Nạp cưỡng bức – Tăng áp cho động cơ đốt trong – Phần 7: Công nghệ tăng áp hiệu quả

Turbo tăng áp kết hợp siêu nạp – Volkswagen Twincharger

Như chúng ta đã biết, bộ siêu nạp cơ học tốt cho công suất ở vòng tua thấp nhưng không đạt hiệu quả cao, trong khi turbo tăng áp khí thải hoạt động mạnh mẽ ở vòng tua cao nhưng miễn cưỡng ở vòng tua thấp. Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư đã mơ ước kết hợp bộ siêu nạp và bộ tăng áp với nhau. Năm 1985, Lancia đã đưa một hệ thống phức tạp như vậy vào chương trình đặc biệt của nhóm B, Delta S4. Mặc dù thành công trong giải đua xe, Lancia chưa bao giờ đưa công nghệ này vào sản xuất hàng loạt. Chính người Nhật đã làm điều đó đầu tiên. Năm 1988, Nissan sản xuất 10.000 chiếc March Super Turbo, với động cơ 1.0 lít nhỏ bé sử dụng bộ siêu nạp Roots và turbo tăng áp để tạo ra công suất 110 ps đáng nể. Tuy nhiên, sau đó không có sản phẩm nào được phát triển tiếp theo.

Năm 2005, Volkswagen hồi sinh ý tưởng này với sự giúp đỡ của nhà sản xuất siêu nạp Eaton. Động cơ phun xăng trực tiếp TSI 1.4 lít của nó được trang bị hệ thống turbo tăng áp + siêu nạp được gọi là “Twincharger”. Nó sản sinh công suất 170 mã lực và mô-men xoắn 177 lb-ft, tương đương với động cơ hút khí tự nhiên 2.3 lít nhưng tiêu thụ ít nhiên liệu hơn 20%. Động cơ đã được sử dụng rộng rãi trên Golf, Polo, Scirocco, Skoda Fabia, Seat Ibiza và Audi A1. Đây là lần đầu tiên turbo tăng áp + siêu nạp được sản xuất hàng loạt thực sự.

Cấu tạo của Twincharger khá đơn giản. Nó có một bộ siêu nạp Roots và một turbo tăng áp mắc nối tiếp. Siêu nạp có thể được bỏ qua bằng một đường dẫn thay thế hoặc được ngắt hoàn toàn bằng ly hợp điện từ.

Ở vòng tua thấp, bộ siêu nạp cung cấp hầu hết áp suất tăng. Áp suất mà nó tạo ra cũng giúp quay turbo tăng áp để turbo tăng áp sau có thể chạy vào phạm vi hoạt động nhanh hơn.

Ở tốc độ 1500 vòng/phút, cả hai bộ tăng áp đều đóng góp cho áp suất tăng áp, với tổng cộng 2,5 bar. (Nếu turbo tăng áp hoạt động một mình, nó chỉ có thể cung cấp 1,3 bar ở cùng một vòng quay)

Sau đó, turbo tăng áp – được tối ưu hóa cho công suất vòng tua cao – bắt đầu dẫn đầu. Vòng tua càng cao, bộ siêu nạp kiểu Roots càng trở nên kém hiệu quả hơn. Do đó, một van by-pass làm giảm áp suất của bộ siêu nạp dần dần.

Đến 3500 vòng/phút, turbo tăng áp đóng góp tất cả áp suất tăng áp, do đó bộ siêu nạp được ngắt kết nối bằng ly hợp điện từ để tiết kiệm năng lượng.

Twincharger là một thành tựu khá lớn. Nó cung cấp sức mạnh tuyệt vời và khả năng sử dụng, đóng gói nhỏ gọn một cách đáng ngạc nhiên. Nhược điểm duy nhất là giá thành cao. Nó có giá cao hơn đáng kể so với hệ thống turbo tăng áp. Khi hệ thống turbo tăng áp hiện đại đã cải thiện rất nhiều phản ứng ở cấp thấp, tầm quan trọng của Twincharger bị giảm đi. Điều này ngăn cản nó thâm nhập sâu hơn vào thị trường đại chúng.

Bộ tăng áp siêu nạp điện – Audi e-booster

Một bộ tăng áp siêu nạp cơ học thông thường khá nặng và tiêu tốn nhiều công suất. Cách tốt nhất để sử dụng nó là, giống như Volkswagen Twincharger như đã mô tả ở trên, ghép nối nó với một turbo tăng áp, sử dụng bộ siêu nạp để tăng tốc tức thì ở vòng tua máy thấp và chuyển sang turbo tăng áp khi xe tăng tốc. Tuy nhiên, việc lắp đặt khá phức tạp, vì bạn cần bộ truyền động bánh răng hoặc dây đai để kết nối trục khuỷu với bộ siêu nạp và một ly hợp điện từ để ngắt nó ở tốc độ vòng tua cao hơn. Nếu bộ tăng áp chạy bằng động cơ điện, thì nó có thể được lắp đặt ở bất cứ đâu và tiết kiệm phụ kiện. Việc lược bỏ truyền động cơ học cũng làm giảm độ rung và tiếng ồn đi rất nhiều, đây có lẽ là điểm yếu bị chỉ trích nhiều nhất của siêu nạp. Năm 2016, Audi SQ7 4.0TDI SUV đã trở thành chiếc xe đường trường đầu tiên sử dụng hệ thống siêu nạp điện. Thiết bị, được gọi là “e-booster” của công ty, được cung cấp bởi Valeo:

