Nạp cưỡng bức – Tăng áp cho động cơ đốt trong – Phần 3: Hệ thống Siêu nạp Supercharger

Bộ tăng áp siêu nạp là một máy nén khí (hay đơn giản là máy bơm khí) được sử dụng làm tăng áp suất hoặc mật độ của không khí cung cấp cho động cơ đốt trong. Điều này cung cấp cho mỗi chu kỳ nạp của động cơ nhiều oxy hơn, để nó đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn và sinh công nhiều hơn, do đó tăng công suất đầu ra.

Năng lượng dẫn động cho bộ siêu nạp được cung cấp bởi trục khuỷu động cơ thông qua hệ cơ học bằng dây đai, trục hoặc xích, ngày nay có siêu nạp dẫn động điện – sử dụng động cơ điện.

Lịch sử của tăng áp Siêu nạp

Khoảng năm 1848 hoặc 1849, G. Jones ở Birmingham, Anh đã đưa ra một máy nén kiểu Roots. Năm 1860, hai anh em Philander và Francis Marion Roots, người sáng lập Công ty Roots Blower ở Connersville, Indiana, đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế động cơ đẩy không khí để sử dụng trong lò cao và các ứng dụng công nghiệp khác.

Bộ tăng áp siêu nạp động cơ được thử nghiệm thực sự có chức năng đầu tiên trên thế giới được sản xuất bởi Dugald Clerk, người đã sử dụng nó cho động cơ hai kỳ đầu tiên vào năm 1878. Gottlieb Daimler đã nhận được bằng sáng chế của Đức về tăng áp siêu nạp động cơ đốt trong vào năm 1885. Louis Renault đã được cấp bằng sáng chế cho bộ siêu nạp ly tâm ở Pháp vào năm 1902. Một chiếc xe đua siêu nạp ban đầu được chế tạo bởi Lee Chadwick ở Pottstown, Pennsylvania vào năm 1908, được cho là đạt tốc độ 100 dặm/giờ (160 km/h).

Những chiếc xe sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới có bộ siêu nạp là Mercedes 6/25/40 hp và Mercedes 10/40/65 hp. Cả hai mẫu đều được giới thiệu vào năm 1921 và có bộ siêu nạp kiểu Roots. Chúng được phân biệt là mẫu xe “Kompressor”, nguồn gốc của huy hiệu Mercedes-Benz vẫn tiếp tục cho đến ngày nay.

Vào ngày 24 tháng 3 năm 1878, Heinrich Krigar của Đức đã nhận được bằng sáng chế số #4121, cấp bằng sáng chế cho máy nén kiểu trục vít đầu tiên. Cuối năm đó, vào ngày 16 tháng 8, ông đã nhận được bằng sáng chế số #7116 sau khi sửa đổi và cải tiến các thiết kế ban đầu của mình. Các thiết kế của ông cho thấy một cụm rôto hai thùy với mỗi rotor có cùng hình dạng với rotor kia. Mặc dù thiết kế giống với máy nén kiểu Roots nhưng kiểu “trục vít” được thể hiện rõ ràng với độ xoắn 180 độ dọc theo chiều dài của chúng. Thật không may, công nghệ thời đó không đủ để sản xuất một thiết bị như vậy, và Heinrich đã không có tiến bộ gì hơn với máy nén trục vít. Gần nửa thế kỷ sau, vào năm 1935, Alf Lysholm, người đang làm việc cho Ljungströms Ångturbin AB (sau này được gọi là Svenska Rotor Maskiner AB hay SRM vào năm 1951), đã được cấp bằng sáng chế thiết kế với 5 rotor cái và 4 rotor đực. Ông cũng được cấp bằng sáng chế cho phương pháp gia công rôto máy nén.

