Không giống như động cơ xăng, động cơ diesel không có hệ thống đánh lửa vì quá trình đốt cháy hỗn hợp diesel-không khí diễn ra tự động dưới áp suất và nhiệt độ cao đạt được trong quá trình nén. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là động cơ diesel cần chạy tỷ số nén cao hơn. Tỷ số nén cao hơn đòi hỏi khối xi lanh và đầu xi lanh, piston, thanh truyền và ổ trục mạnh hơn để chịu được áp suất cao. Điều này giải thích tại sao động cơ diesel nặng hơn và vòng tua thấp hơn nhiều so với động cơ xăng. Do đó, giảm tỷ số nén trở thành xu hướng phát triển của động cơ diesel. Một thập kỷ trước, một động cơ turbo diesel điển hình chạy khoảng tỷ số nén 18:1. Hiện hầu hết đều sử dụng từ 16:1 đến 16,5:1, trong khi một số động cơ tiên tiến hơn thậm chí còn giảm xuống 15,5:1. Tuy nhiên, không loại động cơ nào trong số chúng có thể so sánh được với động cơ Skyactiv-D của Mazda, đạt tỷ số nén 14,0: 1 cực kỳ thấp. Thực sự thì nó giống như động cơ xăng Skyactiv-G.
Tính năng của SKYACTIV-D (Theo Mazda)
- Tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn 20% nhờ tỷ số nén thấp 14,0: 1
- Một bộ tăng áp hai giai đoạn mới tạo ra phản ứng tuyến tính và mượt mà từ tốc độ động cơ thấp đến cao, đồng thời tăng đáng kể mô-men xoắn cấp thấp và cấp cao (lên đến giới hạn vòng quay 5.200 vòng/phút)
- Tuân thủ các quy định về khí thải toàn cầu (Euro6 ở Châu Âu và các Quy định về dài hạn sau mới ở Nhật Bản), mà không cần xử lý NOx tốn kém
Vấn đề và cách khắc phục với động cơ diesel tỷ số nén thấp
Một điều ngăn cản việc sử dụng tỷ số nén thấp như vậy là khởi động nguội. Khi động cơ nguội, đặc biệt là ở nhiệt độ đóng băng, động cơ diesel rất khó khởi động. Theo truyền thống, điều này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng bugi sấy, làm nóng một phần của buồng đốt nơi nhiên liệu được phun vào. Tỷ số nén thấp hơn của Skyactiv-D chỉ làm cho vấn đề tồi tệ hơn vì nó tạo ra nhiệt độ thấp hơn trong buồng đốt. Nó cần bugi sấy bằng gốm hoạt động nhanh hơn để đối phó với khởi động nguội. Việc sử dụng kim phun nhiên liệu piezo nhiều lỗ, cho phép kiểm soát chính xác hơn thời điểm và kiểu phun nhiên liệu, cũng được cho là hoạt động tốt hơn khi khởi động lạnh.
Các kim phun piezo nhiều lỗ cho phép tạo ra nhiều kiểu phun. Độ chính xác về lượng và thời gian phun làm tăng độ chính xác của việc kiểm soát nồng độ hỗn hợp, đảm bảo khả năng khởi động lạnh. Về phần cứng, kim phun là loại có thông số kỹ thuật cao có khả năng phun tối đa 9 lần cho mỗi lần đốt. Cùng với ba cách phun cơ bản: phun trước, phun chính và phun sau, các kiểu phun khác nhau sẽ được thiết lập tùy theo điều kiện lái xe. Động cơ khởi động được ngay cả với tỷ số nén thấp là nhờ vào khả năng kiểm soát phun chính xác này và việc sử dụng bugi sấy bằng sứ.
Khi động cơ được khởi động, vẫn có khả năng xảy ra bỏ máy. Mazda tránh điều này bằng cách đưa van nâng biến thiên ở phía xả. Trong quá trình nạp, VVL mở nhẹ các van xả, hút khí thải nóng trở lại buồng đốt để tăng nhiệt độ. Khi đạt đến nhiệt độ hoạt động mong muốn, VVL có thể được hoàn nguyên về trạng thái bình thường. (Lưu ý: bây giờ chúng ta đã hiểu tại sao các phiên bản công suất cao của động cơ Volkswagen EA288 2.0 TDI sử dụng cam xả pha biến thiên).
Tối ưu hóa quá trình cháy, giảm NOx và muội than
Ngoài việc giảm trọng lượng, một lợi ích khác đó chính là khí thải. Trong động cơ diesel có độ nén cao, nhiên liệu được đốt cháy ngay khi được phun vào buồng đốt do áp suất và nhiệt độ cao. Điều này tạo ra ít thời gian để nhiên liệu lan tỏa khắp buồng đốt. Khi nhiên liệu không được trộn đủ với không khí, một số nhiên liệu không có oxy để phản ứng với và ngược lại. Do đó, quá trình đốt cháy không hoàn toàn và tạo ra rất nhiều muội than (các hạt cacbon) và NOx. Bây giờ với độ nén thấp hơn, Skyactiv-D cho phép đủ thời gian để nhiên liệu hòa trộn với không khí trước khi quá trình đốt cháy xảy ra. Do đó, nó vốn đã sạch hơn, tiết kiệm được nhu cầu về bộ lọc hạt đắt tiền và xử lý sau NOx.
