Trong thời kỳ hoàng kim của tăng áp, Porsche, Mazda, Subaru và Toyota đều cung cấp những chiếc xe có động cơ tăng áp kép tuần tự. Nhưng giờ đây thì chỉ có Bugatti làm điều đó. Vậy điều gì đã xảy ra với động cơ tăng áp kép tuần tự?
Porsche 959, với khối động cơ sáu xi-lanh 2,85 lít dựa nhiều vào nguyên mẫu 956 và 962 thống trị của Porsche và sử dụng hai bộ tăng áp để tạo ra công suất (có thể bị đánh giá thấp) là 450 mã lực và mô-men xoắn 370 lb-ft (501 Nm). Các turbo hoạt động theo trình tự. Dưới 4000 vòng/phút, khí thải từ cả sáu xi-lanh quay bộ tăng áp bên phải; vượt quá 4000 vòng/phút, khí thải từ các xi lanh bên trái bắt đầu chuyển hướng tới turbo tương ứng của nó.
Câu chuyện Porsche 911 của Paul Frere có lời giải thích tuyệt vời về hệ thống ống phức tạp của 959, và tất cả những gì chúng ta thực sự cần biết ở đây là hệ thống này đã giảm đáng kể độ trễ turbo. Nếu người lái mở ga rộng ở tốc độ 2500 vòng/phút, 959 sẽ đạt mức tăng tối đa 14,2 psi trong hai giây, trong khi với thiết lập tăng áp kép song song đơn giản, để đạt được điều tương tự sẽ mất 6,5 giây. Ở tốc độ dưới 5000 vòng/phút, nó có cảm giác giống như một chiếc 911 cũ khá nhanh; khi vượt trên tốc độ này, với mức tăng gần như dữ dội lên tới đỉnh công suất 6500 vòng/phút.
Tuy nhiên, lần tiếp theo Porsche cung cấp một mẫu xe tăng áp kép, 911 Turbo thế hệ 993, hệ thống tuần tự của 959 đã bị loại bỏ. Porsche chưa bao giờ xem lại ý tưởng này. Và rất ít nhà sản xuất ô tô tiếp tục làm điều đó.
Nguyên lý của hệ thống tăng áp tuần tự
Nguyên lý của hệ thống tăng áp tuần tự khá cơ bản. Một turbo lớn có thể cung cấp công suất tối đa như mong muốn, nhưng phải mất nhiều thời gian, năng lượng để quay một turbo lớn, dẫn đến độ trễ của turbo lớn. Bộ tăng áp kép hoạt động nối tiếp — trong đó bộ tăng áp này cấp nguồn cho bộ tiếp theo — cũng gặp vấn đề tương tự. Về mặt lý thuyết, tăng áp kép hoạt động theo trình tự (tăng áp kép tuần tự) mang lại khả năng quay nhanh của một turbo tăng áp đơn nhỏ, có đủ sức mạnh để cung cấp nhiều không khí, khi đạt đến một tốc độ nào đó nó sẽ quay một turbo lớn hoặc đơn giản là quay cả hai turbo, mã lực sẽ tăng ở tốc độ động cơ cao hơn.
Các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản
959 tỏ ra có sức ảnh hưởng lớn, đặc biệt là đối với các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản. Cuối những năm 1980 là kỷ nguyên bong bóng ở Nhật Bản, khi các nhà sản xuất ô tô có ngân sách gần như không giới hạn để thiết kế bất cứ thứ gì họ muốn. (Điều thú vị là: Nissan thực sự đã mua một chiếc 959 để đo điểm chuẩn trong khi đang phát triển Skyline GT-R thế hệ R32. Nó không sao chép hệ thống tăng áp tuần tự của 959, mặc dù GT-R lấy rất nhiều cảm hứng từ hệ dẫn động bốn bánh biến thiên của Porsche). Mazda đã sử dụng bộ tăng áp tuần tự cho RX-7 thế hệ thứ ba và trên Eunos Cosmo ba rotor. Subaru đã làm điều tương tự với nhiều mẫu Legacy (chủ yếu là JDM). Tuy nhiên, chiếc xe Nhật Bản được trang bị tăng áp tuần tự nổi tiếng nhất là Toyota Supra, với động cơ tăng áp kép 2JZ-GTE. Tất cả các hệ thống này đều sử dụng nguyên tắc cơ bản giống như 959—khí thải được chuyển đến một bộ tăng áp ở tốc độ vòng/phút thấp, sau đó ở khoảng 4000 vòng/phút, một số khí đó được chuyển sang bộ tăng áp thứ hai.
