Những bước tiến vượt bậc trên động cơ dầu của Toyota

Ngày nay, nhờ những tính chất đặc biệt của động cơ diesel mà chúng được sử dụng rộng rãi trong hoạt động công nghiệp và cuộc sống hàng ngày như hiệu suất hoạt động cao hơn động cơ xăng (1,5 lần), mức tiêu hao nhiên liệu ít hơn, an toàn, tiết kiệm nhưng bên cạnh đó vẫn còn một số “điểm trừ”: ồn và xả ra nhiều khí độc.

Từ giữa năm 2015, Toyota đã công bố những thông tin về thế hệ động cơ diesel mới mà hãng sẽ tung ra vào năm 2016, thế hệ động cơ này sẽ có những thay đổi quan trọng giúp tăng hiệu suất hoạt động nhưng vẫn đảm bảo lượng khí thải ở mức cho phép. Theo đó, dung tích động cơ sẽ thay đổi từ 2.5L và 3.0L xuống còn 2.4L và 2.8L, kí hiệu lần lượt là 2GD-FTV và 1GD-FTV. Liệu đây có phải một bước “cải lùi” ?

Nếu đi sâu vào vấn đề, chúng ta sẽ thấy Toyota giảm dung tích động cơ nhưng kèm theo những cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất:

+ Công nghệ vách cách nhiệt TSWIN.

+ Bổ sung bộ tăng áp.

+Công nghệ giảm phát khí thải độc hại.

Vách cách nhiệt TSWIN (Thermo Swing Wall Insulation Technology)

Như chúng ta đã biết, động cơ diesel hoạt động dựa trên nguyên lý 4 kì: nạp, nén, nổ và xả. Ở kỳ nạp, không khí được hút vào buồng đốt, sau đó piston nén không khí ở áp suất và nhiệt độ cao. Ở cuối kì nén. kim phun sẽ phun nhiên liệu vào buồng đốt, khi đó hòa khí (không khí và nhiên liệu) sẽ bốc cháy và dãn nở từ đó sinh công (kì nổ).

Những bước tiến vượt bậc trên động cơ dầu của Toyota
​Sự sáng tạo trong thiết kế piston và công nghệ TSWIN giúp bảo toàn được nhiệt năng trong buồng đốt.

Cụm từ “Vách cách nhiệt” khiến người nghe hình dung đến vách cách nhiệt ở buồng đốt nhưng thật ra không phải. Nhà sản xuất mạ một lớp nhôm gia cường bằng silic (SiRPA) ở đỉnh piston. SiRPA là một loại vật liệu có đặc tính dễ nhận nhiệt và nhanh nhả nhiệt nên mức tiêu hao nhiệt lượng của động cơ giảm tới 30 %. Ngoài ra, piston được thiết kế lõm vào trong tạo thêm không gian chứa không khí trong kì nạp, tăng hiệu suất hoạt động so với kiểu piston truyền thống. Bên cạnh đó, cửa nạp cũng được thiết kế lại giúp hút được nhiều không khí vào buồng đốt hơn. Các kĩ sư cũng không quên nâng cấp hệ thống kim phun nhiên liệu với áp suất cao, chính xác ở nhiều giai đoạn, tận dụng tối đa lượng không khí đi vào để đốt cháy một cách hiệu quả nhất.

+Công nghệ tăng áp (Turbocharger): “Nhỏ mà có võ”

Phiên bản Turbo tăng áp mới này có kích thước nhỏ hơn 30% so với các thế hệ Turbo hiện hành. Ở đây nảy sinh ra hai vấn đề: Tại sao lại giảm kích thước ? Kích thước Turbo nhỏ sẽ có những ưu nhược điểm gì ?

Để đi tìm câu trả lời, chúng ta cần xem lại cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống Turbo.

Turbo được cấu thành từ một cánh quạt hoạt động nhờ động năng của khí xả, khi cánh turbo quay dẫn tới cánh turbine quay theo. Hai cánh quạt được liên kết với nhau thông qua một thanh đồng trục. Từ đó turbine sẽ cung cấp lượng khí nạp áp suất cao vào buồng đốt động cơ. Nói một cách dễ hiểu, càng nhiều khí xả đi qua turbo thì turbine càng quay nhanh dẫn tới khí nạp vào buồng đốt càng nhiều và tăng quá trình đốt cháy nhiên liệu.

