Turbocharger – Bộ tăng áp được đánh giá cao về khả năng tăng mã lực cho động cơ đốt trong piston, điều này khiến chúng trở nên phổ biến đối với xe đua hoặc xe thể thao hiệu suất cao. Nhưng các bộ tăng áp hiện đại cũng có thể tăng cường tiết kiệm nhiên liệu cùng với mã lực, giúp cho các động cơ nhỏ hơn hoạt động hiệu quả hơn mà vẫn có khả năng chạy với tốc độ cao.
Nhưng làm thế nào để một bộ tăng áp tăng công suất đầu ra của động cơ và hiệu quả của nó?
Bộ tăng áp là một loại hệ thống nạp cưỡng bức giúp nén không khí đi vào động cơ ô tô. Ưu điểm của việc nén không khí là nó cho phép động cơ ép nhiều không khí hơn vào xi lanh, và nhiều không khí hơn có nghĩa là có thể thêm nhiều nhiên liệu hơn để đốt cháy. Do đó, bạn nhận được nhiều năng lượng hơn từ mỗi kỳ nổ trong mỗi xi lanh.
Một động cơ tăng áp tạo ra nhiều năng lượng hơn so với động cơ hút khí tự nhiên cùng kích thước. Điều này có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ công suất trên trọng lượng cho động cơ. Và điều này cũng có nghĩa là một động cơ nhỏ hơn có thể tạo ra mã lực cao hơn một cách hiệu quả hơn, đồng nghĩa với việc ít phải dừng lại ở trạm xăng hơn.
Để đạt được mức tăng này, bộ tăng áp sử dụng luồng khí thải từ động cơ để quay một tuabin, từ đó quay một máy bơm không khí. Tua-bin trong bộ tăng áp thường quay ở tốc độ từ 80.000 đến 200.000 vòng quay mỗi phút (rpm) — nhanh hơn tới 30 lần so với hầu hết các động cơ ô tô có thể quay. Và vì nó được nối với ống xả nên tuabin cũng chạy ở nhiệt độ rất cao.
Turbo tăng áp và động cơ
Một trong những cách chắc chắn nhất để có thêm công suất từ động cơ là tăng lượng không khí và nhiên liệu mà động cơ có thể đốt cháy. Một cách để thực hiện việc này là thêm các xilanh hoặc làm cho các xilanh hiện tại lớn hơn. Đôi khi những thay đổi này có thể không khả thi; một bộ tăng áp có thể là một cách đơn giản hơn, nhỏ gọn hơn để bổ sung năng lượng, đặc biệt là đối với một phụ kiện hậu mãi.
Bộ tăng áp cho phép động cơ đốt cháy nhiều nhiên liệu và không khí hơn bằng cách dồn nhiều nhiên liệu hơn vào các xi-lanh hiện có. Mức tăng thông thường do bộ tăng áp cung cấp là 6 đến 8 pound trên inch vuông (psi). Vì áp suất khí quyển bình thường là 14,7 psi ở mực nước biển, nên bạn có thể thấy rằng bạn đang nhận thêm khoảng 50% không khí vào động cơ. Do đó, bạn sẽ mong đợi nhận được thêm 50 phần trăm năng lượng. Tuy nhiên, thực tế công suất động cơ sẽ tăng thêm khoảng 30 đến 40 phần trăm.
Một nguyên nhân của sự kém hiệu quả đến từ thực tế là năng lượng để quay tuabin không miễn phí. Khi có tuabin trong dòng khí thải, nó sẽ làm tăng sự hạn chế dòng khí thải. Điều này có nghĩa là trong hành trình xả, động cơ phải chống lại áp suất ngược cao hơn. Làm giảm đi một chút năng lượng từ các xi lanh đang đánh lửa cùng lúc.
Thiết Kế của Bộ Tăng Áp
Bộ tăng áp được bắt vít vào ống xả của động cơ. Khí thải từ các xi-lanh làm quay tua-bin, hoạt động giống như động cơ tua-bin khí. Tua bin được kết nối bằng một trục với máy nén, nằm giữa bộ lọc không khí và đường ống nạp. Máy nén tạo áp suất không khí đi vào các xi lanh.
Khí thải từ các xi lanh đi qua các cánh tuabin, làm cho tuabin quay. Càng nhiều khí thải đi qua các cánh tuabin, chúng càng quay nhanh hơn.
Ở đầu kia của trục mà tuabin được gắn vào, máy nén sẽ bơm không khí vào xi lanh. Máy nén là một loại máy bơm ly tâm — nó hút không khí vào giữa các cánh quạt và đẩy không khí ra ngoài khi quay.
Để xử lý tốc độ lên tới 200.000 vòng/phút, trục tuabin phải được đỡ rất cẩn thận. Hầu hết các ổ trục sẽ phát nổ ở tốc độ như thế này, vì vậy hầu hết các bộ tăng áp đều sử dụng ổ trục thủy động hoặc chất lỏng. Loại ổ trục này hỗ trợ trục trên một lớp dầu mỏng được bơm liên tục xung quanh trục. Điều này phục vụ hai mục đích: Nó làm mát trục và một số bộ phận khác của bộ tăng áp, đồng thời cho phép trục quay mà không có nhiều ma sát.
