Tìm hiểu sâu hơn về bộ phận tăng áp động cơ ( Turbo )
Mới đây Ford Việt Nam đã đưa về một dòng xe mới được trang bị thế hệ động cơ hoàn toàn mời và tiên tiến chưa từng xuất hiện ở phân khúc hạng B đó là Ford Fiesta 1.0 Ecoboost được trang bị động cơ Ecoboost 1.0 có Turbo tăng áp làm tăng hiệu suất động cơ lên 125 mã lực tương đương với phiên bản Fiesta 1.6 trước đây. Với động cơ này ngoài việc tăng hiệu suất của động cơ thì nó có đạt được độ tiết kiệm nhiên liệu vô cùng tốt chỉ với 5.3 lít xăng trên 100km đường hỗn hợp kèm theo đó là tiêu chuẩn về khí thải động cơ đạt Euro4. Có thể nhiều người chưa biết về động cơ Ecoboost đã được trang bị hệ thống turbo tăng áp mà chỉ thấy xuất hiện trước đây ở các dòng xe máy dầu, sau đây là 1 số thông tin cụ thể về hệ thống turbo để chúng ta có thể hiểu rõ thêm:
Tăng áp là cụm từ chung dùng để chỉ các hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức. Chúng ta 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 xylanh.
Tăng áp của động cơ ôtô thông thường gồm hai loạiturbochargevàsupercharge. 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 (at). Do áp suất thông thường trong không khí là 1 at, 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%.
Tăng áp động cơ giúp kết cấu động cơ nhỏ hơn nhưng sản sinh công suất lớn hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn
Điểm khác biệt chính giữa hai hệ thống turbocharge và supercharge là nguồn cung cấp năng lượng.
Với supercharge, 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 supercharge không tạo ra hiện tượng “trễ” giống như turbocharge. Supercharge 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.
Những mẫu xe cơ bắp mỹ thường sử dụng Supercharger
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 xylanh của động cơ.
Theo lí thuyết, turbocharge hiệu quả hơn bởi nó sử dụng năng lượng “thải” trong khí xả làm nguồn cung cấp động năng. Tuy nhiên, nhược điểm của turbocharge là tạo ra một áp suất ngược trong hệ thống xả và 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 turbocharge ban đầu không “bốc” hay còn gọi là “trễ” - hiện tượng có thể thấy rõ ở động cơ chạy dầu.
turbocharger tận dụng sức mạnh của dòng khí thải để nén khí vào xy-lanh
Động cơ dung tích lớn thường có đủ lực mômen xoắn để khiến cho hiện tượng trễ của turbo 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 turbo bằng cách ứng dụng các phương pháp hay vật liệu mới.
Một trong những giải pháp đơn giản nhất là lắp hai turbo nhỏ thay cho một tuốcbin nén khí lớn. Hệ thống “Bi-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. Bổ xung thêm một tuốcbin nữa nghe ra có vẻ phức tạp tuy nhiên trên thực tế các hệ thống tăng áp kép rất dễ ứng dụng với dòng đồng cơ có thiết kế hình chữ V, như V6 hay V8. Đường xả của các động cơ có thiết kế hình chữ V thường đơn giản hơn, mặc dù BMW sử dụng hệ thống tăng áp kép cho cả đông cơ 6 xylanh xếp thẳng hàng.
Một phương pháp khác để khắc phục tình trạng trễ là sử dụng turbocharge 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 rôto 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. Turbocharge 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.
Audi R8 Twinturbo
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 xylanh. 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 xylanh. 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 thường sử dụng tăng áp để cải thiện chu trình đốt trong xylanh.
Nói tóm lại, tăng áp cho phép đưa nhiều hỗn hợp nhiên liệu đốt hơn vào xylanh, 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 xylanh để tạo ra công suất của một động cơ 6 xylanh và qua đó tiết kiệm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Theo tính toán, turbocharge 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 turbo 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.
Cấu tạo của bộ Turbocharge
Turbocharge 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.
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.
Bạn là người đam mê môn thể thao tốc độ và muốn tăng công suất cho chiếc xe của mình? Hoàn toàn có thể! Có nhiều cách để tăng công suất cho chiếc xe của bạn. Bạn có thể lắp thêm turbo, superchanger hoặc tăng tỷ số nén của động cơ…vv. Tuy nhiên có một cách đơn giản, hiệu quả và quan trọng hơn cả là chi phí thấp. Đó là sử dụng hệ thống NOS ( Nitrous Oxide System).
