Turbo tăng áp là gì ?
Khái niệm turbo nhiều người sử dụng ô tô hoặc có hiểu biết về nghành kỹ thuật đều đã nghe nói. Tuy nhiên không phải ai cũng hiểu rõ về nó. Turbo tăng áp là 1 bộ phận có tác dụng nén áp suất không khí, để trong 1 đơn vị thể tích có lượng không khí nhiều nhất. Như bạn đã biết hoạt động của động cơ là phản ứng cháy giữa nhiên liệu là xăng hoặc dầu với Oxy trong không khí. Việc lượng không khí càng nhiều thì lượng oxy cũng càng nhiều đồng nghĩa với phản ứng cháy sẽ mạnh hơn và sinh ra công suất lớn hơn.
Thay vì phải tăng kích thước buồng đốt như tăng đường kính xy lanh, tăng số lượng máy trên động cơ như động cơ V6, V8 thì việc sử dụng Turbo tăng áp với chi phí rẻ hơn, không gian khoang động cơ cũng giảm bớt, trọng lượng xe cũng giảm, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu.
Ngoài ra khái niệm tăng áp là từ chung dùng để chỉ các hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức. Có thể hiểu đơn giản, tăng áp là hệ thống nén thêm không khí vào buồng đốt, và như vậy có thể đưa vào nhiều nhiên liệu hơn qua đó làm tăng công suất mỗi khi hỗn hợp đốt nổ trong xylanh.
Chính vì vậy mục đích chế tạo ra Turbo tăng áp để tăng công suất cho động cơ, chúng ta thường thấy đối với những máy móc, xe ô tô cần công suất lớn đều phải có Turbo. Trước đây Turbo tăng áp thường chỉ có trên động cơ Diesel nhưng ngày nay trên rất nhiều dòng xe máy xăng đều lắp thêm Turbo. Đặc biệt là những dòng xe sang như BMW, Mercedes, Audi…
Cấu tạo của Turbo tăng áp trên ô tô
Cấu tạo của Turbo tăng áp trên ô tô 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 tuốc bin 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.
Cấu tạo các bộ phận Tuabin tăng áp bao gồm:
- Khoang tuabin:Tạo khoảng trống cho dòng khí xả đi qua để làm quay bánh tuabin, gắn với ống xả và van cửa xả.
- Khoang khí nén: Tạo khoảng không gian để bánh nén khí hoạt động .
- Khoang trung tâm: Bảo vệ ổ trục tự lực tuần hoàn và trục kết nối giữa bánh tuabin va bánh nén khí
- Cánh tuabin:Quay, dẫn động bánh nén khí thông qua trục kết nối giữa bánh tuabin và bánh nén khí
- Cánh nén khí: đẩy không khí vào trong các xilanh, hướng dòng không khí từ tâm quay theo biên dạng cánh hướng ra ngoài
- Các ổ trục tự lực hoàn toàn: Đỡ trục tuabin, làm mát trục tuabin, giúp trục quay với lực cản ma sát thấp
- Van cửa xả: giữ ổn định cho áp suất nạp
- Bộ chấp hành: Điều khiển van cửa xả
Nguyên lý hoạt động của Turbo tăng áp trên ô tô
Bên trong 1 tuabin tăng áp
Nguyên lý hoạt động chung của turbo tăng áp
Nguyên lý hoạt động của turbo tăng áp là dòng khí xả từ các xilanh thổi ra tạo áp lực lên các cánh tuabin làm tuabin quay. Càng nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin thì tuabin quay càng nhanh. Cánh tuabin phải chịu được nhiệt và có độ bền cao vì nó tiếp xúc trực tiếp với khí xả, quay với tốc độ cao và trở nên rất nóng. Bởi vậy, nó được làm bằng hợp kim siêu chịu nhiệt hoặc bằng gốm. Mặt khác trên một đầu còn lại của trục tuabin, cánh nén khí được gắn vào để đẩy không khí vào trong các xilanh. Các cánh nén khí là một loại bơm ly tâm, nó hướng dòng không khí từ tâm quay theo biên dạng cánh hướng ra ngoài.
