Ống nạp được tối ưu hóa có nâng cao hiệu suất động cơ không?

Thiết kế ống nạp ảnh hưởng trực tiếp như thế nào đến hiệu suất thể tích và hiệu suất nhiệt

Hiệu suất thể tích là yếu tố nền tảng thúc đẩy hiệu suất cháy

Hiệu suất thể tích, hay viết tắt là VE, về cơ bản cho chúng ta biết mức độ hiệu quả mà động cơ có thể nạp không khí vào các buồng xi-lanh so với dung tích tối đa mà các buồng này có thể chứa. Khi VE tăng lên, mật độ của hỗn hợp không khí-nhiên liệu trong buồng đốt cũng tăng theo, từ đó cải thiện quá trình cháy và tạo ra nhiều công suất hơn ở đầu ra. Hình dạng và kích thước của đường ống nạp đóng vai trò rất lớn trong vấn đề này. Chiều dài ống dẫn (runner) và kích thước buồng phân phối (plenum) tạo ra các kiểu dòng chảy khác nhau dựa trên các nguyên lý vật lý như quán tính và sóng áp suất. Chẳng hạn, các ống dẫn dài hơn thường hoạt động tốt hơn ở dải vòng quay thấp (RPM thấp) vì tận dụng hiệu ứng cộng hưởng âm học; trong khi các ống dẫn ngắn hơn cho phép không khí di chuyển nhanh hơn khi động cơ vận hành ở vòng quay cao, dù luôn tồn tại sự đánh đổi nhất định. Phần lớn người dùng nhận thấy rằng việc nâng VE khoảng 10% thường tương ứng với việc tăng thêm từ 3 đến 5 mã lực, do nhiên liệu được đốt cháy triệt để hơn. Tuy nhiên, cần lưu ý tránh các thiết kế đường ống nạp kém: những thiết kế này có thể gây ra nhiều vấn đề như dòng chảy rối hoặc thậm chí dòng chảy ngược trở lại đường nạp, khiến một số xi-lanh bị thiếu nhiên liệu và thải ra lượng hydrocarbon chưa cháy cao hơn mức cần thiết.

Tại sao hiệu suất thể tích cực đại không đảm bảo hiệu suất nhiệt cực đại: Vai trò của nhiệt độ hỗn hợp nạp và thời điểm cháy

Chỉ tối ưu hóa hiệu suất thể tích (VE) thôi sẽ không đảm bảo hiệu suất nhiệt tốt nhất, bởi vì các yếu tố như nhiệt độ khí nạp và thời điểm cháy cũng quan trọng ngang nhau. Khi ống nạp bị hấp thụ nhiệt quá mức, nhiệt độ không khí đầu vào có thể tăng lên khoảng 15–20 độ Celsius. Điều này làm giảm mật độ oxy ngay cả khi giá trị VE trên giấy trông vẫn tốt. Để đối phó với hiện tượng kích nổ, động cơ buộc phải hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu giàu hơn, dẫn đến hao phí khoảng 7–9% tiềm năng thu được năng lượng. Đồng thời, khi dòng khí không được phân phối đều qua các đường dẫn (runners), các xi-lanh khác nhau sẽ nhận được lượng không khí và nhiên liệu khác nhau. Hỗn hợp nghèo thường cháy muộn hơn so với thời điểm lý tưởng, trong khi hỗn hợp giàu lại có nguy cơ nổ sớm. Cả hai tình huống này đều làm suy giảm hiệu suất tổng thể của động cơ. Để thực sự cải thiện hiệu suất nhiệt, các kỹ sư cần cân bằng giữa việc tối ưu hóa VE và quản lý đúng cách nhiệt độ khí nạp. Nếu những yếu tố này không phối hợp ăn ý với nhau, từ 10–12% tiềm năng hiệu suất nhiệt sẽ đơn giản biến mất—dù cho VE có đạt mức cao đến đâu đi nữa. Đó là lý do vì sao các thiết kế động cơ hiện đại ngày nay tích hợp các giải pháp như lớp phủ cách nhiệt, buồng phân phối (plenum) được cách nhiệt và bề mặt các đường dẫn được làm mát đặc biệt nhằm trực diện giải quyết những thách thức này.

