GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
ĐẶT VẤN ĐỀ
Từ những năm 80 của thế kỷ XIX những chiếc ô tô đầu tiên của thế giới đã ra đời, cho tới nay nó đã trở thành một ngành công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới Ở Việt Nam hiện nay nó đã được Đảng và nhà nước xem là một ngành công nghiệp mũi nhọn thúc đẩy công cuộc xây dựng và phát triển đất nước Cho tới nay thì trên ô tô đã có rất nhiều những cải tiến về tất cả các hệ thống, cho nên công việc sửa chữa – bảo dưỡng cũng ngày một phức tạp hơn.
Cùng với sự phát triển của thế giới thì ngành cơ khí của nước ta cũng đã và đang dần hoà nhập với thế giới Trong ngành động cơ nói riêng thì việc phát triển nhất là động cơ ô tô, ô tô là một loại xe có cấu tạo rất phức tạp với rất nhiều các hệ thống các bộ phận khác nhau Thân máy là một trong những cơ cấu quan trọng của ô tô, nó không thể thiếu được ở bất cứ một động cơ nào, nó có nhiệm vụ là bộ phận dùng để lắp đặt và bố trí hầu hết các cụm chi tiết của động cơ như: xilanh, nhóm trục khuỷu, nhóm pistong, thanh truyền, trục cam, bơm nhiên liệu, bơm dầu, bơm nước
Và sau thời gian tìm hiểu suy nghĩ và với gợi ý của giảng viên hướng dẫn cũng như nhận thấy tầm quan trọng của một kỹ sư trong tương lai thì chúng em quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu công nghệ mới của hệ thống tăng áp trên động cơ của hãngFord”.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Đề tài giúp sinh viên ngành ô tô củng cố lại các kiến thức đã được học trước đó, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức ngoài thực tế xã hội. Đề tài về “Tìm hiểu công nghệ mới của hệ thống tăng áp trên động cơ của hãngFord” không chỉ giúp chúng em tiếp cận thực tế mà còn trở thành nguồn tài liệu để cho sinh viên các khóa sau có thêm tài liệu nghiên cứu, học tập.
NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Đề tài giới thiệu về “Tìm hiểu công nghệ mới của hệ thống tăng áp trên động cơ của hãng Ford” Đồng thời trình bày một cách cụ thể về hệ thống tăng áp kép Bi-Turbo của hãng Ford.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để hoàn thành được đề tài, nhóm em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu.Đặc biệt là phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập thông tin từ nhiều nguồn khác nhau, từ đó tìm ra những ý tưởng phù hợp để hoàn thành.
KẾT CẤU ĐỒ ÁN
Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Chương 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN Ô TÔ Chương 3: MÔ PHỎNG CHI TIẾT TRÊN HỆ THỐNG TĂNG ÁP KÉP BI-TURBO CỦA HÃNG FORD
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN Ô TÔ
HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN Ô TÔ
Bộ tăng áp động cơ (Turbocharger): là hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức trong động cơ để một động cơ có kích thước nhất định tạo nhiều công suất hơn Bộ tăng áp khác với bơm tăng nạp thông thường ở chỗ bộ tăng nạp được chạy bằng lực kéo cơ khí của động cơ thông dây cu-loa nối với maniven còn bộ tăng áp động cơ được chạy bằng năng lượng khí thải tua-bin Bộ tăng áp được gắn vào họng xả động cơ, khi động cơ hoạt động, khí xả làm quay tua-bin của nó, tua-bin này vận hành máy nén (lắp giữa bộ lọc gió và họng nạp nhiên liệu) máy nén nạp nhiên liệu cho động cơ, khí xả thoát ra từ động cơ thổi vào các cánh tua-bin làm quay tua-bin, vì thế lượng khí thải càng đi qua tua-bin càng nhiều thì tua-bin quay càng nhanh.
Bộ tăng áp động cơ thường được dùng cho xe tải, xe hơi, tàu hoả và các máy xây dựng Các bộ tăng áp thường dùng với động cơ đốt trong chu kỳ ô tô, chu kỳ diesel. Chúng cũng tỏ ra hữu ích trong tế bào nhiên liệu.
Bộ tăng áp hoạt động dựa vào luồng khí thải tạo ra khi động cơ hoạt động Khí thải được dẫn qua bộ tăng áp làm quay một tua-bin, tua-bin này quay máy nén khí Tua-bin quay với tốc độ rất cao, lên đến 150.000 vòng/phút (gấp 30 lần tốc độ của hầu hết các động cơ ô tô hiện nay).