Để có thể tăng tốc độ quay lến đến 150.000 vòng/phút, trục của tuabin được đỡ bởi một ô bi đặc biệt. Hầu hết các ổ bi đều bị quá hủy ở tốc độ như thế, cho hầu hết các turbo tăng áp đều sử dụng loại ổ đỡ chất lỏng. Loại ổ bi này đỡ lấy trục tuabin bằng một lớp dầu cực mỏng. Điều này đạt được hai mục đích: trục quay của tuabin được làm mát và nó cho phép trục quay với lực cản ma sát thấp…Van cửa xả được lắp trong khoang tuabin. Khi van này mở thì một phần khí xả sẽ đi tắt qua ống xả, nhờ thế mà giữ ổn định cho áp suất nạp, khi áp suất nạp đạt đến trị số đã định (khoảng 0,7 kg/cm2). Việc đóng mở van được kiểm soát bởi bộ chấp hành.
Hoạt động của các chi tiết của Turbo tăng áp
Một trong những vấn đề chính đối với Turbo tăng áp đó là chúng không làm tăng công suất ngay lập tức khi bạn đạp ga. Phải mất khoảng vài giây đồng hồ để Turbo tăng vận tốc trước khi tác dụng khuyếch đại công suất. Kết quả là một độ trễ xuất hiện khi bạn đạp ga và sau đó chiếc xe bất thình lình chồm lên khi tuabin bắt đầu làm việc
Các chi tiết của Turbo tăng áp
Một cách để làm giảm độ trễ tác dụng của tuabin là giảm tác dụng quán tính của các bộ phận quay, chính là làm giảm trọng lượng bản thân của chúng. Điều này cho phép cánh tuabin và cánh nén khí có thể tăng tốc rất nhanh và hỗ trợ tăng cường công suất cho động cơ sớm hơn. Một cách chắc chắn để giảm độ quán tính của cánh tuabin và cánh nén khí là chế tạo chúng có kích thước nhỏ hơn. Một tuabin có kích thước nhỏ hơn sẽ tác dụng giúp tăng cường công suất cho động cơ nhanh hơn ở tốc độ động cơ thấp nhưng có thể không có tác dụng tăng công suất ở tốc độ động cơ cao khi một lượng lớn khí nạp được nén vào trong động cơ.
Nó cũng nguy hiểm hơn khi tốc độ quay của tuabin quá nhanh ở tốc độ động cơ cao khi có nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin. Các tuabin tăng áp có kích thước lớn hơn có thể giúp tăng công suất động cơ nhiều hơn ở tốc độ cao nhưng lại sinh ra một độ trễ tác dụng rất lớn bởi vì nó mất nhiều thời gian hơn để tăng tốc độ quay của cánh tuabin và cánh nén khí do chúng nặng hơn. Để khắc phục được hạn chế này, người ta đã chế tạo một số bộ phận đặc biệt đi kèm với nó.
Hầu hết các động cơ có gắn tuabin tăng áp để có một mức hao phí nhất định, điều này bắt buộc phải sử dụng một tuabin tăng áp nhỏ hơn để giảm độ trễ trong khi ngăn nó khỏi quay quá nhanh ở tốc độ động cơ cao. Để ngăn hao tổn, trong tuabin bố trí một van đặc biệt cho phép khí xả đi tắt qua các cánh tuabin. Van này có độ nhạy lớn với sự tăng áp đột ngột. Nếu áp suất tăng lên quá cao, nó có thể xác nhận rằng tuabin quay quá nhanh và mở ra cho phép một lượng khí xả đi vòng qua cánh tuabin và làm giảm tốc độ tuabin.