Các loại Siêu nạp

Có hai loại tăng áp siêu nạp chính được xác định theo phương thức truyền khí: máy nén dịch chuyển tích cực và máy nén động lực. Máy thổi và máy nén dịch chuyển tích cực cung cấp mức tăng áp suất gần như không đổi ở mọi tốc độ động cơ (RPM). Máy nén động lực không cung cấp áp suất ở tốc độ thấp, trên một ngưỡng, áp suất tốc độ tăng theo cấp số nhân. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu một số thiết kế siêu nạp đặc trưng và nổi bật.

Siêu nạp kiểu Roots

Bộ siêu nạp loại Roots được đặt theo tên người phát minh ra nó, anh em nhà Roots. Nó được phát minh như một thiết bị bơm không khí công nghiệp trước khi Daimler và Benz phát triển ra ô tô có động cơ. Đáng ngạc nhiên, thiết kế cổ xưa vẫn được sử dụng với hầu hết ngày nay.

Bộ siêu nạp Roots bao gồm hai rotor, thường có 3 thùy mỗi rotor. Chúng quay theo hướng ngược nhau để bơm không khí từ đầu vào đến đầu ra. Chuyển động này không nén không khí bên trong bộ tăng áp. Tuy nhiên, khi bộ siêu nạp cung cấp không khí nhanh hơn những gì động cơ có thể tiêu thụ, áp suất cao được tích tụ trong ống nạp.

Hình ảnh đầu tiên cho thấy bộ siêu nạp kiểu Roots cổ điển có đầu vào và đầu ra lần lượt nằm ở trên và dưới thân chính. Đẩy chỉ đơn giản là sơ đồ để dễ hiểu, nó không nhất thiết phải là một thiết kế hiệu quả. Bởi vì khi không khí đi vào bộ tăng áp, nó thực sự đập vào các thùy rotor, chúng đang chạy theo hướng ngược lại với dòng không khí. Do đó cấu tạo bộ tăng áp này sẽ khó có thể hiệu quả.

Đó là lý do tại sao các bộ tăng áp Roots hiện đại mà bạn có thể tìm thấy trên những chiếc xe sản xuất có cấu tạo khá khác biệt, như trong hình thứ hai. Đầu vào nằm ở phía trước (chứ không phải trên cùng) của thân bộ tăng áp, trong khi đầu ra nằm ở bề mặt dưới cùng, nhưng gần với mặt sau của thân (tức là đối diện với đầu vào). Hơn nữa, các thùy rôto được làm dạng xoắn. Việc di dời đầu vào có một số lợi thế. Thứ nhất, nó là dễ dàng hơn cho việc đóng gói. Đặc biệt là khi bộ siêu nạp nằm trên đỉnh động cơ, cửa hút gió phía trước giúp tiết kiệm không gian dưới nắp ca-pô, trong khi cửa hút gió phía trên có thể cần một vòm để chứa đường ống nạp. Thứ hai, cửa hút gió hướng ra phía trước tránh được nhược điểm nói trên của thiết kế cổ điển. Không khí đi vào các buồng rôto theo hướng trục, vì vậy nó không đi ngược lại các ngăn của rôto. Để thúc đẩy luồng không khí chạy dọc trục, cửa ra được mở ở đầu đối diện và sử dụng các cánh quạt xoắn. Khi các cánh quạt xoắn quay, chúng đẩy không khí từ phía đầu vào theo hướng sang phía đầu ra. Do đó, dòng chảy suôn sẻ thu được và nâng cao hiệu quả.

Bộ tăng áp kiểu Roots tiêu hao nhiều năng lượng ở tốc độ cao. Vì vậy, khi không cần tăng công suất, chẳng hạn như khi xe đang chạy trên đường cao tốc, tốt hơn hết là ngắt bộ tăng áp khỏi động cơ. Hình ảnh trên cho thấy Kompressor trên động cơ bốn xi-lanh của Mercedes có ly hợp điện từ để kích hoạt sự tham gia/ngắt kết nối.

