Twin-turbo – Tăng áp kép

Twin-turbo là hệ thống tăng áp sử dụng hai turbo tăng áp hoạt động độc lập để cung cấp khí nạp tăng áp cho động cơ. Hai bộ tăng áp có thể giống hoặc khác nhau về kích thước. Cần phân biệt Twin-turbo và Twincharger là Twincharger đề cập đến hệ thống tăng áp sử dụng một Turbo tăng áp và một siêu nạp.

Twin-turbo bản chất là một hệ thống tăng áp sử dụng 2 turbo tăng áp. Bi-turbo bản chất là kiểu thiết lập sequential của twin-turbo.

Các loại thiết lập Twin-turbo

Twin-turbo, từ hai bộ turbo tăng áp, chúng ta có thể thiết lập ba kiểu hệ thống như sau:

• Song song (Parallel)
• Tuần tự (Sequential)
• Chuỗi nối tiếp (Series)

Các thiết lập máy nén tăng áp được sử dụng bao gồm (về lý thuyết có đến 15 kiểu thiết lập):

• Máy nén hỗn hợp
• Máy nén hỗn hợp theo giai đoạn
• Máy nén tuần tự theo giai đoạn
• Máy nén tuần tự song song
• Máy nén song song

Tăng áp kép kiểu song song (Parallel)

Cấu hình tăng áp kép song song đề cập đến việc sử dụng hai turbo tăng áp có kích thước bằng nhau, mỗi bộ tăng áp sẽ nhận một nửa lượng khí thải. Và sẽ có hai kiểu thiết kế: một kiểu kết hợp lượng nạp từ mỗi bộ tăng áp vào một đường ống nạp duy nhất, và một kiểu khác là sử dụng đường ống nạp riêng cho mỗi bộ tăng áp.

Cấu hình song song rất phù hợp với động cơ V6 và V8 vì mỗi bộ tăng áp có thể được gắn vào một dãy xi-lanh, giúp giảm lượng ống xả cần thiết. Trong trường hợp này, mỗi bộ tăng áp được nạp khí thải bằng một ống xả riêng biệt. Đối với động cơ bốn xi-lanh và động cơ sáu xi-lanh thẳng hàng, cả hai bộ tăng áp có thể được lắp vào một ống xả duy nhất phân ra thành hai đường.

Mục đích của việc sử dụng tăng áp kép song song là giảm độ trễ turbo bằng cách có thể sử dụng các bộ tăng áp nhỏ hơn so với khi sử dụng một bộ tăng áp đơn cho động cơ. Trên động cơ có nhiều dãy xi-lanh (ví dụ: động cơ chữ V và động cơ phẳng – flat engine), việc sử dụng tăng áp kép song song cũng có thể đơn giản hóa hệ thống xả.

Tăng áp kép tuần tự (Sequential)

Tăng áp tuần tự đề cập đến cách thiết lập trong đó động cơ sử dụng một bộ tăng áp cho tốc độ động cơ thấp hơn và bộ tăng áp thứ hai hoặc cả hai ở tốc độ động cơ cao hơn. Hệ thống này nhằm khắc phục hạn chế của các bộ tăng áp lớn cung cấp khả năng tăng tốc không đủ ở tốc độ vòng tua thấp. Mặt khác, các tuabin nhỏ hơn hoạt động hiệu quả ở tốc độ RPM thấp (khi có ít động năng hơn trong khí thải) nhưng không thể cung cấp lượng khí nạp nén cần thiết ở tốc độ RPM cao hơn. Do đó, hệ thống tăng áp tuần tự cung cấp một cách để giảm độ trễ turbo mà không ảnh hưởng đến công suất đầu ra ở vòng tua máy cao.

Hệ thống được bố trí sao cho một bộ tăng áp nhỏ (“sơ cấp”) hoạt động khi động cơ đang chạy ở vòng tua thấp, giúp giảm ngưỡng tăng tốc (RPM mà ở đó mức tăng hiệu quả được cung cấp) và độ trễ turbo. Khi RPM tăng lên, một lượng nhỏ khí thải được đưa đến bộ tăng áp (“thứ cấp”) lớn hơn để đạt tốc độ vận hành. Sau đó, ở tốc độ RPM cao, tất cả khí thải được dẫn đến bộ tăng áp thứ cấp (hoặc phân chia hợp lý cho cả hai turbo) để nó có thể cung cấp lực tăng theo yêu cầu của động cơ ở tốc độ RPM cao.

Tăng áp kép chuỗi nối tiếp (Series)

Tăng áp nối tiếp là cách thiết lập các bộ tăng áp được nối nối tiếp nhau, với đầu ra khí nạp của bộ tăng áp đầu tiên là đầu vào khí nạp của bộ tăng áp thứ hai.

Cách thiết lập tăng áp kép chuỗi nối tiếp có thể sử dụng hai turbo bằng nhau hoặc khác nhau về kích thước. Ở lần tăng áp turbo đầu tiên cung cấp lực nén ban đầu (ví dụ: gấp ba lần áp suất nạp). Sau đó turbo tăng áp tiếp theo sẽ lấy khí nạp tăng áp từ giai đoạn trước và nén nó thêm (ví dụ: tăng thêm ba lần áp suất nạp, để tăng tổng áp suất khí quyển lên chín lần).

Nhược điểm của tăng áp chuỗi nối tiếp là nó thường dẫn đến độ trễ turbo lớn, do đó nó chủ yếu được sử dụng trên máy bay động cơ piston thường không cần tăng và giảm tốc độ động cơ nhanh chóng. (và do đó, khi độ trễ của turbo không phải là vấn đề cần cân nhắc trong thiết kế chính) và khi áp suất nạp khá thấp do áp suất khí quyển thấp ở độ cao, đòi hỏi tỷ số áp suất rất cao. Động cơ diesel hiệu suất cao đôi khi cũng sử dụng cấu hình này, vì động cơ diesel không gặp phải vấn đề đánh lửa trước và do đó có thể sử dụng áp suất tăng áp cao.