Hôm nay, chúng ta sẽ cùng đi vào mổ xẻ chiếc Vinfast Lux A2.0 ra để cùng nghiên cứu yếu tố luôn là tâm điểm tò mò nhất: đó là động cơ N20 – thứ gây ảnh hưởng nhất đến khả năng vận hành, cũng được coi là trái tim của 1 chiếc xe.

Năm 1896 là một năm đặc biệt đối với ngành công nghiệp ô tô thế giới: đây là năm mà chiếc xe hơi đầu tiên của nhân loại ra đời. Một điều hiển nhiên nhưng cũng thật lạ khi chúng ta ngẫm về nó: thứ duy nhất khiến chiếc xe này trở nên khác biệt với mọi loại xe ngựa kéo có bánh trước đó, đơn giản bởi vì nó được trang bị một động cơ đốt trong.

Năm 2018 là một năm đặc biệt đối với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam: đây là năm mà không chỉ 1 mà 2 chiếc xe hơi đầu tiên của một thương hiệu Việt ra đời, được phát triển bài bản và nghiêm túc. Dĩ nhiên, động cơ của Lux A 2.0 và Lux SA 2.0 đã được cải tiến vô vàn so với động cơ năm 1896 và áp dụng những công nghệ hoàn toàn tương đương với xu hướng mới nhất hiện nay.

Tăng áp – xu thế tất yếu

Một trong những thước đo tiêu biểu cho hàm lượng công nghệ động cơ mà có thể lượng hóa được, đó là tỷ lệ công suất/dung tích xy-lanh. Tỷ lệ này trên chiếc xe hơi đầu tiên trên thế giới là 0,6 mã lực/1,0 lít. Và để hình dung một chiếc ô tô hiện đại đã tiến bao xa kể từ năm 1885, chúng ta lấy ví dụ đơn giản như Toyota Camry 2.5: động cơ của chiếc xe này sản sinh 71,2 mã lực/ 1,0 lít buồng đốt.

Tuy nhiên, con số đó chưa thấm vào đâu so với một cỗ máy tăng áp: bộ máy N20 trên VinFast Lux A2.0 sở hữu tỷ lệ 87 mã lực/lít ở phiên bản công suất thấp, còn Lux SA2.0 và phiên bản công suất cao của Lux A2.0 còn có tỷ lệ lên tới 114 mã lực/lít. Những thông số này tương ứng với công suất lần lượt 174 mã lực và 228 mã lực của 2 phiên bản máy N20 2.0L cho xe VinFast. Để hiểu 114 mã lực/lít ấn tượng ra sao so với máy nạp khí tự nhiên truyền thống, hãy nhớ đây là con số tương đương với Lamborghini Aventador LP570-4.

Vậy làm sao để mỗi lít buồng đốt của xe sinh công được nhiều nhất có thể? Chúng ta bắt đầu bằng việc nhìn vào nhiên liệu được đưa vào xy-lanh động cơ, đó là hỗn hợp không khí (hay còn gọi là “gió”) và xăng. Việc đưa hỗn hợp xăng gió vào buồng đốt không khác gì lấy gạo và nước nấu cơm: càng nhiều gạo nhiều nước sẽ càng nhiều cơm, nhưng tỷ lệ gạo/nước phải được đảm bảo. Như vậy, để nạp được đủ xăng vào động cơ, chúng ta cũng cần tăng thêm lượng gió đi kèm.

Động cơ tăng áp hay công nghệ nền tảng của nó là nạp khí cưỡng bức (thay cho nạp khí tự nhiên truyền thống như Toyota Camry 2.5) chính là câu trả lời cho yêu cầu tăng lượng gió. Kết thúc kì xả của động cơ, dòng khí thải nhiệt độ cao (màu đỏ trong hình) sẽ được đưa ngược trở lại bộ tăng áp – về cơ bản là một máy nén khí ly tâm có 2 cánh quạt đồng trục – khiến cho bộ tăng áp này quay với tốc độ trên 150.000 vòng/phút. Ở tốc độ quay này, bộ tăng áp hút thêm không khí tươi (màu xanh) giàu oxy từ bên ngoài môi trường và nén đậm đặc hơn trước khi điều dòng khí mới trở vào buồng đốt thông qua valve nạp. Không khí đậm đặc và được đưa vào buồng đốt với áp suất lớn, kết hợp với xăng khiến quá trình cháy diễn ra hiệu quả và tức thì hơn.

