Trong cơ học, nén là sự tác dụng các lực cân bằng hướng vào trong (“ép”) lên các điểm khác nhau trên một vật thể hoặc kết cấu, nghĩa là các lực không có tổng hoặc mômen thực được định hướng để giảm kích thước của nó theo một hoặc nhiều hướng. Cường độ nén của vật thể và cấu trúc là một yếu tố quan trọng trong kỹ thuật.

Nén trong động cơ đốt trong là gì?

Đối với nén trong động cơ đốt trong là quá trình Piston đi từ điểm chết dưới (điểm dưới cùng) lên điểm chết trên(điểm trên cùng) (sau quá trình nạp, tất cả các van đều đóng), thực hiện ép khối khí (hòa khí hoặc chỉ không khí) trong xylanh, thu nhỏ thể tích khối khí, làm cho các phân tử khí ép sát với nhau, thể tích bị thu nhỏ do đó tăng áp suất và nhiệt độ. Quá trình nén kết thúc khi piston đi đến điểm chết trên. Đây cũng chính là kỳ nén của động cơ đốt trong, một trong những kỳ quan trọng và quyết định hiệu suất của động cơ.

Kết thúc quá trình nén, áp suất và nhiệt độ tăng cao:

• Động cơ xăng, áp suất có thể lên đến 7 đến 12 bar, nhiệt độ khoảng 250 đến 350 °C.
• Động cơ diesel, áp suất khoảng 35 đến 55 bar, nhiệt độ khoảng 600 đến 900 °C.

Tỷ số nén là gì?

Trong động cơ đốt trong, tỷ số nén tĩnh được tính dựa trên thể tích tương đối của buồng đốt và xi lanh. Tỷ số nén tĩnh là tỷ lệ giữa thể tích toàn bộ xilanh khi piston ở điểm chết dưới với thể tích buồng đốt (khi piston ở điểm chết trên). Tỷ số nén R = Va/Vc

Tỷ số nén động

Tỷ số nén động là một tính toán nâng cao hơn tính đến lượng khí đi vào và thoát ra khỏi xi lanh trong giai đoạn nén. Trong hầu hết các động cơ ô tô, việc đóng van nạp (làm kín xi lanh) diễn ra trong giai đoạn nén (tức là sau điểm chết dưới) có thể khiến một lượng khí bị đẩy ngược ra ngoài qua van nạp. Mặt khác, việc điều chỉnh cổng nạp và xả sạch có thể gây ra một lượng lớn khí bị giữ lại trong xi lanh hơn so với thể tích tĩnh. Tỷ lệ nén động tính đến các yếu tố này.

Trong động cơ đốt trong, khi nói đến tỷ số nén, thường là đề cập tỷ số nén tĩnh, và luôn mong muốn có được tỷ số nén cao vì nó cho phép động cơ khai thác nhiều năng lượng cơ học hơn từ một khối lượng nhất định của hỗn hợp không khí – nhiên liệu do hiệu suất nhiệt cao hơn. Điều này xảy ra vì động cơ đốt trong là động cơ nhiệt và tỷ số nén cao hơn cho phép đạt được cùng nhiệt độ đốt với ít nhiên liệu hơn, đồng thời tạo ra chu kỳ giãn nở dài hơn, tạo ra nhiều công suất cơ học hơn và giảm nhiệt độ khí thải.

Động cơ xăng

Đối với động cơ xăng trên ô tô, tỷ số nén thường vào khoảng 8:1 đến 12:1. Một số ô tô có tỷ số nén cao hơn bao gồm:

• Ô tô được sản xuất từ năm 1955–1972 được thiết kế cho xăng pha chì có trị số octan cao, cho phép tỷ số nén lên đến 13∶1.
• Một số động cơ Mazda SkyActiv được ra mắt từ năm 2012 có tỷ số nén lên đến 14.0∶1. Động cơ SkyActiv đạt được tỷ số nén này với xăng không chì thông thường thông qua việc xả sạch khí thải được cải thiện (đảm bảo nhiệt độ xi lanh càng thấp càng tốt trước hành trình nạp), ngoài việc phun trực tiếp.
• Ferrari 458 Speciale 2014 cũng có tỷ số nén 14.0∶1.

Khi sử dụng nạp khí cưỡng bức (tăng áp hoặc siêu nạp), tỷ số nén thường thiết kế thấp hơn so với động cơ hút khí tự nhiên. Điều này là do bộ tăng áp/siêu nạp đã nén không khí trước khi nó đi vào xi lanh (lượng không khí nạp nhiều hơn). Động cơ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu cổng thường chạy áp suất tăng và/hoặc tỷ số nén thấp hơn so với động cơ phun nhiên liệu trực tiếp vì phun nhiên liệu cổng sẽ đưa hỗn hợp không khí / nhiên liệu vào buồng đốt và cùng được nén, do đó nó được đốt nóng với nhau, dẫn đến kích nổ nếu nhiệt quá cao. Ngược lại, động cơ được phun trực tiếp có thể chạy với áp suất cao hơn vì không khí được làm nóng sẽ không phát nổ nếu không có nhiên liệu.

