Những bí quyết công nghệ độc đáo của Mazda SkyActiv

1. Động cơ SkyActiv có hệ số nén cao nhất 14:1
   
   Hệ số nén của động cơ đốt trong 4 kỳ là tỷ lệ giữa dung tích xy lanh ở cuối kỳ nạp, khi pít tông ở điểm thấp nhất (điểm chết dưới, ĐCD) , so với dung tích buồng đốt ở cuối kỳ nén, khi pít tông lên đến đỉnh điểm (điểm chết trên, ĐCT). Nói cách khác, là tỷ lệ giữa thể tích hòa khí được nạp và thể tích sau khi nén. Ở các động cơ cổ điển, tỷ lệ này là 8:1 (8 phần thể tích hòa khí, được nén còn 1 phần). Tỷ lệ nén càng cao, công suất động cơ càng mạnh. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà sản xuất ô tô đều tìm cách tăng hệ số nén của động cơ để gia tăng hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
    
   Động cơ hút khí tự nhiên, hệ số nén chỉ 8:1, 9:1, khi được cải tiến với công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp, hệ số nén của động cơ đốt trong đã tăng lên 10:1, một số ít động cơ đã đạt được 12:1. Và đây là ngưỡng các nhà sản xuất ô khác không vượt qua được vì nếu tăng thêm sẽ xẩy ra hiện tượng động cơ bị "gõ" hay bị "rùng" do nhiên liệu tự cháy trước khi pít tông lên đến ĐCT và bugi chưa kịp đánh lửa. Khi xảy ra hiện tượng nhiên liệu cháy sớm ngoài mong muốn, công suất động cơ sẽ bị giảm. Mazda là nhà sản xuất ô tô duy nhất trên thế giới khắc phục được hiện tượng hòa khí cháy trước khi bugi đánh lửa và tăng được hệ số nén lên 14:1. Bí quyết nào giúp Mazda làm được điều này?
    
   Các nhà sản xuất ô tô đã phát hiện được hiện tượng hòa khí tự cháy trước khi bu gi đánh lửa phụ thuộc vào các yếu tố: hệ số nén, nhiệt độ hòa khí. Do vậy để tăng hệ số nén cần phải giảm nhiệt độ của hòa khí ở kỳ nén.
   
   Ở kỳ nén, khi áp suất hòa khí tăng lên, nhiệt độ cũng tăng theo. Ví dụ nhiệt độ hòa khí ở cuối kỳ nạp là 97,5 độ C. Khi được nén 10:1, nhiệt độ sẽ tăng thêm 70 độ. Lúc píttông ở ĐCT chuẩn bị nổ giãn, nhiệt độ sẽ là 167,5 độ.
   
   Ở kỳ nổ, nhiệt độ và áp suất tăng vọt để đẩy pít tông xuống ĐCD. Trong quá trình này, nhiệt độ giảm dần xuống còn 750 độ C. Đây cũng là nhiệt độ của khí thoát.
   
   Theo lý thuyết, ở động cơ hệ số nén 10:1, cuối kỳ thoát sẽ còn lại trong buồng đốt 10% lượng khí thoát. Ở kỳ nạp, 10% khí thoát tồn dư nhiệt độ 750 độ C sẽ hòa với 90% khí trời có nhiệt độ trung bình 25 độ C, khiến cho nhiệt độ hòa khí ở đầu kỳ nén là [ 750 + (9 x 25)] : 10 = 97,5 độ C. Khi pít tông di chuyển lên ĐCT, áp suất ngày càng tăng, hòa khí sẽ tăng thêm 70 độ C, nhiệt độ lúc này sẽ là 167,5 độ.
   
   Tuy nhiên trên thực tế, nhiệt độ lúc này lên đến 200 độ C. Khi Ở nhiệt độ này, hòa khí có thể tự cháy nổ bất cứ lúc nào mà không cần tia lửa điện, gây ra hiện tượng cháy sớm ngoài mong đợi. Giải thích về sự khác biệt giữa nhiệt độ lý thuyết và thực tế các kỹ sư của Mazda đã xác định được nguyên nhân là lượng khí thải tồn dư trong xy lanh ở cuối kỳ thoát không phải là 1 mà là 1,5 hoặc cao hơn, đã làm tăng nhiệt độ : [ (750 x 1,5) + (9 x 25) ] : 10,5 = 128,57 độ C, cộng với nhiệt độ tăng thêm 70 độ C khi bị nén, khiến nhiệt độ lên đến 200 độ C.
   
