Turbo tăng áp – Tất cả chúng ta đều biết rằng, không có gì gọi là một phát minh hoàn hảo: chúng ta luôn có thể tạo ra thứ gì đó tốt hơn, rẻ hơn, hiệu quả hơn hoặc thân thiện hơn với môi trường. Với động cơ đốt trong. Bạn có thể nghĩ rằng điều đáng chú ý là một cỗ máy chạy bằng chất lỏng có thể giúp bạn chạy trên đường cao tốc hoặc lao qua bầu trời nhanh hơn gấp nhiều lần so với khả năng đi lại của bạn. Nhưng, chúng ta luôn có thể tạo ra một động cơ chạy nhanh hơn, xa hơn hoặc sử dụng ít nhiên liệu hơn nữa. Một cách để cải thiện động cơ là sử dụng turbo tăng áp — một cặp cánh quạt (tuabin) khai thác năng lượng khí xả từ phía sau động cơ để nạp nhiều không khí hơn vào phía trước, mang lại nhiều năng lượng hơn nữa.
Turbo tăng áp là gì?
Động cơ ô tô tạo ra năng lượng bằng cách đốt nhiên liệu trong các xi lanh. Không khí đi vào từng xi-lanh, trộn với nhiên liệu và cháy tạo ra một tiếng nổ làm đẩy một pít-tông ra, làm quay các trục và bánh răng làm quay các bánh xe của ô tô. Khi piston đẩy trở lại, nó sẽ bơm khí cháy và hỗn hợp nhiên liệu còn thừa ra khỏi xi lanh dưới dạng khí thải. Lượng năng lượng mà một chiếc ô tô có thể tạo ra liên quan trực tiếp đến tốc độ đốt cháy nhiên liệu. Bạn càng có nhiều xi lanh và chúng càng lớn, thì xe có thể đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn mỗi giây và (ít nhất là về mặt lý thuyết) thì xe càng mạnh hơn, chạy nhanh hơn.
Một cách để làm cho một chiếc xe đi nhanh hơn là thêm nhiều xi lanh. Đó là lý do tại sao những chiếc xe thể thao siêu nhanh thường có tám và mười hai xi-lanh thay vì bốn hoặc sáu xi-lanh trong một chiếc xe gia đình thông thường. Một lựa chọn khác là sử dụng bộ tăng áp, tạo lực hút nhiều không khí hơn vào các xi-lanh mỗi chu kỳ để chúng có thể đốt cháy nhiều nhiên liệu với tốc độ nhanh hơn. Bộ tăng áp là một bộ phụ kiện đơn giản, tương đối rẻ, có thể giúp tạo ra được nhiều sức mạnh hơn từ cùng một động cơ!
Bộ tăng áp, thường được gọi là turbo hay turbo tăng áp, là một thiết bị cảm ứng cưỡng bức, được dẫn động bằng tuabin, giúp tăng lượng công suất của động cơ đốt trong bằng cách đưa thêm không khí nén vào buồng đốt. Sự cải thiện này so với công suất của động cơ hút khí tự nhiên là do máy nén có thể đưa nhiều không khí hơn – và tương ứng với nhiều nhiên liệu hơn – vào buồng đốt hơn so với áp suất khí quyển.
Các nhà sản xuất thường sử dụng bộ tăng áp trong động cơ xe tải, ô tô hiệu suất, cỡ lớn, tàu hỏa, máy bay và thiết bị xây dựng. Chúng thường được sử dụng với động cơ đốt trong chu trình Otto và chu trình Diesel.
Turbo tăng áp hoạt động như thế nào?