Một số tuabin tăng áp sử dụng vòng bi cầu thay vì sử dụng loại ổ đệm chất lỏng để đỡ lấy trục của tuabin. Nhưng chúng không phải là loại ổ bi cầu thông thường, chúng là các ổ bi tự lựa có độ chinh xác rất cao được làm từ loại vật liệu cao cấp để có thể chịu được tốc độ quay và nhiệt độ sinh ra từ các tuabin tăng áp. Chúng cho phép các trục tuabin có thể quay với lực ma sát sinh ra thấp hơn các loại ổ đỡ chất lỏng được sử dụng trong hầu hết các tuabin tăng áp. Chúng cho phép các trục có trọng lượng nhẹ hơn và quay chậm hơn có thể làm việc hiệu quả. Đây là điều giúp các tuabin tăng áp có thể tăng tốc nhanh hơn, giảm được độ trễ đến mức thấp hơn.
Hoạt động của cánh điều chỉnh Turbo
Cánh điều chỉnh dùng để thay đổi tốc độ và hướng của luồng khí xả để tạo ra áp suất nạp tối ưu cho các tốc độ cao cũng như thấp; cánh điều chỉnh được lắp ở vành ngoài của tuabin và được điều khiển bởi ECU của động cơ.
Hoạt động cánh điều chỉnh Turbo ở tốc độ thấp:
Khi khe hở giữa các cánh điều chỉnh thu hẹp lại (đóng) thì tốc độ của luồng khí xả đi vào bánh tuabin sẽ tăng lên và bánh tuabin làm việc với hiệu suất cao hơn. Nhờ thế, khi áp suất của khí xả tăng lên thì áp suất nạp càng tăng nhanh hơn, và công suất động cơ tăng lên thậm chí cả khi đang chạy với tốc độ thấp.
Hoạt động cánh điều chỉnh turbo ở tốc độ cao/tải trọng nặng
Khi khe hở giữa các cánh điều chỉnh mở rộng ra, áp suất nạp được khống chế, vì hướng của luồng khí xả thay đổi và hiệu suất tác dụng lên tuabin giảm xuống. Như thế, tốc độ của bánh tuabin được khống chế, áp suất nạp được khống chế trong giới hạn nhất định, giúp động cơ cải thiện tiêu hao nhiên liệu và công suất.
Các cánh tuabin được làm bằng gốm thường nhẹ hơn các cánh tuabin được làm bằng kim loại phổ biến trong hầu hết các tuabin tăng áp. Trái lại, chúng lại cho phép các tuabin quay nhanh hơn, và giảm được độ trễ tác dụng.
Hoạt động của bộ làm mát khí nạp
Khi không khí được nén lại, nó được hâm nóng lên và khi không khí nóng lên, nó sẽ giãn nở. Bởi vậy áp suất trong tuabin tăng lên một cách đáng kể và kết quả là không khí nóng lên trước khi đi vào động cơ. Để tăng công suất của động cơ, phải đạt được một mục tiêu là đưa thêm nhiều phân tử khí vào trong xilanh mà không làm tăng áp suất khí.
Để đạt được điều này, một bộ làm mát trung gian hay một bộ làm mát khí nạp được lắp thêm vào hệ thống, nó được xem như là một két làm mát nhưng chỉ khác là không khí được thổi đi vào và đi ra khỏi bộ làm mát trung gian này. Có hai kiểu bộ làm mát trung gian: Kiểu làm mát bằng không khí và kiểu làm mát bằng nước. Hiện nay chỉ có kiểu làm mát bằng không khí là được sử dụng. Tuỳ theo kiểu động cơ mà vị trí lắp bộ làm mát trung gian có khác nhau. Khí nạp được thổi qua một đường ống dẫn kín bên trong bộ làm mát trong khi đó không khí từ bên ngoài được đẩy cưỡng bức qua các cánh tản nhiệt của nó bằng quạt làm mát động cơ.
