Wastegate là gì? Cửa xả (Van Bypass) trong tăng áp động cơ

Wastegate là một thuật ngữ chuyên ngành kỹ thuật (động cơ đốt trong), có nghĩa là Cổng thải/cổng xả hay cửa xả, Wastegate là một van điều khiển luồng khí thải đến bánh tuabin trong hệ thống động cơ tăng áp, nó còn được gọi là van xả Bypass, sau đây gọi là Wastegate.

Bản chất của Wastegate là một van đóng mở đường khí thải của động cơ, điều tiết dòng khí thải qua turbo tăng áp. Khi van Wastegate đóng, dòng khí thải hoàn toàn đi vào tuabin tăng áp, khi van mở thì dòng khí thải sẽ ưu tiên đi qua cửa thải này mà hầu như hoặc giảm đi qua tuabin tăng áp, và nó cũng có những trạng thái trung gian để điều khiển tuabin tăng áp phù hợp với tải của động cơ

Sự chuyển hướng của khí thải điều chỉnh tốc độ tuabin, từ đó điều chỉnh tốc độ quay của máy nén. Chức năng chính của Wastegate là điều chỉnh áp suất tăng tối đa trong hệ thống tăng áp, để bảo vệ động cơ và bộ tăng áp. Một lợi thế của việc lắp đặt Wastegate gắn từ xa vào tuabin thả nổi tự do bao gồm khả năng cho phép vỏ tuabin A/R (Tiết diện/Bán kính) nhỏ hơn, dẫn đến thời gian trễ ít hơn trước khi tuabin bắt đầu quay và tạo lực đẩy .

Các loại Cổng xả

Có các loại Wastegate bên ngoài và Wastegate bên trong. Bên ngoài và bên trong ở đây là vị trí của Wastegate so với turbo tăng áp. Wastegate bên ngoài là một cửa xả độc lập với turbo, Wastegate bên trong là cửa xả tích hợp vào turbo tăng áp.

Cổng xả bên ngoài (External Wastegate)

Cổng xả bên ngoài là một cơ chế độc lập riêng biệt thường được sử dụng với các bộ tăng áp không có Wastegate bên trong. Wastegate bên ngoài yêu cầu một ống góp tăng áp được chế tạo đặc biệt với một đường dẫn chuyên dụng đi đến Wastegate. Wastegate bên ngoài có thể là một phần của chính vỏ ống xả. Wastegate bên ngoài thường được sử dụng để điều chỉnh mức tăng chính xác hơn so với Wastegate bên trong trong các ứng dụng công suất cao, nơi có thể đạt được mức tăng cao.

Cổng xả bên ngoài có thể lớn hơn nhiều vì không có ràng buộc nào trong việc tích hợp van hoặc lò xo vào bộ tăng áp và vỏ tua-bin. Có thể sử dụng Wastegate bên ngoài với bộ tăng áp có cổng bên trong. Điều này có thể đạt được thông qua một giá đỡ được thiết kế đặc biệt có thể dễ dàng bắt vít và hạn chế chuyển động của cần truyền động, giữ cho nó không bị bung ra.

Cổng xả bên trong (Internal Wastegate)

Cổng xả bên trong là một van rẽ nhánh bypass tích hợp và lối đi bên trong vỏ bộ tăng áp, cho phép áp suất khí thải dư thừa đi vòng qua tua-bin để vào ống xả phía hạ lưu. Điều khiển van xả bên trong bằng tín hiệu áp suất từ đường ống nạp giống hệt như điều khiển của cổng xả bên ngoài. Ưu điểm bao gồm cài đặt đơn giản và nhỏ gọn hơn, không có đường ống thải bên ngoài.

Ngoài ra, tất cả khí thải được tự động chuyển trở lại bộ chuyển đổi xúc tác và hệ thống xả. Nhiều bộ tăng áp OEM thuộc loại này. Nhược điểm so với Wastegate bên ngoài bao gồm khả năng giảm áp suất khí thải hạn chế do đường kính tương đối nhỏ của van bypass bên trong và hoạt động kém hiệu quả hơn trong các điều kiện tăng cường.

Điều khiển Wastegate

Điều khiển thủ công

Việc kiểm soát đơn giản nhất đối với Wastegate là một liên kết cơ khí cho phép người vận hành điều khiển trực tiếp vị trí van Wastegate. Điều khiển thủ công này được sử dụng trong một số máy bay hạng nhẹ tăng áp.

Điều khiển khí nén

Điều khiển vòng kín đơn giản nhất cho Wastegate là cung cấp áp suất tăng cường trực tiếp từ phía khí nạp đến bộ truyền động của Wastegate. Một ống mềm nhỏ có thể kết nối từ đầu ra máy nén của bộ tăng áp, ống nạp với núm trên bộ truyền động Wastegate. Wastegate sẽ mở rộng hơn nữa khi áp suất tăng đẩy chống lại lực của lò xo trong bộ truyền động của cổng thải cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng. Có thể thêm điều khiển thông minh hơn bằng cách tích hợp bộ điều khiển tăng áp điện tử.

