Kể từ khi phát minh ra động cơ đốt trong, các kỹ sư ô tô, những người đam mê tốc độ và các nhà thiết kế xe đua đã tìm cách tăng sức mạnh cho động cơ này. Một cách để thêm sức mạnh là xây dựng một động cơ lớn hơn. Nhưng động cơ lớn hơn, nặng hơn, tốn nhiều chi phí chế tạo và bảo trì hơn, không phải lúc nào cũng tốt hơn.
Một cách khác để tăng thêm sức mạnh là làm cho động cơ cỡ bình thường hoạt động mạnh mẽ hơn. Bạn có thể thực hiện điều này bằng cách đẩy thêm không khí vào buồng đốt. Nhiều không khí hơn thì có thể cấp nhiều nhiên liệu hơn, và nhiều nhiên liệu hơn có nghĩa là kỳ nổ mạnh hơn và mã lực lớn hơn. Thêm bộ tăng áp là một cách tuyệt vời để đạt được nạp khí cưỡng bức. Trong bài viết này, sẽ giải thích bộ siêu tăng áp/siêu nạp là gì, cách chúng hoạt động và so sánh chúng với Turbo tăng áp.
Bộ siêu nạp là bất kỳ thiết bị nào tạo áp suất khí nạp lên trên áp suất khí quyển. Cả turbo tăng áp và siêu nạp đều làm được điều này. Trên thực tế, thuật ngữ “turbocharger” là phiên bản rút gọn của “turbo-supercharger”, tên chính thức của nó. Sự khác biệt giữa hai thiết bị là nguồn năng lượng của chúng. Turbocharger được cung cấp năng lượng bằng khí thải điều khiển tua-bin. Supercharger được cung cấp năng lượng cơ học bằng truyền động dây đai hoặc xích nối với trục khuỷu của động cơ.
Cơ bản về siêu nạp Supercharger
Trong động cơ 4 kỳ, kỳ nạp khí là kỳ quan trọng, quyết định các kỳ còn lại. Ba điều xảy ra trong suốt quá trình này:
- Pít-tông di chuyển xuống.
- Tạo ra một khoảng chân không bên trong xi lanh.
- Chân không làm cho không khí bên ngoài ở áp suất khí quyển bị hút vào buồng đốt.
Sau khi không khí được hút vào động cơ, nó phải được kết hợp với nhiên liệu để tạo thành hòa khí – một gói thế năng có thể biến thành động năng hữu ích thông qua một phản ứng hóa học gọi là quá trình đốt cháy. Bugi kích hoạt phản ứng hóa học này bằng cách đốt cháy hòa khí. Khi nhiên liệu trải qua quá trình oxy hóa, một lượng lớn năng lượng được giải phóng. Lực của vụ nổ này, tập trung phía trên đầu xi-lanh, đẩy pít-tông đi xuống. Chuyển động được tạo ra bởi chuyển động của pít-tông cuối cùng được truyền đến các bánh xe.
Nạp nhiều nhiên liệu hơn sẽ tạo ra vụ nổ mạnh hơn trong kỳ nổ. Nhưng không thể chỉ đơn giản là bơm thêm nhiên liệu vào động cơ vì bạn cần một lượng oxy chính xác để đốt cháy một lượng nhiên liệu nhất định. Khi chạy không tải hoặc chạy ở tốc độ không đổi, hỗn hợp hòa khí là 14,7 phần không khí với 1 phần nhiên liệu. Khi bạn cần nhiều năng lượng hơn, chẳng hạn như tăng tốc để vượt trên đường cao tốc, tỷ lệ không khí-nhiên liệu khoảng 12:1. Tuy nhiên, nếu bạn muốn lập kỷ lục trong một phần tư dặm, bạn sẽ cần nạp thêm không khí để có thể nạp thêm nhiên liệu.
Đó là công việc của bộ siêu tăng áp (siêu nạp). Bộ siêu nạp tăng lượng khí nạp bằng cách nén không khí trên áp suất khí quyển mà không tạo ra chân không. Điều này buộc nhiều không khí hơn vào động cơ, cung cấp một sự tăng cường. Với không khí bổ sung, nhiên liệu có thể được nạp vào nhiều hơn và sức mạnh của động cơ tăng lên. Hệ thống siêu nạp tăng thêm trung bình 46% mã lực và 31% mô-men xoắn. Trong các tình huống ở độ cao lớn, khi hiệu suất của động cơ suy giảm do không khí có mật độ và áp suất thấp, bộ siêu nạp sẽ cung cấp không khí có áp suất cao hơn cho động cơ để động cơ có thể hoạt động tối ưu.
