[Kỹ thuật – Tìm hiểu] Công nghệ tỷ số nén linh hoạt trên động cơ đốt trong

Cuộc đua nhằm giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải sẽ vẫn là động lực buộc các nhà sản xuất ôtô phải nghiên cứu để nhằm nâng cao hiệu suất của quá trình cháy đồng thời giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường.

Động cơ có thể thay đổi tỷ số nén linh hoạt – Variable compression ratio (VCR) là một trong những giải pháp giúp tăng công suất động cơ, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu nhờ nâng cao hiệu suất quá trình cháy, giảm mức khí thải độc hại. Những điều này đạt được là nhờ khả năng thay đổi một cách linh hoạt tỷ số nén để thay đổi thể tích buồng đốt của động cơ theo điều kiện vận hành của xe.

1. Vì sao cần động cơ có thể thay đổi tỷ số nén linh hoạt?

Chúng ta đều biết hiệu suất của quá trình cháy phụ thuộc rất lớn vào tỷ số nén, tỷ số nén càng cao thì quá trình cháy càng diễn ra triệt để. Tuy nhiên đối với các động cơ xăng thì không thể tăng mãi tỷ số nén bởi nếu tỷ số này lớn thì hỗn hợp xăng và nhiên liệu khi đi vào bên trong buồng đốt có thể sẽ tự bốc cháy mà không cần bugi và gây ra hiện tượng kích nổ của động cơ dẫn đến làm giảm công suất của động cơ và có thể làm hư hỏng động cơ.

Biểu đồ đặc tính làm việc của động cơ ở các tỷ số nén khác nhau
Biểu đồ đặc tính làm việc của động cơ ở các tỷ số nén khác nhau

Nhìn chung, ôtô sẽ phải vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau: dừng đỗ đèn xanh đèn đỏ, đi với tốc độ thấp khi di chuyển trong đô thị hay luôn duy trì tốc độ cao khi đi trên đường cao tốc…Tuy nhiên khi đi trong thành phố thường duy trì với tốc độ thấp, trọng nhẹ nên làm giảm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu. Lúc này chúng ta chỉ mong muốn động cơ có tỷ số nén cao để phát huy được hiệu suất của quá trình cháy.

Ngược lai, khi di chuyển với tốc độ cao, tải trọng lớn sẽ dễ dẫn đến hiện tượng kích nổ của động cơ lúc này tỷ số nén thấp mới là lựa chọn tối ưu. Tỷ số nén cao hay thấp cũng đều mang đến lợi thế cũng như kém theo đó là những bất lợi trong các điều kiện khác nhau vì vậy giải pháp về một động cơ có tỷ số nén có thể thay đổi theo điều kiện làm việc sẽ giúp giải quyết những vấn đề trên.

Theo những nghiên cứu cho thấy khi tăng tỷ số nén từ 8:1 lên 14:1 thì hiệu suất của quá trình cháy bên trong động cơ có thể tăng từ 50% lên đến 65% (mức tăng 15%).

 2. Những mô hình động cơ VCR

Về mặt lý thuyết động cơ VCR là một thiết kế rất đáng để các nhà sản xuất quan tâm và thử nghiệm. Tuy nhiên để có thể hiện thực hóa ý tưởng này là điều không dễ dàng, trên thực tế mới chỉ có một vài nhà sản xuất như FEV, Ford, Sabb, Nissan đưa ra được những động cơ mẫu và thử nghiệm.

Sử dụng hệ thống liên kết đa điểm của Nissan.

images904992_b4

Trong nghiên cứu của Nissan, để tạo ra được nhiều tỷ số truyền khác nhau họ sử dụng thêm một hệ thống các liên kết đa điểm để nối giữa trục khủy và thanh truyền và cơ cấu này được nối vào một trục điều khiển – sử dụng bánh lệch tâm. Trong quá trình làm việc, tùy thuộc vào điều kiện vận hành của xe mà bánh lệch tâm này sẽ điều chỉnh để tạo ra các tỷ số truyền khác nhau nhờ tác động vào khoảng di chuyển tối đa của piston. Với mô hình này của Nissan thì ngoài những ưu điểm về tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất nó còn giúp động cơ hoạt động êm dịu hơn nhờ mối liên kết giữa trục khủy và thanh truyền “mềm” hơn. Bên cạnh đó tỷ số nén của động cơ cũng có thể thay đổi linh hoạt từ 8:1 tới 14:1 tương ứng với khi đi trên đường cao tốc và khi đi trong phố. Trong điều kiện làm việc bình thường động cơ làm việc ở tỷ số nén 11:1.