Hình 2 1: Động cơ sử dụng hệ thống tăng áp
2.1.2 Nhiệm vụ của hệ thống tăng áp
Nhiệm vụ chính của Turbo là tăng lượng không khí đi vào động cơ, hệ thống điều khiển sẽ phun nhiều nhiên liệu hơn để đạt tỷ lệ hòa trộn tối ưu, từ đó tăng sức mạnh cho động cơ Ở tốc độ động cơ thấp thì vận tốc của luồng khí xả chưa đủ nhanh để quay máy nén khí đến số vòng quay tối thiểu này.
Lợi ích của việc nén nhiên liệu là xilanh được nạp nhiều nhiên liệu hơn, vì thế công suất máy sẽ tăng Động cơ tăng áp luôn mạnh hơn động cơ không tăng áp có cùng dung tích xilanh.
TĂNG ÁP DẪN ĐỘNG BẰNG CƠ KHÍ (SUPERCHARGER)
Trong tăng áp cơ khí, máy nén được dẫn động từ trục khuỷu động cơ Còn trong tăng áp tua-bin khí máy nén được dẫn động nhờ tua-bin tận dụng năng lượng khí xả của động cơ đốt trong.
Máy nén cơ khí chạy bằng lực kéo trích ra từ trục động cơ, do vậy nó cũng tiêu tốn một phần động năng có ích Tăng áp bằng nguồn động lực lấy từ trục khuỷu động cơ, sử dụng máy nén khí, được gọi bằng tên Supercharger, dùng cho động cơ diesel truyền thống.
Supercharger là một thiết bị (giống như máy quạt gió hoặc là máy nén khí) để điều áp trong buồng lái máy bay hoặc làm tăng áp suất dòng khí nạp vô buồng cháy của động cơ.
Hình 2 2: Bộ siêu nạp (Supercharger)
Hình 2 3: Tăng áp dẫn động bằng cơ khí
-Máy nén trong thiết bị tăng áp truyền động cơ khí thường là máy nén piston, máy nén roto, máy nén ly tâm hoặc máy nén chiêu trục được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ thông qua các bánh răng, xích hoặc các cơ cấu truyền động khác.
- Khi trục khuỷu động cơ quay, công suất từ trục khuỷu sẽ dẫn động cho máy nén làm việc Máy nén hút không khí ngoài trời với áp suất Po, sau khi qua máy nén áp suất của không khí tăng lên Pk>Po qua đường ống nạp và nạp vào xilanh động cơ.
-Supercharger được đặt trên động cơ được dẫn động bằng trục khuỷu thông qua một bộ truyền đai với puly Khí nạp qua Supercharger sẽ được nén lại bởi bánh công tác (kiểu Supercharger ly tâm) hoặc một cặp cánh quạt quay (kiểu Supercharger cánh quạt) hoặc là roto đối lập (kiểu Supercharger chân ren) sau đó khí nạp sẽ được nạp vào buồng đốt Tốc độ động cơ càng cao thì sự cung cấp khí nạp của hệ thống Supercharger tăng lên Tốc độ tối thiểu để hệ tống Supercharger bắt đầu hoạt động là 15.000 vòng/phút (kiểu Supercharger cánh quạt và chân vịt) 40.000 vòng/phút (kiểu Supercharger ly tâm).
Hình 2 4: Bộ tăng áp Superchanger
1-Vỏ bộ tăng áp; 2-Cặp bánh răng; 3-Đường nạp; 4-Xupap nạp
Khi nghiên cứu các chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp chúng ta đã biết hiệu quả tăng áp của phương pháp truyền động cơ giới kém hơn so với phương pháp tăng áp tua- bin khí, vì vậy phạm vi sử dụng phương pháp tăng áp này chỉ giới hạn cho những động cơ mà áp suất tăng áp không vượt quá (1.5÷1.6)Kg/cm² Nếu áp suất tăng áp lớn hơn nữa thì công suất tiêu thụ cho máy nén sẽ rất lớn (vượt quá 10%N) và hiệu suất của động cơ sẽ giảm.
Loại tăng áp truyền động bằng cơ khí thường áp dụng cho động cơ 2 kỳ trong tàu thủy, ô tô, động cơ tĩnh tại.
TĂNG ÁP DẪN ĐỘNG BẰNG TUA-BIN KHÍ (TURBOCHARGER)
Hệ thống này tận dụng sức mạnh của dòng khí thải Nhờ bố trí một tua-bin nằm trên ống thoát khí thải, khi khí thải đi qua sẽ làm cho tua-bin này quay và nhờ thế nó làm quay máy nén khí vào xilanh của động cơ.
