Phân tích động cơ Coyote 5.0 trên Ford F-150

Hôm nay ra đường tình cơ bắt gặp một chú Ford F-150 bản Harley-Davidson đời 2021 xịn sò. Thực sự bất ngờ khi Otoman có cơ hội "mục sở thị" một siêu phẩm ngót nghét hơn 7 tỷ bằng xương bằng thịt ngay tại mảnh đất quê nghèo. Đồng hành trên quãng đường gần một cây số là đủ để nhận ra vẻ đẹp ngoại thất của xe: bộ bốn mâm 22 inch đa chấu, cặp ống xả gọn ghẽ (cao gần ngang tầm mắt xe sedan), cặp đèn hậu đỏ rực khỏe khoắn, đặc biệt là điểm xuyết thêm những đường màu cam của hãng độ Harley-Davidson nổi tiếng.

Bất chấp khối cơ thể đồ sộ, F-150 trên đường phố vẫn lướt đi rất nhẹ. Nhưng khi đèn bật xanh, ta có thể cảm nhận ngay được tiếng pô và lực kéo "dữ tợn" cỡ nào. Chính những âm thanh ấn tượng này đã thôi thúc Otoman về nhà tìm hiểu ngay khối động cơ khủng khiếp nằm bên dưới nắp capo kia. Và dưới đây là bài đánh giá nhanh cỗ máy 5.0L V8 NA (naturally aspirated, hút khí tự nhiên) mang tên Coyote trên chiếc Ford F-150 bản "zin" (một số bản độ Harley-Davidson có nâng cấp siêu nạp tạm thời ta chưa bàn tới). Một số khái niệm trong bài viết bác có thể tham khảo thêm từ các bài viết trước thuộc series Động cơ 101 trên Otoman.

1. Sơ lược Coyote

Thực ra ở đây nếu bạn nào yêu thích các dòng xe cơ bắp Mỹ thì có lẽ sẽ không còn xa lạ gì với động cơ Coyote. Đây chính là trái tim vận hành những chiếc Ford Mustang GT ngày nay, và đối với Ford thì nó mang khá nhiều ý nghĩa lịch sử. Mời bạn làm chén trà, chậm rãi quay về hơn 30 năm trước…

Hồi đầu những năm 1980, Ford muốn có một bước chuyển trong thiết kế xe. Hãng không còn muốn tạo ra quá nhiều những đường kẻ cứng cáp, hung tợn nữa, mà thay vào đó kết hợp thêm với các yếu tốc khí động lực học. Kết quả là thị trường xe hơi đón nhận ngày một nhiều hơn những chiếc Ford với thiết kế "nuột" hơn, "hiền" hơn trông thấy. Và Ford đã quyết định đúng hướng, với sự thành công ngoài mong đợi của chiếc Ford Taurus là một ví dụ điển hình.

Tiếp tục cuộc hành trình, đến nửa sau những năm 1980, Ford tiếp tục muốn nâng cấp hình ảnh thương hiệu với những yêu cầu mới cho đội ngũ thiết kế động cơ. Cụ thể, xe Ford đang chạy tốt với khối V8 lúc bấy giờ, thì một ngày đẹp trời vị CEO muốn có một khối V8 mới. Yêu cầu của vị này thì đơn giản thôi: mạnh hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn, phát thải ít hơn, và vận hành êm ái hơn.

Chung quy lại, ông này muốn động cơ mới cũng phải thành công như chiếc Taurus ở trên.

Mài sắt thì nên kim. Ford học tập các triết lý thiết kế động cơ của các hãng xe châu Âu và Nhật, rồi tự mình đặt ra các tiêu chí cho động cơ mới: công nghệ phải tối tân, hiệu năng phải đỉnh, đồng thời phải bền đến độ dưới 100 nghìn dặm chưa cần đại tu. Cuối cùng, Ford phát triển nên khối động cơ mới với dung tích 4.6L, giữ nguyên kết cấu V8 khớp góc 90 độ như máy cũ. Tỷ số bore : stroke (đường kính : chiều cao) xi lanh được chọn là 90.2 mm x 90.0 mm gần như vuông (square), vì đội thiết kế nói rằng tỷ số này giảm ổn và rung giật tốt. Bạn nào nắm kỹ thuật chia sẻ thêm về vụ này bên dưới phần bình luận nhé.