Kết quả là một động cơ tăng áp 2.0L 4 xy-lanh như của xe VinFast có mức công suất cực đại tương đương máy 3.0L 6 xy-lanh nạp khí tự nhiên. Đây là ưu điểm cơ bản của xe tăng áp và dẫn tới nhiều lợi ích thiết thực hơn: giảm trọng lượng, kích thước động cơ, giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu nhờ việc đốt triệt để nhiên liệu chưa cháy kịp trong khí thải ở chu kỳ trước. Hơn thế nữa, việc sử dụng động cơ dung tích nhỏ nhưng không hy sinh công suất khiến các nhà sản xuất tránh được một khoản thuế lớn đánh vào các động cơ dung tích cao. Các nhà khoa học Đức cũng đã chỉ ra rằng dung tích 0,5 lít dành cho mỗi xy-lanh là con số tối ưu cho động cơ đốt trong và xu hướng này đang nhân rất rộng trong ngành công nghiệp xe hơi.

Tăng áp đơn – sức mạnh kép

Tuy nhiên, điều kiện tiên quyết để bộ tăng áp đưa được khí giàu oxy vào buồng đốt là dòng khí thải mà nó tiếp nhận phải có áp lực đủ mạnh, tức là động cơ đã hoạt động ở vòng tua đủ cao từ trước đó. Rõ ràng điều này không phải lúc nào cũng diễn ra trong điều kiện vận hành bình thường. Vì vậy, điểm yếu cố hữu của máy tăng áp là có một độ trễ tăng áp ở vòng tua máy thấp, và chỉ sau khi tăng áp hoạt động người lái mới cảm nhận được công suất tăng thêm.

Động cơ N20 trên xe VinFast khắc phục điểm này bằng cách cấp 2 đường ống dẫn khí thải riêng biệt từ 2 cặp xy-lanh vào cánh quạt tăng áp. Đường dẫn nhỏ sẽ đưa dòng khí từ cặp xy-lanh 2 – 3 (màu đỏ) vào bề mặt gần phía tâm cánh quạt giúp turbo quay dễ dàng hơn ở dải vòng tua thấp. Trong khi đó, dòng khí lớn lại đưa luồng gió từ cặp xy-lanh 1 – 4 (màu vàng) vào bề mặt phía ngoài cánh quạt giúp turbo quay nhanh hơn ở dải vòng tua cao. Kết quả là hiện tượng trễ tăng áp được cải thiện, sự khác biệt trước và sau khi tăng áp hoạt động trở nên mờ nhạt hơn.

Một lý do nữa để chia tách dòng khí xả ra làm 2 đường riêng biệt theo cặp xy-lanh là bởi động cơ 4 xy-lanh có trình tự nổ là 1-3-4-2. Điều này có nghĩa rằng khi xy-lanh thứ 1 kết thúc kì nổ và chuẩn bị mở van xả, van xả của xy-lanh thứ 2 vẫn chưa kịp đóng lại (thực tế, lúc này cả van nạp và van xả của xy-lanh thứ 2 đều đang mở – gọi là valve overlap – theo thiết kế tăng hiệu suất nạp cho xy-lanh này). Như vậy nếu được gộp chung vào ống góp xả, dòng khí xả đi ra từ xy-lanh thứ 1 với áp lực mạnh hơn hẳn sẽ chặn dòng khí xả của xy-lanh thứ 2 vẫn chưa đi ra hết.

Việc phân tách dòng khí xả của cặp xy-lanh 1 – 4 với cặp 2 – 3 giúp cho dòng khí thải của từng xy-lanh đi ra được thuận lợi hơn. Vì thế trong ví dụ phía trên, khí thải của xy-lanh thứ 2 sẽ không bị chặn lại và sẽ giúp tạo môi trường chân không trong buồng đốt để hút thêm không khí mới đậm đặc hơn từ van nạp vào, do lúc này cả van nạp và van xả đều đang ở vị trí mở từng phần.

Chu trình Atkinson – điều phối van thông minh

Động cơ N20 trên VinFast được áp dụng chu trình Atkinson do AVL hiệu chỉnh giúp thay đổi thời lượng mở van nạp. Theo đó, van nạp của động cơ sẽ được mở lâu hơn và kéo dài tới khi piston thực hiện khoảng 30% kỳ nén. Khi đó, một phần hỗn hợp xăng gió bị đưa ngược trở lại ống nạp ra khỏi buồng đốt. Về cơ bản, điều này giống như việc thu nhỏ dung tích hoạt động thực tế của xy-lanh, nhưng chỉ diễn ra trong kì nạp và 30% kì nén. Sau đó, động cơ lại hoạt động bình thường và kì nổ diễn ra liên tục trong toàn bộ hành trình piston. Nói một cách khác, tỉ số nén nhiên liệu của động cơ bị hạn chế nhưng tỉ số giãn nở vẫn được giữ nguyên, theo đúng mục đích của chu trình Atkinson là cắt bớt lượng nhiên liệu cho kì nén nhưng vẫn đốt cháy/giãn nở toàn bộ từng ấy nhiên liệu để sinh công trong 2 kì còn lại.

