Centrifugal Supercharger – Siêu nạp ly tâm là một loại bộ tăng áp chuyên dụng sử dụng lực ly tâm để tăng áp suất không khí bộ góp nạp (MAP). MAP tăng cho phép động cơ đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn, dẫn đến công suất tăng lên. Siêu nạp ly tâm thường được gắn vào phía trước động cơ thông qua bộ truyền động đai hoặc truyền động bánh răng từ trục khuỷu của động cơ.
Vì sao động cơ cần tăng áp
Mô-men xoắn và công suất tối đa do động cơ đốt trong tạo ra phụ thuộc vào lượng nhiên liệu có thể đốt vào xi-lanh. Lượng nhiên liệu đốt cháy càng nhiều thì áp suất xi-lanh càng cao, mô-men xoắn động cơ (công suất) càng cao. Lượng nhiên liệu có thể đốt cháy bên trong động cơ bị giới hạn bởi lượng không khí (oxy) có sẵn để đốt cháy. Điều này có nghĩa là ngay cả khi chúng ta bơm một lượng lớn nhiên liệu vào động cơ mà không có lượng không khí (oxy) phù hợp thì nhiên liệu vẫn không bị đốt cháy và động cơ sẽ hoạt động kém hiệu quả cũng như tăng lượng khí thải.
Ở động cơ đốt trong hút khí tự nhiên, không khí được hút vào xi lanh bằng lực hút được tạo thành khi piston di chuyển về phía điểm chết dưới (BDC). Trong trường hợp này, lưu lượng khí lớn phụ thuộc vào sự điều tiết của đường ống nạp và áp suất không khí luôn nhỏ hơn áp suất khí quyển (1 bar/atm).
Đối với một động cơ có kích thước (dung tích) cố định, bằng cách nén lượng khí nạp đến mật độ cao hơn không khí trong khí quyển, trước khi vào xi lanh, chúng ta sẽ tăng mô-men xoắn (công suất) đầu ra của động cơ. Đây là mục đích chính của động cơ tăng áp. Vì vậy, động cơ tăng áp là động cơ đốt trong sử dụng khí nén trước khi nạp xi-lanh để tăng mô-men xoắn và công suất ra.
Bằng cách nén không khí nạp, mật độ của nó tăng lên, có nghĩa là với cùng một thể tích, có nhiều phân tử oxy hơn để đốt cháy, cho phép phun nhiều nhiên liệu hơn và do đó đạt được áp suất đốt cháy cao hơn, dẫn đến mô-men xoắn và công suất động cơ cao hơn.
Có nhiều phương pháp nén khí nạp của động cơ:
- Tăng áp khí thải – Turbo tăng áp
- Tăng áp cơ học – Siêu nạp
- Tăng áp sóng áp suất – Ram Air
Tăng áp cơ học – Siêu nạp
Trong các bộ tăng áp được điều khiển bằng cơ khí, máy nén được dẫn động trực tiếp bởi động cơ. Điều này có nghĩa là máy nén được kết nối cơ học với trục khuỷu, thông qua một bánh răng hoặc dây đai và lấy năng lượng từ động cơ để nén khí nạp.
Tùy thuộc vào phương pháp nén khí, bộ tăng áp truyền động cơ học được chia thành hai loại chính:
- Siêu nạp ly tâm
- Siêu nạp chuyển vị tích cực
Trong bài viết này, XecoV sẽ tập trung vào siêu nạp ly tâm được điều khiển bằng cơ học.
Siêu nạp ly tâm cơ học sử dụng nguyên lý dòng chảy và nguyên lý động lượng để nén khí nạp. Về cơ bản, nó bao gồm một bánh máy nén (bánh công tác hay cánh quạt) được gắn trên trục và được động cơ dẫn động thông qua bộ bánh răng hoặc bộ truyền động dây đai.
Không khí trong khí quyển được cánh quạt (máy nén) hút qua bộ lọc và được nén đến áp suất cao hơn. Trước khi đi vào động cơ (xi lanh), không khí nạp được làm mát để tăng thêm mật độ của nó. Không khí đậm đặc mát cho phép nhiều nhiên liệu hơn có thể được bơm vào động cơ, tạo ra nhiều mô-men xoắn (công suất) hơn ở trục khuỷu. Áp suất tăng áp phụ thuộc vào tốc độ động cơ, tốc độ cánh quạt (động cơ) càng cao thì áp suất của khí nén càng cao.