Ống nạp có chiều dài được điều chỉnh: Tối ưu hóa theo dải vòng quay mục tiêu và các đánh đổi về hiệu suất trong thực tế

Hiệu chỉnh cộng hưởng, động lực học sóng áp suất và ảnh hưởng của chúng đến mức tiêu thụ nhiên liệu ở chế độ bướm ga một phần

Điều chỉnh cộng hưởng hoạt động bằng cách sử dụng các sóng áp suất di chuyển dọc theo các đường nạp để cải thiện việc nạp đầy xi-lanh ở các tốc độ động cơ cụ thể. Khi van nạp đóng lại, một sóng nén sẽ lan ngược trở lên dọc theo đường nạp. Nếu mọi yếu tố đồng bộ chính xác, sóng này sẽ quay lại đúng vào thời điểm van nạp tiếp theo mở ra, tạo ra một hiệu ứng tăng áp tương tự. Hiện tượng này được gọi là tăng áp quán tính vì nó giúp động cơ hút thêm không khí mà không cần bất kỳ bộ phận cơ khí bổ sung nào. Ở các chế độ bướm ga bán phần — nơi động cơ tiêu tốn nhiều năng lượng để chống lại lực cản của bướm ga — việc điều chỉnh cộng hưởng hợp lý thực tế làm giảm đáng kể công suất cần thiết để hút không khí vào. Theo một số nghiên cứu của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô (SAE) năm ngoái, các hệ thống kiểu này có thể giúp xe tiêu thụ ít hơn khoảng 4 đến thậm chí 6 phần trăm nhiên liệu trong điều kiện lái xe đô thị. Nguyên nhân chủ yếu là do giảm hao phí năng lượng và cải thiện hiệu suất khi động cơ không vận hành ở vòng tua cao. Tuy nhiên, điểm hạn chế ở đây là hầu hết các ống nạp có chiều dài cố định chỉ hoạt động hiệu quả trong một dải tốc độ động cơ rất hẹp. Do đó, các kỹ sư về cơ bản phải lựa chọn giữa khả năng đáp ứng tốt ở tốc độ thấp hoặc mô-men xoắn mạnh ở tốc độ cao, bởi vì việc đạt được cả hai cùng lúc là điều không thể với các thiết kế tiêu chuẩn.

Nghiên cứu điển hình: Ống nạp có chiều dài thay đổi trên động cơ thẳng hàng sáu xi-lanh tăng áp và mức gia tăng mô-men xoắn ở vòng tua thấp đạt 7,2% với tổn thất hiệu suất tối thiểu

Động cơ tăng áp hàng dọc sáu xi-lanh đang được đề cập sở hữu đường nạp hai nhánh được điều khiển điện tử. Khi vận hành ở dải vòng quay dưới khoảng 3.500 vòng/phút, hệ thống kích hoạt các ống nạp dài hơn nhằm gia tăng mô-men xoắn ở dải vòng quay thấp thông qua việc nâng cao mật độ không khí. Kết quả thử nghiệm cho thấy cấu hình này mang lại mức cải thiện khoảng 7,2% về mô-men xoắn đầu ra, giúp xe vận hành mượt mà và linh hoạt hơn đáng kể trong điều kiện giao thông thường ngày trên các tuyến đường thông thường. Theo số liệu đo đạc trong các giai đoạn thử nghiệm, mức tiêu thụ nhiên liệu thực tế chỉ tăng chưa đến 1% khi toàn bộ hệ thống vận hành ở trạng thái tối ưu. Tuy nhiên, ngay khi động cơ vượt ngưỡng 3.500 vòng/phút, hệ thống sẽ chuyển sang sử dụng các ống nạp ngắn hơn nhằm loại bỏ mọi cản trở đối với dòng khí nạp, đồng thời vẫn duy trì hiệu suất tốt ở tốc độ cao. Điều làm công nghệ này trở nên thú vị chính là khả năng phá vỡ sự đánh đổi truyền thống giữa độ phản hồi nhanh và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu. Các nghiên cứu công bố trên Tạp chí Quốc tế về Nghiên cứu Động cơ (International Journal of Engine Research) năm 2023 đã xác nhận những phát hiện trên, cho thấy hệ thống đường nạp có chiều dài thay đổi thực sự có thể cải thiện đáng kể khả năng truyền công suất ở dải vòng quay thấp mà không làm giảm quá nhiều hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu. Chính vì lý do này, ngày càng nhiều nhà sản xuất đang áp dụng giải pháp tương tự cho các động cơ thương mại của mình.

