Turbo

Turbo hay động cơ tăng áp là công nghệ được sử dụng để tăng công suất và mômen xoắn của động cơ.

Động cơ tăng áp thông thường gồm hai loại Turbocharger (tăng áp) và Supercharger (siêu nạp).

Thông thường, áp suất nén tăng thêm của tăng áp vào khoảng từ 6-8 pao/inch vuông (psi) – tương đương với 0,408-0,544 atmosphere (at).

Do áp suất thông thường trong không khí là 1 at, điều này có nghĩa là tăng áp đã đưa thêm khoảng 50% lượng không khí nữa vào động cơ. Như vậy, theo lí thuyết công suất của động cơ cũng sẽ tăng lên 50% song do hiệu suất không hoàn hảo, công suất của động cơ chỉ tăng thêm từ 30-40%.

Điểm khác biệt chính giữa hai hệ thống turbocharge và supercharge là nguồn cung cấp năng lượng.

Supercharger (siêu nạp) là một thiết bị (giống như quạt gió hoặc máy nén khí) để làm tăng áp suất dòng khí nạp vô buồng cháy của động cơ, được vận hành nhờ lực truyền động của trục khuỷu động cơ thông qua dây đai. Một dây cua-roa được kết nối với trục khuỷu của động cơ để cung cấp động lực trực tiếp cho tăng áp. Trong trường hợp này, tăng áp là hệ thống kí sinh và trên thực tế động cơ mất đi một chút ít sức mạnh để truyền động lực cho hệ thống nén khí. Tuy nhiên, do được kết nối trực tiếp với trục khuỷu, công suất gia tăng sẽ hiện diện liên tục ở mọi tốc độ tua của động cơ vì thế supercharge không tạo ra hiện tượng “trễ” giống như turbocharge. Supercharge dễ lắp đặt hơn song cũng có giá thành đắt hơn nên chỉ sử dụng chủ yếu đối với chiếc xe đua. Supercharge có thể xoay với tốc độ lên tới từ 50.000-65.000 vòng/phút (rpm). Ở tốc độ 50.000 rpm, áp suất tăng thêm là từ 6-9 psi. 

Turbocharger (tăng áp) là một quạt gió ly tâm dùng để tăng áp suất dòng khí nạp cho động cơ thông qua tua-bin sử dụng dòng khí xả từ động cơ.

Với turbocharger, hệ thống tăng áp này tận dụng sức mạnh của dòng khí thải. Nhờ bố trí một tuốcbin nằm trên ông thoát khí thải, khi khí thải đi qua sẽ làm cho tuốcbin này quay và nhờ thế nó làm quay máy nén khí vào xylanh của động cơ.

Theo lí thuyết, turbocharge hiệu quả hơn bởi nó sử dụng năng lượng “thải” trong khí xả làm nguồn cung cấp động năng. Tuy nhiên, nhược điểm của turbocharge là tạo ra một áp suất ngược trong hệ thống xả và tạo ra áp suất nạp thấp hơn cho tới khi động cơ hoạt động ở tốc độ tua cao, đây chính là nguyên nhân dẫn tới động cơ lắp turbocharge ban đầu không “bốc” hay còn gọi là “trễ”. Động cơ dung tích lớn thường có đủ lực mômen xoắn để khiến cho hiện tượng trễ của turbo khó nhận thấy, tuy nhiên, các nhà sản xuất ôtô ngày nay hầu như đã khắc phục được hiện tượng trễ của turbo bằng cách ứng dụng các phương pháp hay vật liệu mới.

Một trong những giải pháp đơn giản nhất là lắp hai turbo nhỏ thay cho một tuốcbin nén khí lớn. Hệ thống “Bi-turbo” hay tăng áp kép này có tuốcbin đường kính nhỏ hơn, vì thế chúng có thể tăng tốc nhanh hơn trong khi vẫn nén được lượng không khí tương đương với một tuốcbin đường kính lớn. Hiện tượng trễ sẽ khó cảm nhận thấy hơn do tuốcbin nhỏ tăng tốc nhanh hơn. Bổ xung thêm một tuốcbin nữa nghe ra có vẻ phức tạp tuy nhiên trên thực tế các hệ thống tăng áp kép rất dễ ứng dụng với dòng đồng cơ có thiết kế hình chữ V, như V6 hay V8. Đường xả của các động cơ có thiết kế hình chữ V thường đơn giản hơn, mặc dù BMW sử dụng hệ thống tăng áp kép cho cả đông cơ 6 xylanh xếp thẳng hàng.

