Công nghệ ngắt xi-lanh: Đánh giấc ngủ một nửa động cơ

Đuổi theo công suất không cần thiết khiến động cơ đốt xăng một cách vô ích; công nghệ ngắt xi-lanh tạo ra sự tiết kiệm chính bằng cách đưa khoảng thừa thãi đó vào trạng thái "ngủ".
Đuổi theo công suất không cần thiết khiến động cơ đốt xăng một cách vô ích; công nghệ ngắt xi-lanh tạo ra sự tiết kiệm chính bằng cách đưa khoảng thừa thãi đó vào trạng thái "ngủ".

Chia sẻ trang này

Ngắt xi-lanh là một công nghệ nâng cao hiệu suất, vô hiệu hóa một số xi-lanh bằng cách đóng các van của chúng tại những thời điểm động cơ không cần công suất tối đa, cho phép động cơ thực tế hoạt động với dung tích nhỏ hơn. Ở chế độ chạy không tải, khi di chuyển trên đường cao tốc hoặc ở mức ga nhẹ, không có nhiên liệu được phun vào các xi-lanh không được sử dụng; nhờ đó động cơ không tiêu tốn nhiên liệu để tạo ra công suất không cần thiết. Trong các ứng dụng hiện đại, quá trình chuyển đổi này mượt mà đến mức phần lớn tài xế không thể nhận ra, và tùy điều kiện mà mang lại những cải thiện đo lường được về mức tiêu thụ nhiên liệu.

Điểm nổi bật

  • Ngắt xi-lanh thường tắt một nửa số xi-lanh của động cơ: V8 giảm xuống còn bốn xi-lanh, động cơ bốn xi-lanh giảm xuống còn hai xi-lanh.
  • Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ước tính mức cải thiện hiệu suất nhiên liệu khoảng 7,5%; trong điều kiện đường cao tốc, mức giảm có thể nằm trong khoảng 8-25%.
  • Các xi-lanh bị đóng sẽ tạo ra hiệu ứng lò xo khí; khí xả bị nén không tạo áp lực thuần lên động cơ.
  • Công nghệ này đã trưởng thành cùng với điều khiển điện tử kể từ thử nghiệm Cadillac V8-6-4 năm 1981.
  • Các đợt triệu hồi chính thức (Mercedes, Mazda) cho thấy các trục trặc của hệ thống có thể gây hậu quả nghiêm trọng.

Công nghệ ngắt xi-lanh hoạt động như thế nào?

Şehir içinde giden bir aracın gücüne aslında yarım motor yeter; kalan silindirler vanaları kapalı olarak boşuna yakıt yakmaz.

Logic cơ bản rất đơn giản: toàn bộ một động cơ nhiều xi-lanh hầu như chỉ cần một phần công suất. Để duy trì một chiếc xe chạy với tốc độ ổn định trên đường bằng, bốn hoặc sáu xi-lanh là quá đủ. Hệ thống ngắt xi-lanh chính phát huy tác dụng tại đúng điểm này: giữ các van nạp và van xả của một số xi-lanh ở trạng thái đóng và cắt việc phun nhiên liệu vào các xi-lanh đó. Khi các van đóng lại, xi-lanh liên quan rời khỏi chu trình đánh lửa; động cơ hoạt động như thể có dung tích nhỏ hơn.

Vậy thì piston bên trong một xi-lanh có van đóng làm gì? Khí xả bị giữ lại trong buồng đốt, bị nén khi piston đi lên và giãn nở trở lại khi piston đi xuống. Hiệu ứng "lò xo khí" này cân bằng lẫn nhau theo cả hai hướng; xi-lanh bị đóng không tạo áp lực thuần lên động cơ. Nói cách khác, thay vì hãm động cơ, những xi-lanh bị đóng được âm thầm coi như đang nghỉ phép.

Quyết định belongs to bộ điều khiển động cơ (ECU). ECU liên tục theo dõi dữ liệu cảm biến như tốc độ, tải động cơ và vị trí bướm ga, sẽ vô hiệu hóa các xi-lanh trong điều kiện tải thấp; khi tài xế đạp ga, hệ thống kích hoạt lại tất cả các xi-lanh trong vài phần nghìn giây. Ở động cơ xăng, mục đích là giảm tổn thất trao đổi khí: ở tải nhẹ, bướm ga gần như đóng hoàn toàn và động cơ phải thực hiện công việc không cần thiết để hút không khí vào. Khi ít xi-lanh hoạt động hơn, mỗi xi-lanh làm việc vất vả hơn, bướm ga cần mở nhiều hơn và động cơ hoạt động trong vùng hiệu quả hơn.

