Hệ thống tăng áp Turbocharger

Để tăng hiệu suất đốt, nâng công suất động cơ, tăng áp luôn là sự lựa chọn hàng đầu. Tăng áp cho động cơ đốt trong được chia làm 2 loại: turbocharger và supercharger.

Có thể hiểu turbocharge như một chiếc bơm không khí vận hành nhờ năng lượng của khí thải từ động cơ. Khi hỗn hợp khí thải nóng bị đẩy ra khỏi động cơ, chúng sẽ được dẫn tới một tuốc-bin cánh quạt có tốc độ quay rất nhanh (từ 30.000 – 120.000 vòng/phút). Tuốc-bin cánh quạt này sẽ truyền động lực qua trục tới một tuốc-bin cánh quạt khác, được gọi là máy nén khí để nén hỗn hợp khí và nhiên liệu đốt vào động cơ.

Ưu điểm của turbocharge: tận dụng được năng lượng khí thải, tiếng động phát ra từ ống bô êm hơn và không cần tới bộ giảm thanh lớn.
Nhược điểm của turbocharge: giá thành chế tạo cao hơn động cơ không tăng áp do bổ sung thêm các chi tiết; phải cải tiến vật liệu trong xy-lanh, buồng đốt…vv, để chịu được áp suất lớn hơn. Và nhược điểm lớn nhất của turbocharge là “độ trễ”, nghĩa là khoảng thời gian từ khi đạp ga cho tới khi động cơ bắt đầu “tăng tốc”. Nguyên nhân chính gây ra điều này là do áp suất tăng áp phụ thuộc vào tốc độ luân chuyển của khí thải nên turbocharge không tạo ra nhiều lực nén khi động cơ có tốc độ tua thấp do đó phải mất thời gian để có đủ áp suất.
Trong những chiếc xe cũ trước đây, độ trễ này có thể tạo ra cảm giác như xe đang dừng lại. Ngược lại, vận tốc tua của động cơ càng nhanh thì áp suất mà tăng áp tạo ra sẽ càng lớn và trong thường hợp này, turbocharge lại phải cần tới một chiếc van gọi là “cửa xả” (wastegate) để xả lượng khí vượt mức qui định.
Nhờ sử dụng turbocharger nhỏ hơn, turbocharger có thể thay đổi thiết diện cánh quạt hoặc kết hợp cả hai giải pháp này với nhau, các động cơ hiện đại ngày nay hầu như đã loại bỏ được tình trạng trễ này. Động cơ 6 xylanh tăng áp kép của BMW là dẫn chứng điển hình, nó có thể tạo ra sức mạnh ngay lập tức ở bất kỳ thời điểm hay tốc độ nào.
Supercharge cũng nén khí, nhưng thông qua một hệ thống cơ khí. Nó thường vận hành nhờ một dây cua-roa liến kết với trục khuỷu của động cơ. Dây cuaroa này làm quay hai rôto nằm trong hộp supercharge để nén không khí vào cổ góp nạp. Supercharge cần ít hệ thống ống dẫn hơn turbocharge, nhưng lại làm tăng đáng kể tải trọng lên trục khuỷu và dây cuaroa.

Xe hơi hiện đại đòi hỏi những động cơ gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, công suất và mô-men xoắn lớn. Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, tăng áp là giải pháp phổ biến hiện nay. Đây là kỹ thuật nâng cao áp suất của hỗn hợp nhiên liệu khi đưa vào buồng đốt.

Động cơ xăng ra đời vào năm 1876. 9 năm sau Gottlieb Daimler đã phát minh ra kỹ thuật tăng áp suất nạp nhiên liệu cho nó (bằng phát minh DRP 34926). Ngay trong quá trình thiết kế chiếc động cơ diesel đầu tiên, Rudolf Diesel đã đăng ký phát minh số DRP 95680 về tăng áp cho cỗ máy chạy bằng dầu này.
Có 2 giải pháp tăng áp chủ yếu là: thay đổi thể tích ống nạp và dùng máy nén. Giải pháp thứ nhất có hiệu quả rất cao, nó lợi dụng dao động cộng hưởng của dòng khí trên đường nạp để tăng áp suất hỗn hợp nhiên liệu đưa vào buồng đốt, ở thời điểm xu-páp nạp đóng lại.


