EnterKnow: Trong kỹ thuật ô tô, động cơ nhiều van (multi-valve) là loại động cơ đốt trong (4 kỳ) mà mỗi xi lanh có nhiều hơn hai van. Động cơ nhiều van có nhịp thở (nhịp thở là nhịp hút khí nạp và xả khí thải) tốt hơn và có thể hoạt động ở số vòng quay trên phút (RPM) cao hơn so với động cơ hai van, mang lại hiệu suất cao và nhiều công suất hơn.
Lịch sử ra đời của động cơ đa van
Động cơ nhiều van lần đầu tiên xuất hiện là vào năm 1912, trên chiếc xe đua Peugeot L76 Grand Prix do Ernest Henry thiết kế. Đó là động cơ hai trục cam và bốn van trên mỗi xi-lanh (DOHC). Động cơ 4 xylanh thẳng hàng có dung tích 7.6 lít với buồng đốt hình bán cầu hiện đại tạo ra công suất 148 mã lực. Sau đó là chiếc Bugatti Type 18 dẫn động bằng xích này có động cơ 5 lít 4 xi-lanh thẳng hàng SOHC và ba van trên mỗi xi-lanh (hai nạp, một xả). Nó tạo ra công suất 100 mã lực (75 kW; 101 PS) tại 2800 vòng / phút và có thể đạt tốc độ 99 dặm / giờ (159 km / h).
Tiếp theo đó, lần lượt nhiều nhà sản xuất ô tô cũng bắt đầu chế tạo động cơ nhiều van. Alfa Romeo (1914), Bentley (1921), Mercedes-Benz (1937)… Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt trên xe ô tô đường bộ đến vào cuối những năm 1970 – Ford Escort RS1600 (1970), Triumph Donomite Sprint (1973), Chevrolet Cosworth Vega (1975), Lotus Esprit (1976), Fiat 131 Abarth (1976) và BMW M1 ( 1979).
Triumph Donomite Sprint là một trong những chiếc xe đường trường đầu tiên có công nghệ đa van. Động cơ 4 xylanh dung tích 2 lít của nó có 16 van nhưng chỉ có một trục cam, không giống như thiết kế DOHC phổ biến trên các động cơ đua đương đại. Các van nạp được dẫn động trực tiếp bởi trục cam, trong khi van xả được dẫn động bởi cùng một trục cam thông qua các cánh tay đòn. Ngày nay, động cơ SOHC 16 van của Honda vẫn sử dụng thiết kế tương tự.
Vào giữa những năm 1980, động cơ 4 van trên mỗi xi-lanh hầu như đã trở thành tiêu chuẩn trên những chiếc xe hiệu suất cao, chẳng hạn như Ferrari 308 GTB Quattrovalvole (1982), BMW M635CSi (1983), Ferrari 288 GTO (1984), Mercedes 190E 2.3-16 (1984) , Saab 9000 (1984, cũng là chiếc đầu tiên kết hợp 4 van và turbo trên xe sản xuất), BMW M5 (1985), Ferrari Testarossa (1985), Lamborghini Countach QV (1985) và Volkswagen Golf GTi 16V (1985)…
Tuy nhiên, chính người Nhật là người đầu tiên đưa công nghệ đa van vào những chiếc xe sản xuất hàng loạt mà mọi người đều có thể mua được (xe gia đình). Honda Civic sử dụng động cơ 3 van làm tiêu chuẩn vào năm 1983 và động cơ 4 van vào năm 1987. Toyota đã bán đại trà động cơ 16 van 1.6 lít hiệu suất cao của mình trên Corolla coupe / Truneo (1983) và MR2 (1984), sau đó trang bị trên Corolla với động cơ 4 van vào năm 1987. Họ đã tiêu chuẩn hóa động cơ nhiều van sớm hơn các nhà sản xuất xe hơi phương Tây gần một thập kỷ!
