“SkyActiv” là tên gọi mà các kỹ sư của hãng Mazda đặt cho một loạt các công nghệ của họ từ động cơ cho đến khung gầm, hộp số… Trong đó có công nghệ nổi tiếng trên động cơ xăng “SkyActiv G”.

Trong khi thế giới đang dần chuyển sang động cơ điện thì công nghệ SkyActiv của Mazda trên động cơ xăng lại đang đi theo hướng phát huy tối đa tiềm năng của động cơ đốt trong trước khi chuyển sang thời kì của động cơ điện. Phần lớn các nhà sản xuất ô tô khác tập trung nghiên cứu phát triển xe Hybrid và xe điện, Mazda tập trung vào việc phát triển những công nghệ đặc biệt nhằm phát huy tiềm năng của kỷ nguyên động cơ đốt trong.

​

Động cơ SkyActiv trên các dòng xe chạy xăng của Mazda

Theo các nhà nghiên cứu của Mazda, mặc dù thế giới đã liên tục được cải tiến hàng trăm năm qua, nhưng động cơ đốt trong chỉ mới tận dụng được khoảng xấp xỉ 30% khi đốt cháy nhiên liệu để biến thành động năng vận hành các bánh xe. Phần còn lại do hiệu suất đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt hoặc tỏa nhiệt vô ích ra môi trường. Vì vậy công nghệ SkyActiv của Mazda xuất hiện giúp phát huy tối đa tiềm năng của động cơ đốt trong trước khi phải tận dụng công nghệ động cơ điện.

Các công nghệ then chốt tạo nên SkyActiv:

1. 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 xăng 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 hành trình phát triển của động cơ đốt trong, 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 xăng hút khí tự nhiên, hệ số nén chỉ 8:1 đến 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 được xem là ngưỡng mà các nhà sản xuất ô tô khác không vượt qua được vì nếu tăng thêm sẽ xảy ra hiện tượng động cơ bị kích nổ 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. Con số cao nhất thế giới hiện nay đối với động cơ xăng.

2. Phun nhiên liệu trực tiếp đa điểm

Các nhà sản xuất ô tô hạ nhiệt độ buồng đốt bằng công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp vào xy lanh. Kết quả, với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp, các nhà sản xuất ô tô đã nâng được hệ số nén từ 8:1 lên 11:1 và 12:1.

Công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp đa điểm trên động cơ SkyActiv

Nhưng công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp của Mazda hoàn toàn khác với những nhà sản xuất ô tô khác. Trong khi những nhà sản xuất ô tô khác sử dụng công nghệ nạp nhiên liệu phân tầng thì Mazda sử dụng công nghệ nạp nhiên liệu đồng nhất. Điểm khác biệt ở 2 công nghệ này là: Công nghệ phun nhiên liệu phân tầng phun nhiên liệu ở kỳ nén vào giữa xy lanh, điểm gần với bugi nhất. Hòa khí sẽ phân thành 2 lớp: ở khu vực gần bugi, nồng độ nhiên liệu cao; Ở xa bu gi, hòa khí nghèo nhiên liệu hơn. Kết quả là khi đánh lửa, hòa khí được cháy gần như trọn vẹn.

Ở công nghệ phun nhiên liệu đồng nhất SkyActiv, xăng được phun vào kỳ nạp bằng đầu phun nhiều vòi (phun nhiên liệu đa điểm), nhờ đó xăng được xé tơi thành hơi sương và hòa trộn dễ dàng với không khí, các hạt bụi xăng có kích thước cực bé nhanh chóng bay hơi, hấp thu nhiệt lượng và hòa khí trở thành đồng nhất. Hỗn hợp đồng nhất ở dạng hơi sẽ giúp cho quá trình cháy xảy ra kiệt hơn và nâng cao được hiệu suất đốt nhiên liệu. Công nghệ nạp nhiên liệu đồng nhất với đầu phun nhiều vòi cũng giúp hạ nhiệt độ buồng đốt.

3. Hệ thống xả 4-2-1

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.

​

Thiết kế ống xả kiểu mới trên động cơ SkyActiv

Trong quá trình nghiên cứu, các kỹ sư của 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 xả khí. 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 phải thoát ra lại 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.

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. 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.

​

Vùng màu xám : áp suất khí xả tồn dư. Các đường chéo xanh lá cây, đen, tím: vòng tua máy 2.000, 4.000, 8.000 rpm.

4. Pít tông đỉnh lõm​

Với cảm nhận thông thường, chúng ta có cảm tưởng phản ứng cháy nổ của hỗn hợp nhiên liệu không khí xảy ra tức thì, ngay khi bugi phát ra tia lửa điện. Trên thực tế, phản ứng cháy cần thời gian để lan truyền từ vị trí tia lửa điện đến khu vực ở xa hơn trong buồng đốt. Vận tốc cháy lan thậm chí còn chậm hơn vận tốc di chuyển của pít tông từ “điểm chết trên” xuống “điểm chết dưới”. Khi động cơ vận hành ở vận tốc cao, nhiên liệu chưa kịp cháy hết bị thoát ra môi trường. Để khắc phục nhược điểm này, ở động cơ hút khí tự nhiên đã điều chỉnh đánh lửa sớm trước khi pít tông đạt đến ĐCT, giải pháp này tuy đem lại hiệu quả đốt cháy nhiên liệu, nhưng chưa cao.

​

Pít tông có đỉnh lõm trên động cơ SkyActiv

Để tăng thêm lượng hòa khí được đốt cháy, nhiều nhà sản xuất ô tô bổ sung thêm giải pháp phun nhiên liệu phân tầng để tập trung hơi xăng vào gần bugi. Các kỹ sư của Mazda thay vào đó sử dụng pít tông có vùng lõm ở giữa để ép hòa khí vào gần tia lửa điện của bu gi. Kết quả của giải pháp này đã làm tăng đáng kể hiệu quả đốt cháy nhiên liệu nhiên liệu trên động cơ xăng.

Bên cạnh đó động cơ SkyActiv còn giảm thiểu khoảng 30% ma sát của các chi tiết máy vì thế nâng cao được tuổi thọ và giảm tiêu hao nhiên liệu. Đồng thời động cơ được tinh giảm chi tiết để giảm khoảng 10% khối lượng so với các thế hệ động cơ cũ. 

Nguồn: oto-hui.com