MyS2Love
Tài xế O-H
Tăng áp là từ chung dùng để chỉ các hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức. Có thể hiểu đơn giản, tăng áp là hệ thống nén thêm không khí vào buồng đốt, và như vậy có thể đưa vào nhiều nhiên liệu hơn qua đó làm tăng công suất mỗi khi hỗn hợp đốt nổ trong buồng xi-lanh. Thông thường bộ tăng áp giúp cải thiện đáng kể tỉ số công suất trên khối lượng của động cơ.
Tăng áp của động cơ ôtô thông thường gồm hai loại turbocharger và supercharger. Thông thường, áp suất nén tăng thêm của tăng áp vào khoảng từ 6-8 pao/inch vuông (psi) – tương đương với 0,408-0,544 atmosphere (atm). Do áp suất thông thường trong không khí là 1 atm, điều này có nghĩa là tăng áp đã đưa thêm khoảng 50% lượng không khí nữa vào động cơ. Như vậy, theo lí thuyết công suất của động cơ cũng sẽ tăng lên 50% song do hiệu suất không hoàn hảo, công suất của động cơ chỉ tăng thêm từ 30-40%.
Điểm khác biệt chính giữa hai hệ thống turbocharger và supercharger là nguồn cung cấp năng lượng. Ở supercharger, một dây cua-roa được kết nối với trục khuỷu của động cơ để cung cấp động lực trực tiếp cho tăng áp. Trong trường hợp này, tăng áp là hệ thống kí sinh và trên thực tế động cơ mất đi một chút ít sức mạnh để truyền động lực cho hệ thống nén khí. Tuy nhiên, do được kết nối trực tiếp với trục khuỷu, công suất gia tăng sẽ hiện diện liên tục ở mọi tốc độ tua của động cơ vì thế supercharger không tạo ra hiện tượng “trễ” (lag) giống như turbocharger. Supercharger dễ lắp đặt hơn song cũng có giá thành đắt hơn, vì thế, ngày nay các nhà sản xuất ứng dụng turbocharge nhiều hơn. Supercharge có thể xoay với tốc độ lên tới từ 50.000-65.000 vòng/phút (rpm). Ở tốc độ 50.000 rpm, áp suất tăng thêm là từ 6-9 psi.
Với turbocharger, hệ thống này tận dụng sức mạnh của dòng khí thải. Nhờ bố trí một tuốcbin nằm trên ông thoát khí thải, khi khí thải đi qua sẽ làm cho tuốcbin này quay và nhờ thế nó làm quay máy nén khí vào buồng xi-lanh của động cơ.
Theo lí thuyết, turbocharger hiệu quả hơn bởi nó sử dụng năng lượng “thải” trong khí xả làm nguồn cung cấp động năng. Tuy nhiên, ở cả 2 hệ thống, động cơ đều phải tốn năng lượng để làm quay tuốcbin, ngay cả khi đó là tận dụng lượng khí thải bởi khi đó turbocharger sẽ tạo ra một áp suất lớn hơn ở đầu ra của khí thải khiến động cơ mất nhiều năng lượng hơn để đẩy khí thải ra ngoài, ta gọi đây là hiện tượng áp suất ngược trong hệ thống xả (higher back-pressure). Ngoài ra, turbocharger còn tạo ra áp suất nạp thấp hơn cho tới khi động cơ hoạt động ở tốc độ tua cao, đây chính là nguyên nhân dẫn tới động cơ lắp turbocharger ban đầu không “bốc” hay còn gọi là “trễ” – hiện tượng có thể thấy rõ ở động cơ chạy diesel.
Nguyên lí hoạt động của turbocharger
Dòng khí thải đi ra từ động cơ được dẫn vào turbocharger và làm quay tuốcbin. Càng nhiều khí thải đi qua thì tuốcbin quay càng nhanh. Tuốcbin này được cố định trên 1 trục. Ở đầu bên kia của trục, 1 máy nén khí được thiết kế nằm giữa đường dẫn không khí vào buồng đốt và lưới lọc khí. Máy nén khí này sẽ làm tăng áp suất của dòng khí đi qua trước khi vào buồng xi-lanh. Đây là máy nén khí tận dụng lực ly tâm để làm tăng áp suất : không khí được quay trong máy nén ở tốc độ cao và tăng dần áp suất khi đi xa khỏi tâm của trục quay.