Thực tế đã chứng minh điều này. Chỉ từ thiết kế ban đầu, trong suốt chiều dài phát triển của mình, Ford đã tạo ra liền tù tì một loạt các biến thể động cơ mới, tất cả đều chạy xăng. Hãng gom hết cái đống máy này lại làm một nhóm và gọi là nhóm Động cơ Mô đun (Modular engine family). Sau đó, hãng mạnh tay chi 4 tỷ dollar và nghiêm túc phát triển nhóm động cơ này. Trong số đó, ta có thể kể đến các biến thể 4.6L 2/3/4 van, 5.2L Voodoo/Aluminator/Predator, 5.4L 2/3/4 van, 5.8L Trinity… và tất nhiên không thể không nhắc tới bản 5.0L Coyote lừng danh.

Tất nhiên, biến thể nào được tạo ra Ford cũng đều có mục đích. Đối với cỗ máy 5.0L Coyote thì đó là để phục vụ cho cuộc cạnh tranh khốc liệt của Ford Mustang GT với Chevrolet Camaro và Dodge Charger, Challenger, và Grand Cherokee. Cụ thể, Coyote sẽ đối đầu trực diện với LS3 của General Motors và Hemi ESF của Chrysler. Ba cỗ máy này tạo ra sức mạnh khá tương đồng (phổ công suất từ 450 hp – 470 hp), nhưng nếu so với dung tích 6.2L của GM và 6.4L của Chrylser thì máy 5.0L của Ford có chỉ số công suất trên lít ấn tượng hơn nhiều.

Trước khi quay trở lại câu chuyện về nhân vật chính Ford F-150 của bài viết này, hãy cùng điểm qua một số đặc điểm kỹ thuật nổi bật của khối động cơ 5.0L Coyote bản gốc (lý do tại sao ở đây em nói là bản gốc thì mời bạn đọc tiếp phần dưới).

• Thành xi lanh được gia cố bằng lưới (webbing) trong quá trình đúc, thay vì chỉ tăng độ dày (để tăng độ cứng vững);
• Cổ nạp được hạ thấp xuống vùng không gian giữa hai hàng xi lanh (để hạ thấp chiều cao động cơ);
• Khoảng cách tâm hai xi lanh liền kề (bore spacing) được giữ nguyên là 100 mm;
• Khoảng cách từ mặt trên của thân động cơ xuống tới tâm trục khuỷu (deck height) được giữ nguyên là 227 mm;

• Chiều dài tay dên (connecting rod length) được giữ nguyên là 150.7 mm, tạo ra tỷ số rod : stroke là 1.62 : 1;
• Tỷ lệ bore x stroke được nâng lên là 92.2 mm x 92.7 mm;
• Thứ tự kích nổ được thay đổi từ 1-3-7-2-6-5-4-8 thành 1-5-4-8-6-3-7-2;
• Tỷ số nén CR = 11.0 : 1, redline đạt 7,000 rpm;
• Phun xăng tại cổ nạp (port fuel injection), trục cam kép 4 van mỗi xi lanh DOHC;
• Hệ thống điều khiển trục cam biến thiên Ti-VCT (Twin Independent Variable Cam Timing).

2. Đưa Coyote lên một chiếc pickup như Ford F-150

Tới đây bản thân Otoman cũng tự đặt ra câu hỏi: Vậy mục đích của máy 5.0L Coyote là dành cho Mustang GT – một chiếc sportscar. Nhưng tại sao Ford lại đưa Coyote lên F-150 – một chiếc pickup? Không có một câu trả lời "chắc nịch" cho thắc mắc này, nhưng ta có thể tạm đưa ra hai giả thiết quan trọng sau:

Thứ nhất: Để chiều lòng nhóm khách hàng có nhu cầu sử dụng xe bán tải, đồng thời cũng yêu thích hình ảnh Ford Mustang GT và sức mạnh mà Coyote mang lại. Lúc này, F-150 đang ở thế hệ thứ 12 (đời 2009 – 2014) và chỉ mới được trang bị khối EcoBoost V6 thiên về khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Coyote mặc nhiên trở thành một option hết sức phù hợp để tạo ra một phiên bản F-150 có thiên hướng về hiệu năng.

