Công nghệ động cơ đốt trong không trục cam

Như các bạn đã biết, trong một động cơ đốt trong thông thường từ trước đến giờ, trục cam là một bộ phận không thể thiếu và đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động của khối động cơ. Tuy nhiên, hãng siêu xe Koenigsegg của Thụy Điển và gần đây là hãng BYD của Trung Quốc đã cho ra mắt một công nghệ động cơ hoàn toàn mới khi loại bỏ hoàn toàn trục cam : camless.

Công nghệ động cơ đốt trong không trục cam

Thay thế cho trục cam, một hế thống bơm thủy lực được điều khiển bằng điện tử sẽ được trang bị trên mỗi van đóng/mở ở từng buồng xi-lanh. Cả Koenigsegg và BYD đều tin rằng, việc loại bỏ các chi tiết cơ khi và thay bằng các hệ thống điều khiển điện tử chính xác, sẽ giúp tăng đáng kể hiểu suất của động cơ, qua đó tiết kiệm nhiên liệu hơn và ít ô nhiễm hơn. Ước tính có thể giảm độ tiêu thụ nhiên liệu từ 12-17%. Đây là một con số tương đối lớn nếu so với các phương pháp cải thiện hiệu năng động cơ đã được áp dụng ngày nay (mà bạn có thể tìm hiểu trong bài “Top 10 cải tiến động cơ đốt trong” tại đây).

Một thông tin nhỏ đó là đến giờ công nghệ này mới được hé lộ, nhưng ý tưởng về một động cơ không trục cam thì đã có từ khá lâu và Koenigsegg đã bỏ ra khoảng 13 năm để nghiên cứu về công nghệ này trước khi cho ra mắt thành phẩm. Câu hỏi là : BYD đã bỏ ra bao lâu để làm điều tương tự ? liệu có sự sao chép nào ở đây hay không ?

Nếu như trước đây, trục cam là một bộ phận không thể thiếu trong mỗi động cơ đốt trong, do đó, để tối ưu hoạt động của các van nạp/xả, các hãng xe lần lượt cho ra mắt công nghệ trục cam linh hoạt (variable camshaft) giúp tăng giảm thời gian đóng mở van tùy theo tình trạng xe (van mở rộng khi xe tăng tốc hoặc leo dốc và mở vừa phải khi trên đường bằng hoặc đổ dốc). Honda đi tiên phong với công nghệ VTEC, Toyota có VVT-i, BMW có VANOS, v.v…

Sau một thời gian dài phát triển, công nghệ này ngày nay vẫn tồn tại những nhược điểm mà một trong số đó, rõ ràng nhất đó là quá trình đóng/mở van nạp/xả không diễn ra ngay lập tức. Cụ thể, do được thực hiện bằng các thao tác cơ khí, trạng thái đóng/mở hoàn toàn không diễn ra tức khắc, mà tồn tại một khoảng thời gian nhất định khi 2 van ở trong quá trình đóng/mở một phần, đồng nghĩa với việc lượng chế hòa khí vào và lượng khí thải đi ra không được tối ưu. Tuy rất ngắn, nhưng lặp đi lặp lại trong quá trình động cơ hoạt động sẽ dẫn đến ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của động cơ.

Thì giờ đây, với Koenigseggs và BYD là hai hãng tiên phong, những mẫu động cơ không cần trục cam có thể sẽ mở ra một hướng phát triển mới cho động cơ đốt trong và xe chạy nhiên liệu thô truyền thống nhằm đáp trả lại sự phát triển mạnh mẽ của các loại xe chạy năng lượng sạch. Koenigseggs đặt tên công nghệ này là FreeValve còn BYD là QamFree.

Cụ thể, mỗi van nạp/xả sẽ được tích hợp một bộ phận bơm thủy lực được điều khiển bằng điện tử. Việc điểu khiển riêng biệt từng van tuy khiến khâu quản lý, điều phối sự đóng mở của hệ thống van nói chung trở nên phức tạp hơn. Theo đó, trên động cơ sẽ được tích hợp vi xử lý để có thể giúp tính toán và quản lý quá trình này. Tuy nhiên một khi có thể làm chủ được điều này, việc kiểm soát thời điểm đóng/mở của từng van, độ sâu khi từng van mở được chính xác, toàn diện và hiệu quả hơn.

Lợi ích của việc này dễ thấy nhất là tăng hiệu suất của động cơ, nhưng xa hơn là giúp các hãng sản xuất động cơ có thêm 1 hướng đi tiềm năng mới cho việc “downsizing” động cơ. Các động cơ sử dụng công nghệ “camless” trở nên hiệu quả hơn và vì hiệu quả hơn nên động cơ có dung tích nhỏ hơn có khả năng đạt hiệu suất tương đương với các động cơ có dung tích lớn hơn. Nếu kết hợp cùng các công nghệ khác như bộ tăng áp, các động cơ từ 1.5l trở xuống sẽ trở nên mạnh mẽ chả kém gì những động cơ 3.0-4.0l. Giảm dung tích động cơ cũng giúp các hãng xe giảm lượng khí thải và tiêu thụ nhiên liệu qua đó đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của các tiêu chuẩn an toàn mới.

Về hệ thống bơm thủy lực, áp suất được duy trì ở mức 3-16 bar (44-232 psi). Hệ thống có thể điều chỉnh van mở với độ sâu 8mm trong vòng 5 mili-giây với độ sâu max đạt 14mm. Hệ thống bơm có thể vận hành ở vận tốc trục quay 8000 vòng/phút. Hệ thống chiếm 1 thể tích chỉ bằng 1 nửa so với hệ thống trục cam DOHC 4 van truyền thống, và giảm 30% về khối lượng.

Tất nhiên, chúng ta phải tính toán đến nhược điểm của hệ thống này đó là động cơ cần được trang bị thêm 1 máy bơm dầu, 1 máy nén khí và năng lượng để vận hành những thiết bị này (năng lượng để vận hành máy nén khí tăng theo vận tốc của động cơ, ở những dải vận tốc cao có thể tiêu thụ nhiều năng lượng hơn hệ thống trục cam thông thường). Tuy nhiên, theo tính toán thì công nghệ này vẫn chiếm lợi thế khi loại bỏ được phần lớn các chi tiết cơ khí qua đó giảm đáng kể ảnh hưởng của lực ma sát lên hiệu năng của động cơ.