Khi giảm tỷ số nén, nhiệt độ nén và áp suất ở ĐCT giảm. Do đó, quá trình đánh lửa diễn ra lâu hơn ngay cả khi nhiên liệu được phun gần ĐCT, cho phép hỗn hợp không khí và nhiên liệu hòa trộn tốt hơn. Điều này làm giảm bớt sự hình thành NOx và muội than vì quá trình đốt cháy trở nên đồng đều hơn mà không có khu vực nhiệt độ cao cục bộ và thiếu oxy. Hơn nữa, quá trình phun và đốt gần với ĐCT tạo ra động cơ diesel hiệu quả cao, trong đó lượng công thực tế lớn hơn (hoặc tỷ lệ giãn nở cao hơn) so với động cơ diesel có tỷ số nén cao.
Hơn nữa, theo các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hiện tại, động cơ diesel có độ nén cao có thể cần phải trì hoãn thời điểm phun để giảm chất ô nhiễm (điều này có nghĩa là quá trình phun diễn ra sau khi piston đã đạt đến điểm chết trên (ĐCT) và bắt đầu giảm dần, do đó cả áp suất và nhiệt độ đều giảm). Điều này làm rút ngắn hành trình giãn nở do đó lãng phí năng lượng (bạn có thể xem nó như ngược lại với động cơ chu trình Atkinson). Với độ nén thấp hơn, Skyactiv-D cho phép nhiên liệu được phun vào trước khi piston đạt ĐCT, duy trì hành trình giãn nở do đó thu được nhiều năng lượng hơn.
Giảm trọng lượng và ma sát cơ học
Do tỷ số nén thấp, áp suất đốt cháy trong xi lanh tối đa của SKYACTIV-D thấp hơn so với động cơ diesel hiện tại, giúp giảm trọng lượng đáng kể thông qua tối ưu hóa cấu trúc.
Ví dụ, có thể thay đổi vật liệu của khối xi lanh thành nhôm, giúp tiết kiệm 25kg (so với động cơ diesel hiện tại). Đầu xi-lanh nhẹ hơn 3kg với thành mỏng hơn và ống xả tích hợp. Về phần pittông, trọng lượng của pittông giảm 25%.
Trục khuỷu có đường kính khuỷu trục chính giảm từ 60mm xuống 52mm, giảm 25% trọng lượng. Ma sát thấp hơn và khối lượng pittông nhẹ hơn, ngoài việc sử dụng tăng áp 2 giai đoạn, nâng vòng tua tối đa của nó từ 4500 vòng/phút lên 5200 vòng/phút. Do đó, động cơ diesel có độ nén thấp hoạt động giống động cơ xăng hơn bao giờ hết.
Mô-men xoắn cao hơn, Khí thải sạch và Tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn với Bộ tăng áp hai giai đoạn
Bộ tăng áp đóng góp rất nhiều vào mô-men xoắn cao của động cơ diesel, và chúng cũng không thể thiếu trong việc giảm lượng khí thải và tiêu thụ nhiên liệu. SKYACTIV-D sử dụng bộ tăng áp hai giai đoạn, trong đó một tăng áp nhỏ và một tăng áp lớn được vận hành có chọn lọc tùy theo điều kiện lái xe. Công nghệ này đạt được mô-men xoắn và phản ứng cao ở tốc độ thấp và công suất cao ở tốc độ cao. Hơn nữa, do hiệu ứng tổng hợp với tỷ số nén thấp, quá trình đốt cháy theo thời gian tối ưu được thực hiện với lượng phát thải muội và NOx thấp vì có thể đảm bảo đủ lượng không khí (oxy).
Động cơ Advanced SKYACTIV-D 2.2
Advanced SKYACTIV-D 2.2 là một biến thể nâng cấp của SKYACTIV-D. Advanced SKYACTIV-D 2.2 (SKYACTIV-D 2.2 tiên tiến, cải tiến hay nâng cao) của Mazda giúp tăng cường khả năng lái mượt mà, nhạy bén và mạnh mẽ thông qua bộ tăng áp kép biến thiên cải tiến. Hiệu quả, sự yên tĩnh và sạch sẽ cũng được cải thiện thông qua phương pháp đốt cháy độc đáo của Mazda.
Bộ tăng áp kép hai giai đoạn với hình dạng tuabin thay đổi được (biến thiên).
Hệ thống tăng áp kép giúp tăng cường khả năng lái nhạy bằng cách tối ưu hóa luồng khí nạp đến động cơ. Hình dạng tuabin biến thiên giúp tăng cường công suất và mô-men xoắn một cách hiệu quả và liền mạch bằng cách điều chỉnh độ rộng giữa các cánh để tối ưu hóa dòng khí. Khả năng tăng tốc mượt mà và nhạy bén được trải nghiệm trong suốt phạm vi vòng tua máy.
Đốt cháy nhiều giai đoạn nhanh chóng
Số lượng phun nhiên liệu nhỏ và chính xác cao tạo ra quá trình đốt cháy nhiều giai đoạn nhanh chóng trong điều kiện lái xe bình thường.
Cải tiến 1: Đốt cháy nhanh hơn
Thông qua thời gian phun nhiên liệu được tối ưu hóa, phun nhiều lần hơn, giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu
Cải tiến 2: Đốt sạch hơn
Thông qua việc phun nhiên liệu mịn hơn, hòa trộn tốt, cháy hiệu quả giúp giảm lượng khí thải động cơ
Đổi mới 3: Đốt cháy dần dần, từng bước một
Thông qua nhiều lần phun nhiên liệu nhỏ hơn, giúp giảm tiếng ồn động cơ
Cải tiến 4: Buồng Đốt nhỏ gọn, phân tầng
Thông qua việc phun nhiên liệu chính xác, giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu
Skyactiv-D cải tiến với quá trình đốt cháy đa giai đoạn nhanh chóng và bộ tăng áp biến thiên hình học giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu, độ yên tĩnh, khí thải và hiệu suất.
Theo Mazda và các tài liệu kỹ thuật liên quan
