Tỷ số nén cao hơn mang lại hiệu quả đốt cháy cao hơn do đó công suất được cải thiện. Đó là lý do tại sao các kỹ sư ô tô muốn nâng độ nén lên cao nhất có thể. Tuy nhiên, độ nén quá cao sẽ dẫn đến nổ sớm hỗn hợp nhiên liệu-không khí, hay chúng ta gọi là “kích nổ”. Kích nổ có hại cho động cơ, không chỉ vì nó gây ra NVH (Rung, ồn và độ bền) mà còn làm giảm công suất đầu ra. Hầu hết các động cơ xăng trên thế giới đều chạy ở mức nén thấp khoảng 10:1. Khi công nghệ quản lý động cơ và định thời van được cải thiện, ngày nay con số này có thể cao hơn 11:1. Động cơ phun xăng trực tiếp thậm chí có thể nâng con số đó lên 12:1 hoặc cao hơn nhờ hiệu quả làm mát của nó, nhưng bất cứ tỷ số nào cao hơn thế vẫn là một giấc mơ. Tuy nhiên, Mazda đã tạo ra một bước đột phá với động cơ Skyactiv-G vào năm 2010. Nó hoạt động ở mức nén 14:1 đáng kinh ngạc!
Đặc điểm của SKYACTIV-G
- Động cơ xăng đầu tiên trên thế giới dành cho xe sản xuất hàng loạt đạt tỷ số nén cao 14.0:1
- Cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ nhờ đốt cháy nén cao, dẫn đến hiệu suất nhiên liệu và mô-men xoắn tăng 15%
- Cải thiện khả năng lái hàng ngày nhờ tăng mô-men xoắn ở tốc độ động cơ từ thấp đến trung bình
- Hệ thống xả 4-2-1, piston khoang, kim phun nhiều lỗ và những cải tiến khác cho phép tỷ số nén cao
Ưu điểm và vấn đề của tỷ số nén cao
Tăng tỷ số nén cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt. Tỷ số nén của các động cơ xăng ngày nay thường vào khoảng 10:1 đến 12:1.
Về mặt lý thuyết, nếu tỷ số nén được tăng từ 10:1 lên 15:1, hiệu suất nhiệt sẽ cải thiện khoảng 9%. Tuy nhiên, một trong những lý do ngăn cản sự mở rộng tỷ số nén cao của động cơ xăng là sự sụt giảm mô-men xoắn lớn do kích nổ (Hình dưới).
Kích nổ là quá trình đốt cháy bất thường, trong đó hỗn hợp không khí-nhiên liệu bốc cháy sớm do tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cao, tạo ra tiếng ồn tần số cao không mong muốn. Khi tỷ số nén tăng lên, nhiệt độ tại điểm chết trên đỉnh nén (ĐCT) cũng tăng lên, làm tăng khả năng kích nổ.
Làm thế nào để Mazda có thể tránh được kích nổ ở tỷ số cao như vậy? Một yếu tố quan trọng gây ra kích nổ là nhiệt độ cao của buồng đốt. Nhiệt độ trong buồng đốt tăng lên trong quá trình nén. Nó đạt cực đại khi piston đạt đến điểm chết trên (ĐCT, tức là vị trí cao nhất). Lúc này, kích nổ dễ xảy ra nhất. Rõ ràng, nếu muốn giảm nguy cơ kích nổ, chúng ta nên hạ nhiệt độ buồng đốt.
Vậy tại sao buồng đốt lại nóng như vậy? Một trong những nguyên nhân là do tồn tại khí thải dư, tức là khí thải chảy ngược vào buồng đốt trong quá trình nạp ngay trước khi van xả đóng lại. Không ai có thể loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải còn sót lại, vì để có hiệu suất nạp xả cao động cơ luôn cần chạy với một mức độ trùng điệp (chồng chéo) van nhất định (trùng lặp giữa giai đoạn mở van nạp và van xả). Lượng khí thải dư càng nhiều thì nhiệt độ buồng đốt càng cao. Nói cách khác, muốn giảm nhiệt độ thì ta có thể giảm lượng khí thải còn sót lại trong buồng đốt.
Để hạ nhiệt độ ở ĐCT kỳ nén, cách tốt nhất là giảm lượng khí thải nóng còn sót lại bên trong buồng đốt. Ví dụ, với động cơ có tỷ số nén 10:1, nhiệt độ khí xả dư là 750 °C, và nhiệt độ khí nạp là 25 °C, nếu 10% khí thải vẫn còn, nhiệt độ bên trong xi lanh trước khi nén tăng khoảng 70 °C, và nhiệt độ tại ĐCT kỳ nén được tính là tăng khoảng 160 độ. C. Do đó có thể dễ dàng suy ra lượng khí dư có tác dụng gây ra kích nổ là chủ yếu.
Các tính toán này được tóm tắt trong hình trên, và như được chỉ ra, nếu lượng khí dư giảm một nửa từ 8% xuống 4%, nhiệt độ ở ĐCT nén được tính toán để giữ nguyên ngay cả khi tăng tỷ số nén từ 11:1 đến 14:1.
