Nạp cưỡng bức – Tăng áp động cơ đốt trong – Twin-Scroll Turbo – Tăng áp Cuộn kép

Turbo tăng áp cuộn kép (Twin-scroll turbo)

EnterKnow: Năm 1989, Mazda giới thiệu tính năng này trên RX-7 Mk2. Nó được sử dụng để tách khí thải ra khỏi hai rôto của động cơ Wankel để tránh nhiễu. Tăng áp kép cuộn cũng hữu ích trên động cơ 4 xi-lanh và 6 xi-lanh. Mitsubishi đã sử dụng nó trên chiếc Lancer Evo nóng bỏng của mình từ năm 1996. Renault đã sử dụng nó trên động cơ tăng áp 2.0 của Avantime và Megane II Sport vào đầu những năm 2000. GM đã làm điều tương tự với động cơ tăng áp 2.8 V6 của Saab 9-3 Aero và Opel Vectra OPC vào năm 2005. Sau đó, nhiều nhà sản xuất đã tham gia sử dụng turbo này. BMW có lẽ là nhà quảng bá quan trọng nhất của công nghệ này. Nó sử dụng turbo cuộn kép trên động cơ Prince 1,6 lít của Mini, động cơ bốn xilanh 2.0 lít, N55 sáu xilanh thẳng hàng 3.0 lít và V8 4.4 lít. Điều gì khiến turbo cuộn kép trở nên hấp dẫn như vậy? Câu trả lời là phản ứng nhanh hơn và hiệu quả cao hơn.

Hãy xem nó hoạt động như thế nào. Trong khi cách bố trí tăng áp đơn thông thường có tất cả các ống xả được kết nối với nhau ở tuabin xả, thì tuabin cuộn kép chia thành hai đường dẫn riêng biệt. Ví dụ, trong động cơ 4 xi lanh điển hình, xi lanh 1 và 4 kết hợp với một đường dẫn, trong khi xi lanh 2 và 3 kết hợp với một đường dẫn khác. Hai luồng khí thải tác động vào các cánh tuabin một cách độc lập, vì chúng được ngăn cách bởi một bức tường tích hợp với vỏ tuabin. Điều này ngăn cản hai luồng khí thải giao thoa với nhau.

Nhưng tại sao việc tránh can thiệp lại quan trọng đến vậy? Hãy xem đồ thị sau. Nó cho thấy một xung xả điển hình từ một xi lanh. Khi van xả mở, khí thải nóng sẽ thoát ra khỏi buồng đốt và tạo ra xung áp suất cao. Xung nhanh chóng thoát ra và áp suất cũng giảm nhanh chóng. Điều chỉnh xung là khoảng áp suất âm (thấp hơn áp suất khí quyển). Khi van nạp mở ra trong thời gian “chồng chéo”, áp suất lại giảm xuống. Cuối cùng, van xả đóng lại và áp suất trong ống xả sẽ ổn định.

Đây chỉ là trường hợp của một xi lanh. Bây giờ, giả sử chúng ta có một động cơ 4 xi-lanh. Nếu chúng ta cộng các xung khí thải từ tất cả các xi lanh lại với nhau, chúng ta sẽ thấy có rất nhiều nhiễu như dưới đây:

Đặc biệt, mỗi xung dương được bù đắp một phần bởi áp suất âm sinh ra từ khoảng thời gian chồng chéo. Do đó, cường độ của xung kết quả bị giảm và tuabin sẽ mất nhiều thời gian hơn để tăng tốc. Do đó, nhiễu có ảnh hưởng xấu đến phản ứng của bộ tăng áp.

Bây giờ nếu chúng ta sử dụng một bộ tăng áp cuộn kép để tách khí thải của Xi lanh 1 + 4 khỏi Xi lanh 2 + 3, chúng ta sẽ nhận được hai luồng xung gần như không có nhiễu:

Kết quả là, các xung mạnh và có khả năng làm tăng tốc tuabin sớm hơn.

Do không có nhiễu, nó cho phép sử dụng góc trùng điệp các van lớn hơn mà không thể thực hiện được trên tuabin cuộn đơn. Sự chồng chéo của van lớn hơn mang lại hiệu quả hút sạch tốt hơn – khi cả van đầu vào và van xả được mở, dòng khí thải sẽ giúp hút không khí sạch vào buồng đốt và loại bỏ khí thải còn sót lại. Do đó, buồng đốt được làm đầy bằng không khí lạnh hơn, “chất lượng cao hơn” và có lợi cho hiệu quả thể tích.