Một phương pháp khác để khắc phục tình trạng trễ là sử dụng turbocharge có cánh biến đổi. Tuốcbin này có một hệ thống các cánh có thể dịch chuyển nằm bên trong hộp xoắn ốc gắn với ống xả để thay đổi hướng của dòng khí đi vào rôto xoay của tuốcbin. Nhờ sự điều khiển của máy tính, các cánh lái này sẽ mở để cho phép luồng khí xả đi qua tuốcbin khi xe chạy ở tốc độ ổn định song sẽ đổi hướng của luồng khí sao cho chúng hướng vào rôto của tuốcbin trực tiếp hơn khi tăng ga, quá đó giúp tuốcbin xoay nhanh hơn. Turbocharge có cánh lái dịch chuyển hay có thể thay đổi kết cấu hình học giúp tuốcbin nhỏ có khả năng nén tương đương với các tuốcbin lớn.

Do không khí bị nén, chúng trở nên nóng hơn và giảm bớt tỷ trọng, điều này cũng có nghĩa là không khí sẽ không nở nhiều khi xảy ra phản ứng nổ trong xylanh. Không khí nóng cũng chứa ít ôxy hơn, và vì thế sức mạnh của động cơ cũng sẽ giảm bớt. Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng một hệ thống làm mát trung gian gọi là Intercooler vốn thường xuyên được kết hợp với tăng áp. Hầu hết Intercooler là các hệ thống làm mát bằng không khí. Ở những hệ thống này, dòng khí nén sẽ buộc phải đi qua một cụm trao đổi nhiệt giống như bộ tản nhiệt và được làm mát nhờ nhiệt độ không khí bên ngoài. Intercooler còn có loại làm mát bằng chất lỏng, theo đó chất lỏng làm mát được bơm qua một phần của hộp trao đổi nhiệt để làm mát luồng không khí nén ở bên trong. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng hoạt động ổn định hơn vì chúng không phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ của môi trường, tuy nhiên hệ thống này lại phức tạp và vì thế hầu hết các nhà sản xuất đều sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí.

Một lợi ích khác của động cơ tăng áp là chúng tạo ra độ xoáy cao khi nén không khí vào xylanh. Chính hiệu ứng xoáy này giúp không khí được trộn đều với nhiên liệu đốt làm tăng khả năng chúng được đốt cháy hoàn toàn. Chính vì thế, các động cơ phun nhiên liệu trực tiếp thường sử dụng tăng áp để cải thiện chu trình đốt trong xylanh.

Tăng áp cho phép đưa nhiều hỗn hợp nhiên liệu đốt hơn vào xylanh, vì thế tạo ra sức mạnh lớn hơn trong mỗi chu kỳ nổ. Điều này cho phép các nhà sản xuất có thể sử dụng động cơ 4 xylanh để tạo ra công suất của một động cơ 6 xylanh và qua đó tiết kiệm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Theo tính toán, turbocharge có thể cải thiện hiệu suất của một động cơ thông thường thêm 20%, và vì thế, hiện nay các nhà sản xuất ôtô trên thế giới đang tích cực ứng dụng công nghệ turbo trong động cơ hiện đại. Tuy nhiên, do động cơ tăng áp tạo ra công suất lớn hơn trên một đơn vị dung tích, các chi tiết trong động cơ vì thế cũng cần phải bền hơn để có thể chịu đựng được ứng suất cao hơn.

Turbocharge gồm ba phần chính, ở giữa hệ thống là các vòng bi xoay quanh một trục. Mỗi đầu của trục được gắn với một tuốcbin nằm trong một hộp xoắn ốc (giống như vỏ ốc sên). Một tuốcbin được gắn với ống xả để làm quay trục khi dòng khí xả đi qua. Ngược lại, khi trục quay, sẽ làm quay tuốcbin thứ hai (còn được gọi là máy nén) để nén không khí vào trong cổ góp nạp. Turbocharge có thể xoay rất nhanh. Khi ôtô chuyển động thẳng đều trên đường, tuốcbin của turbocharge có thể “chạy không tải” ở tốc độ 30.000 vòng/phút. Nhấn ga và các tuốcbin này có thể tăng tốc lên từ 80.000- 100.000 vòng/phút do có nhiều khí xả nóng hơn được đẩy qua tuốcbin.

Quy trình hút nạp

Dù là bộ động cơ Supercharger (siêu nạp) hay Turbocharger (tăng áp) thì đều dựa vào nguyên lý hút nạp bằng cách nén không khí nhằm tạo ra lực đẩy đưa nhiên liệu đến bên trong xy lanh. Từ đó, sự kết hợp giữa không khí nén và nhiên liệu sẽ bổ sung cho nhau, dẫn đến mỗi kỳ nổ trong xy lanh lớn và mạnh hơn.

Riêng hệ thống tăng áp có ưu điểm hơn với tỷ lệ công suất/kích thước tốt sẽ cho phép tích hợp động cơ dung tích nhỏ nhưng vẫn đảm bảo công suất cao hơn nhiều so với mức thông thường.

