Hệ thống nạp là một trong những hệ thống quan trọng nhất của động cơ đốt trong. Trong kỹ thuật ô tô, đường ống nạp hay bộ góp nạp là một bộ phận của động cơ đốt trong có vai trò cung cấp hỗn hợp nhiên liệu/không khí (hoặc chỉ không khí) đến các xi lanh. Chức năng chính của đường ống nạp là phân phối đều hỗn hợp hòa khí (hoặc chỉ không khí trong động cơ phun trực tiếp) đến từng cửa nạp trong (các) đầu xi lanh. Việc phân phối đều là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả và hiệu suất của động cơ. Nó cũng có thể được dùng như một giá đỡ cho bộ chế hòa khí, thân bướm ga, kim phun nhiên liệu và các thành phần khác của động cơ. Vì vậy, các nhà sản xuất đặc biệt chú ý trong khi thiết kế đường ống nạp động cơ.
Ngoài ra, do chuyển động bơm của các pít-tông trong xilanh và hạn chế do van tiết lưu gây ra, trong động cơ pít-tông đánh lửa bằng tia lửa điện, tồn tại một áp suất chân không trong đường ống nạp. Áp suất chân không này có thể rất đáng kể và có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng phụ trợ cho ô tô để dẫn động các hệ thống phụ trợ: phanh trợ lực, thiết bị kiểm soát khí thải,… Chân không này cũng có thể được sử dụng để hút bất kỳ khí thổi piston nào từ cacte của động cơ. Đây được gọi là Hệ thống thông khí hộp trục khuỷu.
Ống góp nạp có thể được chế tạo bằng nhôm, gang. Nhưng ngày nay, với sự phát triển của vật liệu tổng hợp, ống góp nạp dần được chuyển sang sử dụng vật liệu composite.
1. Cơ sở thiết kế – Ống góp nạp điều chỉnh
Được giới thiệu lần đầu tiên trên chiếc Mercedes 300SL vào năm 1954, rõ ràng thì ống góp nạp điều chỉnh không hẳn là một công nghệ mới. Tuy nhiên, nguyên lý của nó rất hữu ích cho nghiên cứu sâu hơn về đường ống nạp biến thiên.
Trước những năm 1950, các kỹ sư tin rằng ống góp nạp ngắn là cách tốt nhất để động cơ thở (nạp và xả). Sau đó, họ phát hiện ra rằng trong một số điều kiện, các ống góp nạp dài thực sự có thể cải thiện hiệu quả đầu ra của động cơ, đó là nhờ vào cái gọi là “hiệu ứng tăng áp”. Điều đó được thực hiện như thế nào?
Khi không khí sạch được hút vào buồng đốt, nó tập hợp tốc độ và động lượng trong đường ống nạp. Ngay sau khi van nạp được đóng lại, không khí chuyển động nhanh chạm vào van và nén, tạo ra áp suất cao sẽ dội ngược trở lại, đi dọc theo đường ống nạp, va đập vào khoang chứa sau đó dội ngược lại. Bằng cách này, áp suất cao dội ngược lại dọc theo đường ống nạp cho đến khi van nạp mở trở lại, tạo ra sóng áp suất.
Trường hợp đặc biệt: nếu van nạp mở lại chính xác khi sóng áp suất quay trở lại, sóng áp suất sẽ giúp nạp vào buồng đốt do áp suất cao của nó. Điều này không giống như việc nạp buồng đốt bằng một bộ tăng áp nhẹ, do đó chúng ta gọi đây là hiệu ứng tăng áp.
Như vậy để phù hợp với thời điểm mở van, tần số của sóng áp suất phải đồng bộ với vòng quay của động cơ. Tần số này phụ thuộc vào chiều dài của ống nạp (L trong hình). Chiều dài càng dài, thời gian sóng áp suất bật trở lại càng lâu, do đó tần số của sóng áp suất càng thấp. Kết quả là, đường ống nạp dài hơn dẫn đến hiệu quả tăng áp ở vòng tua động cơ thấp hơn. Ống góp ngắn hơn dẫn đến hiệu quả tăng áp ở vòng quay cao hơn. Bằng cách chọn chiều dài ống góp phù hợp, chúng ta có thể thu được đặc tính công suất mong muốn.
