Động cơ 101: P9 – Lý thuyết cân bằng động cơ
Cân bằng động cơ là gì? Liệu công việc tính toán cân bằng động cơ có thực sự cần thiết hay không?
Phân tích động cơ Skyactiv-G 2.0 trên Mazda CX-5
Áp dụng các kiến thức phân tích đặc tính động cơ trên Mazda Skyactiv-G 2.0.
Thị trường Việt Nam hẳn không còn xa lạ gì với cái tên Mazda CX-5. Sản xuất từ năm 2012, CX-5 là mẫu xe đầu tiên sở hữu ngôn ngữ thiết kế "Kodo" mới, cũng như được trang bị trọn bộ công nghệ SkyActiv hoàn toàn mới của Mazda. Tại Việt Nam, mẫu xe từng lừng lẫy nhiều năm đứng trên đỉnh phân khúc CUV hạng C. Thế nhưng, hai năm trở lại đây CX-5 liên tục đối mặt với nhiều khó khăn khi doanh số sụt giảm và dần đánh mất thị phần vào tay Honda CR-V cũng như một số cái tên mới xuất hiện. Tuy nhiên, tạm gác lại câu chuyện kinh doanh, trong bài viết này ta sẽ cùng tìm hiểu sâu hơn về khối động cơ Skyactiv-G – cỗ máy đóng góp phần lớn đến thành công của "ông vua 5 chỗ" – thông qua những kiến thức đã được đề cập trong series Động cơ 101.
1. Những thông số cơ bản
Cỗ máy Skyactiv-G 2.0 mang mã nội bộ PE-VPS là mẫu động cơ đầu tiên được sản xuất trong nhánh Skyactiv-G (máy xăng, đánh lửa bằng bugi).
- Động cơ có dung tích 1,998 cc với tỷ lệ bore : stroke là 83.5 mm : 91.2 mm;
- Phiên bản cho thị trường Mỹ có tỷ lệ nén 13:1;
- Công suất cực đại 155 hp tại 6,000 rpm và 200 Nm momen xoắn tại 4,600 rpm;
- Ở một số thị trường khác nơi xăng E85 được sử dụng, động cơ có thể cho ra tới 162 hp công suất và 210 Nm momen xoắn.
Theo Mazda, Skyactiv-G 2.0 tiết kiệm nhiên liệu hơn nhiều so với cỗ máy tiền nhiệm. Cụ thể, trong đường đô thị, so với mức tiêu thụ 10.2 l/100 km của động cơ Mazda L cũ thì Skyactiv-G chỉ ngốn 8.4 l/100 km mà thôi. Tương tự, khi chạy trên cao tốc, tiêu thụ nhiên liệu trên thế hệ động cơ mới cũng chỉ dừng lại ở mức 5.8 l/100 km, cải thiện tới hơn 36%.
Ngoài phiên bản 2.0 thì Skyactiv-G còn có các biến thể 1.3 (trên Mazda2), 1.5 (trên CX-3) và 2.5 L (trên CX-8). Đặc biệt, bản 2.0 cũng được lắp đặt trên mẫu xe thể thao MX-5 huyền thoại của hãng. Do yêu cầu hiệu năng cao hơn, phiên bản này được Mazda tinh chỉnh để sản sinh tới 181 hp và redline được nâng từ 6,800 rpm lên 7,500 rpm.
Ngoài những thông số trên, Skyactiv-G 2.0 còn có một số đặc điểm kỹ thuật nổi bật sau:
- Sử dụng hệ thống xả khí 4-2-1 nhằm tối ưu hình dạng luồng khí xả đi ra khỏi xi lanh, từ đó tăng sức mạnh động cơ;
- Cường hóa dòng không khí, tăng áp suất phun nhiên liệu, và sử dụng kim phun nhiều lỗ, từ đó rút ngắn thời gian cháy hòa khí, tăng công suất.