Vậy, tăng áp tuần tự có hiệu quả không?
Câu trả lời là Có và Không. Vào thời điểm đó, những thiết lập này là một bước tiến lớn về mặt công nghệ và mọi người vô cùng ấn tượng, nhưng theo tiêu chuẩn ngày nay, những chiếc xe tăng áp tuần tự có cảm giác kỳ quặc. Bạn sẽ không gọi chúng là siêu lag, nhưng việc đưa ra bộ tăng áp thứ hai không bao giờ liền mạch 100%. Gần như có một điểm dừng tạm thời trong việc cung cấp năng lượng.
Tuy nhiên, đó không phải là vấn đề chính. Tăng áp tuần tự yêu cầu tất cả các loại hệ thống ống và van phức tạp để quản lý đường đi của khí thải. Điều này gây ra các chi phí liên quan đến cả kỹ thuật và sản xuất, cộng thêm nhiều điểm hỏng hóc hơn. Chiếc 959 tốn rất nhiều chi phí để phát triển, nó gần như đã phá hủy Porsche. Đối với các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản lấy cảm hứng từ chiếc 959, số tiền dư thừa để tạo ra những hệ thống phức tạp như thế này đã cạn kiệt khi bong bóng giá tài sản của Nhật Bản vỡ vào năm 1992, ngay sau khi Mazda và Toyota giới thiệu những chiếc xe tăng áp tuần tự của họ.
Thêm vào đó, hiệu suất đạt được của việc tăng áp tuần tự còn nhiều nghi vấn. Chắc chắn rằng 959 giống như một bước tiến lớn so với 911 Turbo trước đó, tuy nhiên 993 Turbo, với thiết lập tăng áp song song đơn giản hơn—một turbo cho mỗi dãy xi lanh—không có cảm giác như một bước lùi. Frere viết về 993: “Quán tính thấp của bánh tuabin và máy nén cũng như đường kính nhỏ của chúng đảm bảo phản ứng nhanh”. “Điều này nhanh hơn nhiều so với trường hợp của Porsche 959 (theo lý thuyết, lẽ ra gần như ngay lập tức), mặc dù cần phải nhớ rằng công suất lớn hơn 26% của động cơ M64 3,6 lít của [993 Turbo] sẽ giúp ích.”
Steve Dinan, thợ độ và chế tạo động cơ BMW cho biết: “Vấn đề quan trọng là chúng tôi có thể tạo ra bao nhiêu sức mạnh với ít yêu cầu bảo trì nhất, ít chi phí nhất”. “Nó còn hơn cả giá trị của công nghệ. Tất cả công nghệ đó vẫn hoạt động, chỉ là lợi ích gia tăng quá nhỏ và chi phí quá cao, tỷ lệ chi phí-lợi ích không có.”
Hầu hết việc chế tạo 2JZ cho công suất lớn đều loại bỏ hệ thống ống dẫn khí thải tuần tự phức tạp để chuyển sang sử dụng một turbo lớn hoặc hai turbo nhỏ hơn hoạt động đồng thời. “Tôi chắc chắn rằng bạn có thể thực hiện một số mức độ kỹ thuật để tối ưu hóa mức công suất nhất định bằng cách sử dụng thiết lập turbo tuần tự kép,” nhà chế tạo động cơ huyền thoại Stephan Papadakis cho biết, “nhưng sự phức tạp trong kỹ thuật và sự phức tạp trong hệ thống ống xả với van và bộ điều khiển van, bộ tăng áp có kích thước hơi khác nhau… có nhiều cách đơn giản hơn nhiều để tạo lưới ít nhất là có hiệu suất tốt.”
Papadakis Racing độc quyền sử dụng các turbo đơn trong các phiên bản 2JZ của mình, vì tính đơn giản và độ tin cậy trong động cơ dành cho xe thể thao của họ quan trọng hơn phản ứng cấp tốc độ thấp. Nhiều hãng độ vẫn chế tạo những chiếc 2J tăng áp kép, nhưng hiếm khi bạn tìm thấy một chiếc có thiết lập tuần tự nguyên vẹn. Hầu hết việc điều chỉnh twin-rotor của RX-7 đều loại bỏ thiết lập turbo tuần tự vì những lý do tương tự và vì hệ thống Mazda không đáng tin cậy.
