Cách hoạt động của động cơ không trục cam Koenigsegg Gemera

Một phần quan trọng trong hệ thống truyền động của Koenigsegg Gemera là hệ thống “Freevalve” của động cơ xăng. Hầu hết nhiều người sẽ bỏ quên yếu tố này khi tính tổng công suất và chỉ biết rằng động cơ xăng kết hợp với ba motor điện để tạo ra tất cả 1700bhp. Tuy nhiên động cơ xăng "Freevalve" chính là một trong những công nghệ quan trọng nhất trên chiếc Gemera.



Christian von Koenigsegg - tổng giám đốc điều hành của Koenigsegg -  yêu thiết kế này đến mức ông sẵn sàng giành hàng giờ để nói về những ưu điểm của động cơ. Vị giám đốc người Thuỵ Điển còn đặt một cái tên khá thú vị cho động cơ: “Gã khổng lồ bé nhỏ thân thiện”.

Gọi là khổng lồ vì nó có thể tạo ra 600bhp. Bé nhỏ là vì động cơ chỉ có 2.0 lít và ba xi lanh. Mặc dù 2.0 lít không phải là động cơ có dung tích quá nhỏ (Hầu hết các xe của Koenigsegg đều sử dụng động cơ V8 lớn), kích thước nhỏ giúp cho động cơ dễ lắp đặt. Ngoài việc động cơ chỉ có 3 xi lanh, một yếu tố đặc biệt khác chính là việc động cơ không hề có trục cam.


Có thể thấy rằng đây là một động cơ mang tính cách mạng với ngành ô tô. Bằng cách loại bỏ trục cam và thay thế nó bằng một bộ truyền động nhỏ gọn phía trên mỗi xupap, hệ thống Freevalve cho phép mỗi xupap được điều khiển riêng lẻ. Các xuppap có thể được nâng lên nhiều hay ít trong bao lâu tùy theo nhu cầu của hệ thống quản lý động cơ. Hơn nữa mỗi xupap có thể hoạt động độc lập với những xupap khác.

Đã từ lâu, điều khiển van biến thiên đã là giấc mơ của các nhà thiết kế động cơ. Để động cơ làm việc hiệu quả ở dải vòng tua thấp, bạn cần xupap mở nhỏ, nhưng để có công suất cao, bạn cần chúng mở dài và lâu. Đó là lý do tại sao Honda phát minh ra VTEC và Mitsubishi MIVEC, chuyển đổi giữa hai cấu hình cam để thực hiện hai trạng thái đó, nhưng không có gì ở giữa. Hầu hết các động cơ hiện đại sử dụng pulley truyền động xoắn để mở và đóng xupap sớm hơn hoặc muộn hơn để giúp kiểm soát khí thải. BMW Valvetronic thay đổi cấu hình mở bằng cách chèn thêm một đòn bẩy giữa cam và xupap. Vì vậy, hệ thống này còn linh hoạt hơn cả hệ thống Fiat/Alfa MultiAir II.

Nhưng tất cả các công ty khác vẫn có trục cam, và tất cả vẫn có giới hạn. Động cơ Freevalve thì không. Christian von Koenigsegg cho biết, mỗi xupap có thể được giữ ở một vị trí nhất định hoặc không được nâng lên hoặc mở hoàn toàn và giữ ở đó. Một điều quan trọng khác đó là các xupap hoạt động hoàn toàn độc lập.
Các thiết bị dẫn động van là pít-tông nhỏ. Một luồng khí nén được đưa vào pít-tông đó sẽ mở xupap khi cần thiết. Nó sau đó được thoát ra để đóng xupap bằng lò xo của chính nó bằng cách giải phóng không khí, hoặc nó có thể được điều khiển mở xupap thông qua một bể chứa dầu. Sau đó, dầu được giải phóng thông qua một lỗ nhỏ, điều này làm cho xupap không bị đóng đột ngột và đảm bảo xupap không đâm vào vị trí của nó một cách nghiêm trọng. Ngoài ra còn có một đường dẫn khí ở phía bên kia của truyền động pít-tông có thể đẩy nhanh việc đóng xupap.

Dưới đây sẽ là những ưu điểm:

• Mỗi xi lanh trong Freevalve có một cổng cho mỗi xupap và thực chất mỗi cổng có hình dạng hơi khác nhau. Điều đó có nghĩa là trong thời gian hoạt động ở vòng tua thấp xi lanh được vận hành chỉ bằng một xupap, cổng tương ứng được định hình cho sự sụt giảm tình trạng hỗn loạn và xoáy. Cùng với luồng không khí chảy qua nhanh hơn khi chỉ một xupap được mở, tất cả giúp cải thiện hiệu quả việc trộn không khí và nhiên liệu khi động cơ không hoạt động ở dải tua cao.

• Về phía ống xả, một cổng từ mỗi xi lanh cung cấp cho một trong hai turbo trong khi cổng kia cho turbo còn lại. Ở vòng tua thấp, chỉ có một xupap từ mỗi xi lanh mở ra, đưa không khí qua một cổng hẹp giúp tăng tốc lưu lượng khí, giúp Blower đầu tiên tăng tốc nhanh. Sau đó, bộ van thứ hai được sử dụng, cung cấp cho turbo công suất cao thông qua các cổng to hơn và đạt được sản lượng lớn. 

• Trong một thử nghiệm động cơ sử dụng turbo đơn, Freevalve đã gửi một bộ cổng để bỏ qua turbo hoàn toàn. Điều này có nghĩa là không cần đến bộ điều ấp turbo. Khi áp suất tăng đến mức mong muốn trong turbo, động cơ tăng cường vào van bỏ qua Blower.