Nếu bạn biết động cơ phản lực hoạt động như thế nào thì bạn đã hiểu được nửa đường về bộ tăng áp của ô tô. Động cơ phản lực hút không khí lạnh ở phía trước, ép nó vào một khoang nơi nó đốt cháy nhiên liệu, và sau đó thổi không khí nóng ra phía sau. Khi không khí nóng rời đi, nó lao qua một tuabin (hơi giống như một cối xay gió bằng kim loại rất nhỏ gọn) dẫn động máy nén (máy bơm không khí) ở phía trước động cơ. Đây là cách đẩy không khí vào động cơ để đốt cháy nhiên liệu đúng cách. Bộ tăng áp trên ô tô áp dụng nguyên lý rất giống động cơ phản lực trên động cơ piston. Nó sử dụng khí thải để dẫn động tuabin, quay máy nén để đẩy thêm không khí vào các xylanh, cho phép đốt nhiều nhiên liệu hơn ở mỗi chu kỳ. Đó là lý do tại sao một chiếc xe tăng áp có thể tạo ra nhiều công suất hơn (là một cách nói khác của “nhiều năng lượng hơn mỗi giây”).
Bộ tăng áp hoạt động như thế nào trong thực tế? Bộ tăng áp hiệu quả là hai quạt không khí nhỏ (còn được gọi là cánh quạt, hoặc máy bơm khí, nén khí) đặt trên cùng một trục kim loại để cả hai quay cùng nhau. Một trong những quạt này, được gọi là tuabin, nằm trong luồng khí thải từ các xi lanh. Khi các xi lanh thổi khí nóng qua các cánh quạt, chúng quay và trục mà chúng được nối với (về mặt kỹ thuật được gọi là cụm xoay trung tâm hoặc CHRA) cũng quay theo. Quạt thứ hai được gọi là máy nén và vì nó nằm trên cùng trục với tuabin nên nó cũng quay. Nó được gắn bên trong bộ hút gió của ô tô, do đó, khi nó quay, nó hút không khí vào trong ô tô và ép nó vào các xi lanh.
Bây giờ có một vấn đề nhỏ ở đây. Nếu bạn nén khí, bạn sẽ làm cho nó nóng hơn. Không khí nóng hơn sẽ ít đặc hơn (loãng hơn) và ít hiệu quả hơn trong việc giúp đốt cháy nhiên liệu, vì vậy sẽ tốt hơn nhiều nếu không khí từ máy nén được làm mát trước khi đi vào xi lanh. Để làm mát nó, đầu ra từ máy nén đi qua một bộ trao đổi nhiệt để loại bỏ nhiệt thừa và chuyển nó đi nơi khác.
Ý tưởng cơ bản là ống xả dẫn động tuabin (quạt màu đỏ), được kết nối trực tiếp với (và cấp nguồn) cho máy nén (quạt màu xanh), hút không khí vào động cơ. Để dễ hiểu, trong bài này thể hiện sơ đồ nguyên lý đơn giản.
- Không khí mát đi vào đường hút khí của động cơ và đi về phía máy nén.
- Quạt máy nén giúp hút không khí vào.
- Máy nén ép và làm nóng không khí đi vào và đẩy cửa khác.
- Khí nén nóng từ máy nén sẽ đi qua bộ trao đổi nhiệt, bộ trao đổi nhiệt sẽ làm mát nó.
- Không khí nén, được làm mát đi vào đường nạp khí của xi lanh. Lượng không khí bổ sung giúp đốt cháy nhiên liệu trong xi lanh nhiều và với tốc độ nhanh hơn.
- Vì xi lanh đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn, nó tạo ra năng lượng nhanh hơn và có thể truyền nhiều lực hơn đến các bánh xe thông qua piston, trục và bánh răng.
- Khí thải từ xi lanh thoát ra ngoài qua cửa xả.
- Các khí thải nóng thổi qua quạt tuabin làm cho nó quay với tốc độ cao.
- Tua bin quay được lắp trên cùng trục với máy nén (được hiển thị ở đây là một đường màu cam nhạt). Vì vậy, khi tuabin quay, máy nén cũng quay theo.
- Khí thải ra khỏi xe, tiêu tốn ít năng lượng hơn so với cách khác.
Sức mạnh bổ sung này đến từ đâu?
