Tăng áp động cơ là gì ? Sự khác biệt giữa động cơ " Turbocharger & Supercharger".

TÌM  HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ TURBOCHARGERS VÀ SUPERCHARGERS

I. KHÁI QUÁT CHUNG

1. Sự cần thiết của tuabin tăng áp và máy nén tăng áp

• Tuabin tăng áp và máy nén khí tăng áp là những thiết bị để nén không khí vào xy-lanh với á suất cao hơn áp suất khí quyển để tăng công suất của động cơ.
• Nhìn chung công suất của động cơ được xác định bởi lượng hỗn hợp không khí -  nhiên liệu đối cháy trong một quãng thời gian nhất định và lượng hỗn hợp không khí nhiên liệu càng tăng thì công suất dộng cơ càng lớn.
• Điều đó có nghĩa là để tăng công suất của động cơ thì phải tăng dung tích của động cơ.
• Vấn đề là ở chổ khi tăng dung tích của dộng cơ lên thì trọng lượng của dộng cơ cũng tăng theo lên, và các yếu tố như tổn thất do ma sát, rung động, và tiếng ồn lại hạn chế khả năng tăng tốc của động cơ.
• Tuabin tăng áp đáp ứng được cả hai yêu cầu mâu thuẫn với nhau này, tăng được công suất của động cơ mà vẫn giữ được cho động cơ gọn nhẹ bằng cacsnh cung cấp khối lượng hỗn hợp không khí nhiên liệu lớn hơn mà không thay đổi kích thước của động cơ.

2. Phân loại 

• Tua bin tăng áp được dẫn dộng bằng khí xả
• Máy nén khí tăng áp được dẫn động từ động cơ

3. Đặc điểm của Tuabin tăng áp và máy nén tăng áp:

• Tuabin nạp khí tăng áp cũng như máy nén tăng áp đều là những máy bơm không khí, dùng để nén không khí vào xy lanh nhằm tăng lượng khí nạp. Các động cơ thông thường hút khí vào xy lanh nhờ áp suất chân không được tạo ta khi piston đi xuống.
• Nhờ có Tuabin nạp khí tăng áp hoặc máy nén tăng áp mà không khí được nén vào xy lanh với áp xuất cao hơn áp suất của khí quyển. Nhờ thế lượng không khí nạp vào xy lanh cũng tăng lên.

4. Hiệu suất khí nạp 

a. Hiệu suất khí nạp

 Khả năng nạp khí của động cơ được gọi là hiệu suất khí nạp. Các động cơ thông thường có hiệu suất khí nạp khoảng 65-85%, do sức cản trong hệ thống nạp và do khí xả chỉ qua hệ thống xả. Nhưng dối với động cơ có trang bị Tua bin hoặc máy nén tăng áp thì hiệu suất khí nạp có thể đạt trên 100%.

b. Tỷ số nén

• Khi áp suất nén tăng lên thì động cơ xăng có nguy  cơ phát sinh tiếng gõ. Vì không khí được nén vào xy lanh với áp suất lớn hơn áp suất khí quyển nên động cơ có trang bị tuabin tăng áp hoặc máy nến tăng áp sẽ có áp suất cao hơn các dộng cơ thông thường, và vì thế càng dễ xuất hiện tiếng gõ.
• Bởi vậy tỷ số nén của động cơ có trang bị Tua bin tăng áp hoặc máy nén tăng áp phải được đặt thấp hơn động cơ thông thường để ngăn ngừa tiếng gõ.

II. Tua bin tăng áp

1. Mô tả 

• Tuabin tăng áp là thiết bị sử dụng năng lượng của khí xả để làm quay bánh tua bin với tốc độ cao. Bánh nén khí (rô to) được lắp trên cùng trục với bánh Tua bin, nó có tác dụng ngăn ngừa áp suất nạp tăng lên quá cao.
• Một số kiểu động cơ có trang bị bộ làm mát trung gian để giảm nhiệt độ của không khí nạp và tăng hiệu quả nạp.

Lưu ý: trong khi vận hành vì Tuabin nạp khí trở nên nóng do khí xả. Cần phải đảm bảo thay dầu động cơ theo đúng định kỳ.

2. Các bộ phận

 Tua bin nạp khí ( Tua bin tăng áp ) bao gồm khoang tua bin, khoang trung tâm, bánh tuabin, bánh nén khí, các ổ trục tự lựa hoàn toàn, van cửa xả và bộ chấp hành.

a. Bánh tua bin và bánh nén khí.

