Công nghệ tăng công suất động cơ

1. Ống dẫn khí nạp biến đổi

Ống dẫn khí nạp biến đổi ngày càng trở nên phổ biến từ giữa thập niên 1990. Nó được dùng để tăng mô men vòng tua từ thấp lên trung bình mà không ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu tiêu thụ hoặc công suất vòng tua cao, từ đó cải thiện sự linh hoạt của động cơ. Loại ống dẫn khí nạp cố định thông thường tối ưu hóa hình dạng của nó để tạo ra công suất vòng tua cao, mô men vòng tua thấp hoặc sự thỏa hiệp giữa chúng. Ống dẫn khí nạp biến đổi thêm vào một hoặc hai pha nữa để đối phó với các vòng tua động cơ khác nhau.

Kết quả nghe có vẻ giống hệ thống cân cam biến đổi nhưng ống dẫn khí nạp biến đổi có lợi cho mô men vòng tua thấp hơn là công suất vòng tua cao. Do đó, nó rất hữu ích cho dòng xe sedan vốn ngày càng “tăng cân”. Để cải thiện khả năng lái, ngày càng có nhiều mẫu xe thể thao trang bị ống dẫn khí nạp biến đổi cùng với VVT, một trong số đó là Ferrari 360M và 550M.

So với VVT, ống dẫn khí nạp biến đổi rẻ hơn hẳn. Tất cả những gì nó cần chỉ là một vài ống góp đúc và van điện. Ngược lại, VVT cần bộ dẫn động thủy lực chính xác và tao nhã hoặc thanh đẩy cam và trục cam chuyên dụng.

Có hai loại ống dẫn khí nạp biến đổi là ống dẫn khí nạp chiều dài biến đổi và ống hút cộng hưởng. Cả hai đều sở hữu hình dạng của ống dẫn khí nạp để đạt được mục tiêu giống nhau.

Bạn có thể thấy rõ các ống góp bên trong động cơ Duratec 2,5 lit V6 của Ford. Mỗi xi-lanh đều đi kèm một ống dài và một ống ngắn.

Ống dẫn khí nạp chiều dài biến đổi

Ống dẫn khí nạp chiều dài biến đổi thường được sử dụng trong dòng xe sedan. Phần lớn các thiết kế đều ứng dụng 2 ống dẫn khí nạp với chiều dài khác nhau phục vụ cho mỗi xi-lanh. Ống dài hơn được dùng cho vòng tua thấp và ngược lại với ống thứ hai. Chẳng có gì khó để hiểu tại sao vòng tua cao cần ống góp ngắn. Lý do là vì nó tạo ra quá trình xả khí đơn giản và tự do hơn. Trong khi đó, ống dài tạo ra tần số thấp cho khối không khí chạm vào xi-lanh, từ đó phù hợp với vòng tua máy thấp, giúp bơm đầy xi-lanh hiệu quả hơn và tăng mô men xoắn đầu ra. Bên cạnh đó, ống dẫn khí nạp dài hơn còn giảm tốc độ của dòng không khí đồng thời cải thiện quá trình trộn giữa không khí và nhiên liệu.

Một số hệ thống như trong động cơ V8 của Audi sở hữu 3 pha biến đổi chiều dài. Hãng Audi làm thế nào để gói gọn 3 ống góp cho mỗi xi-lanh và 24 ống trong một khối động cơ? Trên thực tế, Audi không hề tách riêng các ống góp. Thay vào đó, hãng này sử dụng một ống dẫn khí nạp xoay với cửa nạp nằm giữa rô-to. Cửa nạp xoay theo các vị trí khác nhau để tạo ra chiều dài biến đổi cho ống góp. Toàn bộ hệ thống nằm trong rãnh chữ V.

Động cơ ống hút biến đổi 2 lit của Toyota cũng sở hữu một ống góp dài hơn.

Hệ thống ống hút cộng hưởng

Động cơ Boxer và chữ V (trừ loại nối tiếp) có thể ứng dụng ống hút cộng hưởng để tăng hiệu suất vòng tua từ trung bình đến cao. Mỗi khối xi-lanh đều được cung cấp nhiên liệu bằng buồng thông gió thường thông qua hệ thống ống riêng. Hai buồng thông gió được nối với nhau bằng hai ống có đường kính khác biệt. Một trong hai ống có thể đóng bằng van điều khiển bởi hệ thống quản lý động cơ. Thứ tự đốt được sắp xếp sao cho xi-lanh xả khí luân phiên từ mỗi buồng, tạo ra sóng nén giữa chúng. Nếu tần số của sóng nén khớp với vòng tua, nó sẽ bơm đầy xi-lanh đồng thời cải thiện hiệu suất xả khí. Do tần số phụ thuộc vào thiết diện của hai ống nối nên diện tích cũng như tần số có thể giảm xuống trong khi vòng tua trung bình tăng lên khi một trong hai ống đóng lại tại vòng tua thấp. Tại vòng tua/phút cao, van được mở ra, từ đó cải thiện quá trình bơm đầy xi-lanh vòng tua cao.