Hệ thống tăng áp
Turbocharger
Để có thể chịu được tốc độ quay có thể lên tới 150.000 vòng/phút, trục của turbocharger phải được tính toán vô cùng kỹ lưỡng. Phần lớn vòng bi đều không thể chịu được tốc độ quay như vậy, nên hầu hết turbocharger sử dụng chất lỏng để tạo chuyển động quay của trục. Một lớp dầu nhớt mỏng sẽ bảo quanh trục quay để tạo lớp đệm giữa trục và ổ quay. Lớp dầu nhớt này còn có tác dụng làm mát trục quay và một số bộ phận khác của turbocharger và còn làm giảm ma sát khi quay.
Các vấn đề của thiết bị tăng áp và cách khắc phục
Động cơ dung tích lớn thường có đủ lực mô-men xoắn để khiến cho hiện tượng trễ của turbocharger khó nhận thấy, song điều này có thể kiểm chứng dễ dàng với những động cơ dung tích nhỏ. Tuy nhiên, các nhà sản xuất ôtô ngày nay hầu như đã khắc phục được hiện tượng trễ của turbocharger bằng cách ứng dụng các phương pháp hay vật liệu mới.
Một trong những giải pháp đơn giản nhất là giảm sức ì (inertia) của turbocharger bằng cách lắp các turbocharger nhỏ hơn thay cho một tuốcbin nén khí lớn. Hệ thống “Bi-turbo”, “Twin-turbo” hay tăng áp kép này có tuốcbin đường kính nhỏ hơn, vì thế chúng có thể tăng tốc nhanh hơn trong khi vẫn nén được lượng không khí tương đương với một tuốcbin đường kính lớn. Hiện tượng trễ sẽ khó cảm nhận thấy hơn do tuốcbin nhỏ tăng tốc nhanh hơn.
Một phương pháp khác để khắc phục tình trạng trễ là sử dụng turbocharger có cánh biến đổi. Tuốcbin này có một hệ thống các cánh có thể dịch chuyển nằm bên trong hộp xoắn ốc gắn với ống xả để thay đổi hướng của dòng khí đi vào rôtor xoay của tuốcbin. Nhờ sự điều khiển của máy tính, các cánh lái này sẽ mở để cho phép luồng khí xả đi qua tuốcbin khi xe chạy ở tốc độ ổn định song sẽ đổi hướng của luồng khí sao cho chúng hướng vào rôto của tuốcbin trực tiếp hơn khi tăng ga, quá đó giúp tuốcbin xoay nhanh hơn. Turbocharger có cánh lái dịch chuyển hay có thể thay đổi kết cấu hình học giúp tuốcbin nhỏ có khả năng nén tương đương với các tuốcbin lớn.
Một phương pháp khác giúp khắc chế hiện tượng “trê” đó chính là dùng vật liệu ceramic cho các cánh tuốcbin. Điều này giúp tuốcbin nhẹ hơn các tuốcbin bằng thép như trên hầu hết các turbocharger hiện nay. Điều này giúp giảm sức ì cho bộ tăng áp giúp cải thiện thời gian phản ứng cho turbocharger.
Các hệ thống hỗ trợ turbocharger
Do không khí bị nén, chúng trở nên nóng hơn và giảm bớt tỷ trọng, điều này cũng có nghĩa là không khí sẽ không nở nhiều khi xảy ra phản ứng nổ trong xi-lanh. Không khí nóng cũng chứa ít ôxy hơn, và vì thế sức mạnh của động cơ cũng sẽ giảm bớt. Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng một hệ thống làm mát trung gian gọi là Intercooler vốn thường xuyên được kết hợp với tăng áp. Hầu hết Intercooler là các hệ thống làm mát bằng không khí. Ở những hệ thống này, dòng khí nén sẽ buộc phải đi qua một cụm trao đổi nhiệt giống như bộ tản nhiệt và được làm mát nhờ nhiệt độ không khí bên ngoài. Intercooler còn có loại làm mát bằng chất lỏng, theo đó chất lỏng làm mát được bơm qua một phần của hộp trao đổi nhiệt để làm mát luồng không khí nén ở bên trong. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng hoạt động ổn định hơn vì chúng không phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ của môi trường, tuy nhiên hệ thống này lại phức tạp và vì thế hầu hết các nhà sản xuất đều sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí.
