Vào mùa hè năm 2017, Mazda đưa ra thông báo:Công ty ô tô đã tìm ra cách chế tạo động cơ xăng đánh lửa nén cho xe du lịch. Mazda tuyên bố động cơ mới của họ có thể cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu từ 20 đến 30%, đây là một thành tựu đáng kể đối với động cơ xăng.
Trước khi đi sâu vào công nghệ này, cần lưu ý rằng động cơ đánh lửa nén không phải là một khái niệm mới. Xe công thức 1 sử dụng động cơ đánh lửa bằng nén, và một số nhà sản xuất ô tô khác đã cố gắng phát triển một phiên bản thương mại cho xe du lịch. Nhưng động cơ của Mazda, được đặt tên là Skyactiv-X, sẽ là động cơ được sản xuất hàng loạt và thương mại đầu tiên thuộc loại này. Nhờ Jay Chen, một kỹ sư hệ thống truyền động của Mazda, HowStuffWorks đã có thể tìm hiểu cách thức đạt được bước đột phá này. Tuy nhiên, trước tiên, chúng ta phải xem xét các chức năng cơ bản của động cơ.
Động cơ hoạt động bằng cách đốt cháy nhiên liệu theo hai cách:nhiệt và nén. Động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện được tìm thấy trong hầu hết các xe ô tô chạy xăng. Ở các loại động cơ này, bugi đánh lửa để đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt, đồng thời hỗn hợp nhiên liệu và không khí cũng đang được nén lại. Tất nhiên, đây là một phiên bản rất đơn giản của quy trình, chỉ để minh họa sự khác biệt chính giữa hai loại động cơ. Động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện tuân theo một chu kỳ và yêu cầu thời gian chính xác để hoạt động, nhưng nói chung là đáng tin cậy trong nhiều điều kiện khác nhau [nguồn:Knight].
Động cơ đánh lửa nén hoạt động giống động cơ diesel hơn. Động cơ diesel được thiết kế để có độ nén cao hơn nhiều (đòi hỏi các thành phần nặng hơn và kết cấu chắc chắn hơn) và sử dụng phích cắm phát sáng làm nguồn nhiệt thay vì bugi. Phích cắm phát sáng làm nóng buồng nén, do đó làm tăng sức nén trong buồng. Khi nhiên liệu được thêm vào buồng, nó sẽ phun qua đầu của phích cắm phát sáng, nhưng quá trình này phụ thuộc vào lực nén nhiều hơn là sự tiếp xúc của nhiên liệu và phích cắm. Việc thiếu "tia lửa" giúp động cơ diesel đạt được xếp hạng EPA cao hơn so với động cơ xăng có thông số kỹ thuật tương tự [nguồn:Stewart].
Nếu chúng ta đang tập trung vào khí đốt, bạn có thể tự hỏi, giải thích cách thức hoạt động của động cơ diesel là gì? Đơn giản, để minh họa tầm quan trọng của nén. Cách tốt nhất để cải thiện động cơ xăng là tìm ra cách tăng độ nén, giúp động cơ sử dụng nguồn cung cấp nhiên liệu hiệu quả hơn.
Động cơ xăng đốt cháy do nén kết hợp các bộ phận tốt nhất của các quá trình này. Động cơ được lập trình để giữ không khí (điển hình là khí thải của động cơ) trong xi lanh động cơ bằng cách điều chỉnh thời điểm của van xả và van nạp. Các kim phun nhiên liệu bổ sung nhiên liệu vào khí thải bị mắc kẹt này, và vì hỗn hợp bị mắc kẹt dưới độ nén rất cao, nên một lượng nhiên liệu tương đối nhỏ có thể bốc cháy.
Động cơ đánh lửa nén thậm chí có thể được chia thành hai loại khác nhau [nguồn:Lindberg].
Sự khác biệt chính giữa hai động cơ này là điểm trong quá trình mà nhiên liệu được bổ sung, đạt được thông qua việc điều chỉnh chu kỳ và thời gian của động cơ. Nếu không, các động cơ hoạt động tương tự; nén là yếu tố quan trọng nhất.