Wastegate tiêu chuẩn có một cổng để gắn dây điều khiển tăng cường từ đường cấp khí nạp hoặc điện từ điều khiển tăng cường. Những tiến bộ gần đây trong bộ truyền động Wastegate bên trong mang lại khả năng kiểm soát cổng kép.

Điều khiển điện

Một số động cơ máy bay của thập niên 1940 có cổng xả hoạt động bằng điện, chẳng hạn như động cơ Wright R-1820 trên Pháo đài bay B-17. General Electric là nhà sản xuất lớn nhất của các hệ thống này. Trước thời đại của máy tính, chúng hoàn toàn tương tự. Các phi công có quyền điều khiển buồng lái để chọn các mức tăng cường khác nhau. Wastegate điện nhanh chóng không còn được ưa chuộng do triết lý thiết kế bắt buộc phải tách bộ điều khiển động cơ khỏi hệ thống điện.

Đối với ô tô, bắt đầu từ mẫu xe năm 2011, động cơ phun xăng trực tiếp (GDI) tăng áp Theta II 2.0 lít được giới thiệu trong Hyundai Sonata bao gồm bộ truyền động cửa xả servo điện tử vận hành PCM. Điều này cho phép chiến lược kiểm soát tăng áp giúp giảm áp suất ngược khí thải do bộ tăng áp gây ra bằng cách mở cửa thải khi không cần tăng áp, giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Wastegate cũng được giữ mở trong thời gian khởi động nguội để giảm lượng khí thải bằng cách tăng tốc độ hoạt động của chất xúc tác khí thải.

Bắt đầu từ tháng 11 năm 2015, động cơ tăng áp phun nhiên liệu trực tiếp Honda Earth Dreams với dung tích 1,5 lít sử dụng Wastegate điện điều khiển bằng ECU. Điều này lần đầu tiên được giới thiệu trên mẫu xe Honda Civic 2016 và tiếp theo là CR-V vào năm 2017. Năm 2018, động cơ phun nhiên liệu trực tiếp tăng áp 1.5L và 2.0L thay thế động cơ hút khí thông thường 6 xi-lanh 2.4L và 3.6L trên Honda Accord.

Điều khiển thủy lực

Hầu hết các máy bay tăng áp hiện đại đều sử dụng bộ điều khiển cửa xả thủy lực với dầu động cơ làm chất lỏng. Các hệ thống từ Lycoming và Continental hoạt động trên cùng một nguyên tắc và sử dụng các bộ phận giống nhau chỉ khác nhau về tên gọi. Bên trong bộ truyền động Wastegate, một lò xo hoạt động để mở Wastegate và áp suất dầu đóng vai trò đóng cửa thải. Ở phía đầu ra dầu của bộ truyền động cửa thải là bộ điều khiển mật độ, một van dầu điều khiển bằng không khí giúp cảm nhận áp suất boong trên và kiểm soát tốc độ dầu có thể chảy từ bộ truyền động cửa thải trở lại động cơ. Khi máy bay lên cao và mật độ không khí giảm xuống, bộ điều khiển mật độ sẽ từ từ đóng van và giữ thêm dầu trong bộ truyền động cửa thải, đóng cửa thải để tăng tốc độ của bộ tăng áp và duy trì công suất định mức. Một số hệ thống cũng sử dụng bộ điều khiển chênh lệch áp suất giúp cảm nhận áp suất không khí ở hai bên của tấm tiết lưu và điều chỉnh cửa thải để duy trì chênh lệch đã đặt. Điều này duy trì sự cân bằng tối ưu giữa khối lượng công việc của bộ tăng áp thấp và thời gian tăng tốc nhanh chóng, đồng thời ngăn hiện tượng tăng đột biến do hiệu ứng khởi động.

Kích thước Wastegate

Kích thước Wastegate tỷ lệ nghịch với mức độ tăng tốc mong muốn và phần nào không phụ thuộc vào kích thước hoặc công suất của động cơ.

• Turbo lớn/tăng áp thấp = Wastegate lớn hơn
• Turbo lớn/tăng áp cao = Wastegate nhỏ hơn
• Turbo nhỏ/tăng áp thấp = Wastegate lớn hơn
• Turbo nhỏ/tăng áp cao = Wastegate nhỏ hơn

Tuy nhiên, lưu lượng khí thải là một hiệu ứng của sức mạnh. Vì vậy, một biểu đồ quyết định khác sẽ trông giống như thế này.

• Turbo lớn/động cơ nhỏ/công suất nhỏ = Wastegate nhỏ
• Turbo lớn/động cơ nhỏ/công suất lớn = Wastegate lớn
• Turbo nhỏ/động cơ nhỏ/công suất nhỏ = Wastegate nhỏ
• Turbo lớn/động cơ lớn/công suất nhỏ = Wastegate trung bình
• Turbo nhỏ/động cơ lớn/bất kỳ mức công suất nào = Wastegate lớn –> Lý do là tua-bin nhỏ sẽ dễ dàng quay quá mức do lượng khí thải dư thừa.