Thứ hai: Để tận dụng tối đa khả năng "thiên biến vạn hóa" của Động cơ Mô đun. Với đặc điểm dễ tinh chỉnh, Ford hoàn toàn có thể hiệu chỉnh nhanh các đặc tính của Coyote bản gốc, đồng thời nâng cấp phụ tùng để tạo ra mức hiệu năng mong muốn cho một chiếc bán tải hạng nhẹ (light-duty) như F-150. Một chi tiết khác cũng nên để ý là thời điểm bấy giờ, Ford vừa móc ra khỏi túi ngót nghét 4 tỷ dollar để đầu tư cho Động cơ Mô đun. Chắc chắn, Ford muốn nhanh chóng thu hồi vốn.

Như đã nói, khối 5.0L Coyote trên F-150 2021 (thuộc thế hệ thứ 14) không giống với thiết kế ban đầu như trên Mustang GT. Khi Ford đưa lên mẫu xe bán tải, động cơ đã được hiệu chỉnh lại để tăng momen xoắn, phục vụ nhu cầu off-road của dân Mỹ. Để đạt được mức công suất cực đại 395 hp và momen xoắn cực đại ấn tượng 542 Nm, một số những hiệu chỉnh nổi bật sau đây đã được áp dụng:

• Tỷ số nén được tăng lên CR = 12.0 : 1;
• Bổ sung hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp;
• Phủ thành xi lanh bằng kỹ thuật phun nhiệt (thermal spray-on);
• Nâng cấp nắp máy để cải thiện làm mát;
• Chuyển vị trí nạp không khí từ thân xe lên ngay trên lưới tản nhiệt và ngay dưới nắp capo.

Biểu đồ dưới đây thể hiện sức mạnh đo được của biến thể động cơ 5.0L Coyote trên F-150 2021 trong tương quan với các biến thể khác.

3. Phân tích biểu đồ đặc tính

Dựa trên lý thuyết ta đã biết về momen xoắn, công suất, và các bước phân tích cơ bản biểu đồ đặc tính động cơ, hãy cùng xem khi đưa khối máy cồng kềnh 5.0L Coyote lên dàn dyno ta thu được điều gì thú vị. Sau đây là kết quả đo được:

Vùng thấp (low-end zone) cực dốc cung cấp cho F-150 sức mạnh khủng khiếp ngay từ những vòng tua máy đầu tiên. Coyote phiên bản F-150 2021 đạt luôn 373 Nm ngay tại 2,250 rpm, trước khi tăng dần đều lên giá trị cực đại là 542 Nm tại 4,500 rpm.

Một đường momen xoắn với hình dạng như thế này sẽ bù trừ được khối lượng nặng nề (khoảng 2.1 tấn) của thân xe, đảm bảo khả năng tăng tốc tốt khi đang chạy IDLE/CRUISE. Cụ thể, F-150 tăng tốc từ 0-100 km/h mất 5.7s. Đồng thời, khi đã đạt mức giá trị đủ cao, momen trở nên "phẳng" lại thì người lái có cảm giác kiểm soát được chiếc xe.

Vùng đàn hồi (power band) trải từ 4,500 rpm đến 5,750 rpm khi máy đạt công suất cực đại 395 hp. Về cơ bản, vùng đàn hồi khá ngắn như thế này sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến cảm giác sang số của F-150. Nếu chỉ được trang bị một hộp số 4 hay 5 cấp, chắc chắn khi sang số xe sẽ bị giật mạnh, do các hộp số không có đủ thời gian để đồng bộ với tốc độ mới. Đây là lý do vì sao Ford cần phải bỏ đi hộp số tự động 6 cấp trên thế hệ F-150 cũ và trang bị hộp số mới với 10 cấp số. Video dưới đây thể hiện sự mượt mà của chiếc xe khi sang số.

Nếu để ý đồng hồ tua máy, bạn sẽ thấy rằng các cấp số luôn được chuyển trong vùng đàn hồi, và tốc độ động cơ luôn nhảy về vị trí đạt momen xoắn cực đại. Nhìn chung, cơ chế này giữ cho hiệu năng xe luôn ở trong tình trạng tốt nhất, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu nhất. Đây là một điểm mạnh của hộp số tự động khi được điều khiển bởi các hệ thống ECM/TCM.

Vùng cao (high-end zone) không có quá nhiều điều đáng nói, ngoại trừ việc máy vẫn có thể rướn thêm 500 rpm về 380 Nm và 350 hp tại 6,250 rpm trước khi lao dốc. Điều này có nghĩa khi máy vượt qua giới hạn (tạm hiểu là xe chạy với tốc độ cao nhất), sức mạnh của động cơ không bị giảm đột ngột mà xe vẫn có thể giữ được tốc độ của mình thêm một khoảng thời gian ngắn.