Động cơ đánh lửa nén có một số ưu điểm và ít nhất cũng có nhiều nhược điểm. Trong số các lợi ích của nó là:
Kỹ sư hệ thống truyền động của Mazda, Jay Chen, giải thích:“Như một sự tương tự thô thiển, đánh lửa giống như bắt lửa bằng cách chỉ thắp sáng một mép của tờ báo và để ngọn lửa dần dần leo qua mặt giấy,” kỹ sư hệ thống truyền động của Mazda, Jay Chen, giải thích qua email. "[Đánh lửa nén] giống như quá trình đốt cháy tự phát trong đó nhiên liệu và không khí đã đạt đến áp suất và nhiệt độ tới hạn, và toàn bộ điện tích thay đổi giai đoạn cùng một lúc, do đó giải phóng tất cả năng lượng cùng một lúc. Bằng cách giải phóng tất cả năng lượng gần như cùng một lúc, [ đánh lửa nén] có thể trích xuất nhiều năng lượng hơn (vì nó xảy ra tốt trước khi tỷ lệ giãn nở được sử dụng hết) từ cùng một lượng không khí trong khi sử dụng ít nhiên liệu hơn hai đến ba lần và ở nhiệt độ đốt mát hơn nhiều, điều này làm giảm hơn nữa năng lượng nhiệt lãng phí và sự hình thành khí thải . "
Nghe có vẻ tuyệt vời, phải không? Vấn đề là những động cơ này thực sự phức tạp - nếu chúng dễ thiết kế và sử dụng, chúng tôi sẽ lái chúng ngay bây giờ. Ngay cả khi bạn không quen thuộc với động cơ diesel, bạn có thể đã nghe nói rằng chúng có thể gây bất tiện trong điều kiện dưới mức tối ưu. Một phần là do bản thân nhiên liệu diesel, có xu hướng "đóng rắn" ở nhiệt độ rất lạnh. Chúng tôi không gặp vấn đề đó với xăng, loại xăng này vẫn ở dạng lỏng ngay cả trong điều kiện dưới mức đóng băng. Tuy nhiên, quá trình đánh lửa nén vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi thời tiết và các điều kiện xung quanh khác, cũng như các yếu tố khác như chất lượng của nhiên liệu.
Chen cho biết:“Cho đến nay, động cơ đốt trong đánh lửa bằng nén chỉ tồn tại trong điều kiện phòng thí nghiệm ổn định hoặc các nguyên mẫu xe thô sơ quá thô để có thể áp dụng vào sản xuất,” Chen nói.
Nói cách khác, nếu áp suất và nhiệt độ trong xi lanh không được duy trì cẩn thận, quá trình này sẽ không hoạt động. Nhiệt độ quá lạnh có thể làm hỏng các bộ phận nhạy cảm của động cơ. Nếu động cơ quá nóng, động cơ có thể nổ máy - một tình trạng xảy ra khi hỗn hợp nhiên liệu-không khí quá nóng và kích nổ không đúng lúc, gây lãng phí nhiên liệu và dẫn đến động cơ hoạt động kém. Động cơ đánh lửa cũng có thể quá lạnh hoặc quá nóng, nhưng có biên độ sai số cao hơn nhiều.
Việc làm cho động cơ đánh lửa nén hoạt động đáng tin cậy phụ thuộc vào sự kết hợp chính xác giữa không khí, nhiên liệu và khí thải được trộn theo tỷ lệ hoàn hảo, ở độ nén hoàn hảo, với lượng nhiệt phù hợp được áp dụng vào đúng thời điểm. Như chúng ta đã biết, chưa ai có thể chế tạo được một chiếc ô tô với động cơ đốt cháy bằng khí nén, vì vậy quá trình này cần được hoàn thiện hơn nữa.
Ngay sau tuyên bố của Mazda, các chuyên gia trong ngành ô tô bắt đầu suy đoán liệu động cơ đánh lửa nén trên thị trường đại trà có thể "tiết kiệm" động cơ xăng hay không. Có nghĩa là, khi ngành công nghiệp chuyển đổi nhiều hơn sang công nghệ hybrid và điện, liệu động cơ khí này có đủ hiệu quả để trở thành một đối thủ khả thi không?