Hình 1 giới thiệu kết cấu ống nạp 2 cấp của động cơ Opel Astra: Khi tốc độ tua lớn, van V mở ra khiến đường nạp ngắn lại (từ B đến buồng đốt), còn ở chế độ thường hỗn hợp nhiên liệu đi quãng đường dài hơn (từ A đến buồng đốt). Vẫn trên nguyên tắc này, các chuyên gia còn chế tạo loại động cơ có chiều dài ống nạp thay đổi 3 cấp


(hình 2: ống nạp 3 trạng thái của động cơ xăng Audi V8) hoặc thay đổi liên tục như máy diesel N62B44 lắp trên xe BMW 745 (hình 3).


Thiết kế tăng áp bằng máy nén có thể dùng bơm cơ khí hoặc turbin khí tận dụng năng lượng của đường xả.

Máy nén cơ khí chạy bằng lực kéo trích ra từ trục động cơ, do vậy nó cũng tiêu tốn một phần động năng có ích. Thiết kế này được áp dụng trên động cơ xăng M271KE của Mercedes C200 model 2002.

Turbin khí tăng áp vận hành bằng năng lượng thừa trên đường xả của động cơ. Cơ cấu này nén hỗn hợp nhiên liệu qua két làm mát, trộn với 1 phần khí xả và đưa chúng trở lại buồng đốt.


Hình 4 là thiết kế tăng áp của động cơ diesel OM-660 của Mercedes lắp trên xe Smart. Cỗ máy này chỉ gồm 3 xi-lanh tổng dung tích 799 cc, tăng nạp bằng turbin khí, hệ thống phun nhiên liệu common rail. Quy trình hoạt động như sau: Phần lớn khí xả được đưa qua để vận hành turbin trước khi thải ra ngoài. Bánh công tác của turbin chỉ có đường kính 31 mm và quay với vận tốc 290.000 vòng/phút, áp lực nén của nó lên tới 2,2 kg/cm2. Không khí mới (màu xanh) được hút vào qua bầu lọc khí và bị máy nén làm nóng lên tới gần 100 độ C, luồng khí này được đưa qua két làm mát và trộn với một phần khí xả (màu đỏ) trước khi vào buồng đốt. Việc tăng áp suất nạp hỗn hợp nhiên liệu vào buồng đốt giúp động cơ đạt được công suất và hiệu suất rất cao.
So sánh hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu
của động cơ xăng tăng áp và không tăng áp có cùng thông số kỹ thuật:


Vào những năm 1970, chỉ tiêu công suất/lít trung bình của động cơ chỉ đạt khoảng 60 mã lực/lít. Kỹ thuật tăng áp tuy được biết đến từ lâu nhưng lại gặp những khó khăn không nhỏ khi phải đối mặt với vấn đề gia tăng áp suất, nhiệt độ của động cơ và hỗn hợp nhiên liệu. Đó chính là lý do khiến hệ thống này ban đầu chỉ được thiết kế cho các cỗ máy lớn, tốc độ chậm hoặc với các mục đích đặc biệt như quân sự, hàng không... Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vật liệu, cơ khí và điện tử, cơ cấu tăng áp đã có mặt trong nhiều lĩnh vực, trên nhiều chủng loại động cơ. Đến năm 2000 chỉ số công suất/lít trung bình của động cơ đã đạt tới 121 mã lực/lít nhờ những kỹ thuật tăng áp tiên tiến. Không chỉ nâng cao hiệu suất và công suất động cơ, giải pháp này còn giúp cắt giảm đáng kể lượng khí thải độc hại với môi trường.

*****************

Vài lưu ý khi thay Turbo:
+) Đường dầu bôi trơn cho Turbo phải đặc biệt chú ý, chỉ 1 tý cặn trong đường ống dầu này là Turbo "đột tử" ngay! Nên kiểm tra kỹ Ty ô và thay Lọc nhớt Turbo (nêú có)
+) Khi lắp xong, phải chạy ga ăng-ti 1 lát cho dâù kịp lên bôi trơn, nêú thốc ga mạnh, cũng không cần nhiêù thơì gian, Turbo sẽ thành đống sắt vụn.
Với xe có Turbo, các bác tài cũng cần chú ý:
+) Khi nổ máy, không nên cài số chạy luôn, nên chạy vài phút ga angti để làm nóng máy, cho máy hoạt động trơn tru đã
+) Khi dừng lại, cũng không được tắt máy ngay, mà nên chạy không tải vài phút, giúp kéo dài tuôỉ thọ của Turbo.