Sử dụng năng lượng 

Nhờ được vận hành bằng lực truyền động của trục khuỷu động cơ thông qua dây đai, hệ thống siêu nạp đòi hỏi phải sử dụng toàn bộ nguồn năng lượng sẵn có để có thể thúc đẩy sản sinh công thêm cho động cơ.

Với hệ thống tăng áp thì các ống xả thuộc được trang bị bên trong sẽ hoạt động tích cực giúp tiết kiệm và tránh lãng phí nguồn năng lượng sinh ra nên sẽ làm tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu, đồng thời khiến cho vòng tua máy quay nhanh và đạt hiệu quả cao.

Tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả

Do vận hành dựa trên khí thải từ ống xả của xe với tốc độ quay cực lớn, hệ thống tăng áp thường làm tiêu tốn dầu động cơ, mặc dù việc tận dụng năng lượng thừa từ động cơ và chuyển hoá kịp thời nhằm làm tăng hiệu quả tổng thể cũng có thể xem hệ thống tăng áp không hoàn toàn gây tiêu hao nhiều nhiên liệu.

Hệ thống siêu nạp hoạt động tiết kiệm nhiên liệu hơn nhờ hiệu suất cải thiện ngay ở tua máy thấp do thường xuyên di chuyển hoặc đòi hỏi lực kéo lớn.

Công suất

Để tăng công suất động cơ, xe sử dụng hệ thống tăng áp thường mất nhiều thời gian hơn trước khi đạt đủ áp suất bên trong. Mặc dù, cả 2 hệ thống này đều hoạt động công suất tối đa để cải thiện vòng quay tua máy nhưng còn tuỳ thuộc vào áp suất không khí ảnh hưởng ra sao đến hiệu suất động cơ ở từng hệ thống tăng áp hay siêu nạp.

Độ trễ

Ưu thế lớn nhất của các hệ thống siêu nạp so với tăng áp chính là không hề có độ trễ. Nói cách khác, sức mạnh tăng cường xuất hiện trên toàn dải tua máy bởi hệ thống siêu nạp vận hành dựa trên trục khuỷu động cơ, thay vì sử dụng khí thải thông qua bộ ống xả như tăng áp.

Dù là hệ thống tăng áp hay siêu nạp đều buộc những bộ phận bên trong động cơ vận hành ở áp suất và nhiệt độ cao hơn khá nhiều, điều này sẽ ảnh hưởng không nhỏ tới tuổi thọ và độ bền nói chung. Do đó khi quyết định chọn dùng hệ thống tăng hiệu suất động cơ nào, người dùng nên cân nhắc xem xét chi phí đầu tư, ưu nhược điểm của mỗi hệ thống.

Bi-turbo và Twin turbo 

Bi-turbo và Twin-turbo về bản chất đều gọi là hệ thống tăng áp kép. Tức là có 2 bộ tăng áp trong một động cơ. Và được chia ra làm 2 loại là Parallel (song song) và Sequential (tuần tự). 

Parallel (song song) chính là Twin-turbo vì sử dụng 2 cuộn tăng áp kích cỡ như nhau. 

Sequential (tuần tự) chính là Bi-turbo vì sử dụng 1 cuộn tăng áp nhỏ cho vòng tua máy thấp để giảm độ trễ và nếu vòng tua máy cao thì sử dụng cả hai cuộn.

Tùy theo hãng sản xuất các phương án sử dụng tua-bin kép này có thay đổi.

Ví dụ, động cơ của hãng BMW dùng 2 turbo có kích thước khác nhau, tua-bin nhỏ hoạt động ở số vòng quay thấp, tua-bin lớn hoạt động ở số vòng quay cao. Trong khi đó, động cơ của một số hãng như Mercedes hay Toyota lại dùng 2 tua-bin, mỗi tua-bin tăng áp cho một phần hai số xi-lanh.

Ngoài các phương án trên, một số hãng còn dùng phương án kết hợp: Một máy nén cơ khí kết hợp với một tua-bin.

Tất cả các động cơ tăng áp đều đạt hiệu quả kinh tế cao, đều giảm khoảng 20% lượng nhiên liệu tiêu thụ cho một mã lực so với khi chưa tăng áp.

Thông thường động cơ Bi turbo và Twin turbo sẽ có 2 pha: trước khi turbo hoạt động (ở vòng tua máy thấp) và sau khi turbo hoạt động (ở vòng tua máy cao).

Tuy nhiên, Ford đã sản xuất động cơ Bi turbo 2.0 lít dành cho các mẫu xe Ranger và Everest hoạt động 3 pha: từ vòng tua máy dưới 1,500 vòng/phút thì chỉ turbo nhỏ (quay 245,000 vòng/phút) hoạt động; từ vòng tua máy 1,500 - 3,000 vòng/phút thì 2 turbo cùng hoạt động; từ vòng tua máy trên 3,000 vòng/phút thì chỉ có turbo lớn (quay 160,000 vòng/phút) hoạt động