Một lợi ích khác của tăng áp là chúng tạo ra độ xoáy cao khi nén không khí vào xi-lanh. Chính hiệu ứng xoáy này giúp không khí được trộn đều với nhiên liệu đốt làm tăng khả năng chúng được đốt cháy hoàn toàn. Chính vì thế, các động cơ phun nhiên liệu trực tiếp (FDI – Fuel Direct Injection) thường sử dụng tăng áp để cải thiện chu trình đốt trong xi-lanh.
Cấu tạo của bộ Turbocharger
Turbocharger gồm ba phần chính, ở giữa hệ thống là các vòng bi xoay quanh một trục. Mỗi đầu của trục được gắn với một tuốcbin nằm trong một hộp xoắn ốc (giống như vỏ ốc sên). Một tuốcbin được gắn với ống xả để làm quay trục khi dòng khí xả đi qua. Ngược lại, khi trục quay, sẽ làm quay tuốcbin thứ hai (còn được gọi là máy nén) để nén không khí vào trong cổ góp nạp. Turbocharge có thể xoay rất nhanh. Khi ôtô chuyển động thẳng đều trên đường, tuốcbin của turbocharge có thể “chạy không tải” ở tốc độ 30.000 vòng/phút. Nhấn ga và các tuốcbin này có thể tăng tốc lên từ 80.000- 100.000 vòng/phút do có nhiều khí xả nóng hơn được đẩy qua tuốcbin.
Nói tóm lại, tăng áp cho phép đưa nhiều hỗn hợp nhiên liệu đốt hơn vào xi-lanh, vì thế tạo ra sức mạnh lớn hơn trong mỗi chu kỳ nổ. Điều này cho phép các nhà sản xuất có thể sử dụng động cơ 4 xi-lanh để tạo ra công suất của một động cơ 6 xi-lanh và qua đó tiết kiệm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Theo tính toán, turbocharger có thể cải thiện hiệu suất của một động cơ thông thường thêm 20%, và vì thế, hiện nay các nhà sản xuất ôtô trên thế giới đang tích cực ứng dụng công nghệ tăng áp trong động cơ hiện đại. Tuy nhiên, do động cơ tăng áp tạo ra công suất lớn hơn trên một đơn vị dung tích, các chi tiết trong động cơ vì thế cũng cần phải bền hơn để có thể chịu đựng được ứng suất cao hơn.
Biturbo và Twin turbo
Các phương pháp Biturbo và Twin turbo mà bạn quan tâm về bản chất đều dùng hai máy nén khí kiểu tua-bin tăng áp. Tuy nhiên, tùy theo hãng sản xuất các phương án sử dụng tua-bin kép này có thay đổi. Ví dụ, động cơ của hãng BMW dùng 2 turbo có kích thước khác nhau, tua-bin nhỏ hoạt động ở số vòng quay thấp, tua-bin lớn hoạt động ở số vòng quay cao.
Trong khi đó, động cơ của một số hãng như Mercedes hay Toyota lại dùng 2 tua-bin, mỗi tua-bin tăng áp cho một phần hai số xi-lanh.
Ngoài các phương án trên, một số hãng còn dùng phương án kết hợp: Một máy nén cơ khí kết hợp với một tua-bin. Nói chung, tất cả các phương án tăng áp đều đạt hiệu quả kinh tế cao, đều giảm khoảng 20% lượng nhiên liệu tiêu thụ cho một mã lực so với khi chưa tăng áp.
Theo Autonet và Howstuffworks
Tăng áp của động cơ ôtô thông thường gồm hai loại turbocharger và supercharger. Thông thường, áp suất nén tăng thêm của tăng áp vào khoảng từ 6-8 pao/inch vuông (psi) – tương đương với 0,408-0,544 atmosphere (atm). Do áp suất thông thường trong không khí là 1 atm, điều này có nghĩa là tăng áp đã đưa thêm khoảng 50% lượng không khí nữa vào động cơ. Như vậy, theo lí thuyết công suất của động cơ cũng sẽ tăng lên 50% song do hiệu suất không hoàn hảo, công suất của động cơ chỉ tăng thêm từ 30-40%.