Bộ tăng áp cung cấp cho xe của bạn nhiều sức mạnh hơn, nhưng sức mạnh tăng thêm đó không trực tiếp đến từ khí thải – và điều đó đôi khi khiến mọi người bối rối. Với bộ tăng áp, chúng ta khai thác một phần năng lượng trong khí thải để điều khiển máy nén, điều này cho phép động cơ đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn mỗi giây. Lượng nhiên liệu bổ sung này chính là nguồn cung cấp năng lượng bổ sung của chiếc xe. Tất cả những gì khí xả đang làm là cung cấp năng lượng cho bộ tăng áp và vì bộ tăng áp không được kết nối với trục khuỷu hoặc bánh xe của ô tô, nên nó không trực tiếp bổ sung vào sức mạnh truyền động của ô tô theo bất kỳ cách nào. Nó chỉ đơn giản là cho phép cùng một động cơ đốt cháy nhiên liệu với tốc độ nhanh hơn, nhiều hơn, do đó làm cho nó trở nên mạnh mẽ hơn.
Có thể nhận được thêm bao nhiêu sức mạnh từ Turbo tăng áp?
Nếu bộ tăng áp giúp cho động cơ nhiều công suất hơn, thì một bộ tăng áp lớn hơn, tốt hơn sẽ cung cấp cho động cơ nhiều công suất hơn. Về lý thuyết, bạn có thể tiếp tục cải tiến bộ tăng áp để làm cho động cơ ngày càng mạnh mẽ hơn, nhưng cuối cùng bạn sẽ đạt đến giới hạn. Các xi lanh chỉ có kích thước giới hạn, và chúng cũng chỉ có khả năng đốt cháy một lượng hòa khí giới hạn. Có bao nhiêu không khí bạn có thể hút vào xylanh thông qua cửa hút vào có kích thước nhất định thì chỉ có bấy nhiêu khí thải mà bạn có thể thải ra, điều này làm hạn chế năng lượng bạn có thể sử dụng để điều khiển bộ tăng áp của mình. Nói cách khác, có những yếu tố hạn chế khác mà bạn cũng phải tính đến; bạn không thể chỉ đơn giản là tăng áp theo cách của bạn đến vô tận!
Ưu nhược điểm của Turbo tăng áp
Bạn có thể sử dụng bộ tăng áp với động cơ xăng hoặc diesel và trên bất kỳ loại phương tiện nào (ô tô, xe tải, tàu thủy hoặc xe buýt). Ưu điểm cơ bản của việc sử dụng bộ tăng áp là bạn nhận được nhiều công suất hơn cho cùng một kích thước động cơ (mỗi hành trình của pít-tông, trong mỗi xi-lanh đơn, tạo ra nhiều công suất hơn so với cách khác). Tuy nhiên, nhiều năng lượng hơn có nghĩa là năng lượng đầu ra nhiều hơn mỗi giây và định luật bảo toàn năng lượng cho chúng ta biết điều đó có nghĩa là bạn cũng phải đưa vào nhiều năng lượng hơn, vì vậy bạn phải đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn tương ứng. Về lý thuyết, điều đó có nghĩa là động cơ có bộ tăng áp không tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ không có bộ tăng áp. Tuy nhiên, trên thực tế, động cơ có bộ tăng áp nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với động cơ sản sinh cùng công suất không có bộ tăng áp, do đó, xe có bộ tăng áp có thể tiết kiệm nhiên liệu hơn về mặt đó. Các nhà sản xuất giờ đây thường có thể thực hiệnviệc lắp một động cơ nhỏ hơn nhiều vào cùng một chiếc xe (chẳng hạn như động cơ tăng áp V6 thay vì V8 hoặc động cơ bốn xi-lanh tăng áp thay vì V6). Và đó là nơi những chiếc xe tăng áp có được lợi thế của chúng: hoạt động tốt, chúng có thể tiết kiệm đến 10% nhiên liệu của bạn. Vì chúng đốt cháy nhiên liệu với nhiều oxy hơn, chúng có xu hướng đốt cháy nó triệt để và sạch hơn, tạo ra ít ô nhiễm không khí hơn.