Ở động cơ diesel, mục đích lại khác

Ở động cơ diesel, động lực chính của việc ngắt xi-lanh là làm nóng khí xả. Các động cơ diesel khó đạt mức nhiệt độ xả đủ ở tải thấp; Khi các xylanh còn lại hoạt động dưới tải cao hơn, chúng sinh ra nhiều nhiệt lượng hơn. Nhiệt lượng này giúp hệ thống xử lý khí thải sau bô nhanh chóng đạt nhiệt độ vận hành lý tưởng và giảm lượng khí thải. Trong các ứng dụng xe hạng nặng, việc chuyển từ 6 xi-lanh sang 4 xi-lanh có thể mang lại sự cải thiện khoảng 14-18% trong mức tiêu hao khi chạy không tải.

Trong điều kiện nào thì những xi-lanh nào sẽ bị tắt?

Hầu hết các hệ thống đều tắt một nửa số xi-lanh cùng lúc: Động cơ V8 giảm xuống còn bốn xi-lanh, V6 còn ba xi-lanh, còn động cơ bốn xi-lanh thì giảm xuống hai xi-lanh. Mục tiêu là duy trì khoảng cách đánh lửa mà không làm mất cân bằng động cơ; do đó các cặp cân bằng được lựa chọn thay vì phân bố không đồng đều. Tuy nhiên, cách tiếp cận của mỗi nhà sản xuất không giống nhau.

Ngay cả những ví dụ thời kỳ đầu cũng đã thể hiện sự đa dạng này. Mitsubishi MD (1982) tắt xi-lanh số 1 và 4 ở tốc độ dưới 70 km/h, khi chạy không tải và khi giảm tốc; mức tiêu hao cải thiện khoảng 20% nhưng động cơ hoạt động rung giật ở chế độ hai xi-lanh. Hệ thống VCM của Honda (từ năm 2003) có thể chuyển đổi giữa sáu, bốn và ba xi-lanh bằng cách đóng các dãy xi-lanh. Điều thú vị hơn là Dynamic Fuel Management mà GM giới thiệu năm 2018: Dựa trên phương pháp "Dynamic Skip Fire" của Tula Technology, hệ thống này có thể tắt bất kỳ số lượng xi-lanh nào, theo các tổ hợp khác nhau tùy theo nhu cầu - tức là tất cả các xi-lanh trong trình tự đánh lửa đều có thể bị bỏ qua từng cái một.

Riêng Mazda lại lựa chọn để các xi-lanh giữa tiếp tục đánh lửa trên động cơ hút khí tự nhiên 2.5 lít: khi tải nhẹ, xi-lanh số 1 và 4 bị tắt, xi-lanh số 2 và 3 tiếp tục hoạt động.

Người lái có nhận ra điều này không? Kỹ thuật rung động và NVH

Câu trả lời cho câu hỏi này đã thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào lịch sử của công nghệ. Với các hệ thống thế hệ đầu tiên, việc nhận ra không khó, thậm chí còn khá dễ dàng. Cadillac V8-6-4 (1981) gây ra sự gắt gỏng và chậm trễ khi chuyển đổi; mặc dù có tới 13 lần cập nhật phần mềm, hệ thống vẫn bị loại bỏ chỉ sau một năm mẫu xe và bị vô hiệu hóa vĩnh viễn trên các xe đã bán trong năm trước đó. Hệ thống MD đầu tiên của Mitsubishi cũng phải vật lộn với độ rung giật của chế độ hai xi-lanh: nhiều biện pháp đã được áp dụng như chân máy động cơ giảm chấn thủy lực đặc biệt, một đoạn ống xả mềm, bánh đà nặng hơn 70% và hệ thống chỉ được kích hoạt khi nhiệt độ nước làm mát đạt 70°C.

Hệ thống MIVEC-MD thế hệ thứ hai của Mitsubishi ra đời năm 1993, nhờ điều khiển điện tử tiên tiến đã chuyển đổi từ 4 xuống 2 xi-lanh gần như không thể cảm nhận được - tổ tiên của các hệ thống ngày nay được hình thành tại thời điểm này. Trong các hệ thống hiện đại, quá trình chuyển đổi diễn ra gần như tức thời và được làm mượt nhờ các điều chỉnh về góc đánh lửa sớm, thời điểm cam và bướm ga điện tử. Còn trên động cơ V6, do những thách thức về NVH (tiếng ồn, rung động, độ cứng) vẫn còn nghiêm trọng vì trình tự đánh lửa và các thay đổi mô-men xoắn, nên các cấu hình này thuộc về những thách thức lớn nhất về mặt kỹ thuật.