   Nguyên nhân khiến lượng khí xả lưu lại trong buồng đốt nhiều hơn lý thuyết là do khí thoát của pít tông trước đó tác động lên cửa thoát của pít tông đang làm nhiệm vụ xả khí. Mazda giảm thiểu áp lực của pít tông thoát trước đến pít tông thoát sau bằng hệ thống xả 4-2-1 (4-2-1 exhaust system).
    

Tên đầy đủ là hệ thống xả 4-2-1-3. Đây là 4 xy lanh được đánh số theo thứ tự sẽ kế tiếp nhau trong kỳ xả. Dưới đây là sơ đồ 4 kỳ hoạt động của 4 xy lanh. 
 
             Xy lanh số 1     Xy lanh số 2     Xy lanh số 3    Xy lanh số 4
Kỳ 1          Nén                    Nổ                   Nạp               Xả
Kỳ 2          Nổ                     Xả                   Nén               Nạp
Kỳ 3          Xả                     Nạp                  Nổ                Nén
Kỳ 4          Nạp                    Nén                  Xả                Nổ
 

Mazda nhận thấy ở hệ thống khí xả cũ, đoạn nối 4 ống xả của 4 xy lanh đến điểm nối chung của ống xả cái đều ngắn và nhỏ. Điều này sẽ khiến cho áp suất của xy lanh đang xả chịu sự tác động của áp lực khí thoát của xy lanh trước đó.

Thí dụ, ở hệ thống ống xả ngắn, ở kỳ 3, xy lanh số 1 ở trạng thái xả, áp suất ở ống xả sẽ tăng lên đột ngột rồi giảm xuống từ từ theo tốc độ thoát khí. Đến kỳ 4, xy lanh số 1 sẽ chuyển sang trạng thái hút và xy lanh số 3 sẽ ở trạng thái thoát. Nhưng lúc này áp suất khí xả của xy lanh số 1 vẫn tác động đến ống thoát ở xy lanh số 3 khiến 1 phần khí xả đáng lẽ thoát ra được phải quay trở lại buồng đốt.

Để khắc phục, hệ thống xả 4-2-1 có ống xả lớn hơn và dài hơn, được bố trí sao cho đoạn kết nối giữa các ống xả 4-2, 2-1, 1-3, 3-4 là dài nhất (trên 60 cm). Đoạn ống xả nối giữa xy lanh số 2 và 3 tuy ngắn nhưng đây không phải là 2 xy lanh xả khí liên tiếp nhau. (ảnh 3, phần bên trái).

Sự tác động của lực thoát ở xy lanh trước đến xy lanh sau còn tùy thuộc vào vòng quay động cơ. Điển hình là sự tác động của áp lực xả ở xy lanh số 1 đến xy lanh số 3 (xem ảnh). Ở hệ thống ống xả kiểu cũ áp lực này tối đa trong khoảng vòng quay của động cơ từ 2.000 đến 8.000 vòng/phút (rpm). Đối với hệ thống ống xả 4-2-1, áp suất tối đa của khí xả xy lanh xả trước tác động lên xy lanh xả sau nằm trong khoảng tua máy từ 0 đến 2.000 vòng/phút, là vòng tua mà động cơ ít vận hành. Ở tua máy cao hơn 2.000 vòng / phút, là khoảng tua máy thường xuyên hoạt động, áp lực giảm đến mức tối thiểu (xem ảnh 3). Như vậy, công nghệ ống xả 4-2-1 giúp cho khí nóng thoát ra tối đa giảm được nhiệt độ hòa khí ở kỳ nạp.

Tóm lại, hệ thống ống xả 4-2-1 có tiết diện lớn hơn để giảm áp suất, dài hơn để áp lực khí xả tác động đến xy lanh kế tiếp phải chậm lại, không rơi vào đúng thời điểm van xả được mở. Việc kéo dài ống xả cũng giúp cho khí xả giảm được nhiệt độ trước khi tiếp xúc với chất xúc tác ở bình lọc khí thải, giúp cho tuổi thọ của các chất xúc tác được kéo dài và nâng cao hiệu quả của việc loại bỏ các chất khí độc hại.

Theo Mazda, việc nâng cao hệ số nén đã góp phần làm tăng 15% hiệu quả nhiên liệu và tăng 15% mô men xoắn khi động cơ vận hành ở vòng quay chậm và trung bình.

             Ảnh minh họa công nghệ chống hiện tượng nổ sớm ngoài ý muốn :

 
Supercapacitor