Tìm hiểu động cơ nén biến thiên VC-Turbo của Nissan và Infiniti

Nissan là nhà sản xuất ô tô đầu tiên đưa động cơ tỷ số nén biến thiên vào sản xuất. Công nghệ VC-T (Variable Compression – Turbo) được áp dụng cho động cơ tăng áp 4 xi-lanh 2.0 lít và được tung ra thị trường vào năm 2018. Động cơ 2.0 Lít VC-Turbo mới (Variable Compression Turbo – Turbo nén biến thiên) cung cấp số liệu hiệu suất tương tự như động cơ V6 3.5 Lít 24 năm tuổi mà nó thay thế, đồng thời cung cấp khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ 4 xi-lanh. Chiếc xe đầu tiên nhận được động cơ này là Infiniti QX50 SUV 2019 và Nissan Altima SR 2019.

Điều làm nên sự khác biệt của động cơ VC là động cơ turbo nén biến thiên được sản xuất đầu tiên trên thế giới. Công nghệ này đã có hơn 20 năm phát triển và là một bước đột phá trong thiết kế động cơ đốt trong khi nó liên tục điều chỉnh tỷ số nén để tối ưu hóa công suất và hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Nó được dự đoán sẽ cung cấp mức tăng tỷ lệ phần trăm hai con số trong tính kinh tế nhiên liệu.

VC-Turbo thay đổi tỷ số nén một cách liên mạch nó thông qua một hệ thống đa liên kết (Multi-link) tiên tiến liên tục tăng hoặc giảm hành trình của các piston để thay đổi tỷ số nén cho các chế độ tải và tốc độ động cơ khác nhau. Tỷ số nén cao mang lại hiệu quả cao hơn, nhưng trong một số ứng dụng nhất định, nó có nguy cơ gây cháy sớm (kích nổ). Tỷ số nén thấp cho phép tạo ra công suất và mô-men xoắn lớn hơn và ngăn chặn hiện tượng kích nổ.

Hệ thống đa liên kết sử dụng động cơ điện với bộ giảm tốc Harmonic Drive (Bộ truyền động điều hòa) độc đáo nhằm chuyển đổi tỷ số nén của nó. Động cơ điện được kết nối với Harmonic Drive bằng một tay điều khiển; khi Bộ truyền động điều hòa quay, trục điều khiển ở chân động cơ sẽ quay, di chuyển hệ thống đa liên kết trong động cơ.

Khi góc của các cánh tay đa liên kết thay đổi, nó sẽ điều chỉnh vị trí Điểm chết trên của các piston và tỷ số nén với chúng. Một trục điều khiển lệch tâm thay đổi tỷ số nén của tất cả các xi lanh cùng một lúc. Do đó, dung tích động cơ thay đổi giữa 1.997 cc (đối với tỷ lệ 8:1 thấp) và 1.970 cc (đối với tỷ lệ cao 14:1).

Tỷ số nén cao mang lại hiệu quả cao hơn, nhưng trong một số ứng dụng nhất định có nguy cơ cháy sớm (kích nổ). Tỷ số nén thấp cho phép tạo ra công suất và mô-men xoắn lớn hơn và tránh hiện tượng kích nổ. Khi vận hành, động cơ VC-Turbo có thể cung cấp bất kỳ tỷ số nén nào giữa 8:1 (cho hiệu suất cao) và 14:1 (cho hiệu quả cao).

Động cơ cho công suất 248 mã lực tại 5.600 vòng/phút và mô-men xoắn 273 lb-ft (370 Nm) tại 4.000 vòng/phút (nhiên liệu cao cấp). Công suất cụ thể của VC-Turbo cao hơn nhiều động cơ xăng tăng áp có dung tích xy lanh tương đương và gần bằng hiệu suất của một số động cơ xăng V6. Bộ tăng áp cuộn đơn của thiết bị đảm bảo phản ứng của chân ga ngay lập tức theo yêu cầu.

Được trang bị động cơ VC-Turbo, QX50 tiết kiệm nhiên liệu 27 mpg (đường kết hợp của Hoa Kỳ, dẫn động cầu trước; với dẫn động bốn bánh 26 mpg). Về thông số kỹ thuật dẫn động cầu trước, điều này giúp cải thiện 35% hiệu suất nhiên liệu so với động cơ xăng V6 trên QX50 trước đó, trong khi 26 mpg của mô hình dẫn động bốn bánh mới thể hiện mức cải thiện 30%.

Khối động cơ và đầu xi-lanh được đúc bằng hợp kim nhôm siêu nhẹ, trong khi các chi tiết đa liên kết được sản xuất bằng hợp kim thép cacbon cao. So với động cơ VQ V6 3.5 lít của Infiniti, VC-Turbo 2.0 lít nhẹ hơn 18kg và cần ít không gian hơn trong khoang động cơ.

Động cơ cũng sử dụng hai chu kỳ đốt cháy với điều khiển van biến thiên điện tử, VC-Turbo có thể chuyển đổi giữa cả Chu trình Atkinson và Chu trình đốt cháy thông thường mà không bị gián đoạn, cho phép hiệu quả và hiệu suất cao hơn khi nó chuyển đổi.