2. Biểu đồ đặc tính momen xoắn và công suất
Qua các bài viết trước trong chuỗi bài Động cơ 101, ta biết rằng khi nói về động cơ, chỉ nhắc tới các chỉ số cực đại là không đủ. Trên thực tế, ít khi nào ta vận hành động cơ đến các trạng thái này. Vậy hãy cùng xem, tất cả những cải tiến đã đề cập của cỗ máy Skyactiv-G 2.0 khi đưa lên dàn dyno, ta thu được kết quả đo đặc tính như thế nào. Dưới đây là biểu đồ đặc tính đơn giản, chỉ thể hiện đường đặc tính toàn tải (bướm ga mở hoàn toàn).
otoman
Trước hết, ta xác định các điểm A (momen xoắn đạt cực đại Tmax = 201 Nm tại 3,000 rpm) và B (công suất đạt cực đại Pmax = 155 hp tại 6,000 rpm). Từ các điểm này, ta xác định được vùng thấp, vùng đàn hồi, và vùng cao của động cơ Skyactiv-G 2.0. Ta nhận thấy:
Tại vùng thấp: Đường momen xoắn khá dốc cho thấy khả năng sản sinh momen xoắn khá tốt khi xe mới khởi chạy. Tuy nhiên, trong phần 3 ta biết rằng chuyển số trong vùng thấp là không tối ưu. Do đó, lực thực tế truyền tới bánh xe trong thời điểm này không đạt được như độ "bốc" của động cơ. Trên thực tế, khi đạp hết ga từ vị trí đứng yên hoặc khi xe đang chạy không tải, ta sẽ nhận thấy CX-5 có một độ trễ nhất định. Phải mất khoảng 3-4 s thì quá trình chuyển số mới hoàn tất và lúc đó thì xe mới lao vút đi được.
Tại vùng đàn hồi: Dải đàn hồi đủ rộng và kéo dài một khoảng 3,000 rpm là điểm mạnh của Skyactiv-G. Nhờ vùng đàn hồi rộng, Mazda dễ dàng thiết lập thuật toán chuyển số 6 cấp. Nhờ đó, trải nghiệm lái trở nên mượt mà. Người lái gần như không cảm thấy xe bị "khựng" khi tăng tốc. Tuy nhiên, điểm yếu của động cơ mới của Mazda là vùng đàn hồi này lại nằm khá xa, bắt đầu từ vòng tua lớn 3,000 rpm. Khi đạp hết ga, máy phải mất thời gian quay nhanh tới hơn 3,000 rpm mới có thể sang số. Một hệ lụy khác của vùng đàn hồi xa như vậy là máy thường sẽ ăn xăng nhiều hơn khi chạy ở tải cao (đọc tiếp bên dưới).
Tại vùng cao: Do đồ thị chỉ thể hiện đặc tính momen xoắn và công suất tới ngưỡng redline 6,200 rpm, ta không có đủ dữ kiện để nhận xét về khả năng hoạt động của Skyactiv-G 2.0 tại vùng này.
car question
3. Biểu đồ đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu
Tiếp theo, ta sẽ phân tích biểu đồ đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu của Skyactiv-G 2.0. Nếu đã quên suất tiêu hao nhiên liệu là gì, mời bạn xem lại nội dung phần 4. Dưới đây là biểu đồ được xây dựng từ kết quả kiểm tra động cơ trên dàn dyno. Nhiên liệu được sử dụng trong bài test là xăng Tier 2 ở Mỹ (đã giảm tỷ lệ lưu huỳnh xuống dưới 90%).