Không giống như turbo tăng áp sử dụng khí thải do quá trình đốt cháy tạo ra để cung cấp năng lượng cho máy nén, bộ siêu nạp lấy năng lượng trực tiếp từ trục khuỷu. Hầu hết được truyền động bằng một dây đai phụ kiện, quấn quanh một ròng rọc được nối với một bánh răng truyền động. Lần lượt, bánh răng dẫn động làm quay bánh răng máy nén. Rôto của máy nén có thể có nhiều kiểu dáng khác nhau, nhưng nhiệm vụ của nó giống nhau là hút không khí vào, ép không khí vào một không gian nhỏ hơn và xả vào đường ống nạp.
Để tăng áp suất không khí, bộ siêu nạp phải quay nhanh – nhanh hơn chính động cơ. Việc làm cho bánh răng dẫn động lớn hơn bánh răng máy nén sẽ làm cho máy nén quay nhanh hơn. Bộ siêu nạp có thể quay với tốc độ cao từ 50.000 đến 65.000 vòng quay mỗi phút (RPM).
Một máy nén quay với tốc độ 50.000 RPM có thể tăng áp suất lên khoảng 6 đến 9 pound trên inch vuông (psi). Có nghĩa là thêm 6 đến 9 psi so với áp suất khí quyển ở một độ cao cụ thể. Áp suất khí quyển ở mực nước biển là 14,7 psi, do đó, mức tăng thông thường từ bộ siêu nạp sẽ đưa thêm khoảng 50% không khí vào động cơ.
Khi không khí bị nén, nó trở nên nóng hơn. Không khí nóng hơn ít đậm đặc hơn và không thể giãn nở nhiều trong kỳ nổ như không khí lạnh hơn. Điều này có nghĩa là nó không thể tạo ra nhiều năng lượng khi được đánh lửa bằng bugi. Để bộ siêu nạp hoạt động với hiệu suất cao nhất, khí nén thoát ra khỏi bộ xả phải được làm mát trước khi đi vào đường ống nạp. Bộ làm mát trung gian chịu trách nhiệm cho quá trình làm mát này. Bộ làm mát trung gian có hai kiểu dáng cơ bản: két làm mát trung gian không khí và két làm mát không khí và nước. Cả hai đều hoạt động giống như bộ tản nhiệt, với không khí hoặc nước mát hơn được đưa qua một hệ thống đường ống hoặc ống dẫn. Khi không khí nóng thoát ra khỏi bộ siêu nạp gặp các đường ống làm mát, nó cũng nguội đi. Việc giảm nhiệt độ không khí làm tăng mật độ của không khí, tạo ra một lượng khí nạp dày đặc hơn đi vào buồng đốt.
Siêu nạp kiểu Roots
Có ba loại tăng áp siêu nạp cơ bản: Roots, Twin-screw (trục vít đôi) và Centrifugal (ly tâm). Sự khác biệt chính là cách chúng di chuyển không khí đến ống nạp của động cơ. Bộ siêu nạp Roots sử dụng hai rô-to nối với nhau và nén không khí đi vào trước khi đưa đến động cơ. Như bạn có thể đoán, bộ siêu nạp trục vít đôi có hai rotor được quấn vào nhau giống như hai con vít thay vì bánh răng. Các vít nén không khí khi chúng quay. Siêu nạp ly tâm trông giống như một vỏ ốc, với một bánh công tác nén không khí. Mặc dù tất cả các thiết kế này đều mang lại sự tăng cường, nhưng chúng khác nhau đáng kể về hiệu quả. Mỗi loại bộ siêu nạp có nhiều kích cỡ khác nhau, tùy thuộc vào việc bạn chỉ muốn tăng sức mạnh cho chiếc xe của mình hay để cạnh tranh trong một cuộc đua.
Bộ siêu nạp Roots là thiết kế lâu đời nhất. Philander và Francis Roots đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế này vào năm 1860 như một cỗ máy giúp thông gió cho các hầm mỏ. Năm 1900, Gottleib Daimler đã đưa bộ siêu nạp Roots vào động cơ ô tô.