Turbo tăng áp kép chéo dãy xilanh – BMW twin-turbo V8

Năm 2008, BMW ra mắt động cơ V8 tăng áp kép mới với tên mã N62. Động cơ có cách sắp xếp ống nạp và xả khác thường trái ngược với sự khôn ngoan thông thường: ống xả nóng nằm bên trong rãnh chữ V, trong khi các ống nạp nằm ở hai bên. Sự sắp xếp này chắc hẳn các kỹ sư của hãng đã phải mất rất nhiều công sức để giải quyết các vấn đề về cách nhiệt và làm mát. Nó làm cho động cơ nhỏ gọn hơn, ít nhất là về chiều rộng, nếu không phải là chiều cao. Tuy nhiên, lý do chính cho sự thay đổi triệt để không phải là sự nhỏ gọn mà là khả năng tương thích với công nghệ tăng áp mới của nó. Ở đây chúng ta sẽ xem nó hoạt động như thế nào.

Hình minh họa kết nối của các ống góp xả:

Xi lanh 1 và 6 được kết nối với một trong các cuộn của bộ tăng áp cuộn kép đầu tiên. Một cuộn khác kết nối với Xi lanh 4 và 7.

Xi lanh 2 và 8 được kết nối với một trong các cuộn của bộ tăng áp cuộn kép thứ hai. Một cuộn khác kết nối với Xi lanh 3 và 5.

Như bạn có thể thấy, mỗi turbo được cung cấp bởi các xilanh ở cả hai dãy xilanh, không giống như tăng áp kép thông thường. Điều này giải thích tại sao chúng ta gọi nó là tăng áp kép chéo dãy xilanh.

Đó cũng là lý do tại sao các ống xả và bộ tăng áp phải được đặt bên trong rãnh xilanh V. Nếu chúng được gắn bên ngoài động cơ, các ống góp khí thải chéo sẽ phải quá dài và cồng kềnh, tăng thêm trọng lượng đáng kể và độ trễ turbo.

Thứ tự khai thác của một động cơ V8 điển hình là 1 – 5 – 4 – 8 – 6 – 3 – 7 – 2. Nếu chúng ta kết hợp khí xả của tất cả các xi lanh với nhau, chúng ta sẽ có được một quá trình tạo xung như dưới đây. Nó cho thấy rất nhiều sự can thiệp. Mỗi xung được bù đắp một phần bởi các đuôi âm của các xung trước đó. Điều này làm giảm cường độ của xung kết quả do đó cản trở phản ứng của turbo.

Tất nhiên, chúng ta sẽ không trang bị động cơ V8 với một bộ tăng áp duy nhất, vì vậy đồ thị trên là không thực tế. Một sự so sánh công bằng nên được thực hiện với sự sắp xếp tăng áp kép thông thường. Trong trường hợp đó, Xi lanh 1, 2, 3 và 4 kết nối với cùng một bộ tăng áp. Đường xung kết quả như sau:

Bây giờ chúng ta có thể thấy hai vấn đề:

1) Vẫn còn khá nhiều giao thoa giữa xung 1 và 4, xung 3 và 2, cũng như xung 2 và 1. Chỉ có xung 3 và 4 được đặt cách nhau đủ rộng để không bị nhiễu. Kết quả là, sức mạnh của các xung kết quả bị giảm.

2) Khoảng thời gian giữa các xung không cố định, tức là 180º – 270º – 180º – 90º. Nói cách khác, đường xung không chạy với tần số ổn định. Điều này không giúp tăng tốc độ tuabin.

Rõ ràng, để đạt được dòng khí thải liên tục, turbo không thể dựa vào các xi lanh có cùng khối lượng. Đó là lý do tại sao khái niệm tăng áp kép chéo trở nên phổ biến. Hãy xem xét sự sắp xếp của BMW với xi lanh 1, 4, 6 và 7 được kết nối với nhau, chúng ta nhận được dòng xung sau:

Nó có tần số không đổi, nhưng nhiễu vẫn quá nhiều, hay thực tế là giống với động cơ bốn xi-lanh thông thường. Giống như loại thứ hai, chúng ta có thể sử dụng turbo cuộn kép để giải quyết vấn đề. Bằng cách chia khí thải thành hai nhóm, tức là Xi lanh 1 + 6 và Xi lanh 4 + 7, chúng ta nhận được:

Kết quả trở nên hoàn hảo! với một tần số không đổi và gần như không có nhiễu.

Không có gì ngạc nhiên khi động cơ V8 tăng áp kép của BMW nổi tiếng về phản ứng tốt ở cấp thấp và hiệu suất cao. Lấy ví dụ phiên bản trên M5, nó tạo ra công suất 560 mã lực và mô-men xoắn 501 lbft từ 4.4 lít và mô-men xoắn cực đại có sẵn từ mức thấp nhất là 1500 vòng/phút đến 5750 vòng/phút. Sự kết hợp giữa công suất cụ thể cao và mô-men xoắn lan rộng như vậy là chưa từng có.