Điểm khác biệt chính giữa hai hệ thống turbocharger và supercharger là nguồn cung cấp năng lượng. Ở supercharger, một dây cua-roa được kết nối với trục khuỷu của động cơ để cung cấp động lực trực tiếp cho tăng áp. Trong trường hợp này, tăng áp là hệ thống kí sinh và trên thực tế động cơ mất đi một chút ít sức mạnh để truyền động lực cho hệ thống nén khí. Tuy nhiên, do được kết nối trực tiếp với trục khuỷu, công suất gia tăng sẽ hiện diện liên tục ở mọi tốc độ tua của động cơ vì thế supercharger không tạo ra hiện tượng “trễ” (lag) giống như turbocharger. Supercharger dễ lắp đặt hơn song cũng có giá thành đắt hơn, vì thế, ngày nay các nhà sản xuất ứng dụng turbocharge nhiều hơn. Supercharge có thể xoay với tốc độ lên tới từ 50.000-65.000 vòng/phút (rpm). Ở tốc độ 50.000 rpm, áp suất tăng thêm là từ 6-9 psi.
Với turbocharger, hệ thống này tận dụng sức mạnh của dòng khí thải. Nhờ bố trí một tuốcbin nằm trên ông thoát khí thải, khi khí thải đi qua sẽ làm cho tuốcbin này quay và nhờ thế nó làm quay máy nén khí vào buồng xi-lanh của động cơ.
Nguyên lí hoạt động của turbocharger
Dòng khí thải đi ra từ động cơ được dẫn vào turbocharger và làm quay tuốcbin. Càng nhiều khí thải đi qua thì tuốcbin quay càng nhanh. Tuốcbin này được cố định trên 1 trục. Ở đầu bên kia của trục, 1 máy nén khí được thiết kế nằm giữa đường dẫn không khí vào buồng đốt và lưới lọc khí. Máy nén khí này sẽ làm tăng áp suất của dòng khí đi qua trước khi vào buồng xi-lanh. Đây là máy nén khí tận dụng lực ly tâm để làm tăng áp suất : không khí được quay trong máy nén ở tốc độ cao và tăng dần áp suất khi đi xa khỏi tâm của trục quay.
Hệ thống tăng áp
Turbocharger
Các vấn đề của thiết bị tăng áp và cách khắc phục
Động cơ dung tích lớn thường có đủ lực mô-men xoắn để khiến cho hiện tượng trễ của turbocharger khó nhận thấy, song điều này có thể kiểm chứng dễ dàng với những động cơ dung tích nhỏ. Tuy nhiên, các nhà sản xuất ôtô ngày nay hầu như đã khắc phục được hiện tượng trễ của turbocharger bằng cách ứng dụng các phương pháp hay vật liệu mới.
Một trong những giải pháp đơn giản nhất là giảm sức ì (inertia) của turbocharger bằng cách lắp các turbocharger nhỏ hơn thay cho một tuốcbin nén khí lớn. Hệ thống “Bi-turbo”, “Twin-turbo” hay tăng áp kép này có tuốcbin đường kính nhỏ hơn, vì thế chúng có thể tăng tốc nhanh hơn trong khi vẫn nén được lượng không khí tương đương với một tuốcbin đường kính lớn. Hiện tượng trễ sẽ khó cảm nhận thấy hơn do tuốcbin nhỏ tăng tốc nhanh hơn.
Một phương pháp khác để khắc phục tình trạng trễ là sử dụng turbocharger có cánh biến đổi. Tuốcbin này có một hệ thống các cánh có thể dịch chuyển nằm bên trong hộp xoắn ốc gắn với ống xả để thay đổi hướng của dòng khí đi vào rôtor xoay của tuốcbin. Nhờ sự điều khiển của máy tính, các cánh lái này sẽ mở để cho phép luồng khí xả đi qua tuốcbin khi xe chạy ở tốc độ ổn định song sẽ đổi hướng của luồng khí sao cho chúng hướng vào rôto của tuốcbin trực tiếp hơn khi tăng ga, quá đó giúp tuốcbin xoay nhanh hơn. Turbocharger có cánh lái dịch chuyển hay có thể thay đổi kết cấu hình học giúp tuốcbin nhỏ có khả năng nén tương đương với các tuốcbin lớn.
Một phương pháp khác giúp khắc chế hiện tượng “trê” đó chính là dùng vật liệu ceramic cho các cánh tuốcbin. Điều này giúp tuốcbin nhẹ hơn các tuốcbin bằng thép như trên hầu hết các turbocharger hiện nay. Điều này giúp giảm sức ì cho bộ tăng áp giúp cải thiện thời gian phản ứng cho turbocharger.