• Bánh tua bin và bánh nén khí được lắp trên cùng một trục. Khi bánh  tuabin quay với tốc độ càng cao nhờ có áp suất của luồng khí xả thì bánh nén khí cũng quay theo và nén không khí vào xy lanh.
• Bánh tuabin phải chịu được nhiệt độ và có độ bền cao vì nó tiếp xúc trực tiếp với khí xả, quay với tốc độ cao và trở nên rất nóng. Bởi vậy nó được làm bằng hợp kim siêu chịu nhiệt hoặc làm từ vật liệu gốm.

b. Khoang trung tâm

• Khoang trung tâm đỡ bánh tua bin và bánh nén khí thông qua trục của chúng. 
• Trong khoang trung tâm có đường dẫn dầu để bôi trơn và làm mát cho trục và các ổ trục.
• Nước làm mát động cư cũng được tuần hoàn qua kênh làm mát trong khoang trung tâm để nhiệt độ dầu động cơ không bị tăng lên tránh hủy hoại dầu.

c. Các ổ trục

• Các bánh tuabin và nén khí chạy với tốc độ đến 100,000 vòng / phút, vì thế phải sử dụng các ổ trục tự lựa hoàn toàn để đảm bảo hấp thụ các rung động của trục và bôi trơn trục.
• Những ổ trục này được bôi tron bằng dầu động cơ và quay tự do giữa trục và vỏ hộp, nhằm giảm ma sát cho phét trục quay với tốc độ cao.

d. Van cửa xả và bộ chấp hành

•  Van cửa xả được lắp trong khoang Tuabin. Khi van này mở thì một phần khí xả sẽ đi tắt qua ống xả, nhờ thế mà giữ ổn định cho áp suất nạp, khi áp suất nạp đạt đến trị số đã định (khoảng 0,7 kg/cm2 ).
• Việc đóng mở van được kiểm soát bởi bộ chấp hành.

3. Phương pháp tăng lượng phun nhiên liệu

Động cơ được trang bị Tuabin tăng áp hoặc má nén tăng áo để đữa vào xy lanh một lượng không khí lớn hơn. Công suất của động cơ sẽ không tăng lên được khi lượng khí nạp này không được đốt cháy hoàn toàn. Vì thế phải tăng lượng nhiên liệu để đốt cháy hoàn toàn khí nạp. Như vậy tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng lên khi tăng công suất động cơ.

a. Kiều điều khiển bằng cơ học

Đối với động cơ diesel bộ bù nạp sẽ tăng lượng bơm nhiên liệu cực đại phù hợp với áp suất nạp.

b. Kiểu điều khiển bằng ECU

  Trong động cơ điều khiển bằng máy tính lượng không khí nạp được theo dõi bằng cảm biến lưu lượng khí nạp còn áp suất khí nạp được theo dõi bằng bộ  cảm biến áp suất của tuabin nạp, và sự tăng lượng phun nhiên liệu cực đại được điều khiển bằng ECU của động cơ. 

III. Những lưu ý khi sử dụng đối với tuabin tăng áp

1. Trong khi vận hành

• Trong động cơ có trang bị tuabin tăng áp, dầu động cơ không chỉ được sử dụng để bôi trơn động cơ mà còn để bôi trơn và làm mát tua bin tăng áp. Khi dầu tiếp xúc với nhiệt của Tuabin tăng áp, nhiệt độ dầu tăng lên. Vì vậy việc chăm sóc dầu và các bộ lọc dầu cần được thực hiện một cách chu đáo. Nếu không nó có thể làm cho tuabin tăng áo hư hỏng.
• Nếu không sử dụng loại dầu theo chỉ dẫn sẽ làm cho các ổ trục của Tua bin nạp khí hư hỏng. Vì vậy đảm bảo sử dụng đúng loại dầu theo chỉ dẫn.
• Bởi vì ngay sau khi khởi động động cơ ngội thì các ổ trục chưa được bôi trơn đầy đủ, cho nên nếu tăng tốc động cơ đột ngột thì có thể làm hỏng ổ trục.
• Sau khi động cơ đã chịu tải nặng ví dụ sau khi xe chạy với tốc dộ cao hoặc chạy đường dài cần để cho động cơ chạy không tải vài phút trước khi tắt máy.
• Nhiệt độ của tuabin tăng áp không lên quá cao trong xe chạy, vì tuabin tăng áp được làm mát bởi dầu và nược làm mát. khi cho dừng động cơ ngay sau khi chạy với tốc độ cao, thì dầu và nước làm mát ngừng tuần hoàn ngay và làm cho tua bin nạp khí không được làm mát, dẫn đến hỏng hóc, kẹt, bó... vì thế cần phải cho chạy không tải và làm mát tuabin tăng áp.