• Bỏ qua turbo cũng giúp xúc tác nóng nhanh chóng khi bắt đầu lạnh. Điều đó rất quan trọng đối với khí thải bởi vì nó là thời điểm mà động cơ xăng của khí thải ở mức độ độc hại cao nhất.
• Ngoài ra để khởi động, động cơ có thể chỉ chạy một xi-lanh ở mức tua cao hơn, do đó, nó làm ấm nhanh hơn và làm nóng chất xúc tác trước khi các xi-lanh khác được đưa vào hoạt động. Nó cũng có thể bơm động cơ mà không cần đánh lửa trong vài giây, làm nóng xi lanh bằng cách nén một mình.

• Động cơ cho phép tỷ số nén cao bởi vì nếu có bất kỳ nguy hiểm khi động cơ bị knock(kích nổ) nào khi vận hành thì nó có thể chạy trong chu trình Atkinson, giảm thời gian mở xupap nạp để cắt lượng không khí trong xi lanh trong quá trình nén. Nén cao là ưu điểm để có hiệu suất tốt hơn. Nó tình cờ cho phép một động cơ thay đổi map của nó, được tối ưu hóa cho ethanol sinh học có chỉ số octan cao cũng như đối với xăng.

• Đóng xupap xả sớm, giúp làm mát khí. Điều đó làm giảm NOx mà thông thường hình thành ở nhiệt độ cao. Các động cơ sử dụng van biến thiên khác có thể làm điều này, nhưng không linh hoạt.

• Bằng cách đặt hai xupap nạp lệch pha, nó được khẳng định có thể sử dụng cộng hưởng cổng nạp ở phạm vi RPM rộng hơn.

• Mô-men xoắn thấp có được khả năng tăng mạnh (lên đến 45% trong động cơ thử nghiệm) vì turbo không bị trễ, cũng như cộng hưởng cổng nạp tốt hơn. Với khả năng kiểm soát đốt cháy tốt hơn nhiều, hệ thống có thể kiểm soát tốt hơn việc nén và cho phép boost nhiều hơn trước khi bị knock (kích nổ).

• Công suất tối đa tăng theo tỷ lệ tương tự, vì biên dạng của xupap cũng được tối ưu hóa cho điều đó - thậm chí còn nhiều hơn cả biên dạng cam của động cơ xe đua.

• Hệ thống cũng cho phép cải thiện sự tiết kiệm trong các trường hợp hoạt động ở dải công suất thấp bằng cách tắt các xi lanh riêng lẻ, bằng cách đóng các xupap và ngắt nguồn cung cấp nhiên liệu. (Một điều đáng chú ý đó là, tính năng đặc biệt này đang ngày càng phổ biến trong các động cơ khác.)
 

Những thiết bị truyền động xupap riêng lẻ, bốn trong số chúng trên mỗi xi lanh, chắc chắn là cực kỳ đắt. Nhưng bù đắp một phần chi phí đó, một động cơ Freevalve giúp tiết kiệm nhiều hệ thống khác. Không có dây đai cam hoặc dây đai chuyền động. Không có bộ biến thiên trục cam. Không có bướm ga. Không có van điều áp. Không cần VGT. Không cần tiền xúc tác trước khi khởi động nguội. Không có hệ thống tuần hoàn khí thải bên ngoài. Không có hệ thống kim phun trực tiếp đắt tiền; Nó có một thiết kế cổng phun rẻ hơn. Không có van tiết lưu sẽ có hiệu quả cao hơn - một bướm ga gây ra lực cản cho không khí đi vào, gây lãng phí năng lượng.

Điều ngạc nhiên đầu tiên khi động cơ linh hoạt đáng kinh ngạc này xuất hiện trong Gemera, một chiếc hybrid. Hầu hết các xe hybrid sử dụng động cơ điện của chúng để giúp động cơ xăng hoạt động trong phạm vi REV và bướm ga hiệu quả nhất. Tại sao sử dụng một động cơ với phạm vi REV rộng như vậy trong một động cơ hybrid?

Câu trả lời là Gemera cũng có hệ thống truyền động trực tiếp Koenigsegg (Koenigsegg’s Direct Drive system), một tỷ số truyền duy nhất (mặc dù có bộ chuyển đổi mô-men xoắn cho tốc độ thấp). Vì vậy, động cơ cần phải hoạt động tốt trên một phạm vi vòng tua rộng hơn so với bất kỳ hybrid nào khác.
Hơn nữa, nó có ưu điểm về phản hồi của động cơ, kích thước, mật độ công suất và khí thải, động cơ được  khởi động sau khi dải điện hybrid bị cạn kiệt. Nhưng có một lý do khác để sử dụng hệ thống này. Chiếc siêu xe Gemera có thể xem là một sản phẩm để quảng cáo công nghệ Freevalve.

Freevalve thực chất là một công ty chị em với công ty siêu xe Koenigsegg. Công ty này có khoảng 20 nhân viên và nằm trong cùng tòa nhà văn phòng với nhà máy sản xuất hypercar chính  ở miền nam Thụy Điển.



Christian von Koenigsegg cũng là chủ tịch và CEO của Freevalve. Nhiệm vụ của công ty Freevalve là phát triển và bán công nghệ Freevalve cho các công ty xe hơi khác, dù hiện tại họ vẫn chưa công bố sản phẩm trên thị trường. Một yếu tố quan trọng khác đó là ý tưởng này cũng có thể hoạt động cho động cơ diesel, và có vẻ như ứng dụng đầu tiên với số lượng lớn sẽ là cho động cơ xe tải hạng nặng.

Nếu những công nghệ này có thể hoạt động một ổn định với Gemera, thì sự lan tỏa của nó trên xe dành cho người bình dân sẽ sớm được phân bổ rộng hơn.    

Nguồn: TopGear
Dịch: MeCar - All About Car