Bộ làm mát khí nạp giúp tăng công suất của động cơ bằng cách làm mát khí nén đi ra từ cánh nén khí của tuabin trước khi đi vào trong động cơ. Điều này có nghĩa là nếu tuabin tăng áp tạo ra một áp suất nén khoảng 7 PSI, hệ thống làm mát khí nạp sẽ làm nguội không khí có áp suất 7 PSI này, có nghĩa là nó trở nến đậm đặc hơn và chứa nhiều phân tử khí hơn một khối không khi nóng.
Một tuabin tăng áp cũng giúp tăng mật độ khí nén khi càng lên cao sự đậm đặc của không khí càng bị giảm đi. Động cơ bình thường thực tế bị giảm công suất khi càng lên cao so với mực nước biển bởi vì mỗi hành trình nén của piston, động cơ sẽ nén được ít không khí hơn về khối lượng. Một động cơ có tuabin tăng áp cũng bị giảm công suất nhưng sự giảm công suất này sẽ ít ảnh hưởng hơn bởi vì không khí loãng hơn dễ được đẩy qua các cánh nén khí của tuabin hơn.
Các loại xe cũ với động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu cacbuarato, tự động tăng tỷ lệ nhiên liệu để phù hợp hơn với sự tăng lưu lượng khí nạp đi vào trong các xilanh. Các loại xe hiện đại ngày nay sử dụng loại động cơ phun nhiên liệu điện tử cũng đạt được điều này ở mức độ tối ưu hơn. Hệ thống phun nhiên liệu điện tử sử dụng các cảm biến ôxi trong đường ống xả để đo tỷ lệ không khí – nhiên liệu một cách chính xác. Bởi vậy, hệ thống này sẽ tự động tăng lượng nhiên liệu nạp vào nếu được trang bị thêm tuabin tăng áp.
Nếu tuabin tăng áp tăng lượng khí nạp nhanh quá mức đòi hỏi phải tăng lượng nhiên liệu phun vào phù hợp, hệ thống phun nhiên liệu có thể không cung cấp đủ nhiên liệu, cũng như là chương trình phần mềm trong bộ điều khiển không cho phép hoặc bơm nhiên liệu và vòi phun không đủ khả năng cung cấp đủ cho nhu cầu. Trong trường hợp này, một số điều chỉnh khác được thiết lập để thu được hiệu quả cao nhất từ tuabin tăng áp. Đối với động cơ điêzen, bộ bù nạp sẽ tăng lượng bơm nhiên liệu cực đại phù hợp với áp suất nạp.
Trong động cơ điều khiển bằng máy tính, lượng không khí nạp được theo dõi bằng cảm biến lưu lượng khí nạp, còn áp suất nạp được theo dõi bằng bộ cảm biến áp suất của tuabin nạp và sự tăng lượng phun nhiên liệu cực đại được điều khiển bằng ECU của động cơ.
Phân loại Turbo tăng áp
Các loại turbo tăng áp được chia làm 2 loại: turbocharger và supercharger.
Turbo tăng áp Turbocharger
Có thể hiểu turbocharger như một chiếc bơm không khí vận hành nhờ năng lượng của khí thải từ động cơ. Khi hỗn hợp khí thải nóng bị đẩy ra khỏi động cơ, chúng sẽ được dẫn tới một tuốc-bin cánh quạt có tốc độ quay rất nhanh (từ 30.000 – 120.000 vòng/phút). Tuốc-bin cánh quạt này sẽ truyền động lực qua trục tới một tuốc-bin cánh quạt khác, được gọi là máy nén khí để nén hỗn hợp khí và nhiên liệu đốt vào động cơ.