2. Trong khi bảo dưỡng

• Không được khởi động động cơ có bộ lọc khí hoặc tháo bộ lọc khí ra để tránh các di vật có thể lọt vào và làm hỏng bánh bơm và bánh tuabin.

• Trong trường hợp tuabin tăng áp bị trục trặc và cần phải thay thế thì trước hết cần kiểm tra các mục sau đây để tìm nguyên nhân và cách khắc phục cần thiết .

                  - Mức và chất lượng dầu của động cơ

                  - Điều kiện làm việc của Tuabin tăng áp

                  - Đường dẫn dầu đến tuabin tăng áp

• Khi tháo tuabin tăng áp ra cần phải nút kín các cửa nạp và xả và đầu ống dẫn dầu để tránh di vật lọt vào hệ thống.
• Khi tháo hoặc lắp tuabin tăng áp, không được thả rơi nó và đập nó hoặc nắm giữ những bộ phận dễ biến dạng như bộ điều khiển, cần.

• Khi thay thế tuabin tăng áp hãy kiểm tra xem muội than có bọ đọng lại trong ống dẫn dầu hay không. Nếu cần thì làm sạch hoặc thay luôn cả ống dẫn dầu.
• Khi thay tuabin tăng áp, hãy cho dầu vào cửa cấp dầu của tuabin tăng áp sau đó dùng tay để quay bánh nén khí để cho dầu đi vào các ổ trục.
• Sau khi sửa chữa lớn hoặc thay thế động cơ, cần cắt đường cung cấp nhiên liệu và cho quay động cơ trong khoảng 30 giây để dầu bôi trơn đi đến tất cả các bộ phận. Sau đó cho động cơ chạy không tải 60 giây.

IV.Các loại tuabin tăng áp hiện nay

1. Động cơ đơn (Single turbo)

Động cơ turbo tăng áp đơn lẻ có thể biến thiên vô hạn. Sự khác biệt kích thước giữa bánh răng máy nén và tuabin sẽ dẫn đến các đặc tính mô-men xoắn hoàn toàn khác nhau. Tua bin lớn sẽ mang lại công suất cao nhất, nhưng tuabin nhỏ giúp nó quay nhanh hơn. Ngoài ra vòng bi giúp giảm ma sát cho máy nén và tuabin quay, do đó quay nhanh hơn.

a. Ưu điểm

• Tăng sức mạnh của động cơ một cách hiệu quả. Đơn giản về cách lắp đặt tính toán.

• Cho phép sử dụng các động cơ nhỏ hơn để tạo ra sức mạnh tương đương với các động cơ hút khí tự nhiên lớn hơn

b. Nhược điểm

• Tua bin đơn có xu hướng có phạm vi RPM hạn chế. Điều này làm cho kích thước trở thành một vấn đề, vì bạn sẽ phải lựa chọn giữa mô-men xoắn hoặc công suất.
• Phản ứng Turbo có thể không nhanh so với các kiểu turbo khác.

2. Tăng áp kép (Twin-Turbo hay Bi-Turbo)

Cũng giống như các bộ tăng áp đơn, có rất nhiều lựa chọn khi sử dụng hai bộ tăng áp. Bạn sẽ có một bộ tăng áp riêng cho mỗi dãy xi lanh (V6, V8, v.v.). hoặc một bộ tăng áp đơn có thể được sử dụng cho RPM thấp và một bộ tăng áp lớn hơn cho RPM cao (I4, I6, v.v.).