Thêm sức mạnh cho cùng một kích thước động cơ nghe có vẻ tuyệt vời, vậy tại sao tất cả các động cơ không được tăng áp? Một lý do là lợi ích tiết kiệm nhiên liệu được hứa hẹn bởi các bộ tăng áp ban đầu không phải lúc nào cũng xuất hiện ấn tượng như các nhà sản xuất (mong muốn nắm bắt bất kỳ lợi thế tiếp thị nào so với các đối thủ của họ) tuyên bố. Một nghiên cứu năm 2013 của Consumer Reports cho thấy động cơ tăng áp nhỏ tiết kiệm nhiên liệu kém hơn đáng kể so với các động cơ “hút khí tự nhiên” (thông thường) và kết luận: “Đừng tự hào giá trị sinh thái của động cơ tăng áp theo mệnh giá. Có nhiều cách tốt hơn để tiết kiệm nhiên liệu, bao gồm hybrid, diesel và các công nghệ tiên tiến khác.” Độ tin cậy cũng thường là một vấn đề: các bộ tăng áp tạo thêm một lớp phức tạp cơ học khác cho một động cơ thông thường — nói tóm lại, có khá nhiều điều sai sót xảy ra. Điều đó có thể làm cho việc bảo trì các turbo đắt hơn đáng kể. Theo định nghĩa, tăng áp là tất cả để nhận được nhiều hơn từ cùng một thiết kế động cơ cơ bản, và nhiều thành phần động cơ phải chịu áp suất và nhiệt độ cao hơn, điều này có thể làm cho các bộ phận nhanh hỏng hơn; đó là lý do tại sao, nói chung, động cơ tăng áp không tồn tại lâu. Ngay cả việc lái xe cũng có thể khác với turbo: vì bộ tăng áp được cung cấp năng lượng từ khí xả, thường có độ trễ đáng kể (“độ trễ turbo”) giữa thời điểm bạn đặt chân lên ga và khi turbo khởi động, và điều đó có thể tạo ra những chiếc xe turbo rất khác (và đôi khi rất khó) để lái xe. Trong vài năm gần đây, các nhà sản xuất hàng đầu như Garrett và BorgWarner đã bận rộn phát triển các bộ tăng áp chạy điện một phần hoặc hoàn toàn để giải quyết vấn đề này; Sản phẩm của Garrett được gọi là E-Turbo và của Borg là eBooster®.
Độ trễ Turbo (Turbocharger lag)
Độ trễ turbo tăng áp (turbo lag) là thời gian cần thiết để thay đổi công suất đầu ra để đáp ứng với sự thay đổi của bướm ga, được nhận thấy là phản ứng chậm của bướm ga khi tăng tốc so với động cơ hút khí tự nhiên. Điều này là do thời gian cần thiết để hệ thống xả và bộ tăng áp tạo ra mức tăng cần thiết. Quán tính, ma sát và tải của máy nén là những nguyên nhân chính gây ra độ trễ của bộ tăng áp. Bộ siêu nạp thì không bị vấn đề này, bởi vì tuabin bị loại bỏ do máy nén được cung cấp trực tiếp bởi động cơ.
Ai là người phát minh ra bộ tăng áp?
Alfred J. Büchi (1879–1959), một kỹ sư ô tô làm việc cho Công ty Động cơ Gebrüder Sulzer của Winterthur, Thụy Sĩ. Thiết kế ban đầu của ông ấy sử dụng trục tuabin dẫn động bằng khí thải để cung cấp năng lượng cho máy nén ép nhiều không khí hơn vào các xi lanh của động cơ. Ban đầu, ông đã phát triển bộ tăng áp vào những năm trước Thế chiến thứ nhất và được cấp bằng sáng chế tại Đức vào năm 1905, nhưng vẫn tiếp tục nghiên cứu các thiết kế cải tiến cho đến khi qua đời vào 4 thập kỷ sau đó.
Tuy nhiên, Büchi không phải là nhân vật quan trọng duy nhất trong câu chuyện. Vài năm trước đó, Ngài Dugald Clark (1854–1932), người Scotland phát minh ra động cơ hai kỳ, đã thử nghiệm tách các giai đoạn nén và giãn nở của quá trình đốt trong bằng cách sử dụng hai xi lanh riêng biệt. Điều này hoạt động giống như tăng áp, tăng cả lưu lượng không khí vào xi lanh và lượng nhiên liệu có thể được đốt cháy. Các kỹ sư khác, bao gồm Louis Renault, Gottlieb Daimler và Lee Chadwick, cũng đã thử nghiệm thành công hệ thống siêu nạp.