Một giải pháp khác được một số bộ tăng áp áp dụng là sử dụng van chuyển tiếp để thiết lập liên kết giữa đầu vào và đầu ra. Điều này phần lớn làm giảm tổn thất bơm, nhưng các bộ phận cơ khí chuyển động vẫn tiêu thụ năng lượng do ma sát.

Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, chi phí sản xuất thấp, tuổi bền cao.

Nhược điểm: Hiệu suất thấp, khả năng tăng cường thấp, tiêu thụ nhiều năng lượng ở vòng quay cao, tiếng ồn lớn.

Siêu nạp Eaton TVS

Eaton TVS (Twin-Vortices Series) là một bộ tăng áp loại Roots, nhưng nó có một số cải tiến đáng kể so với các bộ tăng áp Roots trước đó. Do vậy, chúng ta hãy cùng tìm hiểu.

Eaton là nhà sản xuất siêu nạp lớn nhất trong nhiều năm. Các bộ tăng áp loại Roots nói trên trên động cơ bốn xi-lanh của Mercedes và GM 3800 V6 đều là sản phẩm của hãng này. Bộ siêu nạp TVS được giới thiệu lần đầu với Chevrolet Corvette ZR1 và Cadillac CTS-V vào năm 2008. Cùng năm đó, Audi đã chọn nó để cung cấp sức mạnh cho động cơ V6 3.0 TFSI mới của mình.

So với siêu nạp Eaton thế hệ trước (thế hệ 5), TVS có nhiều ưu điểm hơn hẳn. Trước hết, nó có thể cung cấp lưu lượng không khí cao hơn 20%, do đó tăng cường sức mạnh và công suất cao hơn; Thứ hai, nó tiêu thụ ít năng lượng hơn ở vòng quay cao. Ví dụ, trên động cơ Corvette ZR1 tiêu thụ 75 mã lực ở công suất cực đại, so với 115 mã lực trên thế hệ 5. Tất nhiên, điều này có nghĩa là hiệu suất cao hơn. Thứ ba, nó tạo ra ít nhiệt hơn do đó phụ thuộc ít hơn vào quá trình làm lạnh. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, nó phần lớn loại bỏ tiếng ồn khó chịu thường được biết đến với bộ siêu nạp kiểu Roots.

Từ quan điểm cơ học, TVS có hai thay đổi đáng kể so với các bộ siêu nạp loại Roots thông thường: (1) Các rôto của nó có 4 thùy thay vì 3 thùy; (2) Góc xoắn của rôto được tăng từ 60 độ (trên Gen 5) lên 160 độ.

TVS tạo ra lưu lượng không khí cao hơn vì rôto 4 thùy cho phép tổng thể tích lớn hơn so với rôto 3 thùy cũ. Nó chỉ là hình học đơn giản.

Về chất lượng âm thanh, bằng cách tăng gấp đôi răng của bánh răng truyền động, tiếng ồn cơ học được nâng lên dải tần số cao hơn mà ít gây khó chịu cho tai người hơn. Bên cạnh đó, việc quản lý luồng không khí bên trong tốt hơn giúp giảm tiếng ồn của không khí.

Về hiệu quả cao hơn, nó được đóng góp bởi hai yếu tố. Đầu tiên là cửa hút gió lớn hơn trên TVS. Các hình minh họa dưới đây cho thấy sự so sánh giữa bộ siêu nạp kiểu Roots thông thường và TVS về cách chúng trải qua một chu kỳ hoạt động. Chu kỳ bao gồm 3 giai đoạn – Mở rộng (Expansion), Đóng kín (Seal) và Xả (Discharge). Giai đoạn Đóng kín quyết định lượng không khí vào. Hình minh họa cho thấy TVS có thể sử dụng đầu vào không khí lớn hơn đáng kể vì thiết kế 4 thùy của nó làm giảm khoảng thời gian của pha Đóng kín xuống 90 độ (so với 120 độ trên thiết kế 3 thùy). Điều này cho phép cửa vào mở rộng hơn. Nếu bộ siêu nạp Roots thông thường sử dụng cùng một đầu vào lớn như TVS, thì Seal sẽ không bao giờ xảy ra và buồng khí sẽ là cầu nối giữa đầu vào và đầu ra do đó giải phóng tất cả áp suất cao ở phía đầu ra.