Di chuyển nắp xilanh của Sabb.

images904994_b5

 Tại triễn lãm Geneva Motoshow 2000, Sabb đã giới thiệu công nghệ này tới công chúng tham dự. Tuy nhiên không giống hướng phát triển của Nissan, Sabb sẽ thay đổi tỷ số truyền của động cơ bằng cách di chuyển nắp xi lanh để tạo ra không gian thay đổi giữa piston và nắp xialnh để thay đổi tỷ số nén. Để thực hiện được điều này, trong thiết kế, nắp xilanh phải được làm bằng nguyên khối và toàn bộ thân máy được chia làm 2 phần, nửa trên bao gồm: xilanh, piston, trục cam và các chi tiết nằm trên nắp xilanh. Nửa dưới gồm các chi tiết còn lại của động cơ, hai nửa này được nối với nhau thông qua một chốt có thể xoay. Trong quá trình làm việc, khi muốn thay đổi tỷ số truyền thì toàn bộ phần nửa trên có thể nghiêng 40   nhờ  một cơ cấu thủy lực. Lúc này khoảng khoảng cách giữa đường tâm trục khủy và nắp xilanh thay đổi sẽ dẫn đến thay đổi thể tích buồng đốt tức là thay đổi tỷ số nén của động cơ. Trong mô hình này chiều dài của thanh truyền là không thay đổi.

Bên cạnh hai mô hình trên còn có các mô hình thay đổi tỷ số nén khác như: sử dụng piston và xupap phụ để thay đổi thể tích buồng đốt (Ford), thay đổi kết cấu của piston (Daimler-Benz) hay sử dụng biên dạng cam cho các cổ khủy (lắp với thanh truyền).

3. Tương lai nào chờ đón động cơ VCR?

Trên thực tế thì công nghệ VCR ko phải là mới mà đã được thử nghiệm hàng thập kỷ nay, thậm chí Sabb đã mang công nghệ này tới triển lãm Geneva Motoshow 2000. Tuy nhiên cho tới tận thời điểm này thì công nghệ này vẫn chỉ dừng lại ở mức thử nghiệm và vẫn chưa thể đưa lên các xe thương mại .

Trở ngại đầu tiên phải nói tới là kết cấu động cơ: những động cơ VCR có kết cấu phức tạp, nhiều chi tiết nên trước tiên sẽ gây ra khó khăn khi bố trí thiết kế, làm tăng trọng lượng của toàn bộ động cơ. Trong một vài mô hình thì loại động cơ này gây ra rung động lớn và có thể phải thay đổi hoàn toàn thiết kế so với động cơ hiện nay, điều này sẽ gây ra khó khăn đối với các nhà máy đang sản xuất động cơ thông thường.

Ngoài trở ngại về kết cấu thì với một số mô hình động cơ có tỷ số nén thay đổi có thể gây cản trở khí thải thoát ra bên ngoài làm cản trở quá trình cháy dẫn đến tăng lượng khí thải hydrocacbon.

Tuy có thể gặp một vài khó khăn và trở ngại nhưng không thể phủ nhận những ưu điểm nổi bật của động cơ VCR như: Cải thiện đáng kể hiệu suất của quá trình cháy từ đó giảm được đáng kể kích thước động cơ, sử dụng nhiên liệu linh hoạt cũng như giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường. Với những ưu điểm này, có lẽ trong khoảng thời gian không xa nữa động cơ này sẽ được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên điều mà mọi người chờ đợi là giá cả của những sản phẩm này khi ra thị trường có bù đắp được những ưu điểm này hay không mà thôi!

[Kỹ thuật – Tìm hiểu] Công nghệ tỷ số nén linh hoạt trên động cơ đốt trong
5 3 votes