"Nội soi" động cơ SmartStream Diesel trên Hyundai Santa Fe

Hyundai SantaFe đã vốn nổi tiếng tại Việt Nam bởi động cơ Diesel với công nghệ CRDi nhưng với phiên bản 2021, chiếc SUV 7 chỗ của Hyundai còn được bổ sung thế hệ động cơ mới SmartStream D2.2L.

Trên thực tế, doanh số bán của động cơ Diesel trên Santa Fe luôn chiếm tỉ trọng lớn, tương đương hoặc thậm chí nhỉnh hơn bản xăng. Tại Việt Nam, có một quan niệm cũ kỹ và hết sức sai lầm là xe sử dụng động cơ Disel đều ồn, tăng tốc kém, xả khói mù mịt cùng với mùi khá hôi đặc trưng. 

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ, những cỗ máy Diesel được hoàn thiện rất nhiều về công nghệ, đem đến những đặc điểm vận hành không hề thua kém động cơ xăng, thậm chí một vài đặc điểm còn nổi trội hơn máy xăng như sức kéo (ở cùng một dải tua và dung tích máy, động cơ Diesel có thể đạt số mô-men xoắn cao gấp đôi động cơ xăng). Thêm vào đó, khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ Diesel cũng rất tốt khiến cho xu hướng sử dụng động cơ Diesel ngày một phổ biến. 

Hyundai SantaFe đã vốn nổi tiếng tại Việt Nam bởi động cơ Diesel với công nghệ CRDi danh tiếng. Với phiên bản 2021, chiếc SUV 7 chỗ của Hyundai còn được bổ sung thế hệ động cơ mới SmartStream D2.2L. Đây là thế hệ động cơ ứng dụng vật liệu mới, giúp giảm trọng lượng, hạ thấp trọng tâm, gia tăng độ bền bỉ và thân thiện mới môi trường. 

Động cơ Diesel trên Hyundai Santa Fe 2021 nhẹ hơn thế hệ cũ 38 kg.

Thoạt nhìn, khối động cơ này có vẻ như giữ nguyên như cũ. Nhưng thực tế, cụm động cơ này mang mã hiệu D4HE, còn cụm động cơ cũ mang mã hiệu D4HB. Khối động cơ này cho công suất tối đa 202 mã lực tại 3.800 vòng/phút cùng mô-men xoắn cực đại 441Nm ngay từ 1.750 vòng/phút. 

Động cơ này so với động cơ R2.2 trước đây (mã hiệu D4HB) nhẹ hơn tới 38 kg do lốc máy được chế tạo bằng gang graphit và nắp quy lát được làm bằng nhôm gia cường, cơ cấu trục cam truyền động được cải tiến giúp triệt tiêu độ rung và độ ồn, cùng áp suất nén cao hơn (2.200bar so với 2.000bar) đem tới hiệu suất vận hành tốt hơn. Sức mạnh này có được chính là nhờ vào thế hệ động cơ SmartStream mới nhất của hãng.

Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel

Trước khi tìm hiểu động cơ SmartStream D2.2 trên SantaFe có gì thú vị, hãy cùng điểm qua lịch sử và nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel. Động cơ Diesel do Rudolf Diesel phát minh năm 1892, sau quá trình hoàn thiện, động cơ Diesel được ứng dụng lần đầu tiên vào xe du lịch của Mercedes-Benz với chiếc 260D vào năm 1936 và thu được những thành công lớn. Từ đây sự phát triển của loại động cơ này đạt được nhiều thành tựu.

Động cơ diesel cũng là loại động cơ đốt trong hoạt động trên nguyên tắc đốt hỗn hợp cháy (nhiên liệu - không khí) ngay bên trong xilanh (giống động cơ xăng, hoạt động trên nguyên tắc tự cháy (tự kích nổ) trong điều kiện môi trường áp suất cao, tỷ số nén lớn (trong khoảng 14:1 đến 25:1) mà không dùng bugi đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu.

Hộp số ly hợp kép 8 cấp trên Hyundai Santa Fe 2021.

Với nguyên lý hoạt động trên, nhiên liệu của động cơ là dầu diesel nên chỉ tiêu nhiên liệu khác với xăng của động cơ xăng. Nhiên liệu diesel sử dụng chỉ số kích nổ là Cetan, tức là càng dễ kích nổ càng tốt trong khi xăng lại là chỉ số Octan với chỉ số kích nổ càng cao càng tốt. Bởi khi nhiệt độ môi trường xuống quá thấp, nhiên liệu khó kích nổ sẽ khiến xe rất khó khởi động.

Điểm quan trọng nhất của động cơ Diesel là hệ thống cung cấp nhiên liệu bao gồm:  Thùng nhiên liệu, bơm nhiên liệu thấp áp, bầu lọc thô, bầu lọc tinh, bơm cao áp và kim phun. Bơm thấp áp có nhiệm vụ hút nhiên liệu từ thùng dầu qua các bầu lọc thô để cung cấp nhiên liệu cho bầu lọc tinh và bơm cao áp. Bơm có hai dạng là bơm màng hoặc bơm piston.