Chen cho biết Mazda được thúc đẩy bởi niềm tin rằng, "bằng cách tận dụng từng chút hiệu suất của động cơ đốt trong (kết hợp với quá trình điện khí hóa khi động cơ đốt trong được hoàn thiện), chúng tôi có thể đưa ra một phương pháp cung cấp năng lượng tốt cho ô tô trong thế kỷ này có khả năng tạo ra lượng khí thải CO2 tương đương hoặc ít hơn như các phương tiện chạy bằng pin thuần túy chạy bằng pin từ các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch ở nhiều dạng khác nhau. "
Nói cách khác, Mazda cho rằng với sự đổi mới liên tục, một chiếc ô tô chạy bằng động cơ xăng ít nhất có thể hiệu quả như một chiếc ô tô điện và thậm chí có thể hơn thế nữa. Hãy cùng xem bước đột phá trong công nghệ đánh lửa bằng nén này khác với những đột phá trước đó như thế nào.
Năm 2007, Motor Trend đã lái chiếc Saturn Aura chạy bằng động cơ đánh lửa nén, giúp giảm 15% mức tiêu thụ nhiên liệu so với chiếc Aura thông thường [nguồn:Markus]. Vào thời điểm đó, GM dự kiến sẽ phát hành một chiếc xe với động cơ đánh lửa nén vào năm 2015, nhưng thương hiệu Saturn đã bị đóng cửa chỉ vài năm sau đó, và GM dần chuyển hướng tập trung vào các loại xe hybrid và plug-in chạy bằng điện như Chevrolet Volt.
Cũng trong khoảng thời gian đó, Mercedes-Benz đang nghiên cứu hệ thống đánh lửa nén có tên là DiesOtto, và Ford cũng đang có một dự án phát triển [nguồn:Estrada]. Tuy nhiên, cả hai động cơ này đều không được bật đèn xanh cho việc sản xuất và kinh nghiệm của Hyundai có thể giúp giải thích tại sao [nguồn:Markus].
Ngoài Mazda, Hyundai có lẽ đã đạt được nhiều tiến bộ nhất, với những nỗ lực lần đầu tiên được đưa ra ánh sáng vào khoảng năm 2013 [nguồn:Markus]. Công ty đã thiết kế phiên bản động cơ đánh lửa nén không có bugi hoặc bugi phát sáng, với ngày phát hành mục tiêu là năm 2023.
Mặc dù có những tiến bộ đầy hứa hẹn, vào năm 2016, Hyundai đã tiết lộ rằng các thành phần động cơ không đủ mạnh để đối phó với độ nén cần thiết cho quá trình hoạt động. Tất nhiên, có thể thiết kế các thành phần động cơ mạnh hơn, cụ thể là khối, tay quay và vòng bi; đó là cách động cơ diesel hoạt động. Nó chỉ là rất đắt, và những thành phần mạnh hơn đó làm tăng thêm trọng lượng cho chiếc xe và làm giảm hiệu quả tổng thể của nó. Hyundai đã lên kế hoạch sử dụng một bộ tăng áp để tăng công suất và duy trì độ nén cần thiết, nhưng họ phát hiện ra rằng họ cũng sẽ cần một bộ siêu nạp, điều này khiến ngân sách càng bị phá vỡ. Và cuối cùng, Hyundai đã không hài lòng với lượng ô nhiễm do các hệ thống truyền lực này tạo ra. Cuối cùng, dự án tốn kém hơn nhiều và gần như không sạch sẽ và hiệu quả như kế hoạch [nguồn:Markus].
Các nỗ lực phát triển của Mazda đã diễn ra gần như lâu dài như các đối thủ cạnh tranh.
"Skyactiv-X luôn nằm trong kế hoạch kể cả trước khi Skyactiv thế hệ đầu tiên được ra mắt", kỹ sư Chen của Mazda giải thích. "Bước đầu tiên trong lộ trình này là Công nghệ Skyactiv của Mazda [được] giới thiệu vào năm 2009. Cải tiến quan trọng tại thời điểm đó là việc áp dụng tỷ số nén động cơ cao bất thường để tăng hiệu suất tổng thể của động cơ cũng như hiệu suất của hệ thống truyền lực. Điều này đạt được thông qua một sự kết hợp hiệp đồng của các kỹ thuật hiện có được áp dụng với nhau để đạt được điều mà (cho đến lúc đó) được cho là không thể đối với các động cơ sản xuất. "
Theo thuật ngữ của người dân:"Skyactiv" là thuật ngữ chỉ chiến lược tăng cường lực nén để tăng hiệu suất của Mazda, và Mazda đã phải mày mò một chút để có được Skyactiv-X sắp tới hoạt động. Kết quả của việc mày mò đó, Mazda đã thêm một bugi vào hỗn hợp, để động cơ có thể chuyển đổi giữa nén và đánh lửa tùy thuộc vào loại nào hiệu quả nhất vào thời điểm đó. Điều này nghe có vẻ như nó đi ngược lại những điều cơ bản của công nghệ động cơ nén cao, nhưng Chen nói rằng nó hoạt động.