Vậy lợi ích của một cửa vào lớn hơn là gì? Rõ ràng nhất là ít hạn chế tốc độ dòng khí. Nhưng bây giờ chúng ta đang nói về hiệu quả hơn là lưu lượng không khí, vì vậy phải có một lý do khác … thực sự là một lý do rất phức tạp. Cần phải giải thích thêm.

Để hiểu cách nó cải thiện hiệu quả, có lẽ chúng ta nên nghiên cứu cách một bộ siêu nạp kiểu Roots lãng phí năng lượng trước tiên. Như đã đề cập, một phần năng lượng bị lãng phí thông qua ma sát cơ học. (TVS giảm tổn thất đó bằng cách sử dụng các rôto gia công chặt chẽ hơn và lớp phủ giảm ma sát.) Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất năng lượng thậm chí còn cao hơn là do dòng bên trong của bộ tăng áp. Chúng ta hãy nhìn lại hình minh họa ở trên. Khi bắt đầu giai đoạn mở rộng, bạn có thể thấy một khoảng trống mới được tạo ra giữa các cánh rotor (vùng màu xanh lam). Không gian này phóng to nhanh chóng (hình thứ hai) và hút không khí từ cửa vào để lấp đầy không gian đó. Trên thực tế, rotor quay rất nhanh (lên đến 20.000 vòng/phút) đến mức không gian này mở rộng với tốc độ rất lớn. Do đó, phần chân không được tạo ra cũng rất lớn và không khí lao vào không gian này với vận tốc rất cao. Bạn có thể tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra khi luồng không khí tốc độ cao này chạm vào phần cuối của không gian – nó không tìm được đường đi, sau đó nén lại, bật ngược trở lại, va vào luồng không khí đi theo sau nó và gây ra những sóng va đập lớn. Sự thay đổi nhanh chóng như vậy của vận tốc và áp suất biến động năng thành nhiệt năng. Trên thực tế, bộ siêu nạp kiểu Roots lãng phí rất nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt. Cần sử dụng bộ làm mát khí nạp để giảm nhiệt độ.

TVS có một đầu vào lớn hơn đáng kể. Điều này có nghĩa là luồng không khí đi qua đầu vào sẽ chậm hơn. Luồng không khí chậm hơn có nghĩa là ít động năng hơn, do đó ít năng lượng chuyển hóa thành nhiệt hơn.

Một yếu tố khác góp phần cải thiện hiệu quả của nó là góc xoắn lớn hơn của rôto. Với góc xoắn 160º, trong giai đoạn Mở rộng, rôto sẽ quay 160º để thực hiện toàn bộ thể tích của buồng (vùng màu xanh lam trong hình). Điều này có nghĩa là tốc độ mở rộng chậm hơn nhiều so với trường hợp góc xoắn 60º, trong đó thể tích đầy đủ được thực hiện chỉ với 60º xoay. Sự giãn nở chậm hơn làm giảm chân không bộ phận do đó làm giảm thêm vận tốc của dòng khí nạp. Do đó, hao phí động năng nói trên cũng giảm đi.

Siêu nạp Lysholm (loại trục vít)

Bộ siêu nạp Lysholm điển hình có một trục vít đực 3 thùy và một trục vít cái 5 thùy, ngoài ra có nhiều cách kết hợp khác.

Siêu nạp Lysholm trên lý thuyết được phát minh sớm nhất từ năm 1878, nhưng phải đến những năm 1930, Alf Lysholm mới cải tiến và hiện thực hóa ý tưởng. Bộ tăng áp gồm 2 trục vít, một trục có ren đực và một trục có ren cái. Chúng kết hợp chặt chẽ với nhau. Khi chúng quay, không khí được giữ lại giữa các vít và vỏ trong khi được đẩy từ đầu vào về phía đầu ra. Hơn nữa, không gian ngày càng nhỏ hơn khi nó di chuyển về phía trước, vì vậy Lysholm thực hiện nén bên trong và cho phép tăng áp suất cao hơn so với bộ siêu nạp kiểu Roots.