Để có một cái nhìn toàn diện hơn, hãy so sánh biểu đồ đặc tính của động cơ Ford F-150 với Toyota Hilux.

Tất nhiên, không nói thì bạn cũng biết so sánh như thế này thì khập khiễng, vì máy Coyote là 5.0L V8 chạy xăng hút khí tự nhiên, còn máy 1KD-FTV của Hilux ở Việt Nam thì là 3.0L I4 chạy dầu tăng áp. Nhưng thôi kệ, cũng hiếm có mẫu pickup nào ở Việt Nam mà chạy xăng nữa nên ta cứ đem so với "thánh". Mời các bạn tham khảo và tự đưa ra đánh giá.

4. Coyote swap

Có lẽ sẽ là thiếu sót nếu kết bài ngay ở phần trước mà không nói về Coyote swap – một khái niệm rất phổ biến trong giới chơi xe Mỹ, đặc biệt là chơi Mustang. Dịch theo nghĩa đen thì là "hoán đổi Coyote", còn bạn có thể hiểu nôm na là độ động cơ Coyote. Khái niệm này tồn tại, và thậm chí còn trở nên thịnh hành, là bởi vì như đã nói ở trên, Coyote là một động cơ thuộc nhóm mô đun của Ford. Điều này có nghĩa rằng rất nhiều bộ phận của Coyote có thể được thay thế bởi các phụ tùng tương tự từ những động cơ khác cùng nằm trong nhóm động cơ mô đun. Như vậy, hai "dân chơi" có thể tháo tung máy và trao đổi phụ tùng cho nhau để đạt được mục đích độ của mình.

Bây giờ bạn hãy tưởng tượng không chỉ có hai, mà tới cả trăm ngàn "dân chơi" như vậy trên toàn nước Mỹ (và các nước khác). Sức mạnh và sức hấp dẫn của khối Coyote (và các động cơ mô đun khác của Ford) dần dần tạo nên một cộng đồng những dân độ xe thuộc hệ Coyote swap.

Để nâng cấp cỗ máy của mình, những người này phải tìm cho mình phụ tùng thích hợp trong tình trạng "ngon, bổ" và đương nhiên phải "rẻ" nhất có thể. Và khối Coyote 5.0 trên F-150 chính là một trong những "mục tiêu" được săn lùng nhiều nhất. Vì sao ư? Bởi vì nếu so với Mustang GT (dùng bản Coyote 5.0 gốc) thì F-150 phổ biến hơn (bán tải bán chạy nhất tại Mỹ), đồng thời động cơ rất nhiều xe F-150 nằm trong các bãi rác ô tô (junkyards) vẫn trong tình trạng tốt.

Vậy hai biến thể Coyote này khác nhau như thế nào? Không đơn giản chỉ khác nhau về các thông số công suất và momen xoắn, mà Coyote F-150 và Coyote Mustang còn có nhiều điểm khác biệt về mặt kết cấu. Một trong những điểm nổi bật là cổ góp ống xả (exhaust manifold)…

• F-150 vì là bán tải, thiên về độ bền bỉ và được thiết kế để thực hiện các công việc tải nặng, nên cổ góp được làm từ sắt đúc để chịu nhiệt và áp suất cao;
• Mustang vì là xe thể thao, thiên về tốc độ và được thiết kế với trọng tâm thấp (động cơ gần mặt đường hơn), nên cổ góp được làm từ thép chống xước để giảm trọng lượng và chống rỉ sét do nước mưa và đất từ mặt đường bám lên.

…và cả về các đặc tính:

• Coyote F-150 có trục cam nạp với chu trình nhỏ hơn (small intake profile) nên đóng xu páp sớm hơn Coyote Mustang. Điều này tạo ra áp suất xi lanh lớn hơn, đồng nghĩa với momen xoắn lớn hơn vượt trội ở vùng thấp;
• Mustang GT có hệ số cản gió Cd thấp hơn nên tiết kiệm nhiên liệu hơn F-150. Cái này thực tế không quá quan trọng với dân độ xe hơi Mỹ.

Dưới đây là biểu đồ so sánh đặc tính động cơ của hai biến thể trên.

Mời bạn đón đọc các bài phân tích động cơ tiếp theo và chuỗi bài viết chuyên sâu Động cơ 101 chỉ có trên Otoman.