Vì công suất quay cần thiết của máy nén được lấy trực tiếp từ động cơ chứ không phải từ khí thải, như trong trường hợp Turbo tăng áp, nên nhược điểm là bộ tăng áp làm tăng tải ký sinh lên động cơ. Ưu điểm là không có sự truyền nhiệt từ khí thải sang khí nén, điều này dẫn đến mật độ khí nạp cao hơn so với Turbo tăng áp.
Dẫn động đơn giản nhất cho siêu nạp ly tâm là sử dụng dây đai, nối với trục khuỷu thông qua hai puly. Tuy nhiên, phương pháp đơn giản và hiệu quả này đang hạn chế hoạt động của bộ tăng áp vì áp suất đầu ra liên quan trực tiếp đến tốc độ động cơ. Ngoài ra còn có các khái niệm nâng cao hơn, như siêu nạp điều khiển CVT Torotrak V-charge, sử dụng bộ truyền động biến thiên hình xuyến hoàn toàn để kiểm soát tốc độ của bánh công tác, không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Phương pháp này giúp kiểm soát tốt hơn chức năng tăng áp suất của điểm vận hành động cơ (tốc độ và mô-men xoắn).
Một ưu điểm của siêu nạp so với turbo tăng áp, là khối lượng không khí nạp tăng tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ và do đó đáp ứng yêu cầu khí nạp của động cơ. Trong trường hợp siêu nạp, do phạm vi hoạt động của nó không bị giới hạn bởi xung đột biến của máy nén (như trong trường hợp turbo tăng áp), nên có thể có vùng hoạt động của máy nén rộng hơn nhiều. Ngoài ra, nhờ có kết nối cơ học trực tiếp với động cơ nên khả năng đáp ứng nhu cầu đột ngột về áp suất khí nạp sẽ nhanh hơn nhiều.
Hiệu suất
Do máy nén của siêu nạp ly tâm hoạt động dựa trên nguyên lý dòng chảy nên hiệu suất tổng thể của nó cao, có tỷ lệ tốt nhất giữa kích thước và lưu lượng thể tích, so với các bộ tăng áp điều khiển bằng cơ học khác.
Bộ siêu nạp ly tâm có thể hoạt động với tốc độ lên tới 100.000 vòng/phút hoặc hơn. Điều này có nghĩa là tỷ số truyền (thực ra là tỷ lệ tốc độ) của nó khá lớn. Việc chuyển đổi tốc độ đầu tiên được thực hiện tại các ròng rọc (nếu được truyền động bằng dây đai), với tỷ lệ tốc độ khoảng 2:1. Việc chuyển đổi tốc độ thứ hai được thực hiện bên trong vỏ máy nén, thông qua bộ bánh răng đơn giản cố định hoặc bộ con lăn hành tinh (bánh răng). Tỷ lệ tốc độ bên trong có thể lên tới 15:1. Điều này mang lại sự chuyển đổi tốc độ tổng thể khoảng 30:1, đối với tốc độ động cơ 2000 vòng/phút, chuyển thành tốc độ cánh quạt là 60.000 vòng/phút.
Hiệu suất của siêu nạp ly tâm được đo bằng chức năng tăng áp của nó. Áp suất tăng 1,2 bar có nghĩa là bộ tăng áp đã tăng áp suất khí nạp lên 1,2 so với áp suất khí quyển (1 bar). Điều này có nghĩa là áp suất tuyệt đối trong đường ống nạp khí nạp, sau máy nén, là 2,2 bar. Áp suất tăng áp không phải là hằng số, nó phụ thuộc vào tốc độ của bánh công tác, bánh công tác quay càng nhanh thì áp suất tăng áp càng cao.
Kết cấu và hoạt động của siêu nạp ly tâm
Siêu nạp ly tâm chứa một bánh công tác quay với tốc độ cao để hút không khí vào vỏ máy nén nhỏ (xoắn ốc). Khi không khí rời khỏi bánh công tác, nó sẽ di chuyển với tốc độ cao trong khi có áp suất thấp. Không khí tốc độ cao, áp suất thấp này được đưa qua bộ khuếch tán để chuyển đổi luồng không khí thành áp suất cao và tốc độ thấp. Sau đó, không khí được đưa vào động cơ, nơi luồng không khí bổ sung (do áp suất tăng lên) giúp động cơ có khả năng đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn và có mức đốt cháy cao hơn, mang đến công suất lớn hơn.
