Những chiếc siêu xe của Koenigsegg không chỉ đẹp mà còn có hiệu năng rất cao. Thật bất ngờ khi Koenigsegg đã tạo ra khối động cơ 2.0L cung cấp 600 mã lực tại 7,500 vòng/phút chỉ với 3 xi lanh. Để làm được điều này, Koenigsegg đã phát triển công nghệ Freevalve, động cơ không trục cam.
Động cơ Lamborghini Huaracan 5.2L V10 vs Koenigsegg Gemera 2.0L 3 xylanh.
Koenigsegg là hãng siêu xe được một người đàn ông có tên Christian von Koenigsegg thành lập vào năm 1994. Năm 2002 là năm đầu tiên mà công ty đã thử nghiệm để đưa mẫu xe đầu tiên CC8S ra thị trường.
Khối động cơ sử dụng công nghệ Free Valve của Koenigsegg.
Koenigsegg là một hãng siêu xe mang tầm thế giới, họ đã và đang rất tích cực trong việc phát triển những công nghệ ”sạch” để ứng dụng lên những chiếc siêu xe của mình. CCXR là mẫu xe thể thao đầu tiên chạy bằng nhiên liệu linh hoạt, tiếp theo đó là Jesko. Những công nghệ động cơ đốt trong thế hệ kế tiếp cũng đang được Koenigsegg phát triển. Bên cạnh đó nhà sản xuất siêu xe này cũng đang nghiên cứu công nghệ xe điện plug-in. Koenigsegg đã giới thiệu động cơ không trục cam được trang bị trên chiếc Gemera vào năm 2020.
Koenigsegg CCXR
1. Freevalve – Công nghệ van biến thiên của Koenigsegg
Công nghệ Freevalve có thể hiểu nôm na là những cái xupap tự do biến thiên. Nó có thể tự do vì nó đóng mở không dựa vào cơ cấu trục cam thông thường như bao động cơ khác. Các xupap sễ được đóng mở tùy ý (theo nhà sản xuất quy định) bằng cơ chế điện tử. Công nghệ Freevalve này sẽ sử dụng bộ truyền động khí nén.
Tuy nhỏ, nhưng khối động cơ 3 xi lanh 2.0L lại có thể tạo ra 600 mã lực ở 7.500 vòng/phút.
Vì nhược điểm của trục cam thông thường, Koenigsegg đã thay đổi nó và sử dụng cơ chế khí nén. Đó là vì khi trục cam quay nhanh, xupap sẽ chỉ mở ra trong một khoảng thời gian ngắn, đồng nghĩa với lượng khí nạp vào cũng sẽ ít. Thế nhưng đây lại chính là thời điểm mà xe cần nhiều khí nạp vào để có thể đạt được hiệu suất cao. Do đó, những động cơ sử dụng trục cam truyền thống có xu hướng giảm thiểu hiệu suất khi ở vòng tua cao.
Van biến thiên có rất nhiều các tên gọi khác nhau đến từ các hãng xe trên toàn thế giới. Honda đã phát minh ra VTEC, Toyota với VVT-i, Mitsubishi với MIVEC hay BMW Valvetronic đã thay đổi cơ chế mở van bằng cách chèn thêm một đòn bẩy giữa cam và van. Dù đã thành công rất lớn trên thị thường, tuy nhiên vẫn chưa thỏa mãn “cái tôi” của nhiều người yêu kỹ thuật. Bởi vì sau tất cả, chúng vẫn có trục cam, và tất cả đều có giới hạn. Còn động cơ Freevalve thì không.
Nhìn chung thì tất cả các công nghệ van biến thiên này đều là thay đổi cơ cấu cam, từ đó thay đổi luôn thời gian đóng mở của các xupap. Biên dạng cam lớn cho phép gia tăng độ mở của xupap ở vòng tua máy cao, giúp nhiều không khí đi vào xylanh hơn. Từ đó, giúp gia tăng công suất động cơ.
Và công nghệ van biến thiên Freevalve hoạt động chủ yếu dựa vào áp suất nhớt.
Cơ chế hoạt động của công nghệ VTEC.
Công nghệ Freevalve của Koenigsegg cũng là một dạng van biến thiên. Khi có một xung điện được truyền đến cuộn dây, xupap sẽ mở ra. Áp suất không khí cũng như thủy lực sẽ mở xupap và cũng từ đó mà những rung động của cuộn dây tạo ra cũng bị triệt tiêu. Nắp xupap sẽ được đóng lại khi không còn tính hiệu từ cuộn dây. Và độ rộng của nắp xupap khi mở cũng dựa vào áp suất không khí và thủy lực.
Một điểm đặc biệt khác trên những xúp pắp sử dụng công nghệ Freevalve là mỗi một xúp pắp sẽ có một cơ chế điện điều khiển riêng. Chính vì sự phức tạp trong cơ cấu hoạt động cũng như cấu trúc mà Koenigsegg đã mất 13 năm để nghiên cứu ra khối động cơ không trục cam.
Bộ truyền động van là những piston nhỏ. Sẽ có một luồng khí được nén và được tính toán phù hợp để đưa vào các piston, nó sẽ nhấc mở van khi “cần thiết” (nghĩa là khi có hiệu lệnh của hệ thống quản lý động cơ). Các piston có thể tự được đóng lại bằng cách giải phóng không khí, hoặc có thể được khóa mở thông qua áp suất thủy lực (dầu). Dầu sẽ được giải phóng qua một lỗ nhỏ, làm giảm sự đóng van và đảm bảo van không bị va đập mạnh. Ngoài ra còn có một đường dẫn khí ở phía bên kia của piston truyền động có thể đẩy nhanh quá trình đóng.