Tỷ số nén cao hơn có thể làm cho động cơ xăng bị kích nổ nếu sử dụng nhiên liệu có chỉ số octan thấp hơn. Điều này có thể làm giảm hiệu suất hoặc làm hỏng động cơ nếu không có cảm biến kích nổ để điều chỉnh thời điểm đánh lửa.

Động cơ diesel

Động cơ diesel sử dụng tỷ số nén cao hơn động cơ xăng, vì không có bugi đánh lửa cho nên tỷ số nén phải cao để tăng nhiệt độ của không khí trong xi lanh đủ để đốt cháy diesel bằng cách sử dụng đánh lửa do nén. Tỷ số nén thường từ 14∶1 đến 26∶1 đối với động cơ diesel phun trực tiếp và từ 18 ,1 đến 26∶1 đối với động cơ diesel phun gián tiếp.

Mối quan hệ giữa tỷ số nén với tỷ lệ áp suất

Dựa trên các giả định rằng trong động cơ đốt trong, quá trình nén đoạn nhiệt được thực hiện (nghĩa là không có nhiệt năng nào được cung cấp cho chất khí bị nén và bất kỳ sự tăng nhiệt độ nào chỉ là do quá trình nén) và khối khí đó là một chất khí lý tưởng, mối quan hệ giữa tỷ số nén và tỷ lệ áp suất tổng thể như sau:

Tuy nhiên, trong thực tế thì động cơ đốt trong không nén đoạn nhiệt, khí nén cũng không phải khí lý tưởng, do đó tỷ lệ này sẽ thay đổi đáng kể.

Động cơ tỷ số nén biến thiên

Hầu hết các động cơ trên ô tô đều có tỷ số nén cố định, ty nhiên một vài động cơ có tỷ số nén có thể thay đổi để điều chỉnh phù hợp với các điều kiện hoạt động.

Biến thiên tỷ số nén là một công nghệ điều chỉnh tỷ số nén của động cơ đốt trong khi nó đang hoạt động, giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu phù hợp với các điều kiện tải khác nhau.

Chẳng hạn khi tăng áp động cơ, ta cần phải giảm tỷ số nén để tránh quá nhiệt và làm căng quá mức đầu xi lanh, nếu không nó có thể gây ra kích nổ hoặc thậm chí hư hỏng. Khi động cơ chạy không tăng áp, bạn sẽ có công suất yếu do độ nén thấp hơn. Giả sử nếu chúng ta có thể thay đổi độ nén, sử dụng một tỷ số nén cao hơn trước khi turbo hoạt động và một tỷ số thấp hơn khi tăng áp, chúng ta sẽ có được một động cơ tăng áp hoàn hảo.

1. Nén biến thiên – Động cơ Saab SVC

Năm 2000, Saab đã công bố một khái niệm nén biến thiên (VC) được gọi là SVC (Saab Variable Compression). Nó đã thực hiện VC bằng một cách tiếp cận sáng tạo và thú vị – đầu xi lanh và đơn vị xi lanh có thể trượt được. Trước tiên hãy xem những hình ảnh này:

Như đã thấy, động cơ SVC có đầu xi-lanh với các xi-lanh tích hợp – được gọi là monohead. Monohead được xoay ở cacte và độ dốc của nó có thể được điều chỉnh một chút (lên đến 4 độ) liên quan đến khối động cơ, piston, cacte, v.v. bằng cơ cấu truyền động thủy lực, do đó thể tích của buồng đốt có thể thay đổi nhẹ. Khi piston nằm ở điểm chết trên, một sự thay đổi nhỏ về thể tích có thể dẫn đến sự thay đổi lớn của tỷ số nén, dao động từ 8:1 đến 14:1.

Cách thực hiện của SVC khôn ngoan hơn bất kỳ nỗ lực nào trước đây đối với việc nén biến thiên vì nó không liên quan đến các bộ phận chuyển động bổ sung tại các buồng đốt quan trọng hoặc bất kỳ bộ phận chuyển động nào, vì vậy nó tương đối đơn giản, bền và không bị rò rỉ. Monohead độc lập, có nghĩa là nó có hệ thống làm mát riêng, với các đường dẫn chất làm mát qua đầu và thành xi lanh. Có một miếng đệm cao su giữa monohead và lốc máy.

Nén biến thiên cho phép động cơ Saab chạy với áp suất tăng cao bất thường. Nó cao đến nỗi các bộ tăng áp thời đó không thể cung cấp. Do đó, nó đã sử dụng một bộ siêu nạp để thay thế. VC có thể điều chỉnh liên tục theo nhu cầu – tùy thuộc vào vòng quay, tải, nhiệt độ, nhiên liệu sử dụng, v.v., tất cả được xác định bởi hệ thống quản lý động cơ. Do đó, công suất và mức tiêu thụ nhiên liệu (do đó phát thải) có thể được tối ưu hóa ở mọi điều kiện.