Cơ sở lý luận – ưu nhược điểm của động cơ nhiều van
Bất kỳ động cơ đốt trong bốn kỳ nào cũng cần ít nhất hai van trên mỗi xi-lanh: một van để nạp không khí/hòa khí, và một van còn lại để xả khí cháy. Một động cơ cỡ nhỏ thì có thể thiết kế 2 van, khi nó ở tốc độ thấp, 2 van này đủ giúp động cơ hoạt động tối ưu. Nhưng ở tốc độ cao, việc đóng mở 2 van xảy ra rất nhanh, do đó không thể đảm bảo nạp đầy hòa khí và xả sạch khí thải. Hơn nữa, nếu cứ làm kích thước 2 van tăng lên (tăng theo kích thước xylanh) thì khối lượng 2 van này sẽ lớn, nhưng nó cũng không thể đạt được một kích thước tối ưu. Hơn nữa, việc thiết kế này gây khó khăn cho việc bố trí bugi, tối ưu hóa dòng chảy,…
Động cơ nhiều van có thể khắc phục các nhược điểm của động cơ 2 van. Đó là làm tăng diện tích van, tăng diện tích mở van và do đó cải thiện lưu lượng khí nạp và khí thải, do đó tăng cường quá trình đốt cháy hiệu quả, hiệu suất thể tích và công suất. Với thiết kế hình học đa van cho phép bugi được định vị lý tưởng trong buồng đốt để ngọn lửa lan truyền tối ưu. Động cơ nhiều van có xu hướng có các van nhỏ hơn do đó khối lượng chuyển động thấp hơn, ngăn các van bị “trôi” khỏi vị trí thiết kế khi động cơ chạy ở vòng tua cao, do đó cho phép động cơ quay vòng cao hơn, có thể giảm mài mòn trên mỗi thùy cam và cho phép nhiều công suất hơn từ vòng tua cao hơn mà không có nguy cơ dội lại van. Một số động cơ nhiều van được thiết kế để mở mỗi van nạp vào một thời điểm khác nhau, điều này làm tăng sự hỗn loạn, dòng khí để cải thiện sự hòa trộn của không khí và nhiên liệu ở tốc độ động cơ thấp. Việc trang bị nhiều van hơn cũng cung cấp thêm khả năng làm mát cho đầu xi lanh.
Nhược điểm, động cơ nhiều van sử dụng nhiều thành phần hơn, do đó chúng mang nhiều trọng lượng hơn và chi phí cao hơn. Các động cơ nhiều van ban đầu không nổi tiếng về khả năng kiểm soát. Ở vòng tua máy thấp đến trung bình, chúng thực sự tạo ra ít mô-men xoắn hơn so với động cơ 2 van tương đương. Bởi vì diện tích van lớn hơn dẫn đến lưu lượng khí trong ống nạp chậm hơn. Ở vòng tua máy thấp, luồng không khí rất chậm dẫn đến sự hòa trộn nhiên liệu và không khí không hoàn hảo, dẫn đến hiện tượng kích nổ và giảm công suất. Đối với một chiếc xe đua hoặc xe thể thao, đó có thể không phải là vấn đề lớn, nhưng đối với những chiếc xe chở khách thông thường, việc thiếu khả năng vận hành được coi là không thể chấp nhận được.
Các giải pháp
Toyota Variable Intake System
Để giải quyết nhược điểm nói trên, Toyota đã giới thiệu T-VIS (Toyota Variable Intake System – Hệ thống nạp biến thiên của Toyota) vào giữa những năm 1980. T-VIS tăng tốc luồng không khí tốc độ thấp trong ống nạp. Lý thuyết khá đơn giản: đường ống nạp của mỗi xi lanh được chia thành hai ống góp phụ riêng biệt nối với nhau gần các van nạp. Một van bướm đã được thêm vào tại một trong các ống góp phụ. Ở dưới 4.650 vòng/phút, van bướm vẫn đóng để tăng vận tốc của dòng khí trong ống nạp. Khi nhiên liệu được phun vào phần này của ống góp, có thể thu được sự hòa trộn nhiên liệu không khí tốt hơn. Ở vòng quay cao, van bướm mở ra để cho phép luồng không khí tối đa.
T-VIS đã được sử dụng trên các mô hình hiệu suất như AE86, MR2 và Celica. Tuy nhiên, đối với các dòng xe du lịch phổ thông của mình, Toyota đã bỏ tính năng này và áp dụng thiết kế cổng/ống nạp đường kính nhỏ vì lý do chi phí. Nhiều nhà sản xuất ô tô khác cũng đi theo con đường tương tự, hy sinh một chút sức mạnh hàng đầu để có khả năng vận hành ở tốc độ thấp tốt hơn.