Khi các rôto chia lưới quay, không khí bị mắc kẹt trong các túi giữa các thùy trên rôto được vận chuyển giữa phía nạp và phía xả. Một lượng lớn không khí di chuyển vào ống nạp và “xếp chồng lên nhau” để tạo ra áp suất dương. Vì lý do này, bộ siêu tăng áp Roots thực sự chẳng khác gì máy thổi khí và thuật ngữ “máy thổi” vẫn thường được sử dụng để mô tả tất cả các bộ siêu tăng áp.
Bộ siêu nạp Roots thường có kích thước lớn và nằm trên đầu động cơ. Chúng phổ biến trên những chiếc xe cơ bắp muscle car và những chiếc hot rods vì chúng thò ra khỏi mui xe. Tuy nhiên, chúng là bộ tăng áp kém hiệu quả nhất vì hai lý do: Chúng tăng thêm trọng lượng cho xe và chúng di chuyển không khí theo từng đợt rời rạc thay vì theo dòng chảy liên tục và trơn tru.
Siêu nạp trục vít đôi Twin-screw
Siêu nạp trục vít đôi hoạt động bằng cách kéo không khí qua một cặp rôto dạng lưới xoắn song song với nhau (Trục vít). Giống như siêu nạp Roots, không khí bên trong bộ siêu nạp trục vít đôi bị giữ lại trong các túi do các thùy của rôto tạo ra. Tuy nhiên, siêu nạp trục vít đôi sẽ nén không khí bên trong vỏ rôto. Đó là bởi vì các rôto có hình nón côn, có nghĩa là các túi khí giảm kích thước khi không khí di chuyển từ phía nạp sang phía xả. Khi các túi khí co lại, không khí bị ép vào một không gian nhỏ hơn.
Điều này làm cho bộ siêu nạp trục vít đôi hoạt động hiệu quả hơn, nhưng chúng có giá cao hơn vì các rô-to kiểu trục vít đòi hỏi độ chính xác cao hơn trong quy trình sản xuất. Một số loại bộ siêu nạp trục vít đôi nằm phía trên động cơ như bộ siêu nạp Roots. Siêu nạp Twin-screw cũng tạo ra rất nhiều tiếng ồn. Khí nén thoát ra khỏi cửa xả tạo ra tiếng rít hoặc tiếng huýt phải được giảm bớt bằng các kỹ thuật khử tiếng ồn.
Bộ siêu nạp ly tâm
Bộ siêu nạp ly tâm cung cấp năng lượng cho một bánh công tác – một thiết bị tương tự như cánh quạt – ở tốc độ rất cao để nhanh chóng hút không khí vào vỏ máy nén nhỏ. Tốc độ bánh công tác có thể đạt tới 50.000 đến 60.000 vòng/phút. Khi không khí được hút vào trung tâm của bánh công tác, lực ly tâm làm cho không khí tỏa ra bên ngoài. Điều đó có nghĩa là không khí rời khỏi bánh công tác ở tốc độ cao nhưng áp suất thấp. Một bộ khuếch tán – một tập hợp các cánh cố định bao quanh bánh công tác – chuyển đổi không khí tốc độ cao, áp suất thấp thành không khí áp suất cao, tốc độ thấp. Các phân tử không khí chậm lại khi chúng va vào cánh cố định, làm giảm tốc độ của luồng không khí và tăng áp suất.
Bộ tăng áp ly tâm là hiệu quả nhất và phổ biến nhất trong tất cả các hệ thống cảm ứng cưỡng bức. Chúng nhỏ, nhẹ và gắn vào phía trước động cơ thay vì phía trên. Chúng cũng tạo ra tiếng kêu đặc biệt khi động cơ tăng tốc – một điều có thể gây chú ý trên đường phố. Các mẫu xe năm 2021 có bộ siêu nạp OEM bao gồm Jaguar XF, Dodge Charger, Volvo S90 và Ford Mustang.
Ưu điểm của Siêu nạp
Ưu điểm lớn nhất của bộ siêu tăng áp là mã lực động cơ được tăng lên. Nếu gắn bộ siêu nạp vào một chiếc ô tô tải bình thường, thì nó sẽ hoạt động giống như một chiếc xe có động cơ lớn hơn, mạnh hơn.