Làm thế nào để tắt các xupap?

Cơ chế thay đổi tùy theo sơ đồ xupap của động cơ:

  • Động cơ pushrod (đũa đẩy): Các cuộn cảm thay đổi áp suất dầu được gửi đến chốt khóa trong lifter; khi chốt rút ra, con đội sẽ sụt xuống và van bị giữ ở trạng thái đóng.
  • Động cơ trục cam trên đầu (overhead cam): Với mỗi van, người ta dùng một cặp đòn bẩy khóa lẫn vào nhau; khi áp suất dầu điều khiển bằng solenoid nhả chốt khóa, một bên bám theo trục cam trong khi bên kia đứng yên.
  • Giải pháp của Mazda: Một khóa thêm vào bộ điều chỉnh van thủy lực làm thay đổi điểm trục của đòn bẩy, ngăn van di chuyển.

Mức tiết kiệm nhiên liệu thực tế đạt được là bao nhiêu?

Các con số dao động trong khoảng rộng tùy theo cách áp dụng và điều kiện. Bộ Năng lượng Mỹ ước tính mức cải thiện tiết kiệm nhiên liệu khoảng 7,5%; trong khi các nhà sản xuất tuyên bố mức tăng hiệu suất lên tới 20%. Người ta cho biết trên điều kiện cao tốc, mức giảm tiêu thụ có thể nằm trong khoảng 8-25%. Ở phía động cơ diesel, với kỹ thuật CDA và đóng sớm xupap xả, mục tiêu là giảm tiêu thụ trong khoảng 5-25%.

Các thử nghiệm thực tế có thể cho kết quả khiêm tốn hơn. Trên diesel xe hạng nặng, các thử nghiệm nhiên liệu tiêu chuẩn đo được mức tiết kiệm 2,76%, và trên một tuyến phân phối là 2% - giao thông supportnối, tải trọng và điều kiện khí hậu trong lái xe hằng ngày khiến việc đạt đến giới hạn trên của khoảng đo trong phòng thí nghiệm trở nên khó khăn. Các tuyên bố lịch sử cũng vẽ nên bức tranh tương tự: Cadillac V8-6-4 hứa hẹn mức cải thiện tới 15%; Alfa Romeo Alfetta CEM (1983) đo được mức giảm 12% so với phiên bản không đổi đổi thể tích, và gần như 25% so với xe dùng bộ chế hòa khí. Tóm lại: mức thu được là có thật nhưng độ lớn hoàn toàn phụ thuộc vào việc bạn có thể chạy với các xylanh bị tắt trong bao lâu - tài xế thường xuyên tăng giảm tốc trong giao thông đô thị đông đúc sẽ hưởng lợi ít hơn nhiều so với người chạy ổn định tốc độ trên cao tốc.

Khác biệt trong áp dụng trên động cơ hút khí tự nhiên và turbo

Tắt xylanh, ở một khía cạnh nào đó, mang đến cách tiếp cận thay thế cho động cơ turbo dung tích nhỏ: cả hai đều hướng tới mục tiêu "mạnh khi cần, hiệu quả khi không cần". Cách tiếp cận turbo dùng một động cơ nhỏ ngay từ đầu; còn giải pháp tắt xylanh thì bắt đầu với một động cơ mạnh ngay từ đầu rồi thực tế thu nhỏ nó lại ở tải nhẹ. Mặc dù cả hai đều có ưu và nhược điểm riêng, công nghệ tắt xylanh mang đến một điểm cân bằng khác với những vấn đề trễ và phản hồi vốn có của turbo tăng áp.

Quy mô áp dụng cũng đã mở rộng đến mức đáng ngạc nhiên. Ford EcoBoost ba xylanh được giới thiệu năm 2016 với khả năng tắt một xylanh, là động cơ nhỏ nhất được biết đến đang mang công nghệ này. Mazda Skyactiv-G 2.5 thì từ năm 2018 trở đi trở thành một trong những ví dụ về tắt xylanh trên động cơ hút khí tự nhiên. Ở phía diesel, người ta đã chứng minh rằng việc tắt xylanh có thể được áp dụng ở tải thấp mà không phải hy sinh khả năng mô-men và công suất, và không tìm thấy tác động tiêu cực đến phản ứng của động cơ.