Cánh Turbo nhận được nhiều năng lượng hơn nhờ kích thước nhỏ.

Ở các thệ hệ Turbo hiện hành, ở những vòng tua máy thấp lượng khí thải xả ra không đủ năng lượng để quay cánh turbo dẫn tới khí nạp vào buồng đốt ít và xảy ra hiện tượng lag chân ga. Lag chân ga chỉ chấm dứt khi động cơ lên đến dải vòng tua lớn. Để khắc phục hiện tượng này, các kĩ sư đã nghiên cứu để giảm kích thước Turbo. Vậy Turbo có kích thước nhỏ trong động cơ diesel thế hệ mới của Toyota có những ưu nhược điểm gì ?

Turbo nhận được nhiều động năng từ khí xả nhờ kích thước nhỏ hơn 30% so với turbo trên các dòng động cơ hiện hành.

+Ưu điểm:

Nhờ có kích thước nhỏ gọn nên cánh turbo khai thác được nhiều động năng hơn ở mọi tốc độ vòng tua, dẫn tới cánh quạt turbine nạp được nhiều không khí hơn vào buồng đốt, tăng hiệu suất hoạt động của động cơ và sản sinh ra mô men xoắn lớn. Nghiên cứu của các kĩ sư Toyota cho thấy, động cơ có turbo tăng áp thế hệ mới có hiệu suất nén tăng xấp xỉ 50%. Trong video minh họa dưới đây chúng ta sẽ thấy turbo tăng áp của Toyota đạt ngưỡng xấp xỉ 240.000 vòng/phút.

+Nhược điểm:

Thời gian hoạt động kéo dài dẫn tới sản sinh nhiệt, tăng khả năng mài mòn nên nhà sản xuất phải chế tạo turbo bằng vật liệu cao cấp rất đắt tiền kèm theo hệ thống làm mát tốt để duy trì trạng thái vận hành.

Nhờ các cải tiến này mà phiên bản 2.4L cho công suất cực đại 150 mã lực và mô men xoắn cực đại gần 400 Nm ở tốc độ quay rất thấp (từ 1600 – 2000 vòng/phút). Phiên bản 2.8L còn cho công suất cực đại 170 mã lực và mô men xoắn cực đại 450 Nm ở dải vòng tua 1600 – 2400 vòng/phút. Trong cuộc thử nghiệm với xe Land Cruiser Prado, động cơ diesel 2.8L thế hệ mới đã có kết quả ấn tượng. Cụ thể, khả năng dẫn động tăng 53% khi sử dụng Turbo tăng áp mới và 42% với buồng đốt có vách cách nhiệt TSWIN. Ở bài kiểm tra cách âm, tiếng ồn do động cơ diesel gây ra đã giảm 3Db. Bên cạnh đó, hiệu suất nhiệt đạt tới 44%.

+ Công nghệ giảm khí thải độc hại

Với bộ xúc tác U-rê, lượng khí thải xả ra bên ngoài luôn ở mức cho phép.

Ngoài những nâng cấp, cải tiến nhằm tăng khả năng hiệu suất làm việc như đã nói ở trên, động cơ diesel thế hệ mới còn là dòng động cơ đầu tiên của hãng sử dụng bộ xúc tác U-rê (SCR). Toyota tự tin tuyên bố bộ xúc tác này có thể làm giảm tới 99% lượng khí thải Ni tơ oxit (NOx) – một trong những tác nhân chính gây ô nhiễm bầu khí quyển. Điều này giúp động cơ diesel mới đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 6 và bắt đầu từ năm sau, các động cơ diesel GD mới sẽ thay thế cho các động cơ KD cũ hiện đang lưu hành trên thế giới.

Kỷ nguyên mới cho động cơ diesel ?

Trải qua 123 năm từ khi mẫu động cơ diesel đầu tiên có mặt trên thế giới cho đến những phiên bản tân tiến sau này, động cơ diesel luôn đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực xã hội. Xét trong bồi cảnh vụ bê bối khí thải của Volkswagen thì động thái của Toyota trong con mắt người tiêu dùng rất đáng khích lệ. Nó không chỉ mở ra một kỷ nguyên mới “khỏe hơn, xanh hơn” cho riêng loại động cơ này mà còn bắt kịp xu hướng chung với các sản phẩm xe năng lượng sạch khác của hãng như Prius, Mirai.

Bình luận bài viết
Bài viết liên quan