Phương pháp tiếp cận hiện đại
Trong những năm gần đây, vấn đề về khả năng vận hành ở tốc độ thấp có thể được giải quyết bằng nhiều giải pháp, chẳng hạn như đường ống nạp biến thiên (giúp tăng mô-men xoắn cấp thấp), điều khiển van biến thiên (có thể trì hoãn việc mở van nạp ở vòng tua thấp để tăng tốc lưu lượng khí) và độ nâng van thay đổi (thay đổi mức độ nâng do đó tốc độ dòng khí thay đổi). Tuy nhiên, giải pháp cuối cùng phải là phun nhiên liệu trực tiếp.
Số lượng van
1. Động cơ 3 van
Động cơ nhiều van sản xuất hàng loạt đầu tiên là động cơ 3 van vì cấu tạo đơn giản – nó chỉ cần một trục cam duy nhất để dẫn động cả van nạp và van xả của mỗi xi lanh. Cách thiết kế này bao gồm 1 van xả lớn và 2 van nạp nhỏ. Bố trí ba van cho phép nạp xả tốt hơn so với hai van, nhưng van xả lớn dẫn đến giới hạn RPM không cao hơn động cơ hai van. Chi phí sản xuất cho thiết kế này có thể thấp hơn so với thiết kế bốn van. Thiết kế ba van phổ biến vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990. Ngày nay, vẫn có một số dòng xe cấp thấp sử dụng thiết kế rẻ tiền nhưng kém hiệu quả này.
Đáng ngạc nhiên là Mercedes-Benz đã chuyển đổi từ công nghệ 4 van sang 3 van trên gia đình động cơ V6 và V8 mô-đun của mình vào cuối những năm 1990 đến giữa những năm 2000. Sự thay đổi không phải vì lý do chi phí, mà là nhu cầu phát thải sạch hơn. Nghiên cứu do Mercedes thực hiện cho thấy những khó khăn lớn trong việc tuân thủ các giới hạn khí thải khởi động lạnh theo yêu cầu của các tiêu chuẩn của EU. Bằng cách giảm một nửa số lượng van xả, diện tích bề mặt của các cổng xả và ống góp có thể được giảm phần lớn. Điều này làm giảm thời gian cần thiết để làm nóng bộ chuyển đổi xúc tác khi khởi động nguội. Với sự tiến bộ của công nghệ kiểm soát khí thải trong những năm tới, Mercedes cuối cùng đã từ bỏ cách tiếp cận 3 van.
2. Động cơ 4 van
Ngày nay, phần lớn động cơ nhiều van sử dụng thiết kế 4 van trên mỗi xi lanh. Đây là loại phổ biến nhất của đầu nhiều van, với hai van xả và hai van nạp tương tự (hoặc van nạp lớn hơn một chút). Thiết kế này cho phép nạp xả tốt và vì các van xả nhỏ cho phép RPM cao, thiết kế này rất phù hợp với đầu ra công suất cao.
Hầu hết các động cơ 4 van đều sử dụng cam đôi (DOHC) vì những lợi ích rõ ràng của nó, chẳng hạn, hút / xả dòng chảy chéo, quán tính và ma sát thấp, đồng thời cho phép phân chia cam nạp và xả độc lập. Tuy nhiên, một số động cơ quan tâm đến chi phí (hầu hết của Honda và Mitsubishi) vẫn sử dụng cam đơn (SOHC) để dẫn động tất cả các van. Giống như Triumph Donomite Sprint nói trên, những động cơ này sử dụng cánh tay đòn để truyền chuyển động từ trục cam tới van xả. Kết quả là ma sát và quán tính cao hơn cản trở khả năng quay vòng, nhưng điều đó không thành vấn đề đối với các ứng dụng trên ô tô gia đình.
3. Động cơ 5 van
Ít phổ biến hơn là động cơ năm van, với hai van xả và ba van nạp. Tất cả năm van có kích thước tương tự nhau, hoặc 2 van xả lớn hơn, nhưng tổng diện tích van nạp vẫn lớn hơn van xả. Thiết kế này cho phép động cơ nạp xả tuyệt vời, và vì mọi van đều nhỏ, RPM cao và công suất đầu ra rất cao về mặt lý thuyết. Hơn nữa, việc đóng mở các van nạp cũng có thể thực hiện vào các thời điểm khác nhau, giúp cho việc tạo dòng xoáy khí nạp tốt hơn.