Sơ đồ Turbo tăng áp turbocharger
Turbo tăng áp turbocharge tận dụng được năng lượng khí thải, tiếng động phát ra từ ống bô êm hơn và không cần tới bộ giảm thanh lớn. Nhược điểm của turbocharge: giá thành chế tạo cao hơn động cơ không tăng áp do bổ sung thêm các chi tiết; phải cải tiến vật liệu trong xy-lanh, buồng đốt…vv, để chịu được áp suất lớn hơn. Và nhược điểm lớn nhất của turbocharge là “độ trễ”, nghĩa là khoảng thời gian từ khi đạp ga cho tới khi động cơ bắt đầu “tăng tốc”.
Nguyên nhân chính gây ra điều này là do áp suất tăng áp phụ thuộc vào tốc độ luân chuyển của khí thải nên turbocharge không tạo ra nhiều lực nén khi động cơ có tốc độ tua thấp do đó phải mất thời gian để có đủ áp suất. Trong những chiếc xe cũ trước đây, độ trễ này có thể tạo ra cảm giác như xe đang dừng lại. Ngược lại, vận tốc tua của động cơ càng nhanh thì áp suất mà tăng áp tạo ra sẽ càng lớn và trong thường hợp này, turbocharge lại phải cần tới một chiếc van gọi là “cửa xả” (wastegate) để xả lượng khí vượt mức qui định.
Nhờ sử dụng turbocharger nhỏ hơn, turbocharger có thể thay đổi thiết diện cánh quạt hoặc kết hợp cả hai giải pháp này với nhau, các động cơ hiện đại ngày nay hầu như đã loại bỏ được tình trạng trễ này. Động cơ 6 xylanh tăng áp kép của BMW là dẫn chứng điển hình, nó có thể tạo ra sức mạnh ngay lập tức ở bất kỳ thời điểm hay tốc độ nào.
Turbo tăng áp Supercharger
Supercharge cũng nén khí, nhưng thông qua một hệ thống cơ khí. Nó thường vận hành nhờ một dây cua-roa liến kết với trục khuỷu của động cơ. Dây cuaroa này làm quay hai rôto nằm trong hộp supercharge để nén không khí vào cổ góp nạp. Supercharge cần ít hệ thống ống dẫn hơn turbocharge, nhưng lại làm tăng đáng kể tải trọng lên trục khuỷu và dây cuaroa.
Bánh răng trụ truyền lực
Xe hơi hiện đại đòi hỏi những động cơ gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, công suất và mô-men xoắn lớn. Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, tăng áp là giải pháp phổ biến hiện nay. Đây là kỹ thuật nâng cao áp suất của hỗn hợp nhiên liệu khi đưa vào buồng đốt.
Tác dụng của Turbo tăng áp
Hệ thống tăng áp thường được lắp trong các động cơ diesel cỡ lớn. Một turbo có thể giúp làm tăng đáng kể công suất của một động cơ mà không cần phải tăng trọng lượng bản thân động cơ đó. Đây chính là tác dụng to lớn mà các turbo tăng áp mang lại. Turbo tăng áp cho phép một động cơ đốt được nhiều nhiên liệu và không khí hơn bằng cách nén chúng nhiều hơn vào trong các xilanh. Thông thường việc tăng lưu lượng khí nạp bằng turbo tăng áp tạo ra áp suất khoảng 6 đến 8 Pounds trên diện tích một inch vuông (PSI).
Áp suất khí quyển thông thường vào khoảng 14,7 PSI ở mực nước biển, có thể thấy rằng chúng làm tăng thêm khoảng 50% lượng khí nén thêm vào trong động cơ. Cho nên có thể làm tăng thêm khoảng 50% công suất động cơ. Nhưng hiệu quả tăng công suất không như vậy, thực tế chúng chỉ có thể giúp tăng công suất động cơ khoảng 30 đến 40% do ảnh hưởng của tổn hao năng lượng. Xe hơi hiện đại đòi hỏi những động cơ gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, công suất và mô-men xoắn lớn. Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, tăng áp là giải pháp phổ biến hiện nay. Đây là kỹ thuật nâng cao áp suất của hỗn hợp nhiên liệu khi đưa vào buồng đốt.