Nguyên lý
Để đốt hết một lượng nhiên liệu nhất định, cần phải có một lượng không khí (oxi) vừa đủ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu nạp vào động cơ theo đúng tỷ lệ trên được gọi là hỗn hợp trung hòa. Nếu lượng không khí nạp vào nhiều hơn lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu thì hỗn hợp được gọi là “nghèo” nhiên liệu (hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1). Ngược lại thì hỗn hợp được gọi là “giàu” nhiên liệu. Trong trường hợp này, sau khi cháy, nhiên liệu còn thừa sẽ bị thải ra bên ngoài, vừa gây ô nhiễm lại vừa hao phí.
Giải pháp
Để tăng công suất của động cơ, thường ta luôn nghĩ đến việc làm sao để đốt được nhiều nhiên liệu hơn, tức là phải nạp được nhiều nhiên liệu hơn, điều này là tương đối đơn giản, chỉ việc phun thêm nhiên liệu. Tuy nhiên, vấn đề là ở chổ không khí. Đối với các loại động cơ nạp thông thường (không tăng áp), lượng không khí nạp vào là có giới hạn. Cũng chính vì giới hạn này mà từ lâu người ta đã nghĩ ra nhiều cách đưa thêm không khí vào buồng cháy động cơ. Turbo và superchanger chính là những ví dụ.
Nút bấm kích hoạt NOS màu đỏ trên vô lăng (Ảnh Holley)
Xét về nguyên lý dẫn động, turbo và supercharge có khác nhau (một dẫn động bằng khí thải và một dẫn động bằng trục khuỷu của động cơ) nhưng khi xét về mục đích, cả hai hệ thống này là hoàn toàn giống nhau: nén không khí đến áp suất cao hơn trước khi nạp vào động cơ. Áp suất không khí cao hơn đồng nghĩa với mật độ không khí lớn hơn, tức nhiều oxi hơn với cùng một thể tích buồng cháy, cho phép động cơ có thể đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn, công suất từ đó cũng tăng lên. Tuy nhiên, áp suất nén của turbo và supercharge cũng có giới hạn và dường như vẫn chưa thể đáp ứng được những đòi hỏi của những người ham hố tốc độ hay các tay đua chuyên nghiệp. Lúc này, NOS (Nitrous Oxide System) chính là một lựa chọn tối ưu!
NOS là gì?
Về cơ bản, NOS cũng chỉ là một hệ thống có nhiệm vụ đưa được nhiều oxi hơn vào buồng cháy, thông qua việc phun N2O vào ngay trước cửa nạp của động cơ. Có nhiều quan điểm sai trái về hệ thống này, phổ biến nhất có lẽ là quan điểm cho rằng N2O là một loại nhiên liệu. Thực tế, Nitrous Oxide là một loại khí không màu, không cháy, có mùi thơm nhẹ, không độc và không gây bỏng rát. Tuy nhiên , khi hít phải một lượng nhỏ, N2O có thể gây phấn khích, kích động nhẹ và gây cười “vô cớ”. Chính vì vậy mà N2O có một cái “nickname” rất thú vị: “khí cười” hay còn gọi là “khí tê” (laughing gas).
Vậy tại sao N2O có thể gia tăng công suất động cơ? Khi đốt nóng đến nhiệt độ khoảng 300 độ C, N2O sẽ bị nhiệt phân và chuyển thành Nitơ cùng Oxi đơn chất. Nếu phun N2O ngay trước cửa nạp của buồng cháy, quá trình hút sẽ cuốn N2O vào trong. Ở kỳ nén, khi nhiệt độ không khí bên trong buồng cháy đạt đến tầm 300 độ C, một hỗn hợp khí giàu Oxi sẽ được tạo ra. Trong N2O, Oxi chiếm 36% khối lượng nhưng ở không khí Oxi chỉ chiếm 23% khối lượng, quan trọng hơn, với cùng một nhiệt độ và áp suất, mật độ phân tử của N2O cao hơn mật độ phân tử của không khí khoảng 50%. Chính vì vậy, lượng Oxi chứa trong 28,3 lít (1 foot khối) N2O cao gấp 2,3 lần so với lượng Oxi chứa trong 28,3 lít không khí. Từ đó, nếu tính sơ bộ, chỉ cần thay một lượng nhỏ không khí bằng N2O là chúng ta có thể nạp thêm một lượng nhiên liệu rất đáng kể nạp vào buồng đốt. Hiệu quả của phương pháp này cũng giống như phương pháp độ thêm turbo, supercharge hoặc tăng tỷ số nén của động cơ, nhưng cao hơn rất nhiều. Tuy nhiên, NOS chỉ làm tăng công suất tức thời của động cơ, giúp xe tăng tốc cực nhanh ở thời điểm hệ thống NOS được kích hoạt. Và do đó, N2O hoàn toàn không phải là một loại nhiên liệu, không phải vật cháy, mà là một tác nhân gây cháy.