Hệ thống ống hút cộng hưởng của Porsche 996 GT3 với 2 ống nối giữa hai buồng thông gió.

Hệ thống ống hút cộng hưởng được sử dụng trong rất nhiều mẫu xe Porsche tính từ 964 Carrera. Sau 993, Porsche kết hợp hệ thống này với ống góp chiều dài biến đổi để tạo ra hệ thống ống hút 3 pha mang tên Varioram. Tuy nhiên, Varioram chiếm rất nhiều diện tích nên 996 chỉ trang bị hệ thống ống hút cộng hưởng. Honda NSX cũng là một “ứng viên” hiếm có của hệ thống ống hút cộng hưởng.

Hệ thống Varioram của Porsche.

2. Hệ thống xả nghịch áp biến đổi

Hiện nay, nhiều loại siêu xe đang ứng dụng hệ thống xả nghịch áp biến đổi. Về một mặt nào đó, nó cũng tương tự ống dẫn khí nạp biến đổi, chỉ khác ở vị trí. Ống xả thông thường dành cho siêu xe thường thu thập xung xả từ những xi-lanh riêng biệt và kết hợp chúng thành một xung lớn hơn với áp suất thấp tương ứng. Áp suất thấp này giúp hỗn hợp khí nhiên liệu được hút vào xi-lanh từ ống dẫn khí nạp nhiều hơn. Quá trình này được gọi là “tăng áp ngược”.

Quá trình tăng áp ngược đạt hiệu quả cao nhất tại vòng tua máy nhất định được quyết định bởi chiều dài của ống xả. Ống xả càng ngắn thì quá trình tăng áp ngược diễn ra tại vòng tua/phút càng thấp. Tất nhiên, đối với bất kỳ loại ống xả cố định nào, việc lựa chọn vòng tua/phút luôn cần sự sắp xếp.

Hệ thống xả nghịch áp biến đổi thường đòi hỏi chiều dài ống xả khác nhau. Sự chuyển đổi giữa chúng được thực hiện thông qua việc đóng và mở van. Nhờ đó, nó có thể thỏa mãn yêu cầu của cả công suất vòng tua cao và thấp. Hơn thế nữa, nó giúp động cơ đáp ứng được những qui định về tiếng ồn dựa trên tốc độ của châu Âu.

3. Động cơ đa van

Động cơ đa van bắt đầu xuất hiện vào năm 1912 trên chiếc xe đua Peugeot GP. Nó nhanh chóng được sử dụng cho dòng xe Bentley và Bugatti tiền chiến. Tuy nhiên, nó không được ứng dụng cho dòng xe sản xuất hàng loạt cho đến những năm 1960. Honda S600 có lẽ là chiếc xe sản xuất hàng loạt sử dụng động cơ 4 van ra đời sớm nhất. Vào thập niên 1970, có thêm một vài mẫu xe 4 van nữa ra đời, điển hình như Lotus Esprit (1976), Chevrolet Cosworth Vega (1975, động cơ do Cosworth chế tạo), BMW M1 (1979) và Triumph Donomite Sprint. Trong số đó, Triumph Donomite Sprint là mẫu xe đầu tiên giới thiệu động cơ 4 van, cam đơn sử dụng mỏ cò để điều khiển van.

Đầu thập niên 1980, khi Ferrari ứng dụng Quattrovalvole V8, hãng Honda bắt đầu trình làng loại động cơ 3 van cho dòng xe chủ đạo của mình. Đến giữa thập niên 1980, cả Honda và Toyota đều trang bị động cơ 4 van cho toàn bộ mẫu xe chính. Phải 10 năm sau những hãng sản xuất xe hơi phương Tây mới theo chân người Nhật.

Cải thiện quá trình xả khí là một trong những yếu tố cốt lõi để tăng công suất. Chẳng còn nghi ngờ gì nữa, trong thời đại động cơ 2 van, người ta từng coi van là vật gây bế tắc, dẫn đến nhu cầu tăng số lượng van.

Động cơ đa van sản xuất hàng loạt đầu tiên là loại 3 van vì nó có cấu trúc đơn giản – chỉ cần một trục cam đơn điều khiển cả hai van nạp và xả của mỗi xi-lanh. Ngày nay, vẫn còn một số mẫu xe sử dụng loại thiết kế rẻ tiền nhưng kém hiệu quả này, ví dụ như Fiat Palio và toàn bộ dòng Mercedes V6 cũng như V8. Hãng Mercedes dùng loại động cơ 3 van vì khí thải chứ không phải vì chi phí.

Trong động cơ 2 van điển hình, chỉ có 1/3 diện tích nắp buồng đốt được phủ bởi van. Động cơ 4 van tăng con số đó lên 50%, từ đó tạo ra quá trình xả khí nhịp nhàng và nhanh hơn. Thiết kế 4 van còn có lợi cho quá trình đốt sạch và hiệu quả nhờ vị trí trung tâm của bugi.