Ta dễ dàng nhận thấy biểu đồ dạng đường viền (contour) với các đường màu sắc thể hiện các trạng thái hoạt động mà ở đó động cơ có cùng giá trị BSFC. Với động cơ của Mazda CX-5, ta có 3 đường khép kín BSFC = 230 - 240 - 250. Từ giá trị BSFC = 275, ta chỉ thấy một phần của đường đặc tính, phần còn lại bị đường momen xoắn toàn tải (màu đen) giới hạn mất. Một điểm mới trong đồ thị ở trên là các đường biểu thị giá trị công suất. Nếu như đại lượng công suất trong biểu đồ đặc tính momen xoắn - công suất được thể hiện chỉ bằng một đường tại trạng thái động cơ chạy toàn tải, thì ở biểu đồ BSFC trên của Skyactiv-G 2.0, công suất được thể hiện bằng một tập hợp các đường cong (màu xám). Tại sao như vậy? Ở phần 3, ta có được công thức dưới đây, do đó với mỗi giá trị hằng số P, ta xây dựng được một đường màu xám cho hai biến số T và
Quay trở lại với biểu đồ BSFC của khối động cơ Skyactiv-G 2.0 trên "ông vua 5 chỗ" Mazda CX-5, ta đánh dấu hai điểm M, N như hình. Hai điểm này đại diện cho giới hạn của vùng BSFC = 230 - vùng trạng thái động cơ tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả nhất (hiệu năng nhiệt lớn nhất). Ngay lập tức thấy rằng, động cơ tiết kiệm nhiên liệu nhất khi sản sinh từ 108 - 163 Nm momen xoắn trong dải tốc độ 1,500 - 3,850 rpm. Cũng trong trạng thái này, động cơ chỉ tạo ra từ 27 - 82 hp công suất, chứ không đạt đến công suất cực đại. Đây chính là trạng thái hoạt động khi xe chạy trên đường cao tốc. Điều này có nghĩa là không phải cứ đạp hết chân ga và duy trì tốc độ cao là xe sẽ tiết kiệm nhiên liệu. Thực tế thì tại redline là điểm P, BSFC lên tới khoảng 255 g/kWh, tức là tiêu thụ cao hơn 11% so với mức lý tưởng.
Nhưng như vậy vẫn còn tiết kiệm chán so với việc di chuyển liên tục trong đô thị, khi mà động cơ phải hoạt động ở các trạng thái có BSFC cao. Theo biểu đồ trên, nếu bạn chạy CX-5 trong thành phố mà gặp tắc đường hoặc dừng xe liên tục, BSFC có thể đạt tới mức 500 g/kWh, tức "ngốn" xăng hơn mức lý tưởng tới 2.17 lần. Vậy làm sao để tiết kiệm nhiên liệu? Theo lý thuyết thì trong quá trình lái xe, bạn phải liên tục điều chỉnh chân ga để đưa động cơ về gần vùng M - N nhất có thể, đồng thời bạn tăng ga thì cũng phải biết tua máy và momen xoắn tăng giảm như thế nào. Thật may là CX-5 thì có ECU đảm nhiệm công việc này nên sẽ đỡ cho bạn!
Như vậy, sau khi phân tích các biểu đồ đặc tính của động cơ Skyactiv-G 2.0 trên chiếc Mazda CX-5, chúng ta có thể đưa ra một vài kết luận chủ quan sau:
- Tmax = 201 Nm và Pmax = 155 hp là vừa đủ đối với một chiếc CUV hạng C cho đô thị;
- BSFCmax = 230 g/kWh (hiệu suất nhiệt 36%) là khá cao, khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt;
- Vùng đàn hồi rộng cho phép hộp số hoạt động tốt là điểm cộng, tuy nhiên điểm trừ là vùng này lại nằm ở vị trí khá xa (3,000 rpm) tạo áp lực lên động cơ khi chuyển số. Nếu phải tăng tốc đột ngột thường xuyên, động cơ có rủi ro chịu hư hỏng.
Trên đây là bài phân tích nhanh được thực hiện bởi Otoman cho động cơ Skyactiv-G 2.0 có trên CX-5 và một số mẫu xe Mazda khác. Nếu có hứng thú với chủ đề động cơ, mời bạn tiếp tục tham khảo các bài viết đã đăng trong series Động cơ 101 trên Otoman và để lại bình luận của mình bên dưới.