Yamaha là chuyên gia của công nghệ 5 van. Kể từ giữa những năm 1980, hãng đã sử dụng công nghệ 5 van trên xe máy hiệu suất cao của mình. Năm 1991, họ đã giúp Toyota sản xuất động cơ 1,6 lít 20 van cho Corolla Levin (Trueno). Đây có lẽ là ứng dụng 5 van sớm nhất trên ô tô đường bộ. Theo sau đó là Bugatti EB110 và LCC Rocket (chạy bằng động cơ xe máy Yamaha). Trong khi đó, khi đã sử dụng thành công công nghệ 5 van trên xe F1, Ferrari đã áp dụng nó cho F355 và F50. Tuy nhiên, nhà sản xuất duy nhất từng đưa nó vào sản xuất hàng loạt là Audi (cũng mang lại lợi nhuận cho tập đoàn Volkswagen). Trong khoảng một thập kỷ, hầu hết các động cơ do Audi sản xuất đều được trang bị đầu 5 van.
Về lý thuyết, 5 van trên mỗi xi lanh có thể cung cấp diện tích van lớn hơn 4 van để nạp và xả tốt hơn. Các van nạp nhỏ hơn và nhẹ hơn cũng giúp động cơ có vòng tua cao hơn mà không lo bị “nổi van”. Lý do thứ hai đặc biệt quan trọng đối với động cơ superbike và mô tô đua vòng tua cao. Tuy nhiên, lợi thế tổng thể của công nghệ 5 van so với 4 van luôn là chủ đề tranh cãi, bởi vì nó liên quan đến nhiều thành phần hơn, do đó khối lượng và ma sát nhiều hơn. Nạp theo dòng chảy chéo cũng ít lý tưởng hơn so với trường hợp 4 van. Năm 1993, Ferrari đã cho chúng ta một câu trả lời sơ bộ: động cơ F1 của hãng đã quay trở lại đầu 4 van. Điều này đã được thực hiện vì các lò xo van khí nén mới có thể giải quyết vấn đề “van nổi”. Trong lĩnh vực xe đường trường, Ferrari đã thay thế 360 Modena 5 van bằng F430 4 van vào năm 2005 và vẫn có khả năng tạo ra nhiều mã lực hơn mỗi lít. Điều này đã phá vỡ huyền thoại của công nghệ 5 van. Đến giữa những năm 2000, Audi cũng bắt đầu quay trở lại với động cơ 4 van, chấm dứt cơn sốt 5 van trong thời gian ngắn.
4. Động cơ 6 van và nhiều hơn
Đối với một xylanh hình trụ và các van có kích thước bằng nhau, việc tăng số lượng van vượt quá năm sẽ làm giảm tổng diện tích van. Và có lẽ bất cứ động cơ nào nhiều hơn 5 van trên mỗi xi-lanh vẫn chỉ là một giấc mơ … một giấc mơ hoang đường. Số liệu dưới đây cho thấy các khu vực hiệu quả của các số lượng van khác nhau theo tỷ lệ của lỗ xi lanh. Các tỷ lệ phần trăm này dựa trên hình dạng đơn giản và không tính đến các lỗ cho bugi hoặc kim phun, nhưng những khoảng trống này thường sẽ nằm trong “không gian chết” không có sẵn cho van. Ngoài ra, trong thực tế, van nạp thường lớn hơn van xả ở đầu có số van chẵn trên mỗi xi-lanh:
- 2 van = 50%
- 3 van = 64%
- 4 van = 68%
- 5 van = 68%
- 6 van = 66%
- 7 van = 64%
- 8 van = 61%
Năm 1985, Maserati công bố động cơ V6 này với tổng cộng 36 van. Động cơ kết hợp với tăng áp kép áp suất nhẹ để tạo ra 261 mã lực … chỉ từ 2 lít dung tích! Thật không may, nó đã bị hủy bỏ trước khi sản xuất.
NR750, chiếc mô tô GP của Honda vào đầu những năm 1990, thậm chí còn có 8 van mỗi xi-lanh! Điều thú vị là piston có hình bầu dục để chứa tất cả các van. Nó cũng cần hai thanh truyền để hỗ trợ. Trên thực tế, chiếc động cơ V4 này thực sự là loại V8 với mỗi xi-lanh trong số hai xi-lanh liền kề được kết hợp – chỉ để lợi dụng kẽ hở của quy định đua xe cấm nhiều hơn 4 xi-lanh.