Các hệ thống hỗ trợ turbocharger
Do không khí bị nén, chúng trở nên nóng hơn và giảm bớt tỷ trọng, điều này cũng có nghĩa là không khí sẽ không nở nhiều khi xảy ra phản ứng nổ trong xi-lanh. Không khí nóng cũng chứa ít ôxy hơn, và vì thế sức mạnh của động cơ cũng sẽ giảm bớt. Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng một hệ thống làm mát trung gian gọi là Intercooler vốn thường xuyên được kết hợp với tăng áp. Hầu hết Intercooler là các hệ thống làm mát bằng không khí. Ở những hệ thống này, dòng khí nén sẽ buộc phải đi qua một cụm trao đổi nhiệt giống như bộ tản nhiệt và được làm mát nhờ nhiệt độ không khí bên ngoài. Intercooler còn có loại làm mát bằng chất lỏng, theo đó chất lỏng làm mát được bơm qua một phần của hộp trao đổi nhiệt để làm mát luồng không khí nén ở bên trong. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng hoạt động ổn định hơn vì chúng không phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ của môi trường, tuy nhiên hệ thống này lại phức tạp và vì thế hầu hết các nhà sản xuất đều sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí.
Một lợi ích khác của tăng áp là chúng tạo ra độ xoáy cao khi nén không khí vào xi-lanh. Chính hiệu ứng xoáy này giúp không khí được trộn đều với nhiên liệu đốt làm tăng khả năng chúng được đốt cháy hoàn toàn. Chính vì thế, các động cơ phun nhiên liệu trực tiếp (FDI – Fuel Direct Injection) thường sử dụng tăng áp để cải thiện chu trình đốt trong xi-lanh.
Cấu tạo của bộ Turbocharger
Turbocharger gồm ba phần chính, ở giữa hệ thống là các vòng bi xoay quanh một trục. Mỗi đầu của trục được gắn với một tuốcbin nằm trong một hộp xoắn ốc (giống như vỏ ốc sên). Một tuốcbin được gắn với ống xả để làm quay trục khi dòng khí xả đi qua. Ngược lại, khi trục quay, sẽ làm quay tuốcbin thứ hai (còn được gọi là máy nén) để nén không khí vào trong cổ góp nạp. Turbocharge có thể xoay rất nhanh. Khi ôtô chuyển động thẳng đều trên đường, tuốcbin của turbocharge có thể “chạy không tải” ở tốc độ 30.000 vòng/phút. Nhấn ga và các tuốcbin này có thể tăng tốc lên từ 80.000- 100.000 vòng/phút do có nhiều khí xả nóng hơn được đẩy qua tuốcbin.
Nói tóm lại, tăng áp cho phép đưa nhiều hỗn hợp nhiên liệu đốt hơn vào xi-lanh, vì thế tạo ra sức mạnh lớn hơn trong mỗi chu kỳ nổ. Điều này cho phép các nhà sản xuất có thể sử dụng động cơ 4 xi-lanh để tạo ra công suất của một động cơ 6 xi-lanh và qua đó tiết kiệm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Theo tính toán, turbocharger có thể cải thiện hiệu suất của một động cơ thông thường thêm 20%, và vì thế, hiện nay các nhà sản xuất ôtô trên thế giới đang tích cực ứng dụng công nghệ tăng áp trong động cơ hiện đại. Tuy nhiên, do động cơ tăng áp tạo ra công suất lớn hơn trên một đơn vị dung tích, các chi tiết trong động cơ vì thế cũng cần phải bền hơn để có thể chịu đựng được ứng suất cao hơn.
Biturbo và Twin turbo
Các phương pháp Biturbo và Twin turbo mà bạn quan tâm về bản chất đều dùng hai máy nén khí kiểu tua-bin tăng áp. Tuy nhiên, tùy theo hãng sản xuất các phương án sử dụng tua-bin kép này có thay đổi. Ví dụ, động cơ của hãng BMW dùng 2 turbo có kích thước khác nhau, tua-bin nhỏ hoạt động ở số vòng quay thấp, tua-bin lớn hoạt động ở số vòng quay cao.
Trong khi đó, động cơ của một số hãng như Mercedes hay Toyota lại dùng 2 tua-bin, mỗi tua-bin tăng áp cho một phần hai số xi-lanh.
Ngoài các phương án trên, một số hãng còn dùng phương án kết hợp: Một máy nén cơ khí kết hợp với một tua-bin. Nói chung, tất cả các phương án tăng áp đều đạt hiệu quả kinh tế cao, đều giảm khoảng 20% lượng nhiên liệu tiêu thụ cho một mã lực so với khi chưa tăng áp.
Theo Autonet và Howstuffworks