NOS giúp xe tăng tốc cực nhanh ở thời điểm kích hoạt (Ảnh Holley)
Đôi nét về sự ra đời của NOS
Cách phun N2O vào buồng cháy để tăng công suất động cơ được ngành công nghiệp hàng không của Đức Quốc Xã phát hiện vào những năm đầu của cuộc chiến tranh thế giới lần thứ hai. Hàng ngàn máy bay chiến đấu và máy bay trinh sát của Đức đã được trang bị hệ thống có tên gọi là “GM-1”. Chính hệ thống này đã nạp N2O vào động cơ máy bay để bù lại lượng oxi bị thiếu hụt do mật độ không khí loãng dần khi máy bay hoạt động ở vị trí cao hơn rất nhiều so với mực nước biển. Không lực Hoàng gia Anh sau đó cũng đã sử dụng N2O để tăng công suất cho các loại động cơ máy bay của họ. Tuy nhiên, Không quân Hoa kỳ lại không sử dụng N2O, ngoại trừ các cuộc thử nghiệm rất hạn chế vì họ còn nghi ngờ tính an toàn của phương pháp này. Bởi không giống các loại phương tiện di chuyển trên mặt đất, bất kỳ một sai sót kỹ thuật nào cũng có thể dẫn đến những hậu quả rất tồi tệ, đặc biệt là ở phần động cơ, khi máy bay đang hoạt động. Ô tô thì khác, suốt những năm 50 của thế kỷ trước, tại Mỹ, tay đua lừng danh Smokey Yunick đã “âm thầm” sử dụng N2O có chủ đích để dành rất nhiều chiến thắng cho đến khi bị phát hiện và bị cấm theo luật của NASCAR. Mặc dù bị cấm nhưng vẫn có nhiều vụ bê bối xoay quanh vấn đề N2O ở NASCAR trong các năm sau đó vì tính hiệu quả của nó.
Hiện nay, NOS chưa được phổ biến tại Việt Nam, tuy nhiên, nó không mấy xa lạ đối với những tay ham thích tốc độ hay dân chơi xe chuyên nghiệp ở các nước Âu - Mỹ.
Khi đi thaylốp xemới, người dùng thường chỉ quan tâm đến kích cỡ lốp xe, hãng sản xuất, giá thành mà ít quan tâm đến các thông số kỹ thuật in trên lốp xe có phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình không. Vì thế đã có không ít các sự cố liên quan đến nổ lốp khi chạy ở tốc độ cao hay lốp xe quá ồn, dễ bị "đá chém"... Điều này không chỉ ảnh hưởng đến độ an toàn khi vận hành và gây thiệt hại về vật chất không nhỏ... Dưới đây là thông số quan trọng của lốp xe mà người dùng cần chú ý hơn khi chọn mua lốp.
Các thông số kỹ thuật của lốp xe được in rõ ràng trên thành lốp như: Hãng sản xuất, thông số kích thước lốp xe, các thông số về tốc độ, tải nặng của lốp, hạn sử dụng (tính theo tuần trong năm)
Cách đọc thông số kỹ thuật trên lốp xe
Ở hình trên ta đọc được con sốP185/75R14 82S
P-Loại xe:Chữ cái đầu tiên cho ta biết loại xe có thể sử dụng lốp này. P “Passenger”: lốp dùng cho các loại xe có thể chở “hành khách”. Ngoài ra còn có một số loại khác như LT “Light Truck”: xe tải nhẹ, xe bán tải; T “Temporary”: lốp thay thế tạm thời.
185 - Chiều rộng lốp:Chiều rộng lốp chính là bề mặt tiếp xúc của lốp xe với mặt đường. Chiều rộng lốp được đo từ vách này tới vách kia (mm).