2. Những ưu điểm của công nghệ Freevalve?
Cũng giống như những công nghệ van biến thiên khác, Freevalve mang nhiều ý nghĩa trong cuộc cách mạng động cơ đốt trong vì những ưu điểm mà nó đem lại.
Hiệu suất cao là thứ chắc chắn mà Freevalve sẽ mang lại. Trong khi Lamborghini Huracan phải sử dụng khối động cơ 5.2L V10 để có thể đạt được công suất cực đại 600 mã lực tại 7,500 vòng/phút thì động cơ 2.0L 3 xi lanh của Koenigsegg Gemera đã làm được nó một cách dễ dàng nhờ vào công nghệ Freevalve. Vì thiết kế không sử dụng trục cam của Freevalve cho phép xupap đóng mở gần như ngay lập tức. Nó sẽ nâng cao hiệu xuất nạp nén không khí và nhiên liệu.
Động cơ không trục cam có phần nhỏ gọn hơn các động cơ truyền thống.
Bộ truyền động đai xích dẫn động trục cam cũng như các chi tiết bên ngoài cụm xupap, lò xo xupap và cơ cấu chấp hành trong động cơ đều được bỏ đi hết khi có Freevalve. Do đó, động cơ sử dụng công nghệ van biến thiên Freevalve có phần nhỏ gọn, nó ngắn hơn và hẹp hơn so với động cơ sử dụng valve truyền thống. Chính vì thế nó cũng chỉ có 3 xylanh mà không cần phải tạo ra nhiều xylanh hơn.
Trong công nghệ Freevalve, từng xupap được điều khiển bằng cơ cấu truyền động và lò xo riêng biệt. Vì thế, các xupap sẽ hoạt động một cách riêng biệt. Độ rộng của xupap cũng như thời gian lúc mở có thể tự do điều chỉnh bằng hệ thống điện tử do các kĩ sư chế tạo máy lập trình. Hệ thống sẽ tự kiểm soát thời gian, lực nâng và thời gian đóng/mở cho mỗi van.
Đối với khởi động nguội, động cơ có thể chạy chỉ với một xi lanh ở tải cao hơn, do đó, nó nóng lên nhanh hơn và có thể làm nóng trước khi các xi lanh khác hoạt động. Công nghệ ở động cơ Freevalve này cũng có thể bơm nhiên liệu vào động cơ mà không cần đánh lửa trong vài giây, qua việc làm nóng các xi-lanh chỉ bằng cách nén.
Mô-men xoắn ở vòng tua thấp được tăng mạnh (lên đến 45% trong động cơ thử nghiệm) vì cộng hưởng khí nạp tốt hơn.
Hệ thống cũng cho phép cải thiện tính kinh tế ở những trường hợp tải nhẹ bằng cách đóng các xylanh riêng lẻ bằng cách giữ các van đóng và ngắt nguồn cung cấp nhiên liệu (ngày nay công nghệ này dần phổ biến, đây không phải là công nghệ mới). Do đó, động cơ không trục cam Freevalve ít gây ô nhiễm hơn động cơ truyền thống vì chúng có thể điều chỉnh cơ chế đốt cháy. Cụ thể, động cơ sử dụng Freevalve cho phép đốt cháy hydrocarbon tốt hơn.
3. Những nhược điểm của công nghệ Freevalve?
Một nhược điểm mà nhìn vào là ta sẽ thấy ngay ở Freevalve đó là chi phí và sự phức tạp. Có thể nói vì đây là những bước đi đầu tiên trong công cuộc đổi mới các van trong động cơ. Do đó chi phí cao cũng như là những kinh nghiệm bảo dưỡng sửa chữa cũng chưa thật sự là nhiều. Nhưng nó cũng sẽ giống như cuộc công nghệ đổi từ bộ chế hòa khí sang phun xăng điện tử.
Động cơ Freevalve có mất nhiều thời gian hơn van biến thiên hoàn toàn không? Câu trả lời là có, bởi vì mỗi van riêng có thể có một bộ tời khác nhau, cả về thời gian và vị trí. Mỗi van có thể có cài đặt thời gian khác nhau, nhưng vị trí của mỗi van đều được theo dõi liên tục ở mức độ chính xác 1/10 mm.
Để bù đắp sự đắt tiền của bộ truyền động van hoạt động tự do và riêng lẻ trên khối động cơ của chiếc Gemera (Hybrid), nhà sản xuất Koenigsegg đã buộc phải cắt giảm nhiều phần: Không có đai cam hoặc dây xích, không có bộ biến đổi ròng rọc trục cam, không cần turbo biến thiên VGT (Variable-Geometry Turbo), không có hệ thống tuần hoàn khí thải EGR bên ngoài, không có hệ thống phun trực tiếp, không có bướm ga (vì bướm ga gây ra lực cản đối với không khí đi vào, làm lãng phí năng lượng), … và còn nhiều những cái không khác.
Tất cả các bộ phận kim loại trong cơ cấu cam của động cơ truyền thống giờ đây đã được đổi thành các chi tiết điện tử. Do đó, sự phức tạp trong việc bảo dưỡng và sửa chữa là không tránh khỏi. Mặc dù không sử dụng trục cam nhưng động cơ phải dẫn động một bơm không khí phụ, kéo theo những trở ngại mới.