Các tính toán được tìm ra để đạt được hiệu quả tăng áp hữu ích, đường ống nạp phải dài bất thường. Nếu quá ngắn, sóng áp suất sẽ dội lại quá nhiều lần trong ống góp trước khi van mở trở lại, lúc đó áp suất cao sẽ giảm đi phần lớn. Do đó, ống nạp được điều chỉnh phải dài.
Thật không may, ống nạp điều chỉnh chỉ hoạt động trên một dải vòng quay hẹp. Nếu động cơ quay vượt quá dải tần đó, sóng áp suất sẽ đến quá muộn trong hành trình nạp, đóng góp ít vào quá trình nạp. Nếu động cơ chạy dưới dải vòng tua đó, sóng áp suất sẽ đến van nạp trước khi nó mở. Trong cả hai trường hợp, vùng áp suất thấp của sóng áp suất thậm chí có thể chống lại quá trình nạp vào xi lanh, cản trở đầu ra mô-men xoắn.
Động cơ xe thể thao có thể sử dụng một ống nạp điều chỉnh ngắn hơn để tối ưu hóa công suất của nó ở vòng tua cao (với tổn hao đầu ra từ vòng quay thấp đến trung bình). Ngược lại, một chiếc sedan hạng nặng hoặc động cơ xe van thương mại có thể chọn một ống góp dài hơn để ưu tiên đầu ra ở vòng tua thấp với tổn hao của đầu ra ở vòng tua cao. Như bạn có thể thấy, việc lựa chọn chiều dài ống góp luôn là một sự lựa chọn có tính chấp nhận được và mất. Đó là lý do tại sao nhiều động cơ hiện đại chuyển sang ống nạp biến thiên …
2. Ống góp nạp biến thiên – Variable Intake Manifold (VIM)
Ống nạp biến thiên đã phổ biến trên các động cơ hút khí tự nhiên từ giữa những năm 1990. Nó chủ yếu được sử dụng để mở rộng đường cong mô-men xoắn, hoặc nói cách khác, cải thiện tính linh hoạt của động cơ. Ống góp nạp điều chỉnh thông thường tập trung vào dải vòng tua hẹp. Ngược lại, VIM cung cấp 2 hoặc nhiều giai đoạn cấu hình ống nạp để đối phó với các tốc độ động cơ khác nhau. Điều này nghe rất giống định thời van biến thiên, nhưng VIM thường rẻ hơn để sản xuất vì nó chỉ liên quan đến một số ống góp đúc hoặc nhựa và một vài van hoạt động bằng điện. Điều đó giải thích tại sao nó đã được áp dụng cho các động cơ rẻ hơn và nhỏ hơn trước khi VVT trở nên phổ biến. Ngày nay, nhiều động cơ sử dụng cả hai tính năng để đạt được kết quả tốt nhất.
Tuy nhiên, ống góp nạp biến thiên hiếm khi được sử dụng trên động cơ tăng áp hoặc siêu nạp – động cơ 2.0 TFSI của Volkswagen là một trong số ít trường hợp ngoại lệ. Điều này là do cảm ứng cưỡng bức đã mang lại hiệu ứng tăng áp mạnh mẽ. Điều này phần lớn làm giảm lợi ích của VIM, do đó chi phí và trọng lượng bổ sung của nó là khó có thể biện minh. Khi ngày càng có nhiều xe chuyển sang động cơ tăng áp, mức độ phổ biến của VIM được cho là sẽ hạ nhiệt trong tương lai gần.
Có hai loại VIM: loại có độ dài thay đổi và loại cộng hưởng.
2.1. Ống nạp có chiều dài biến thiên (VLIM)
Ống góp nạp có chiều dài biến thiên là câu trả lời trực tiếp cho sự thiếu sót của ống nạp được điều chỉnh thông thường. Nếu một ống nạp có chiều dài cố định được tối ưu hóa cho dải vòng tua rất hẹp, vậy thì tại sao không cung cấp cho nó 2 bộ ống nạp, một bộ có ống ngắn để phục vụ vòng tua cao trong khi bộ khác có ống dài để phục vụ vòng tua thấp? Bằng cách sử dụng van bướm đơn giản, việc chuyển đổi giữa các đường ống dài và ngắn rất dễ dàng.