Bánh công tác là bộ phận quay chính của siêu nạp ly tâm và là bộ phận tạo ra sự tăng áp khí nạp. Bánh công tác đẩy không khí vào quạt gió và tạo ra áp suất chuyển trực tiếp thành áp suất dương trên đường ống nạp, còn được gọi là áp suất tăng. Bánh công tác phải có khả năng chịu được nhiệt độ vận hành cao và phải đủ bền để hoạt động liên tục ở tốc độ động cơ cao.
Thiết kế hình con ốc của vỏ máy nén là đặc điểm riêng của siêu nạp ly tâm. Về mặt kỹ thuật được gọi là bộ thu, mục đích của vỏ máy nén này là thu thập luồng không khí và đưa nó đến đường ống hạ lưu. Nhôm thường được sử dụng làm vỏ/vòng xoắn của siêu nạp do sự kết hợp giữa độ bền, trọng lượng và khả năng chống ăn mòn. Sau khi vỏ được đúc xong, nó sẽ được gia công để phù hợp với thiết kế bánh công tác. Trong quá trình lắp ráp bộ tăng áp, vỏ được gắn vào bộ truyền động bằng bu lông hoặc kẹp đai.
Nằm giữa bánh công tác và ống xoắn là bộ khuếch tán. Ở hạ lưu của bánh công tác trong đường dẫn dòng chảy, nhiệm vụ của bộ khuếch tán là chuyển đổi động năng (tốc độ cao) của khí thành áp suất bằng cách làm chậm dần (khuếch tán) tốc độ khí.
Dẫn động siêu nạp ly tâm
Cùng với tỷ lệ tăng bậc đạt được thông qua hệ thống truyền động (dây đai), việc tăng tốc truyền động cũng được yêu cầu để đạt được tốc độ bánh công tác cần thiết nhằm tạo ra mức tăng mong muốn. Ngoài ra, bộ truyền động còn chứa các vòng bi để đỡ các trục được gắn vào các bánh răng bên trong. Vòng bi được sử dụng trong toàn bộ hệ thống để giúp các bộ phận chuyển động trơn tru và giảm ma sát và mài mòn. Tất cả các vòng bi siêu nạp ly tâm phải có khả năng chịu được chuyển động tốc độ cao một cách liên tục.
Các hình thức truyền động siêu nạp đơn giản nhất là sử dụng bộ bánh răng đơn giản hoặc bộ con lăn hành tinh (bánh răng). Ngoài ra còn có những thiết kế phức tạp hơn, ví dụ như bộ siêu nạp điều khiển CVT Torotrak V-charge, sử dụng hộp số hình xuyến để điều chỉnh tỷ số truyền tổng thể của chức năng bộ siêu nạp của điểm vận hành động cơ (tốc độ và mô-men xoắn).
V-charge của Torotrak là một bộ siêu nạp ly tâm được điều khiển bằng cơ học, với bộ truyền động lực kéo có tỷ số thay đổi. Hộp số hình xuyến, hoạt động như hộp số biến thiên liên tục (CVT), có khả năng thay đổi tỷ số truyền, từ tối thiểu (0,28) đến tối đa (2,8) trong thời gian chưa đầy 400 ms. Nó có hệ thống dẫn động thủy lực công suất thấp, tiêu thụ ít hơn 20 W khi thay đổi tỷ số.
Bộ siêu nạp V-charge được truyền động bằng dây đai bởi động cơ, có tỷ số puli là 2,5:1. Ngoài ra, đầu ra của truyền động biến thiên hình xuyến đi qua một bộ con lăn hành tinh với tỷ lệ 12,5:1. Sự kết hợp giữa puli đai, bộ truyền động hình xuyến và bộ con lăn hành tinh cho tỷ số tốc độ tối thiểu là 8,75:1 và tỷ số tốc độ tối đa là 87,5:1.