Điều gì đã xảy ra với tăng áp kép tuần tự?
Cũng cần lưu ý rằng việc tăng áp đã không còn là mốt đối với ô tô sản xuất trên đường vào cuối những năm 1990. Chúng chỉ quay trở lại một cách quan trọng vào những năm 2010, khi các nhà sản xuất ô tô nhận ra rằng động cơ tăng áp, kích thước nhỏ hơn mang lại hiệu suất vượt trội trong các bài kiểm tra khí thải và tiết kiệm nhiên liệu ngày càng nghiêm ngặt. Đến thời điểm này, cả công nghệ đốt trong và turbo đều phát triển đặc biệt hơn để khiến việc tăng áp tuần tự trở nên không mong muốn ngoài sự phức tạp mà nó mang lại. Vật liệu nhẹ hơn cho bánh tuabin và máy nén cho phép tuabin tăng tốc nhanh hơn và bộ điều khiển động cơ phức tạp giúp phát triển nhiều công suất cấp thấp hơn, loại bỏ nhu cầu về bộ tăng áp đơn hoặc đôi lớn.
BMW đã thử nghiệm một thời gian ngắn với động cơ diesel sáu xi-lanh thẳng hàng và động cơ V-8 tăng áp tuần tự với tối đa bốn bộ tăng áp, nhưng người ta tưởng tượng những động cơ này đã chết vì cùng lý do chi phí và độ phức tạp. Và hiện nay, các nhà sản xuất ô tô vẫn đang giới thiệu công nghệ mới để giúp giảm độ trễ và cải thiện phản ứng ở động cơ tăng áp. Có lẽ phổ biến nhất là bộ tăng áp cuộn đôi (Twin-scroll Turbo), sử dụng ống xả được thiết kế để thổi tuabin theo cặp, cung cấp nhiều năng lượng hơn cho bộ tăng áp và quay trở lại động cơ. Kỳ lạ hơn là bộ tăng áp cánh biến thiên, sử dụng các cánh đảo gió để thay đổi hình dạng của bánh tuabin một cách hiệu quả, giúp cải thiện hiệu suất trên dải công suất rộng. Chúng được sử dụng trong động cơ diesel, trong khi Porsche là động cơ tăng áp nổi bật nhất đối với động cơ tăng áp cánh biến thiên trong động cơ xăng.
Một phát triển gần đây hơn là bộ tăng áp điện, kết nối động cơ điện với trục tua bin và máy nén của bộ tăng áp. Tăng áp điện cung cấp áp suất tăng gần như đầy đủ ngay lập tức. Mercedes-AMG đang sử dụng những điều này trên C43 và C63 mới, trong khi các mẫu xe 6 xi-lanh thẳng hàng 53-series của thương hiệu này sử dụng máy nén phụ trợ điện. Máy nén này hoạt động giống như turbo, nhưng sử dụng động cơ điện để quay bánh tuabin máy nén chứ không phải khí thải. Máy nén chạy điện có thể định tuyến tăng áp trực tiếp vào cửa hút của động cơ hoặc đẩy không khí qua bộ tăng áp khí thải.
Hiện tại vẫn còn một nhà sản xuất ô tô sử dụng tăng áp tuần tự – Bugatti. Đối với động cơ W-16 của Chiron, một hệ thống van đơn giản sẽ tăng tốc tới một bộ tăng áp trên mỗi dãy xi-lanh cho đến vòng tua 3800 vòng/phút. Tại thời điểm đó, van mở ra và bộ tăng áp thứ ba và thứ tư bắt đầu hoạt động. Theo người lái thử Andy Wallace của Bugatti, bộ tăng áp chính có thể đạt được mức tăng tối đa ở mỗi bên, nhưng khi số vòng quay tăng cao, động cơ 16 xi-lanh cần nhiều không khí hơn, do đó nó cần có nhiều turbo hơn.
Vâng, chiếc ô tô nguyên bản duy nhất hiện nay sử dụng hệ thống tăng áp tuần tự có giá hơn 3 triệu USD. Nhưng chẳng bao lâu nữa, W-16 sẽ ngừng sản xuất vì ngay cả Bugatti cũng không tránh khỏi các quy định thắt chặt.