Ngoài áp suất tăng cao, siêu nạp Lysholm có ưu điểm là hiệu suất cao, dải vòng tua rộng và kích thước nhỏ gọn, vì vậy nó là sự lựa chọn hàng đầu cho những chiếc xe hiệu suất. Tuy nhiên, vì bản chất lưới chặt chẽ của các vít khiến chúng cần gia công chính xác rất cao, do đó chi phí sản xuất lớn.

Chi phí cao cản trở sự phổ biến của nó. Do đó rất ít xe sản xuất được biết là có trang bị nó, ví dụ: Mazda Millenium Miller Cycle, Ford GT, động cơ 3.2 V6 và 5.5 V8 của Mercedes-AMG. Nó phổ biến hơn ở thị trường hậu mãi. Nhiều người nâng cấp ô tô thích sử dụng nó để tăng hiệu suất.

Ưu điểm: Hiệu suất cao, áp suất tăng cao, dải vòng tua rộng.

Nhược điểm: Chi phí sản xuất đắt.

Siêu nạp kiểu ly tâm

Siêu nạp ly tâm là kiểu máy nén động lực, nó rất giống với turbo tăng áp, ngoại trừ việc nó được dẫn động bởi trục khuỷu thay vì khí xả. Điều này có nghĩa là nó chỉ có một tuabin. Giống như turbo tăng áp, tuabin của nó cần quay ở tốc độ rất cao (lên đến 60.000 vòng/phút) để tạo ra áp suất tăng tối đa. Để thực hiện điều này, nó kết hợp các bánh răng nâng cấp để nhân số vòng quay từ trục khuỷu.

Áp suất tăng cường tăng theo cấp số nhân với vòng quay. Kết quả là, siêu nạp ly tâm tạo ra ít tăng áp ở vòng tua thấp đến trung bình. Nó hoạt động tốt nhất ở vòng tua máy cao. Không giống như turbo tăng áp có cửa thải để giữ cho áp suất tăng liên tục ở vòng quay cao, siêu nạp ly tâm không có thiết bị như vậy. Do đó đặc tính đầu ra của nó phải được thiết kế để tạo ra mức tăng tối đa ở công suất cực đại của động cơ. Điều này cũng hạn chế mức tăng mà nó có thể cung cấp ở vòng tua thấp hơn.

Giống như turbo tăng áp, bộ siêu nạp ly tâm sử dụng cánh quạt để quay không khí ra bên ngoài bằng lực ly tâm. Cánh gạt khuếch tán hướng luồng không khí đến đầu ra. Việc chế tạo đơn giản dẫn đến lợi thế của trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ gọn. Do đó, nó dễ dàng được trang bị cho các ô tô sản xuất hiện có như một thiết bị hậu mãi. Hơn nữa, do mức tăng ở vòng tua thấp không đáng kể nên động cơ không cần điều chỉnh nhiều (thậm chí không giảm tỷ số nén) để tránh hiện tượng kích nổ.

Do quán tính và ma sát thấp, nó có hiệu suất cao nhất trong số tất cả các kiểu siêu nạp. Hơn nữa, nó không cản trở nhiều khả năng quay vòng của động cơ. Mặt khác, khả năng cung cấp năng lượng của nó cực kỳ cao. Có thể thấy những đặc điểm như vậy trên siêu xe Koenigsegg.

Ưu điểm: Hiệu suất cao nhất trong số các bộ tăng áp siêu nạp cơ học, áp suất tăng cao, nhỏ và nhẹ.

Nhược điểm: Tăng áp yếu ở vòng quay thấp đến trung bình