Bộ tăng áp e-booster sử dụng một tuabin giống như siêu nạp ly tâm hoặc turbo tăng áp. Nhờ động cơ có quán tính thấp, nó có khả năng quay từ trạng thái nghỉ đến tối đa 70.000 vòng/phút chỉ trong 250ms. Điều này có nghĩa là nó có thể cung cấp toàn bộ sức mạnh chỉ trong một phần tư giây! Ngược lại, một bộ siêu nạp cơ học quay tỷ lệ thuận với trục khuỷu của động cơ, do đó việc tăng toàn bộ chỉ xuất hiện ở số vòng tua cao hơn. Do đó, động cơ siêu nạp điện sẽ thể hiện phản ứng nhanh chưa từng có. Trên thực tế, đó chính xác là trường hợp của SQ7, sản sinh mô-men xoắn 664 lbft chỉ ở 1000 vòng/phút!

Bộ tăng áp điện tử được kết nối nối tiếp với hệ thống turbo tăng áp kép tuần tự trong động cơ V8 4.0 TDI. Nó được đặt ở phía dưới của bộ làm mát không giống như bộ tăng áp khí xả, nó không tạo ra nhiều nhiệt. Ở rpm rất thấp, e-booster chỉ chịu trách nhiệm duy nhất trong việc cung cấp khả năng tăng tốc. Nó cũng giúp tăng áp cho bộ tăng áp nhỏ hơn. Khi bộ tăng áp nhỏ tăng áp, một van rẽ nhánh sẽ mở ra và đẩy luồng không khí ra khỏi bộ tăng áp điện trong khi bộ tăng áp sau bị tắt. Ở rpm cao hơn, turbo lớn tham gia công việc để cung cấp đầy đủ sức mạnh. Nói cách khác, chức năng của e-booster là lấp đầy khoảng trống mô-men xoắn ở đầu phía dưới. Nó không được thiết kế để hoạt động lâu dài, vì tăng áp khí thải tiết kiệm năng lượng hơn.

Mặt khác, e-booster tiêu thụ 7kW (9,5 mã lực). Vì hệ thống điện 12V thông thường không đủ mạnh để cung cấp cho nó, nó yêu cầu một hệ thống pin 48V bổ sung, bao gồm pin lithium-ion gắn vào khởi động, bộ chuyển đổi 48/12V và một máy phát điện lớn, không chỉ tăng thêm trọng lượng mà còn cả chi phí. Điều này giải thích tại sao các nhà sản xuất ô tô khác của Đức vẫn chưa làm theo. Khi hệ thống điện 48V được tiêu chuẩn hóa, các bộ tăng áp điện sẽ trở nên phổ biến hơn.

Giảm độ trễ Turbo – Volvo PowerPulse

Bộ tăng áp siêu nạp điện có thể là giải pháp cuối cùng để giảm thiểu độ trễ của turbo, nhưng chúng không tương thích với hệ thống điện 12V hiện đang được sử dụng trên tất cả các xe ô tô. Volvo đã lựa chọn một giải pháp khác có tên là PowerPulse. Nói một cách đơn giản, PowerPulse sử dụng khí nén để giúp tăng tốc turbo nhanh hơn. Nó bổ sung một máy bơm điều khiển bằng điện và một bình khí 2 lít cho động cơ. Máy bơm nén không khí đến 12 bar và lưu trữ tại bình chứa khí. Khi người lái nhấn chân ga, khí nén sẽ được thoát ra ống xả ngay lập tức. Trong vòng 0,3 giây, xung không khí quay bộ tăng áp đến phạm vi hoạt động của nó ở tốc độ 150.000 vòng/phút, giúp giảm đáng kể độ trễ của turbo.

So với e-booster, PowerPulse gần như hiệu quả, với chi phí chế tạo ít hơn và dễ lắp đặt trên các xe ô tô hiện nay. Volvo lần đầu tiên trang bị nó trên động cơ diesel tăng áp kép tuần tự S90/V90 D5 bốn xi-lanh, trên đó nó có khả năng tăng gấp đôi công suất chỉ sau 1 giây sau khi khởi động. Mối quan tâm duy nhất là ảnh hưởng của nó đến sự hòa trộn khí thải, điều này có thể làm phức tạp chiến lược xử lý sau.