Bôi trơn và làm mát
Bôi trơn thích hợp là điều cần thiết để tiếp tục duy trì hiệu suất của siêu nạp ly tâm. Tốc độ cao cần thiết cho bộ tăng áp tạo ra lực đẩy cần bôi trơn đầy đủ cho tất cả các bộ phận chuyển động. Có một số phương pháp bôi trơn được sử dụng trong bộ siêu nạp ly tâm. Một số thiết kế sử dụng dầu động cơ để bôi trơn cho bộ siêu nạp. Trên các hệ thống kín (khép kín), chất bôi trơn là dầu tổng hợp có trọng lượng thấp được thiết kế đặc biệt để sử dụng ở tốc độ cao. Dầu bôi trơn được phân phối khắp bộ truyền động thông qua bơm dầu.
Bộ tăng áp ly tâm sử dụng một phần nhỏ công suất của động cơ để điều khiển chuyển động của các bộ phận bên trong bộ tăng áp. Hiệu suất có cả yếu tố cơ học (tiêu thụ năng lượng) và nhiệt (làm nóng khí nén). Hiệu suất cao hơn có nghĩa là bộ tăng áp tiêu thụ ít năng lượng hơn từ động cơ cung cấp năng lượng cho nó và tạo ra ít nhiệt hơn. Có nhiệt độ đáng kể trong khoang động cơ và một số thiết kế bộ siêu nạp cho phép truyền nhiệt đáng kể từ động cơ và các bộ phận khác sang bộ siêu nạp. Điều này lại cho phép truyền thêm nhiệt vào không khí được nén bên trong bộ tăng áp, làm giảm hiệu quả một cách hiệu quả.
Kết luận
- Đối với một kích thước động cơ nhất định (dung tích), tăng áp là tăng mô-men xoắn và công suất đầu ra (ví dụ: động cơ hút khí tự nhiên (NA) 2,0 lít có công suất cực đại 110 kW, trong khi động cơ tăng áp 2,0 lít có công suất cực đại 140 kW)
- Đối với động cơ có kích thước nhỏ hơn (dung tích nhỏ hơn), mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải thấp hơn, tăng áp là giữ cùng mức công suất và mô-men xoắn của động cơ (ví dụ: động cơ tăng áp 1,2 lít có cùng mô-men xoắn và công suất đầu ra như động cơ hút khí tự nhiên 1,6 lít)
Thông thường, bộ siêu nạp được sử dụng trong động cơ hiệu suất cao. Đối với các bộ tăng áp có tỷ số tốc độ cố định, tỷ số tốc độ tổng thể của chúng cần phải khớp chính xác với bản đồ luồng không khí của máy nén với tốc độ động cơ có thể sử dụng. Điều này có nghĩa là tỷ số puli đai và tỷ số truyền bên trong cần phải được chọn theo hàm số của tốc độ động cơ và nơi yêu cầu áp suất tăng tối đa.
Tốc độ thấp dẫn đến công suất tăng áp không khí thấp hơn và nhu cầu về tốc độ cao để tạo ra mức tăng áp cao là một trong những nhược điểm của siêu nạp ly tâm. Việc tăng tốc không tải tạo ra áp suất tăng thấp, do tốc độ động cơ thấp. Để đạt được tốc độ cánh quạt rất cao (trên 40000 vòng / phút) cần thiết để tăng áp suất đáng kể, cần có sự kết hợp của một puli nhỏ hơn trên bộ truyền động đai siêu siêu nạp, so với trục khuỷu.
Siêu nạp ly tâm có tính linh hoạt cao về vị trí lắp đặt, khiến chúng trở nên phổ biến để sử dụng ở thị trường hậu mãi. Chúng có thể được đặt trước hoặc sau thân ga. Ống xả có thể được sử dụng để dẫn khí nén đến cửa nạp của động cơ hoặc bộ làm mát khí nạp, thay vì được gắn trực tiếp vào đường ống nạp.
Siêu nạp ly tâm có khả năng truyền nhiệt tối thiểu do tỷ số nén bên trong thấp. Hiệu suất nhiệt cao này dẫn đến tăng công suất so với các bộ tăng áp chuyển vị dương.
So với turbo tăng áp, Siêu nạp ly tâm dẫn động cơ học có thời gian đáp ứng nhanh hơn do liên kết cơ học với trục khuỷu của động cơ.