[You must be registered and logged in to see this link.]

Để tăng hiệu suất đốt, nâng công suất động cơ, tăng áp luôn là sự lựa chọn hàng đầu. Tăng áp cho động cơ đốt trong được chia làm 2 loại: turbocharger và supercharger.



Có thể hiểu turbocharge như một chiếc bơm không khí vận hành nhờ năng lượng của khí thải từ động cơ. Khi hỗn hợp khí thải nóng bị đẩy ra khỏi động cơ, chúng sẽ được dẫn tới một tuốc-bin cánh quạt có tốc độ quay rất nhanh (từ 30.000 – 120.000 vòng/phút). Tuốc-bin cánh quạt này sẽ truyền động lực qua trục tới một tuốc-bin cánh quạt khác, được gọi là máy nén khí để nén hỗn hợp khí và nhiên liệu đốt vào động cơ



Sơ đồ tăng áp turbocharger

Ưu điểm của turbocharge: tận dụng được năng lượng khí thải, tiếng động phát ra từ ống bô êm hơn và không cần tới bộ giảm thanh lớn.

Nhược điểm của turbocharge: giá thành chế tạo cao hơn động cơ không tăng áp do bổ sung thêm các chi tiết; phải cải tiến vật liệu trong xy-lanh, buồng đốt…vv, để chịu được áp suất lớn hơn. Và nhược điểm lớn nhất của turbocharge là “độ trễ”, nghĩa là khoảng thời gian từ khi đạp ga cho tới khi động cơ bắt đầu “tăng tốc”. Nguyên nhân chính gây ra điều này là do áp suất tăng áp phụ thuộc vào tốc độ luân chuyển của khí thải nên turbocharge không tạo ra nhiều lực nén khi động cơ có tốc độ tua thấp do đó phải mất thời gian để có đủ áp suất.

Trong những chiếc xe cũ trước đây, độ trễ này có thể tạo ra cảm giác như xe đang dừng lại. Ngược lại, vận tốc tua của động cơ càng nhanh thì áp suất mà tăng áp tạo ra sẽ càng lớn và trong thường hợp này, turbocharge lại phải cần tới một chiếc van gọi là “cửa xả” (wastegate) để xả lượng khí vượt mức qui định.

Nhờ sử dụng turbocharger nhỏ hơn, turbocharger có thể thay đổi thiết diện cánh quạt hoặc kết hợp cả hai giải pháp này với nhau, các động cơ hiện đại ngày nay hầu như đã loại bỏ được tình trạng trễ này. Động cơ 6 xylanh tăng áp kép của BMW là dẫn chứng điển hình, nó có thể tạo ra sức mạnh ngay lập tức ở bất kỳ thời điểm hay tốc độ nào.

Supercharge cũng nén khí, nhưng thông qua một hệ thống cơ khí. Nó thường vận hành nhờ một dây cua-roa liến kết với trục khuỷu của động cơ. Dây cuaroa này làm quay hai rôto nằm trong hộp supercharge để nén không khí vào cổ góp nạp. Supercharge cần ít hệ thống ống dẫn hơn turbocharge, nhưng lại làm tăng đáng kể tải trọng lên trục khuỷu và dây cuaroa.



Bánh răng trụ truyền lực

Ở động cơ hiện đại ngày nay, máy tính sẽ kiểm soát các van “tránh” của động cơ để supercharge chỉ nén hỗn hợp khí khi cần tăng công suất. Khi không cần tăng công suất, van tránh sẽ mở ra để supercharge có thể hoạt động không tải, qua đó không tạo ra bất cứ tải trọng nào lên trục khuỷu. Supercharge thường giúp động cơ tăng từ 30-50% công suất so với động cơ thông thường cùng loại





Động cơ lắp thêm hệ thống supercharger

Chiếc Chevrolet Corvette ZR-1 mới sử dụng hệ thống supercharge kết hợp với một bộ làm mát trung gian bằng chất lỏng và không khí để đạt tới công suất 620 mã lực. Mặc dù công nghệ supercharge đã được ứng dụng cho ôtô trong một thời gian dài song mãi tới tận gần đây các kỹ sư mới tìm ra cách tăng hiệu suất của supercharge bằng cách thay đổi góc của các vấu cam trên rôto supercharge. Những thay đổi nhỏ này đôi khi có thể tạo ra khác biệt rất lớn.