Nhưng nếu ai đó đang cố gắng quyết định giữa bộ siêu nạp và bộ turbo tăng áp thì sao? Câu hỏi này được các kỹ sư ô tô và những người đam mê ô tô tranh luận sôi nổi, nhưng nhìn chung, bộ siêu nạp mang lại một số lợi thế so với turbo tăng áp.
Bộ siêu nạp không bị trễ – thuật ngữ dùng để mô tả khoảng thời gian trôi qua giữa lúc người lái nhấn bàn đạp ga và phản ứng của động cơ. Turbo tăng áp bị trễ vì phải mất một lúc trước khi khí thải đạt vận tốc đủ để chạy tuabin. Bộ siêu nạp không có thời gian trễ vì chúng được truyền động trực tiếp bởi trục khuỷu. Một số bộ siêu nạp nhất định hiệu quả hơn ở RPM thấp hơn, trong khi một số khác hiệu quả hơn ở RPM cao hơn. Ví dụ, bộ siêu nạp trục vít đôi và Roots cung cấp nhiều năng lượng hơn ở tốc độ RPM thấp hơn. Bộ siêu nạp ly tâm, trở nên hiệu quả hơn khi bánh công tác quay nhanh hơn, cung cấp nhiều năng lượng hơn ở tốc độ RPM cao hơn.
Việc lắp đặt turbo tăng áp yêu cầu phải sửa đổi nhiều hệ thống ống xả, nhưng bộ siêu nạp có thể được bắt vít vào đỉnh hoặc bên của động cơ. Điều đó làm cho chúng rẻ hơn, dễ dàng hơn khi lắp đặt và bảo trì.
Trong nhiều thập kỷ trước, những chiếc xe turbo tăng áp phải chạy không tải trong khoảng 30 giây trước khi tắt máy để có thể làm mát đúng cách. Nhưng động cơ turbo tăng áp hiện đại có hệ thống tự động xử lý việc đó cho bạn, vì vậy bạn có thể coi động cơ turbo tăng áp giống như động cơ thông thường – hoặc động cơ siêu nạp. Như đã nói, việc khởi động tốt là rất quan trọng đối với bộ siêu nạp, vì chúng hoạt động hiệu quả nhất ở nhiệt độ hoạt động bình thường.
Bộ siêu nạp là những bổ sung phổ biến cho động cơ đốt trong của máy bay. Máy bay dành phần lớn thời gian ở độ cao lớn, nơi có ít oxy hơn đáng kể để đốt cháy. Với sự ra đời của bộ siêu nạp, máy bay đã có thể bay cao hơn mà không làm giảm hiệu suất của động cơ. Bộ siêu nạp được sử dụng với động cơ máy bay hoạt động giống như bộ siêu nạp được tìm thấy trong ô tô. Chúng lấy năng lượng trực tiếp từ động cơ và sử dụng máy nén để thổi khí nén vào buồng đốt.
Nhược điểm của siêu nạp
Nhược điểm lớn nhất của bộ siêu nạp cũng là đặc điểm nổi bật của chúng: Vì trục khuỷu dẫn động chúng nên chúng phải sử dụng một số mã lực của động cơ. Bộ siêu nạp có thể tiêu thụ tới 20% tổng công suất đầu ra của động cơ. Nhưng vì bộ siêu nạp có thể tạo ra thêm tới 46% mã lực nên hầu hết đều cho rằng sự đánh đổi là xứng đáng.
Siêu nạp tạo thêm áp lực cho động cơ, vốn cần phải mạnh mẽ để xử lý lực tăng thêm và tiếng nổ lớn hơn. Hầu hết các nhà sản xuất tính đến điều này bằng cách chỉ định các bộ phận hạng nặng khi họ thiết kế động cơ dành cho mục đích sử dụng tăng áp siêu nạp. Điều này làm cho chiếc xe đắt tiền hơn. Bộ siêu nạp cũng tốn nhiều chi phí hơn để bảo trì và hầu hết các nhà sản xuất đều đề xuất loại xăng cao cấp có chỉ số octan cao.
Bất chấp những nhược điểm của chúng, bộ siêu nạp vẫn là cách tiết kiệm chi phí nhất để tăng mã lực. Bộ siêu nạp có thể giúp tăng sức mạnh từ 50 đến 100 phần trăm, khiến chúng trở nên tuyệt vời khi đua xe, kéo tải nặng hoặc đơn giản là tăng thêm sự phấn khích cho trải nghiệm lái xe thông thường.