Trong kì nén của động cơ, van nạp (màu xanh) của chu trình Atkinson vẫn mở để đẩy bớt hỗn hợp nhiên liệu ra ngoài buồng đốt

Với chức năng như vậy, rõ ràng chu trình Atkinson hướng đến mục đích tiết kiệm nhiên liệu hơn là duy trì công suất động cơ. Mặt khác, cũng cần đề cập rằng động cơ trên 2 mẫu xe sedan và SUV của VinFast sẽ không có công nghệ đóng/mở van biến thiên Valvetronic và VANOS của BMW. Mục đích của 2 hệ thống này chủ yếu nằm ở việc tăng sức mạnh cho động cơ ở dải vòng tua thấp và cao trong khi giảm khí thải ở dải tầm trung.

Điều đó cho thấy có vẻ như với Lux A2.0 và Lux SA2.0 sử dụng chu trình Atkinson, khả năng tăng tốc mạnh mẽ không phải là yếu tố được chú trọng hàng đầu. Minh chứng rõ rệt là công suất máy N20 được công bố trên xe VinFast thấp hơn từ 8 – 13 mã lực so với khi lắp trên xe BMW. Tuy nhiên, công suất máy N20 trên xe VinFast cũng không phải là nhỏ trong điều kiện vận hành ở Việt Nam và có thể vẫn đảm bảo được sức mạnh nhất định kể cả khi được hiệu chỉnh theo hướng tiết kiệm nhiên liệu. Ngoài ra, cũng không loại trừ khả năng VinFast và AVL đang tự thiết kế công nghệ van biến thiên cho riêng mình.

Phun xăng trực tiếp – Một mũi tên trúng hai đích

Một trong những công nghệ cao cấp nữa đang dần được phổ cập trên các động cơ hiện đại là phun xăng trực tiếp. Thay vì trộn trước hỗn hợp xăng và không khí rồi truyền vào buồng đốt như động cơ phun xăng thông thường, phun xăng trực tiếp, đúng như tên gọi của nó, sẽ phun thẳng xăng vào buồng đốt để gặp không khí đi vào từ van nạp trước khi cùng nhận tia lửa điện của bugi để bước vào kì nổ.

Trục cân bằng – I4 êm như I6

Một động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng (I4) theo thiết kế truyền thống sẽ luôn luôn gặp phải hiện tượng rung khi vận hành ở vòng tua cao do lực thứ cấp gây nên. Hiện tượng này xuất hiện bởi đặc tính cỗ hữu của máy I4 là các piston (di chuyển theo cặp 1-4 và 2-3) sẽ thực hiện một nửa hành trình đi lên phía trên nhanh hơn một nửa hành trình đi xuống phía dưới. Kết quả là dù từng cặp có hành trình đối ngược nhau, hợp lực của từng piston di chuyển lên xuống sau mỗi 2 kì nạp-nén và nổ-xả lại không được triệt tiêu hết và đều có phương thẳng đứng hướng lên phía trên. Nói một cách khác, hiện tượng mất cân bằng của động cơ I4 xảy ra 2 lần trong mỗi một chu kỳ sinh công.

Rất may ở những động cơ I4 cao cấp như máy N20, các kỹ sư đã trang bị cho nó một cặp trục cân bằng nằm gối lên nhau. Với mỗi vòng quay của trục khuỷu, trục cân bằng phía trên sẽ quay 2 vòng và kéo theo trục phía dưới quay theo chiều ngược lại. Đây là thiết kế trục cân bằng độc nhất từ trước đến nay bởi trước đây cặp trục cân bằng trên máy I4 đều được bố trí nằm ngang nhau. Các kỹ sư phát triển N20 cho biết thiết kế này vượt trội hơn rất nhiều so với kiểu trục cân bằng nằm ngang truyền thống. Kết quả cuối cùng là một động cơ I4 hoạt động hoàn toàn ổn định, ít rung và bền bỉ hơn.

Kết luận

Rõ ràng không riêng gì N20 mà tất cả các động cơ ngày nay đều đã tân tiến hơn động cơ năm 1885 một trời một vực. Tuy nhiên, ngay cả trong giới xe hiện đại thì động cơ N20 cũng đã là một nền tảng cực tốt để VinFast sử dụng cho các xe của mình. Đây là cỗ máy 2 năm liên tiếp nằm trong danh sách 10 động cơ tốt nhất thế giới do Ward’s Auto bình chọn các năm 2012 và 2013 – một giải thưởng uy tín hàng đầu đối với các kĩ sư chế tạo máy.