Bơm cao áp có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho từng vòi phun đúng định lượng, thứ tự nổ theo chế độ bàn đạp ga. Bơm có dạng piston được dẫn động nhờ trục cam để điều khiển theo thứ tự nổ, được điều khiển đúng định lượng nhờ thanh răng xoay rãnh của piston thông qua dẫn động tới bàn đạp ga và bộ điều khiển theo tải nhờ quả văng ly tâm.

Kim phun có nhiệm vụ tiếp nhận nhiên liệu từ bơm cao áp cung cấp và tán nhuyễn tạo thành sương, phun vào buồng đốt của động cơ với áp suất cao và nhờ hình dạng của đỉnh piston tạo thành vùng xoáy lốc để hòa trộn đều với không khí.

SmartStream: Sự tối ưu cho động cơ đốt trong của Hyundai

SmartStream không phải tên một công nghệ cụ thể, đó là tên gọi của thế hệ động cơ và giải pháp tối ưu của Hyundai dành cho động cơ đốt trong. Trong thời đại điện khí hóa ngày một đến gần, tưởng như động cơ đốt trong đã đạt tới giới hạn. Nhưng Hyundai vẫn có cách để tối ưu các động cơ của mình.

Hệ thống tối ưu khí nạp và nhiên liệu.

Công nghệ cốt lõi của SmartStream đó là áp dụng những công nghệ thông minh, “Smart” nhằm tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện hiệu suất và giảm phát khí thải. Các bước công nghệ này không chỉ áp dụng cho một giai đoạn nào mà áp dụng liên tục ở mọi bước như một dòng chảy “Stream” trong một chu trình hoạt động của động cơ: tối ưu hóa luồng khí và nhiên liệu được nạp, rồi sau đó tối ưu hóa công suất được sinh ra tới hệ thống hộp số và hệ truyền động.

Các công nghệ chính được áp dụng trên cỗ máy SmartStream D2.2 này của Hyundai có thể kể tới như việc Điều khiển tối ưu lưu lượng khí nạp và nhiên liệu qua hệ thống van thông minh. Điều khiển tối ưu nhiệt độ khí nạp với hệ thống làm lạnh khí nạp.

Bên cạnh đó, động cơ SmartStream được phát triển hệ thống quản lý nhiệt tích hợp IMTS, điều chỉnh nhiệt độ động cơ, hệ thống sưởi ấm và và điều hòa không khí của xe. Hệ thống này gồm một động cơ sử dụng van 3 chiều, giúp điều chỉnh dòng chảy và áp suất của dung dịch làm mát đến bộ tản nhiệt động cơ, hệ thống điều hòa,… Hệ thống này là một hệ thống kín, đa nhiệm giúp tối ưu cho trạng thái xe. 

Chẳng hạn như khi một chiếc xe khởi động, các van được đóng lại để ngăn sự tản nhiệt, giúp nhanh chóng làm tăng nhiệt độ động cơ. Điều này giúp động cơ đạt nhiệt đối tối ưu sớm hơn, giúp tiết kiệm nhiên liệu. Trong một trường hợp khác, khi xe di chuyển ở tốc độ cao hoặc với tải trọng lớn, động cơ lúc này sinh ra một lượng nhiệt lớn có thể gây ra tiếng gõ và áp lực lớn cho xe. Lúc này hệ thống tản nhiệt sẽ hoạt động  nhanh chóng giúp giải phóng nhiệt lượng dư thừa, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu cũng như độ bền động cơ.

Hệ thống SmartStream trên SantaFe còn được thể hiện qua hộp số SmartStream 8DCT. Đây là hộp số ly hợp kép dạng ướt, với một hệ thống bơm dầu làm mát cho ly hợp, giúp tăng cường khả năng chịu Momen xoắn lên tới 520Nm cũng như tối ưu khả năng chuyển số, giúp xe vận hành mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu hơn.

CRDi: Linh hồn của động cơ Diesel 

Đa số những động cơ Diesel hiện tại đều dùng Turbo để tăng công suất, trừ những mẫu xe tải đời cũ (hiện nay những mẫu xe diesel không dùng Turbo cũng không đạt tiêu chuẩn khí thải Euro 4 để có thể sản xuất). 

Hệ thống làm mát khí nạp.

Hệ thống điều khiển động cơ Diesel của Santa Fe bao gồm cả khí nạp vào và điều khiển tái tuần hoàn khí xả(EGR) và xử lý khí thải, với hệ thống Common Rail là lõi của cả hệ thống điều khiển. Về cơ bản, công nghệ CRDI (Common rail Direct Injection ) bao gồm một ống phân phối chung (Common rail), và một bơm cao áp tách rời, ban đầu dầu diesel sẽ được hút từ thùng chứa qua ống nạp nhiên liệu đến ống phân phối chung, từ ống phân phối chung dầu sẽ được chuyển tới mỗi vòi phun để thực hiện quá trình phun nhiên liệu.