SVC được giới thiệu vào năm 2000 là loại động cơ 1.6 lít 5 xi-lanh với đầu 4 van. Công suất tối đa được công bố là 225 mã lực và mô men xoắn 224 lbft, trong khi mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn 30% so với các động cơ thông thường tương đương. Hơn nữa, độ nén thay đổi cho phép động cơ dễ dàng sử dụng các loại nhiên liệu Octan khác nhau, vì vậy nó có thể được bán trên toàn thế giới mà không cần điều chỉnh cụ thể.

Tuy nhiên, động cơ SVC lại không được sản xuất phổ biến vì vấn đề tin cậy và độ phức tạp của nó.

2. Nén biến thiên – Nissan VC-T

Nissan là nhà sản xuất đầu tiên đưa động cơ tỷ số nén biến thiên vào sản xuất. Công nghệ VC-T (Variable Compression – Turbo) sẽ được áp dụng cho động cơ tăng áp 4 xi-lanh 2.0 lít và được tung ra thị trường vào năm 2018. Ứng dụng đầu tiên sẽ là trên Infiniti QX50 SUV 2019.

Cơ chế Nissan sử dụng rất khác với cơ chế của Saab. Nó thay đổi độ dài của hành trình bằng cách sử dụng một hệ thống “đa liên kết” phức tạp thay cho các thanh truyền thông thường. Như hình trên, hệ thống đa liên kết bao gồm liên kết trên (thanh truyền trên), liên kết tâm hình thoi và liên kết dưới (thanh truyền dưới). Liên kết tâm hình thoi được gắn trên ngõng trục khuỷu, nhưng có thể tự do xoay về ngõng trục khuỷu. Khi nó xoay theo chiều kim đồng hồ một vài độ, nó sẽ đẩy piston lên do đó làm tăng tỷ số nén. Ngược lại, nó sẽ giảm tỷ số nén khi xoay ngược chiều kim đồng hồ một vài độ.

Góc của liên kết tâm hình thoi được điều khiển bởi liên kết dưới. Một động cơ điện (được gọi là “dẫn động điều hòa”) quay trục điều khiển thông qua một cánh tay truyền động. Trục điều khiển kết nối với liên kết dưới của mỗi xi lanh thông qua một cam lệch tâm. Khi trục điều khiển quay, liên kết dưới có thể di chuyển lên hoặc xuống, điều chỉnh góc của liên kết tâm hình thoi do đó tỷ lệ nén thay đổi.

VC-T có thể thay đổi tỷ số nén từ 8,0:1 đến 14,0:1. Tỷ số nén thấp hơn được sử dụng ở chế độ công suất cao vì nó có thể hoạt động với áp suất tăng áp cao hơn mà không gây ra kích nổ. Ngược lại, tỷ số nén 14.0:1 được sử dụng khi yêu cầu hiệu suất nhiên liệu cao nhất. Lưu ý rằng đây chỉ là tỷ số nén lý thuyết. Trên thực tế, để đạt hiệu quả cao nhất, động cơ sử dụng VVT để trì hoãn việc đóng van nạp và thực hiện quá trình đốt cháy theo chu trình Atkinson. Nói cách khác, tính năng nén thay đổi cho phép tỷ lệ giãn nở cao hơn, 14:1 để tối đa hóa lợi ích của quá trình đốt cháy chu trình Atkinson.

Một lợi ích khác của công nghệ VC-T là dạng hình học đa liên kết của nó giữ cho các thanh truyền trên (liên kết trên) thẳng đứng hơn trong suốt chu trình đốt cháy so với các thanh truyền thông thường. Điều này có nghĩa là lực bên được tạo ra ít hơn, dẫn đến ít rung động hơn và ít ma sát hơn giữa các piston và thành xi lanh. Do đó tiết kiệm nhu cầu về trục cân bằng và nâng cao hiệu quả hơn nữa.

Về nhược điểm, hệ thống đa liên kết khá cồng kềnh, cộng thêm trọng lượng, quán tính và ma sát đáng kể. Cho dù những hạn chế này có thể được bù đắp bằng những lợi ích nói trên hay không vẫn chưa được nhìn thấy. Tuy nhiên, nó chắc chắn sẽ tốn kém hơn để chế tạo, do các bộ phận bổ sung, đặc biệt là vòng bi. Hơn nữa, cơ chế này không tương thích với động cơ chữ V, vì vậy các ứng dụng của nó sẽ bị giới hạn ở động cơ 4 xi-lanh cao cấp. Không có gì ngạc nhiên khi Nissan muốn động cơ VC-T 2.0 lít thay thế cho động cơ hút khí tự nhiên 3.5 lít V6 lâu đời của hãng. Được đánh giá ở công suất 248 mã lực và mô-men xoắn 273 lbft, công suất đầu ra của nó là đủ để làm như vậy, trong khi mức tiêu thụ nhiên liệu ước tính thấp hơn 27% so với động cơ V6. Tuy nhiên, so với một số động cơ turbo 2.0 lít tốt nhất hiện nay trên thị trường, nó vẫn chưa cho thấy bất kỳ lợi thế nào.