Động cơ GDI cần một loại chất xúc tác đặc biệt để làm sạch lượng NOx sinh ra trong quá trình đốt cháy “siêu nghèo”. Tuy nhiên, nhiên liệu chứa hàm lượng sunphua cao có thể “vấy bẩn” và vô hiệu hóa mãi mãi chất xúc tác.

Do đó, Carisma GDI phiên bản châu Âu tiêu tốn lượng hỗn hợp khí - nhiên liệu nhiều hơn “người chị em” tại Nhật Bản để giảm thiểu lượng NOx. Nếu GDI Nhật đạt tỷ số nhiên liệu/không khí là 1:40 khi tải non thì con số này của GDI châu Âu chỉ dừng ở mức 1:20 so với 1:14 của động cơ thông thường. Điều này đã làm giảm đáng kể mức độ tiết kiệm nhiên liệu của GDI.

Một vấn đề khác nảy sinh do sự khác biệt trong phương pháp kiểm nghiệm của Nhật Bản và châu Âu. Bộ Giao thông Nhật Bản tiến hành thử nghiệm trên một lộ trình và điều kiện tải non vốn phù hợp với đặc điểm của GDI (khi tải non GDI chạy với tỷ số 1:40 ở chế độ nghèo và 1:14,5 ở chế độ thường).
Trong khi đó, cuộc thử nghiệm kết hợp chu trình của châu Âu lại yêu cầu tải nặng, tốc độ cao dẫn đến chỉ số mpg thấp hơn hẳn so với kết quả do Nhật Bản đưa ra.

Thay vì sử dụng hỗn hợp khí – nhiên liệu “siêu nghèo” như Mitsubishi, hãng Renault chọn phương thức tái tuần hoàn khí xả EGR siêu cao.

Renault là hãng đầu tiên tung ra loại động cơ phun xăng trực tiếp của châu Âu. Nó tránh được những vấn đề còn tồn tại trong động cơ của Mitsubishi với nguyên lý hoạt động khác biệt.

Thay vì sử dụng hỗn hợp khí - nhiên liệu “siêu nghèo”, hãng Renault chọn phương thức tái tuần hoàn khí xả EGR siêu cao. EGR có khả năng giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ bằng cách cắt giảm tổn thất trong quá trình bơm cũng như hạ thấp công suất động cơ khi tải non hoặc tải bộ phận. Với trọng lượng tải nhẹ nhất, động cơ IDE của Renault tăng EGR lên 25% so với 10-15% ở động cơ thường.

Nếu thiếu hệ thống phun trực tiếp hoạt động cực chính xác, các động cơ thông thường sẽ phân tán nhiên liệu vào cổng hút cũng như buồng đốt không đồng đều và không thể dồn nhiên liệu tới bugi.

Tùy thuộc vào tải động cơ, IDE sẽ chạy với một trong 3 tỷ số EGR xác định. Trong đó, chế độ đầy tải không tái tuần hoàn khí xả cho nhu cầu công suất tối đa. Do vậy, cũng giống như GDI, chạy xe ở chế độ này không bao giờ tiết kiệm được nhiên liệu. Tuy nhiên, theo phương thức kiểm nghiệm của châu Âu, động cơ IDE do hãng Renault sản xuất có thể tiết kiệm 16% lượng nhiên liệu tiêu thụ.

Một điểm đáng chú ý khác là cải thiện mô men xoắn. Động cơ 1.988 cc có thể tạo ra công suất 140 mã lực và mô men xoắn 148 lb-ft. Nếu đem so sánh, loại động cơ không phun xăng trực tiếp nhưng được trang bị hệ thống supercharger cho công suất 140 mã lực trong khi mô men xoắn chỉ dừng ở 139 lb-ft. Ngay cả động cơ VVT cũng không thể sánh được với IDE.

Tính năng cải thiện là kết quả của việc tăng tỷ số nén tới mức “bất thường” 11,5:1 (động cơ GDI còn đạt con số ấn tượng hơn là 12,5:1). Tương tự Mitsubishi, việc bơm một lượng nhiên liệu vào buồng đốt trước quá trình bơm thông thường giúp làm mát buồng đốt, từ đó tăng khả năng chống nổ và cho tỷ số nén cao hơn.

Động cơ 3 van của Mercedes cắt giảm phát thải khi khởi động nguội

Động cơ V6 ba van của Mercedes được coi là một trong 10 động cơ tốt nhất

Trong số các thiết kế động cơ mới nhất hiện nay, khí thải khởi động nguội thu hút được rất nhiều chú ý của dư luận. Theo qui định mới nhất của châu Âu có hiệu lực từ năm 2000, khí thải sinh ra trong quá trình khởi động nguội phải bị hạn chế tối đa. Trong quá khứ, các nhà sản xuất thường dùng bộ chuyển hóa xúc tác để ngăn chặn khí thải sau khi nó đạt đến nhiệt độ vận hành khoảng 300°C. Tuy nhiên, thiết bị này không phát huy tác dụng đối với khởi động nguội.

Để giảm thời gian tăng nhiệt độ vận hành của chất xúc tác, ngoài việc dùng bộ chuyển hóa ghép chặt và động cơ đốt nóng sơ bộ, hãng Mercedes còn cố gắng giảm diện tích bề mặt của cổng xả bằng cách trang bị một van xả đơn cho mỗi xi-lanh.

Nhiều người coi việc chuyển đổi từ 4 xuống 3 van chỉ mang tính hoán vị nhưng hãng Mercedes lại khẳng định đây là cách duy nhất để loại động cơ sở hữu ít nhất 6 van có thể vượt qua được luật châu Âu 2004. Giảm diện tích bề mặt cổng xả đồng nghĩa với tăng nhiệt độ lên 70ºC và rút ngắn quá trình đốt nóng sơ bộ.

Tất nhiên, nhược điểm của động cơ này là tôn thất công suất. Do đó, hãng Mercedes phải ứng dụng rất nhiều công nghệ khác để bù lại như hệ thống điều khiển thời điểm van nạp, ống nạp biến đổi và bugi đôi.