SKYACTIV-G đã tập trung vào việc giảm lượng khí dư này, cho phép tạo ra động cơ xăng có tỷ số nén cao.
Công nghệ chống kích nổ
Mazda sử dụng một cách tiếp cận rất thông thường để giảm đáng kể lượng khí dư: sử dụng một ống góp xả dài, hệ thống xả 4-2-1. Trên động cơ 4 xi lanh thẳng hàng điển hình có ống góp ngắn, lần lượt 4 đến 1 (hình đầu tiên), khi van xả của Xi lanh 3 mở, sóng áp suất khí thải của nó (vùng màu xám) sẽ chảy qua các ống góp ngắn đến van xả của Xi lanh 1, đang ở cuối giai đoạn xả của nó. Điều này sẽ bơm một số khí thải trở lại Xi lanh 1 và trở thành khí thải dư. Khi động cơ đang chạy ở tốc độ thấp (2000 vòng / phút trong hình đầu tiên), sóng áp suất khí xả đến Xylanh 1 đủ sớm để gây ra tỷ lệ khí thải còn lại cao. Khi vòng quay động cơ tăng, việc đóng và mở van cũng tăng tốc, do đó, sóng áp suất khí thải của Xi lanh 3 đến Xi lanh 1 ở giai đoạn sau, gây ra tỷ lệ khí thải còn lại thấp hơn. Tóm lại, từ tốc độ động cơ thấp đến trung bình, mức độ khí thải còn lại là khá cao đối với cấu hình động cơ này.
Trong trường hợp ống góp khí thải 4-2-1 của Skyactiv-G (hình thứ hai ở trên), sóng áp suất khí thải từ Xi lanh 3 phải di chuyển một quãng đường dài để tới Xi lanh 1, vào thời điểm Xi lanh 1 đã hoặc gần hoàn thành giai đoạn xả. Do đó mức độ khí thải còn sót lại thấp hơn nhiều so với trường hợp trước, đặc biệt là đối với vòng tua máy từ thấp đến trung bình. Kết quả là, động cơ Skyactiv-G đạt được nhiệt độ thấp hơn trong buồng đốt của nó và cho phép sử dụng tỷ số nén cao hơn.
Ngoài ra, chiều dài ống trên 600mm là cần thiết để nâng cao mô-men xoắn sử dụng thực tế, nhưng không gian đã được tiết kiệm bằng cách sử dụng hình dạng vòng lặp.
Bạn sẽ hỏi, nếu nguyên lý đơn giản như vậy, tại sao những hãng khác lại không phát hiện ra? Tất nhiên, nó không đơn giản như vậy. Một nhược điểm quan trọng của ống góp xả 4-2-1 dài là mất nhiều thời gian để làm nóng chất xúc tác NOx trong quá trình khởi động nguội. Trên thực tế, đây chính là lý do tại sao hầu hết các động cơ sản xuất hiện đại đã từ bỏ cấu hình ống xả này – ngoại trừ động cơ hiệu suất cao có thể sử dụng ống xả bằng thép không gỉ được chế tạo thành mỏng để bù lại chiều dài của nó. Trên các động cơ sản xuất hàng loạt có ý thức về chi phí, ống xả bằng gang giá rẻ vẫn là tiêu chuẩn. Khối lượng và diện tích bề mặt tăng thêm của nó hấp thụ rất nhiều nhiệt và trì hoãn hoạt động bình thường của chất xúc tác. Điều này gây khó khăn cho việc tuân thủ các quy định về khí thải.
Mazda khắc phục vấn đề khởi động nguội bằng cách trì hoãn thời điểm đánh lửa. Điều này dẫn đến nhiệt độ khí thải cao hơn để bù đắp cho các ống góp dài. Đánh lửa muộn có thể dẫn đến cháy không ổn định. Đối với SKYACTIV-G, quá trình đốt cháy ổn định được thực hiện ngay cả khi thời điểm đánh lửa sau khi khởi động động cơ bị trễ đáng kể.
Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng một khoang piston và tối ưu hóa việc phun nhiên liệu để tạo thành hỗn hợp nhiên liệu không khí phân tầng xung quanh bugi. Hơn nữa, khoang piston đã giải quyết vấn đề ngọn lửa ban đầu tiếp xúc với đầu piston và tạo ra tổn thất làm mát.
Để cải thiện khả năng chống kích nổ, người ta cũng đã cố gắng rút ngắn thời gian đốt cháy. Quá trình đốt cháy càng nhanh, thời gian hỗn hợp nhiên liệu-không khí chưa cháy được tiếp xúc với nhiệt độ cao càng ngắn, cho phép kết thúc quá trình cháy bình thường trước khi xảy ra kích nổ. Cụ thể, ngoài việc tạo ra một hỗn hợp đồng nhất hơn bằng cách tăng cường dòng khí, tăng áp suất phun và sử dụng kim phun nhiều lỗ để nâng cao đặc tính phun nhiên liệu, một khoang piston được sử dụng để ngăn ngọn lửa cháy ban đầu chạm vào piston và cản trở sự phát triển của ngọn lửa.