Một số hệ thống VLIM đời đầu, như Ford 2.5 Duratec V6, đã sử dụng ống dài và ống ngắn riêng biệt, có thể dễ dàng nhìn thấy ở đây. Các ống ngắn đi đến dãy xi lanh gần nhất trong khi các ống dài đi đến dãy đối diện. Sự sắp xếp như vậy là ăn khớp không gian. Việc thiếu không gian dẫn đến việc sử dụng các đường ống hẹp hơn, do đó nó không phù hợp lắm với động cơ hiệu suất cao.
Đó là lý do tại sao hầu hết các hệ thống VLIM, như hệ thống này trên động cơ Honda K20C, có đường dẫn khí nạp dài và ngắn chia sẻ cùng một ống góp. Ở vòng tua máy thấp, không khí chạy qua ống góp dài; Ở vòng tua máy cao, một van mở ra một đường cắt ngắn, do đó không khí tham gia vào ống góp ở giai đoạn sau.
2.2. Ống góp nạp có chiều dài biến thiên 3 giai đoạn
Nếu 2 giai đoạn không đủ tốt để mở rộng đường cong mô-men xoắn, vậy thì tại sao chúng ta không sử dụng ống góp nạp có chiều dài biến thiên 3 giai đoạn?
Hình ảnh là của động cơ Audi V8 4.2 lít 40 van được sử dụng vào cuối những năm 1990 đến giữa những năm 2000. Hệ thống VLIM của nó được đặt bên trong đường rãnh chữ V để tiết kiệm không gian. Có hai cánh bên trong hệ thống. Khi cả hai đều đóng, không khí sạch chạy qua toàn bộ chiều dài của ống góp. Với một cánh mở ra, không khí chạy qua một đường cắt ngắn. Với một cánh khác mở ra, một con đường thậm chí còn ngắn hơn sẽ được thiết lập.
Đường cong mô men xoắn sau đây cho thấy ảnh hưởng của 3 giai đoạn của VLIM:
Hệ thống 3 giai đoạn phức tạp hơn một chút và ăn khớp về không gian hơn so với hệ thống 2 giai đoạn. Nhưng cuối cùng thì nó vẫn bị bỏ rơi khi Audi giới thiệu VVT và FSI kép liên tục để mở rộng đường cong mô-men xoắn.
2.3. Ống góp nạp có chiều dài biến thiên liên tục – BMW DIVA
Hệ thống DIVA (Differentiated Variable Air Intake – Hệ thống hút khí biến thiên khác biệt) của BMW lần đầu tiên được giới thiệu cho động cơ N52 V8 trên 7-Series vào năm 2001. Đây là ống góp nạp có chiều dài biến thiên liên tục đầu tiên trên thế giới.
Nguyên tắc rất đơn giản. Ống nạp của mỗi xi lanh được bố trí hình tròn và nửa chìm vào rãnh chữ V. Bức tường bên trong thực sự là một rôto, trên đó có cửa hút gió. Khi rôto quay, vị trí của đầu vào không khí di chuyển so với vỏ ngoài của ống góp. Điều này thay đổi chiều dài hiệu quả của ống nạp, từ tối đa 673 mm đến 231 mm.
Ở tốc độ dưới 3.500 vòng/phút, DIVA sử dụng chiều dài ống góp tối đa để tối ưu hóa mô-men xoắn cấp thấp. Trên 3.500 vòng/phút, chiều dài được giảm dần theo vòng quay, giữ cho hiệu quả tăng áp ở mức tối ưu.
Vì DIVA yêu cầu cấu trúc hình tròn, nó chiếm nhiều không gian hơn (đặc biệt là chiều cao) so với các hệ thống VLIM khác. Điều này ngăn cản nó trở nên phổ biến. Ngay cả bản thân BMW cũng không quan tâm đến công nghệ này. Khi động cơ V8 4.4 lít được mở rộng lên 4.8 lít, mô-men xoắn tăng thêm đã cho phép BMW từ bỏ DIVA để chuyển sang hệ thống VLIM 2 giai đoạn đơn giản hơn. Động cơ V8 thế hệ tiếp theo thậm chí còn chuyển sang tăng áp nên DIVA không có hy vọng quay trở lại. Ngày nay, nó vẫn là ống nạp biến thiên liên tục duy nhất từng được sản xuất.