Một con số cụ thể về mức độ phổ biến của công nghệ: Trong năm mẫu 2020, khoảng 15% số xe thương mại nhẹ bán tại Mỹ có tắt xylanh; phần lớn trong số đó là sản phẩm của Mazda, GM, Honda và FCA.

Độ bền dài hạn: hệ thống có thực sự làm hao mòn động cơ không?

Dưới tiêu đề này, vẽ một bảng hai cột là cách tiếp cận trung thực nhất. Mặt khác, việc tất cả các xi-lanh hoạt động đều đặn khiến sự hiện diện của hệ thống không còn là vấn đề đối với đa số người dùng; mặt khác, bản thân hệ thống với các cơ chế bổ sung của nó lại mang đến những điểm hỏng hóc mới.

Các đợt triệu hồi chính thức nói lên điều gì?

Hai ví dụ lớn cho thấy các chế độ hỏng hóc tiềm ẩn của hệ thống. Mercedes đã triệu hồi 26.200 chiếc S580 và sedan Maybach đời 2021-2023: Có nguy cơ hệ thống Camtronic gặp lỗi khiến bơm phun xịt quá nhiều nhiên liệu làm hỏng bộ chuyển đổi xúc tác, và trong kịch bản xấu nhất là động cơ bị chết máy. Mazda thì triệu hồi 262.000 xe, bao gồm CX-5, Mazda 6 và Mazda 3; Lỗi khi chuyển từ chế độ ngắt sang mở hoàn toàn có thể khiến xe dừng lại và không thể khởi động lại.

Khiếu nại của người dùng và thực tế bảo dưỡng

Các vấn đề được báo cáo từ thực tế phổ biến hơn nhưng mức độ xác minh thấp hơn. Lifter sập trên hệ thống AFM của GM là khiếu nại thường gặp; Được cho là có thể khiến đẩy cong nếu không phát hiện sớm, và chi phí sửa chữa có thể lên tới hàng nghìn đô la. Trong số các vấn đề được báo cáo khác có tiêu hao dầu quá mức, tích tụ muội than và rung động khi chuyển đổi - một số chủ xe Mazda CX-30 cho biết họ nhận thấy sự chuyển đổi gắt giữa chế độ 2 và 4 xi-lanh qua âm thanh và cảm giác. Vì đây là những trải nghiệm của từng người dùng dựa trên diễn đàn, việc khái quát hóa cho mọi xe sẽ gây hiểu lầm.

Về phía bảo dưỡng, có một vài điểm thực tế cần biết. Ở một số hệ thống, máy tính sẽ không kích hoạt ngắt xi-lanh như biện pháp an toàn nếu xe bảo dưỡng trễ - tức là hệ thống không có vấn đề gì, tình trạng bảo dưỡng mới là yếu tố quyết định. Việc tắt hệ thống bằng phần mềm là một quyết định hai lưỡi: Tuy có vẻ loại bỏ được nguy cơ hỏng lifter, nhưng việc tất cả các xi-lanh trải qua mọi chu kỳ đốt có thể về mặt lý thuyết làm giảm tuổi thọ linh kiện. Thái độ hợp lý nhất là chấp nhận hệ thống như hiện có, không bỏ lỡ bảo dưỡng định kỳ và kiểm tra mức dầu thường xuyên; Các cơ chế dựa trên lifter và áp lực dầu là những bộ phận bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi dầu bẩn hoặc thiếu dầu.

Kết luận: Phiên bản trưởng thành của một ý tưởng thông minh

Ngắt xi-lanh là sản phẩm của một câu chuyện trưởng thành dài, kéo dài từ các động cơ "hit-and-miss" cuối thế kỷ 19, qua thảm họa Cadillac năm 1981, đến các hệ thống ngày nay hoạt động thầm lặng trên hàng triệu xe. Logic cơ bản của nó - không sản sinh công suất không cần thiết - là một lẽ thường hoàn hảo; Mọi thứ còn lại là chi tiết kỹ thuật giúp quá trình chuyển đổi không bị cảm nhận, và điều khiển điện tử hiện đại đã vượt qua rào cản này phần lớn. Lợi ích thực tế thay đổi theo điều kiện: đáng kể khi chạy cao tốc, khiêm tốn trong đô thị. Cuộc tranh luận về độ tin cậy hoàn toàn chính xác nhưng cần được đọc không quá cực đoan: Dù các đợt triệu hồi chính thức nghiêm trọng, chúng đã được khắc phục và công nghệ ngày nay vẫn tồn tại như một giải pháp tiêu chuẩn trên nhiều dòng xe.

Nguồn tham khảo