Bạn thậm chí có thể có hai tuabin có kích thước tương tự nhau, trong đó một tuabin được sử dụng ở tốc độ RPM thấp và cả hai đều được sử dụng ở tốc độ RPM cao. Trên BMW X5 M và X6 M, các tuabin cuộn đôi được sử dụng, một ở mỗi bên của động cơ V8.

a. Ưu điểm

• Đối với các tuabin đôi song song trên các động cơ hình chữ “V”, các lợi ích (và nhược điểm) rất giống với kiểu turbo đơn.
• Đối với các tuabin tuần tự hoặc sử dụng một turbo ở tốc độ RPM thấp và cả ở tốc độ RPM cao, điều này cho phép đường cong mô-men phẳng hơn, rộng hơn nhiều. Mô-men xoắn thấp tốt hơn, nhưng công suất sẽ không giảm ở tốc độ RPM cao như với một turbo nhỏ.

b. Nhược điểm

• Chi phí cao và phức tạp, vì phải đã tăng gần gấp đôi các thành phần turbo.

3. Tăng áp cuộn đôi (Twin-scroll turbo)

Bằng cách sử dụng hai cuộn, các xung xả được chia. Với một ống turbo đơn cuộn truyền thống, áp suất khí thải từ xi lanh 1 sẽ cản trở xy lanh 2 hút không khí sạch vì cả hai van xả tạm thời mở. Từ đó làm giảm áp lực đến turbo.

a. Ưu điểm

• Nhiều năng lượng được gửi đến tuabin xả
• Có thể tăng phạm vi RPM rộng hơn dựa trên các thiết kế cuộn khác nhau.
• Có thể chồng chéo nhiều van hơn (cùng 1 lúc 2 van xả đều mở) mà không cản trở ,linh hoạt điều chỉnh hơn.

b. Nhược điểm

• Yêu cầu bố trí động cơ cụ thể và thiết kế ống xả (ví dụ: I4 và V8, trong đó 2 xi-lanh có thể được đưa vào mỗi cuộn của turbo, tại các khoảng thời gian) khó và phức tạp hơn.
• Chi phí và độ phức tạp cao hơn so với các tuabin đơn truyền thống.

4. Bộ tăng áp cuộn đôi biến thiên (Variable twin-scroll turbo)

Một turbo cuộn kép biến đổi kết hợp VGT với thiết lập cuộn đôi, do đó ở các vòng quay thấp, một trong các cuộn được đóng hoàn toàn, buộc tất cả không khí vào bên kia. Điều này dẫn đến phản ứng turbo tốt và sức mạnh cấp thấp. Khi bạn tăng tốc, một van mở ra để cho phép không khí vào cuộn khác (đây là một quá trình hoàn toàn thay đổi, có nghĩa là van mở theo từng bước nhỏ), bạn sẽ có được hiệu suất cao cấp tốt.

a. Ưu điểm

• Rẻ hơn đáng kể (về lý thuyết) so với VGT, do đó tạo ra một trường hợp chấp nhận được cho việc tăng áp động cơ xăng.
• Cho phép đường cong mô-men xoắn rộng, phẳng.
• Mạnh mẽ hơn trong thiết kế so với VGT, tùy thuộc vào lựa chọn vật liệu.

b. Nhược điểm

• Chi phí và độ phức tạp cao hơn so với sử dụng một turbo đơn hoặc cuộn kép truyền thống.
• Công nghệ này đã được nghiên cứu trước đây, nhưng dường như không bắt kịp trong thế giới sản xuất do có những thách thức về công nghệ.

5. Động cơ tăng áp điện (Electric turbo)

Full Electric Turbocharger Technology là công nghệ mới cho phép các nhà sản xuất xe đáp ứng luật pháp về khí thải nghiêm ngặt trong tương lai, đồng thời cung cấp phản ứng tuyệt vời trong phạm vi vận hành động cơ, ngay cả ở vòng tua động cơ thấp và tốc độ xe. FETT là giải pháp tối ưu cho việc thu hẹp động cơ cực độ và cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách sử dụng bộ tăng áp một tầng

a. Ưu điểm

• Bằng cách kết nối trực tiếp một động cơ điện với bánh răng máy nén, độ trễ turbo và khí thải có thể được loại bỏ gần như bằng cách quay máy nén bằng năng lượng điện khi cần thiết.
• Bằng cách kết nối một động cơ điện với tuabin khí thải, năng lượng lãng phí có thể được phục hồi.
• Phạm vi RPM hiệu quả rất rộng với mô-men xoắn đều.

b.Nhược điểm

• Chi phí và độ phức tạp cao.
• Trọng lượng trở thành một vấn đề, đặc biệt là việc bổ sung pin trên xe, sẽ cần thiết để cung cấp đủ năng lượng cho turbo khi cần thiết.