4 van được điều khiển bằng cam kép, một cho van nạp và một cho van xả. Các mẫu xe của Honda và Mitsubishi thường ứng dụng loại động cơ SOHC, điều khiển van thông qua mỏ cò giống như Triumph. Lựa chọn này có thể rẻ hơn một chút nhưng lại tăng lực ma sát và ảnh hưởng đến công suất vòng tua cao. Do đó, những chiếc Honda và Mitsubishi “xì-po” nhất vẫn trang bị động cơ DOHC.

Hình dạng bất thường của nắp buồng đốt trong động cơ 5 van.

Liệu 5 van/xi-lanh có giúp cải thiện hiệu suất động cơ hay không vẫn còn là vấn đề gây tranh cãi. Hãng Audi cam đoan rằng điều này là đúng nhưng lại không đưa ra được dẫn chứng cụ thể để chứng minh. Trên thực tế, động cơ 5V không cho công suất và mô men xoắn lớn hơn những đối thủ đến từ Đức với 4 van/xi-lanh.

Trước hết, thiết kế 5 van không đảm bảo che phủ diện tích nắp nhiều hơn 4 van. Dù sao, nếu nắp buồng đốt có hình dạng bất bình thường như trong hình thì van có thể che phủ diện tích lớn hơn. Ferrari F355 tận dụng điều này để cải thiện quá trình xả khí vòng tua cao. Tuy nhiên, quá trình xả khí nhanh hơn cũng ảnh hưởng đến mô men vòng tua thấp nếu không có biện pháp chống hiệu quả. Do đó, nó phù hợp hơn cho dòng xe thể thao.

Toàn bộ động cơ 5 van hiện tại đều có 3 van nạp và 2 van xả trên mỗi xi-lanh được sắp xếp theo hàng ngang. Van xả có kích thước lớn hơn nhưng tính về tổng diện tích thì van nạp lại vượt lên. Trong chiếc F355, bằng cách sắp xếp van nạp bên ngoài mở 10º so với van trung tâm đã tạo ra gió xoáy cần thiết để tạo ra hỗn hợp khí/nhiên liệu tốt hơn, từ đó tăng hiệu quả cho quá trình đốt và giảm độ độc hại của khí thải.

Ưu điểm của động cơ 5 van vẫn còn là một câu hỏi chưa có lời giải đáp. Không chỉ ít hãng sản xuất xe hơi sử dụng (ví dụ tập đoàn VW, Ferrari và nhãn hiệu phá sản Bugatti) mà ngay cả dòng xe Công thức 1 cũng không còn ưa chuộng loại động cơ 5 van nữa. Thậm chí, mẫu xe F1 của Ferrari từng nổi tiếng một thời với động cơ 5V cũng đã chuyển sang thiết kế 4 van vài năm trước đây.

Hạn chế và giải pháp

Phần lớn động cơ 4 van đều không hoạt động hiệu quả tại mô men xoắn vòng tua thấp và trung bình đơn giản là vì diện tích van nạp lớn làm chậm dòng không khí. Đặc biệt tại vòng tua thấp, dòng không khí chậm trong ống dẫn khí nạp tạo ra hỗn hợp khí/nhiên liệu không hoàn hảo, từ đó giảm công suất và mô men xoắn. Vì vậy, động cơ 4 van từng bị liệt vào hàng “khỏe” trong top trên và “yếu” trong top dưới cho đến khi công nghệ ống dẫn khí nạp biến đổi trở nên phổ biến. Ví dụ điển hình là chiếc Chevrolet Cosworth Vega sở hữu động cơ cực yếu tại vòng tua thấp.

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống T-VIS (ống hút biến đổi Toyota).

Để giải quyết vấn đề này, hãng Toyota đã trình làng hệ thống T-VIS (hệ thống ống hút biến đổi Toyota) trong thập niên 1980. T-VIS tăng tốc dòng khí vòng tua thấp tới ống góp. Lý thuyết hoạt động khá đơn giản: ống dẫn khí nạp của mỗi xi-lanh được chia thành hai ống góp phụ riêng biệt nối với nhau gần van nạp. Một chiếc van bướm được thêm vào mỗi ống góp phụ. Tại vòng tua máy dưới 4.650 vòng/phút, van bướm sẽ đóng lại để tăng vận tốc không khí trong ống góp. Kết quả là trong ống góp không khí được trộn lẫn với nhiên liệu hoàn hảo hơn (không tính trường hợp động cơ phun nhiên liệu trực tiếp vì quá trình phun luôn diễn ra trong ống góp).

Tuy nhiên, đối với động cơ dành cho dòng sedan chính, hãng Toyota lại bỏ qua ý tưởng này và ứng dụng thiết kế cổng/ống dẫn khí nạp có đường kính nhỏ hơn. Rất nhiều hãng sản xuất xe hơi khác cũng đi theo con đường này, hi sinh công suất lớn để cải thiện tính linh hoạt vòng tua thấp. Ngày nay, sự xuất hiện của ống dẫn khí nạp biến đổi có thể giải quyết vấn đề này.

Theo Zing news