Tìm hiểu về động cơ tăng áp xe ô tô

Để hiểu về động cơ tăng áp, trước tiên bạn cần hiểu tăng áp có nghĩa là gì? Tăng áp là từ chung dùng để chỉ các hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức. Có thể hiểu đơn giản, đây là hệ thống nén thêm không khí vào buồng đốt, đưa vào nhiều nhiên liệu hơn qua đó làm tăng công suất mỗi khi hỗn hợp đốt nổ trong xy-lanh.

Phân loại động cơ tăng áp

Động cơ tăng áp gồm hai loại là turbocharge và supercharge. 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.

Dodge Challenger SRT Hellcat sử dụng động cơ 6.2L HEMI® siêu nạp (Supercharged) cho công suất tối đa 707 mã lực 

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.

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.

Honda CR-V trang bị máy 1.5L Turbo cho công suất tối đa 188 mã lực

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.

Ford Ranger RTaptor sử dụng động cơ tăng áp Bi-Turbo

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.

Porsche Panamera Turbo trang bị máy V8 4.0L Twin turbo

Nói tóm lại, đông cơ 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.

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, mang lại lợi thế nhiều hơn cho động cơ tăng áp.

Trên đây là những kiến thức về động cơ tăng áp xe ô tô bạn nên biết để hiểu hơn về hoạt đông của xe ô tô.

Bài viết liên quan:

Động cơ Boxer là gì? Nó hoạt động ra sao?
Cách sử dụng hệ thống điều khiển hành trình - Cruise Control
Tìm hiểu về chức năng của các loại cảm biến trên ô tô
Phân biệt công suất và mô-men xoắn của động cơ đốt trong xe ô tô
Phân loại đông cơ tăng áp - sự khác nhau Biturbo và Twin turbo