75 - Tỷ số giữa độ cao của thành lốp (sidewall) với độ rộng bề mặt lốp:được tính bằng tỷ lệ bề dày/ chiều rộng lốp. Trong ví dụ trên đây, bề dày bằng 75% chiều rộng lốp (185)
R - Cấu trúc của lốp:Các lốp thông dụng trên xe hầu như đều có cấu trúc Radial tương ứng với chữ R. Ngoài ra, lốp xe còn có các chữ khác như B, D, hoặc E nhưng hiện nay rất hiếm trên thị trường.
14 - Ðường kính la-zăng:Với mỗi loại lốp chỉ sử dụng được duy nhất một cỡ la-zăng. Số 14 tương ứng với đường kính la-zăng lắp được là 14 inch.
82S - Tải trọng và tốc độ giới hạn:Nếu con số này nhỏ hơn tải trọng và tốc độ xe chạy là nguyên nhân dẫn đến nổ lốp xe
*Số 82 - Tải trọng lốp xe chịu được:Thông thường vị trí này có số từ 75 tới 105 tương đương với tải trọng từ 380 tới 925 kg.
Bảng tải trọng tương ứng lốp xe
*S - Tốc độ tối đa lốp xe có thể hoạt động bình thường:Bên cạnh chỉ số tải trọng là một chữ cái giới hạn tốc độ tối đa mà lốp có thể hoạt động bình thường, với chữ cái S, lốp xe sẽ có tốc độ tối đa tương ứng là 180 km/h.
Tốc độ tối đa của lốp có thể tra trong bảng:
Hạn sử dụng của lốp xe
Trên thành lốp bao giờ cũng có 1 dãy mã số. Với 4 chữ số cuối cùng thì chỉ ngày tháng năm sản xuất ra chiếc lốp đó. Ví dụ nếu 4 chữ số cuối dãy là 1404, có nghĩa là lốp này xuất xưởng vào tuần thứ 14 của năm 2004. Thời hạn sử dụng nhà sản xuất khuyên dùng là không quá 6 năm từ ngày sản xuất. Một chiếc lốp quá “đát” thường bị mờ dãy số này, cho dù nhìn bề ngoài thì có vẻ như chẳng có vấn đề gì cả. Khi đã quá hạn sử dụng có nghĩa là lốp đã mất hết những tính năng vốn có. Nhà sản xuất đã lường trước điều này và khuyên rằng kể cả những chiếc lốp mới không dùng mà chỉ cất trong kho nhưng đã hết hạn sử dụng thì xem như đã kết thúc vòng đời.
Trong trường hợp này là lốp xe được sản xuất vào tuần thứ 8 của năm 2006
Các thông số khác của lốp xe
Uniform Tire Quality Gradescho biết kết quả các cuộc kiểm tra của cơ quan nhà nước với độ mòn gân lốp, độ bám đường và độ chịu nhiệt. Tuy nhiên, việc kiểm tra được uỷ nhiệm cho nhà sản xuất tiến hành.
Treadwearlà thông số về độ mòn gân lốp xe với tiêu chuẩn so sánh là 100.
Lưu ý: cấp độ kháng mòn lốp chỉ áp dụng để so sánh các sản phẩm của cùng một nhà sản xuất và không có giá trị so sánh giữa các nhà sản xuất khác nhau.
Trên 100 – Tốt hơn
100 – Mức chuẩn
Dưới 100 – Kém hơn
Tractionlà số đo khả năng dừng của lốp xe theo hướng thẳng, trên mặt đường trơn.
AA là hạng cao nhất
A - Tốt nhất
B - Trung bình
C - Chấp nhận được
Temperatuređo khả năng chịu nhiệt độ của lốp khi chạy xe trên quãng đường dài với tốc độ cao, độ căng của lốp hay sự quá tải.
A - Tốt nhất
B - Trung bình
C - Chấp nhận được
M + S:có nghĩa là lốp xe đạt yêu cầu tối thiểu khi đi trên mặt đường lầy lội hoặc phủ tuyết.
Maximum load:trọng lượng tối đa mà lốp xe có thể chịu, tính theo đơn vị pound hoặc kg.
Maximum Inflation Pressure:tính theo đơn vị psi (pound per square inch) hoặc kPA (kilopscal). Không bao giờ được bơm lốp xe vượt qua thông số quy định về áp lực hơi tối đa.