2.4. Kèn biến thiên (Variable trumpets) – Ferrari F12tdf
Các ống nạp biến thiên thông thường khá nặng và chiếm nhiều không gian. Chúng cũng có khả năng làm cho các ống nạp bị xoắn hoặc bị thu hẹp khiến công suất dải tốc độ cao bị ảnh hưởng. Ferrari F12tdf tránh được những vấn đề này bằng cách sử dụng một loại ống nạp biến thiên khác. Động cơ V12 sử dụng 2 bộ kèn (bộ màu đen trong hình bên dưới) có thể di chuyển trong các khoang chứa hút khí, thay đổi chiều dài hiệu quả của ống nạp. Kèn được chuyển động nhờ cơ cấu truyền động thủy lực nằm giữa hai khoang chứa. Trong F12tdf, kèn thay đổi giữa các vị trí dài và ngắn, nhưng về mặt lý thuyết, thiết kế này có thể dễ dàng sửa đổi để thay đổi liên tục giữa hai vị trí.
Một thiếu sót của thiết kế này là phạm vi điều chỉnh hạn chế. Vì kèn có thể di chuyển được khá ngắn nên sự khác biệt giữa các chế độ dài và ngắn không lớn như các hệ thống VIM thông thường. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng nhiều bộ phận kèn làm việc theo kiểu kính thiên văn.
2.5. Ống góp nạp cộng hưởng
Động cơ Boxer và động cơ chữ V có thể sử dụng ống nạp cộng hưởng để mở rộng đường cong mô-men xoắn. Mỗi dãy xi lanh được cấp bởi một buồng chứa chung thông qua các đường ống riêng biệt. Hai khoang chứa thông nhau được nối với nhau bằng hai đường ống có đường kính khác nhau. Một trong các đường ống có thể được đóng lại bằng van được điều khiển bởi hệ thống quản lý động cơ. Thứ tự nổ được sắp xếp sao cho các xi lanh nạp xả luân phiên từ mỗi buồng, tạo ra sóng áp suất giữa chúng. Nếu tần số của sóng áp suất phù hợp với vòng quay, nó có thể giúp nạp đầy xi lanh, do đó cải thiện hiệu quả nạp. Vì tần số cũng phụ thuộc vào diện tích mặt cắt ngang của các ống kết nối với nhau, bằng cách đóng một trong số chúng ở vòng quay thấp, diện tích cũng như tần số giảm, do đó tăng cường công suất ở vòng quay thấp hơn. Ở vòng tua cao, van được mở do đó cải thiện tốc độ nạp đầy xi lanh ở tốc độ cao.
Hệ thống nạp cộng hưởng đã được sử dụng trên các dòng xe Porsche khác nhau bắt đầu từ chiếc 964 Carrera. Trong chiếc 993, Porsche đã kết hợp nó với một ống góp chiều dài biến thiên bổ sung để tạo thành hệ thống nạp 3 giai đoạn mang tên VarioRam. Tuy nhiên, hệ thống này rất tốn diện tích, vì vậy từ phiên bản 996 trở đi, nó chuyển về hệ thống nạp cộng hưởng, mặc dù Porsche vẫn sử dụng tên VarioRam. Honda NSX là một ứng dụng hiếm hoi khác của hệ thống nạp cộng hưởng.
- A: dưới 5.000 vòng/phút: ống dài; vô hiệu hóa nạp cộng hưởng.
- B: 5.000-5.800 vòng/phút: nạp cộng hưởng ống dài với ống ống ngắn, với một đường ống nối liền với bộ nạp cộng hưởng được đóng lại.
- C: trên 5.800 vòng/phút: nạp cộng hưởng ống dài với ống ngắn, với cả hai đường ống thông nhau của bộ nạp cộng hưởng đều mở.