Hệ thống Common Rail lưu trữ nhiên liệu áp suất cao trong ống Rail và phun nhiên liệu vào xi lanh của động cơ với thời điểm phun được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ ECU, cho phép phun nhiên liệu áp suất cao không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Kết quả là, hệ thống Common Rail có thể làm giảm các chất gây hại như oxit nitơ (NOx) và phần tử hạt(PM) thải ra và tăng công suất động cơ.

Với các ưu việt do công nghệ Common rail đem lại, các xe sử dụng động cơ diesel công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp có khả năng vận hành êm ái hơn, sức mạnh lớn hơn, lượng khí thải độc hại thấp hơn và đạt chỉ số momen xoắn cao hơn tại chỉ số vòng tua máy rất thấp. 

Công nghệ Turbo điều khiển điện

Một nhược điểm  của các động cơ Turbo nói chung cũng như động cơ Turbo Diesel đó là độ trễ của động cơ. Khi xe chạy tải nhẹ với số vòng tua thấp, turbo tăng áp chạy cầm chừng, do lưu lượng khí nhỏ nên tuốc bin quay chậm không khí nén nạp không đáng kể. 

Khi đạp ga tăng tốc, cánh bướm ga mở lớn  và khi đó động cơ sẽ được cung cấp thêm nhiều hỗn hợp và khí thải sẽ thoát ra nhiều hơn dẫn tới bánh turbo quay với tốc độ cao hơn, tăng lượng khí nạp vào động cơ. Vấn đề ở đây là khi đạp ga, xe sẽ không đạt công suất kịp thời như ý muốn, tổng thời gian trễ có thể nửa giây hoặc hơn. Nguyên nhân là do quá trình cung cấp trễ từ khi nhấn bàn đạp ga tới khi turbo bắt đầu hoạt động nén khí tăng áp cho động cơ. Nó cũng bao gồm  thời  gian cần thiết cho bộ làm mát trao đổi và làm đầy các ống dẫn, khi có sự thay đổi từ chân không sang áp suất cao.

Hệ thống quản lý nhiệt năng.

Giải pháp khắc phục là làm xoay các “cánh điều chỉnh” của bánh turbo mà khí xả sẽ tác dụng vào các cánh này, được gọi với cái tên VGT (Variable Geometry Turbocharger ).  Nguyên lý của VGT là làm thay đổi góc quay ở các cánh điều chỉnh của tuốc bin mà khí xả sẽ đập vào các cánh này. Điều này giúp tăng áp ở tốc độ thấp và giảm sức ì turbo. 

Kiểu turbo tăng áp có hình dạng biến đổi này thường có một loạt từ 10 tới 15 cánh di động vòng quanh đĩa turbo. ECU sẽ điều khiển mô tơ bước tác động làm xoay các cánh điều chỉnh của turbo cùng lúc, điều này điều khiển tốc độ turbo tăng dần. Do sự gia tốc làm tăng tốc lực cánh điều chỉnh của turbo, nên tạo ra sự tăng áp lúc đầu nhanh hơn.  

Khi xe chạy tải nhỏ, số vòng tua máy thấp, cánh điều chỉnh của turbo hé mở một phần cho gió qua. Gió lùa qua các cánh điều chỉnh bên ngoài tới các cánh của bánh turbo phía trong, làm quay cánh turbo. Khi người lái cần tăng tốc, đạp ga các cánh bướm ga mở, các cánh di động ở turbo sẽ mở hoàn toàn, khí thải sẽ di chuyển tự do vào trong cánh điều chỉnh của turbo, khi đó tốc độ động cơ và công suất tăng. Phương pháp tăng áp turbo này cho phép động cơ có thể thay đổi lưu lượng khí nạp vào động cơ, gia tăng công suất nhanh chóng, loại bỏ sức ì turbo như trên các xe sử dụng turbo thông thường.

Công nghệ VGT trước đây được điều khiển bằng lực hút cơ có nhược điểm về nhiệt phát sinh khá lớn. Thế hệ cải tiến mới là eVGT được ứng dụng trên các model SantaFe hiện nay sử dụng công nghệ điều khiển điện tử khiến hiệu quả sử dụng cao hơn rất nhiều.

Một điểm đáng lưu ý, công nghệ trên động cơ Diesel với nhiệt năng và động năng lớn, yêu cầu sức bền vật liệu rất lớn, đòi hỏi công nghệ luyện kim rất cao và chính xác. Hyundai, với mảng luyện kim là một trong những công ty uy tín nhất hiện nay, tự hào là công ty duy nhất có thể tự sản xuất được các chi tiết kim lọai từ khung vỏ đến động cơ. Theo đánh giá, chất lượng gia công cơ khí của động cơ Hyundai, đặc biệt là động cơ diesel có sự bền bỉ hàng đầu hiện nay, đảm bảo cho động cơ vận hành ổn định trong thời gian dài. Đây cũng chính là lí do mà nhiều chiếc SantaFe sản xuất 2009, 2010 thậm chí là 2006 vẫn vận hành ổn định đến thời điểm hiện nay.