Làm mát trung gian và kiểm soát nhiệt độ nạp tích hợp trong ống nạp

Lợi ích của không khí nạp dưới 45°C: Cải thiện hiệu suất nhiệt thực nghiệm

Việc giữ nhiệt độ không khí nạp dưới 45°C (khoảng 113°F) đã được chứng minh là làm tăng đáng kể hiệu suất nhiệt của động cơ tăng áp. Khi không khí duy trì ở nhiệt độ thấp, mật độ oxy trong mỗi kỳ nạp vào xi-lanh cao hơn, từ đó cải thiện quá trình cháy nhiên liệu, cho phép điều chỉnh thời điểm đánh lửa chính xác hơn và giảm nhu cầu bổ sung nhiên liệu chỉ nhằm ngăn ngừa hiện tượng kích nổ. Chúng tôi đã kiểm tra giải pháp này trên một hệ thống tăng áp 2,3 lít có trang bị điều khiển van biến thiên và bộ làm mát trung gian tích hợp trực tiếp vào đường ống nạp. Kết quả thực tế rất ấn tượng — hiệu suất nhiệt tăng khoảng 2,3% và mức tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 3,1% trên mỗi đơn vị công suất tạo ra trong các bài kiểm tra chuẩn trên máy thử mô-men xoắn (dyno). Điều gì khiến hệ thống này hoạt động hiệu quả đến vậy? Hệ thống này làm giảm trực tiếp nhiệt độ của luồng khí sau tua-bin (thường dao động từ 150 đến 200°C) xuống mức an toàn ngay tại các cổng nạp của xi-lanh. Như vậy, không còn thất thoát nhiệt qua các ống dẫn dài hay phải đối mặt với độ trễ đặc trưng của các bộ làm mát trung gian lắp đặt phía trước truyền thống. Khi nhiệt độ ổn định nhanh hơn và duy trì trong dải dao động hẹp hơn, quá trình cháy trở nên dự đoán chính xác hơn trong mọi điều kiện vận hành khác nhau, từ đó mang lại những cải thiện hiệu suất rõ rệt như chúng tôi đã đo được.

Tích hợp cung cấp nhiên liệu: Vị trí bộ phun và tối ưu hóa phân phối hỗn hợp không khí – nhiên liệu trong ống nạp

Vị trí đặt bộ phun nhiên liệu bên trong ống nạp thực sự ảnh hưởng lớn đến hiệu quả quá trình cháy, bởi vì vị trí này tác động cả đến mức độ phân tán mịn của nhiên liệu lẫn việc mỗi xy-lanh có nhận được hỗn hợp nhiên liệu–không khí đồng đều hay không. Khi các bộ phun được lắp đặt ở vị trí cao hơn trong những ống dẫn dài đó, nhiên liệu sẽ có thêm thời gian để bốc hơi hoàn toàn trước khi tới buồng đốt. Điều này thực tế giúp làm mát luồng khí nạp và nâng cao công suất cực đại. Ngược lại, việc bố trí bộ phun gần van nạp hơn sẽ cải thiện phản ứng ga do lượng nhiên liệu bám trên thành ống hoặc tồn dư sau khi tắt máy giảm đi. Hiện nay, phần lớn thiết kế động cơ hiện đại sử dụng hệ thống phun kép — kết hợp giữa phun nhiên liệu trên đường nạp (port fuel injection) khi động cơ hoạt động ở tải nhẹ và phun trực tiếp (direct injection) khi cần công suất tối đa. Tuy nhiên, ngay cả với những cấu hình tiên tiến như vậy, các kỹ sư vẫn gặp khó khăn trong việc cân bằng toàn bộ hệ thống một cách hoàn hảo. Hình dạng của các ống nạp thường không đối xứng hoàn toàn, do đó họ phải điều chỉnh thời điểm phun và các thông số khác nhằm đảm bảo luồng khí phân phối đều giữa các xy-lanh. Nếu những mất cân bằng này không được khắc phục, một số xy-lanh có thể vận hành giàu nhiên liệu trong khi những xy-lanh khác lại nghèo nhiên liệu — theo nghiên cứu của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Mỹ (SAE), tình trạng này có thể làm giảm hiệu suất tổng thể của động cơ tới 5%. Để đạt được việc cung cấp nhiên liệu ổn định trong mọi tình huống lái xe, các kỹ sư không chỉ dừng lại ở các thử nghiệm lưu lượng cơ bản; thay vào đó, họ phải lập bản đồ phân bố nhiên liệu bằng mô phỏng máy tính, trong đó tính đến các biến đổi thực tế về áp suất và nhiệt độ trong suốt quá trình vận hành thực tế.