Theo chu trình Atkinson, việc hút không khí và nhiên liệu chồng chéo lên nhau, cho phép nhiên liệu trong buồng đốt mở rộng ra thể tích lớn hơn để đạt hiệu quả cao hơn. Động cơ vận hành chu trình Atkinson với tỷ số nén cao hơn, với hành trình piston dài hơn cho phép các van nạp mở thêm trong thời gian ngắn khi hành trình nén bắt đầu. Chu trình Atkinson thường được sử dụng trong động cơ hybrid để tối đa hóa hiệu suất.

Khi tỷ số nén giảm xuống, động cơ sẽ quay trở lại chu trình đốt cháy bình thường – nạp, nén, nổ, xả – trong các giai đoạn riêng biệt để mang lại hiệu suất cao hơn.

Động cơ VC-Turbo sử dụng cả phun xăng đa điểm (MPI) và phun xăng trực tiếp (GDI) để cân bằng hiệu quả và sức mạnh trong mọi điều kiện. GDI cải thiện hiệu suất và hiệu suất đốt cháy, đồng thời cho phép động cơ tránh kích nổ ở tỷ số nén cao hơn. MPI trộn nhiên liệu và không khí sớm hơn, cho phép đốt cháy hoàn toàn trong buồng để đạt hiệu quả cao hơn khi tải động cơ thấp, nó cũng giúp giảm cặn carbon trên van nạp vốn đã trở thành vấn đề lớn với một số động cơ phun nhiên liệu trực tiếp

Động cơ chuyển đổi giữa cả hai ở tốc độ động cơ bình thường, với cả hai bộ kim phun có thể hoạt động kết hợp với nhau dưới tải cao hơn.

Một bộ tăng áp cuộn đơn tối đa hóa hiệu suất và hiệu quả, cho phép phản ứng ga ngay lập tức ở bất kỳ tốc độ hoặc tỷ số nén nào. Bộ tăng áp đảm bảo hiệu suất tương đương với một đơn vị sáu xi-lanh hút khí tự nhiên. Đủ nhỏ để hỗ trợ kích thước tổng thể nhỏ gọn, một hệ thống cuộn đơn cũng làm giảm tổn thất nhiệt năng và áp suất khí thải.

Một ống xả tích hợp được tích hợp vào đầu xi lanh nhôm để nâng cao hơn nữa việc đóng gói và hiệu quả. Điều này cho phép đặt bộ chuyển đổi xúc tác bên cạnh turbo, tạo ra một đường dẫn dòng chảy ngắn hơn cho khí thải nóng. Điều này có nghĩa là quá trình kiểm soát khí thải có thể bắt đầu sớm hơn, vì bộ chuyển đổi xúc tác nóng lên nhanh hơn.

Kiểm soát chặt chẽ dòng khí thải qua bộ tăng áp, bộ truyền động cửa xả điều khiển điện tử duy trì áp suất tăng áp của bộ tăng áp. Điều này đảm bảo hiệu suất và hiệu suất nhiên liệu cao trong mọi điều kiện đồng thời giảm thiểu lượng khí thải.

VC-Turbo êm ái hơn các động cơ cùng dòng thông thường, đồng thời có độ ồn và độ rung thấp như mong đợi của động cơ V6 truyền thống. Đây một phần là kết quả của thiết kế đa liên kết, trong đó các thanh kết nối piston gần như thẳng đứng trong suốt chu trình đốt cháy (thay vì di chuyển rộng hơn theo phương ngang như khi quay trục khuỷu truyền thống). Điều này thể hiện chuyển động qua lại lý tưởng và hoàn toàn không cần sự cần thiết của trục cân bằng. Mặc dù được bổ sung cách bố trí đa liên kết, động cơ vẫn nhỏ gọn như động cơ 4 xi-lanh 2.0 lít thông thường.

Ngoài ra, lớp phủ gương xilanh có độ ma sát thấp góp phần làm giảm 44% ma sát trong xi-lanh, theo các kỹ sư Nissan, cho phép động cơ quay trơn tru hơn. Lớp phủ được phủ lên thành xi lanh bằng tia plasma, sau đó được làm cứng và mài giũa để tạo ra thành xi lanh siêu mịn. Cung cấp dầu cho động cơ là một bơm dầu biến thiên hai cấp làm tăng áp suất dầu khi tốc độ động cơ tăng và tỷ số nén giảm.

Động cơ VC-Turbo 2.0 lít của QX50 sử dụng hệ thống giảm rung động giá đỡ động cơ chủ động, được gọi là Active Torque Rod (ATR), để giảm tiếng ồn của động cơ hơn nữa. Được tích hợp vào giá đỡ động cơ phía trên, nơi tạo ra tiếng ồn mô-men xoắn lớn nhất và độ rung động cơ, ATR có cảm biến G phát hiện rung động. Sau đó, nó tạo ra các dao động ngược chiều, qua lại, giúp động cơ bốn xi-lanh hoạt động trơn tru và yên tĩnh như động cơ V6, giảm tiếng ồn động cơ 9dB so với QX50 hiện tại. Điều này giúp VC-Turbo trở thành một trong những động cơ êm và mượt nhất trong phân khúc SUV cao cấp.