Với việc không khí được bơm vào các xi-lanh dưới áp suất của bộ tăng áp, sau đó được nén thêm bởi pít-tông, sẽ có nhiều nguy cơ xảy ra kích nổ hơn. Kích nổ xảy ra vì khi bạn nén không khí, nhiệt độ của không khí tăng lên. Nhiệt độ có thể tăng đủ để đốt cháy nhiên liệu trước khi bugi đánh lửa. Ô tô có bộ tăng áp thường cần chạy bằng nhiên liệu có chỉ số octan cao hơn để tránh kích nổ. Nếu áp suất tăng áp thực sự cao, tỷ số nén của động cơ có thể phải giảm xuống để tránh hiện tượng kích nổ.
Hệ thống tăng áp cũng có thể sử dụng bộ làm mát trung gian giữa bộ tăng áp và xi lanh. Điều này làm mát không khí trước khi đến buồng đốt, giảm khả năng kích nổ.
Các bộ phận của Turbo tăng áp
Một trong những vấn đề chính với bộ tăng áp là chúng không tăng công suất ngay lập tức khi bạn nhấn ga. Phải mất một giây để tua-bin tăng tốc trước khi tạo ra lực đẩy. Điều này dẫn đến cảm giác bị trễ khi bạn đạp ga, và sau đó xe lao về phía trước khi động cơ tăng áp bắt đầu di chuyển.
Hầu hết các bộ tăng áp trên ô tô đều có một cửa xả (Wastegate), cho phép sử dụng một bộ tăng áp nhỏ hơn để giảm độ trễ đồng thời ngăn không cho nó quay quá nhanh ở tốc độ động cơ cao. Cửa xả là một van cho phép khí thải đi qua cánh tuabin. Cửa xả cảm nhận được áp suất tăng. Nếu áp suất quá cao, đó có thể là dấu hiệu cho thấy tua-bin đang quay quá nhanh, do đó, cửa xả sẽ bỏ qua một số khí thải xung quanh các cánh tua-bin, cho phép các cánh quay chậm lại.
Một số bộ tăng áp sử dụng ổ bi thay vì ổ trục chất lỏng để đỡ trục tuabin. Nhưng đây không phải là những vòng bi thông thường của bạn. Chúng là những vòng bi siêu chính xác được làm bằng vật liệu tiên tiến để xử lý tốc độ và nhiệt độ của bộ tăng áp. Chúng cho phép trục tuabin quay với ít ma sát hơn so với ổ trục chất lỏng được sử dụng trong hầu hết các bộ tăng áp. Chúng cũng cho phép sử dụng một trục nhỏ hơn, nhẹ hơn một chút. Điều này giúp bộ tăng áp tăng tốc nhanh hơn, giảm độ trễ turbo hơn nữa.
Sử dụng hai bộ tăng áp và các bộ phận tăng áp khác
Một số động cơ sử dụng hai bộ tăng áp có kích thước khác nhau. Cái nhỏ hơn sẽ quay với tốc độ rất nhanh, giảm độ trễ, trong khi cái lớn hơn sẽ tiếp tục ở tốc độ động cơ cao hơn để tạo ra nhiều lực đẩy hơn.
Khi không khí bị nén, nó nóng lên; và khi không khí nóng lên, nó nở ra. Vì vậy, một số áp suất tăng từ bộ tăng áp là kết quả của việc làm nóng không khí trước khi đi vào động cơ. Để tăng sức mạnh của động cơ, mục tiêu là đưa nhiều phân tử không khí vào xi lanh hơn, chứ không phải phải tăng áp suất không khí.
Bộ làm mát trung gian hoặc bộ làm mát không khí nạp là một bộ phận bổ sung trông giống như bộ tản nhiệt, ngoại trừ không khí đi qua bên trong cũng như bên ngoài bộ làm mát trung gian. Không khí nạp đi qua các lối đi bịt kín bên trong bộ làm mát, trong khi không khí làm mát từ bên ngoài được quạt làm mát động cơ thổi qua các cánh tản nhiệt.
Bộ làm mát trung gian làm tăng thêm sức mạnh của động cơ bằng cách làm mát không khí có áp suất ra khỏi máy nén trước khi đi vào động cơ. Điều này có nghĩa là nếu bộ tăng áp hoạt động ở mức tăng 7 psi, thì hệ thống làm mát trung gian sẽ đưa vào 7 psi không khí mát hơn, đặc hơn và chứa nhiều phân tử không khí hơn.
Bộ tăng áp cũng giúp ích ở độ cao lớn, nơi không khí ít đậm đặc hơn. Động cơ bình thường sẽ bị giảm công suất ở độ cao lớn vì với mỗi hành trình của pít-tông, động cơ sẽ nhận được một khối lượng không khí nhỏ hơn. Động cơ tăng áp cũng có thể bị giảm công suất, nhưng mức giảm sẽ ít nghiêm trọng hơn vì khả năng nén không khí của động cơ tăng áp sẽ bù đắp hầu hết các tác động của không khí loãng hơn.
Hệ thống phun nhiên liệu trên ô tô ngày nay dựa vào các cảm biến oxy trong ống xả để xác định xem tỷ lệ không khí-nhiên liệu có chính xác hay không, vì vậy chúng sẽ tự động tăng lưu lượng nhiên liệu nếu thêm một bộ tăng áp. Nếu một bộ tăng áp có quá nhiều lực đẩy được thêm vào ô tô được phun nhiên liệu, thì hệ thống có thể không cung cấp đủ nhiên liệu. Phần mềm được lập trình trong bộ điều khiển sẽ không cho phép điều đó hoặc máy bơm và kim phun không có khả năng cung cấp điều đó. Trong trường hợp này, các sửa đổi khác sẽ phải được thực hiện để thu được lợi ích tối đa từ bộ tăng áp.