"Bước đột phá này, chúng tôi gọi là đánh lửa nén điều khiển bằng tia lửa (SPCCI), đã mở rộng đáng kể phạm vi hoạt động và điều khiển đánh lửa nén có thể sử dụng được cũng như cung cấp giải pháp cho sự chuyển đổi liền mạch giữa CI [đánh lửa nén] và SI [đánh lửa bằng tia lửa] Chen nói.
Nói một cách đơn giản hơn, bugi là thành phần kỳ diệu giúp động cơ vận hành trơn tru và điều chỉnh trong các điều kiện khác nhau, và nó sẽ chỉ được sử dụng khi thực sự cần thiết. Động cơ của Mazda được thiết kế để tự giám sát và điều chỉnh hoạt động của nó dựa trên các yếu tố như điều kiện môi trường hiện tại, cách xe đang được lái cũng như sở thích và cài đặt của người lái [nguồn:Estrada].
Sau khi Mazda đưa ra ý tưởng này, hãng đã phải mất thêm hai năm để phát triển động cơ, trong thời gian đó, một quyết định quan trọng khác đã được đưa ra. Những chiếc xe được trang bị động cơ Skyactiv-X sẽ có bộ siêu nạp để tăng thông số mã lực, giúp cải thiện động lực lái và giúp thuyết phục người mua tiềm năng có cơ hội sử dụng công nghệ mới này [nguồn:Estrada].
Câu hỏi lớn cuối cùng - khi nào người lái xe có thể nhìn thấy nó? Người phát ngôn của Mazda nói rằng công ty vẫn chưa thể tiết lộ những chiếc xe nào sẽ là chiếc đầu tiên được trang bị động cơ Skyactiv-X hoặc khi nào chúng sẽ có mặt trên thị trường. Chúng tôi cũng không biết liệu các loại xe chạy bằng động cơ đánh lửa nén sẽ có giá cao hơn các loại xe tương đương với động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện hay không. Tuy nhiên, có thể an tâm để suy đoán rằng trong khi Mazda sẽ là hãng đầu tiên tiếp thị công nghệ này, các nhà sản xuất khác gần như chắc chắn sẽ làm theo.
Không giống như nhiều đồng nghiệp của tôi, tôi không đặc biệt lo lắng về việc "tiết kiệm xăng", mặc dù điều đó có thể giúp đảm bảo công việc. Có lẽ tôi nên ích kỷ hơn một chút về điều đó, nhưng tôi quyết định viết về động cơ đánh lửa nén đơn giản vì tôi bị hấp dẫn bởi bất kỳ cải tiến nào có thể giúp làm cho một chiếc xe hiệu quả hơn.
Vì lý do đó — tính bền vững nói chung - tôi háo hức lái thử một chiếc xe có động cơ đánh lửa nén ngay khi chúng có sẵn. Giống như xe hybrid và xe điện, tôi nghĩ sẽ có rất nhiều cuộc thảo luận về việc liệu những phương tiện này có đủ mạnh hay không. Thành thật mà nói, tôi nghi ngờ một người bình thường sẽ không thể phân biệt được sự khác biệt. Có rất nhiều cách để khiến một chiếc xe trở nên thú vị khi lái ngoài việc chỉ đơn giản là làm cho nó trở nên mạnh mẽ nhất có thể, và đó là một lĩnh vực mà Mazda vượt trội.
Cách hệ thống quản lý nhiên liệu hoạt động
Cách động cơ xe hoạt động
Cách thức hoạt động của máy bơm khí rô bốt
Cách ngăn tiền gửi động cơ