Hình 2 5: Động cơ tăng áp Tua-bin khí
Cấu tạo của Turbocharger gồm có hai cánh quạt tua-bin được gắn trên cùng một trục nhưng lại được đặt trong 2 ngăn riêng biệt với nhau trong một hình xoắn ốc.Lượng khí thải từ động cơ sẽ được dẫn qua ngăn đầu tiên làm quay tua-bin Do đó mà tua-bin trong ngăn còn lại cũng quay.
Hai chiếc tua-bin này giống như máy nén khí, khi chúng hút không khí từ bên ngoài và nén lại rồi tiến hành bơm vào buồng đốt Buồng đốt có nhiều oxi khiến quá trình đốt cháy diễn ra nhanh, nhiên liệu được đốt cháy hết từ đó cho công suất của động cơ được tăng đáng kể.
Hình 2 7: Sơ đồ động cơ tăng áp dùng tua-bin khí
1- Xilanh động cơ; 2- Máy làm mát không khí; 3- Dòng khí nén; 4- Đầu ra dầu tăng áp; 5- Máy nén; 6- Đầu vào không khí; 7- Bánh xe máy nén ; 8- Đầu ra dầu; 9- Thùng rác; 10- Trao đổi khí thải; 11- Bánh Tua-bin
Tăng áp tua-bin khí là biện pháp tốt nhất để làm tăng công suất và nâng cao các chi tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ, vì vậy biện pháp này đã được sử dụng rất rộng rãi trong các loại động cơ Diesel Trên hình 2.7 giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ tăng áp, năng lượng để tua-bin hướng dẫn được lấy từ năng lượng của khí xả.
Nguyên lý hoạt động của Turbo tăng áp cũng khá đơn giản Nó được hoạt động dựa vào luồng khí thải được sinh ra khi động cơ hoạt động Khí thải sau khi được dẫn qua bộ tăng áp và làm quay tua-bin, đồng thời tua-bin này cũng làm quay máy nén khí Lúc này, tua-bin quay với tốc độ rất nhanh, có thể đạt đến mức 150.000 vòng/phút Vì bộ tăng áp được gắn với họng xả của động cơ, do đó khi tua-bin hoạt động nhiệt độ sẽ ở mức cao.
Bằng cách nén thêm nhiên liệu vào xilanh trong mỗi một chu kỳ nổ bộ tăng áp Turbocharger sẽ giúp cho động cơ đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn Không những thế, một bộ tăng áp có thể giúp áp suất lên hút nhiên liệu từ 0.42–0.56 Kg/cm 2
Do tăng áp bằng tua-bin khí được dẫn động bằng năng lượng khí thải, không phải tiêu thụ công suất từ trục khuỷu của động cơ như tăng áp dẫn động bằng cơ khí, nên có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ Phương pháp này có thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3÷10%.
Trong các động cơ tăng áp cao hoặc động cơ xăng, thường lắp kép làm mát trung gian trước khi không khí đi vào động cơ nhằm giảm nhiệt độ, qua đó nâng cao mật độ không khí tăng áp vào động cơ Vì vậy, nâng cao được công suất và suất hiệu suất của động cơ.
Hình 2 8: Động cơ sử dụng hệ thống Turbocharger
TĂNG ÁP DẪN ĐỘNG BẰNG 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 vị vận hành động cơ, ngay cả ở vòng tua động cơ thấp và tốc độ xe.
Hình 2 9: Động cơ tăng áp điện Đây sẽ là hệ thống sẽ giải quyết được tất cả nhược điểm của tăng áp và siêu nạp. Bên cạnh đó tăng áp điện cũng giải quyết được vấn đề nhiệt độ trong khoang máy và tất nhiên nó cũng không cần tản nhiệt đi kèm.
2.4.2 Ưu điểm và nhược 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 tua-bin khí thải, năng lượng lãng phí có thể được phục hồi.
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.
TĂNG ÁP HỖN HỢP
Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lý động cơ tăng áp hỗn hợp hai tầng nối tiếp a- Hai tầng nối tiếp thuận; b- Hai tầng nối tiếp ngược; c- Hai tầng lắp song song
T- Tua-bin; N- Máy nén; LM- Thiết bị làm mát trung gian không khí nén
Tăng áp hỗn hợp là biện pháp sử dụng cùng một lúc cả máy nén Tua-bin khí (dùng năng lượng khí xả) và máy nén truyền động cơ khí (dùng năng lượng từ trục khuỷu).
Trong hệ thống hai tầng lắp nối tiếp thuận (Hình 2.10a), tầng thứ nhất là bộ “máy nén tua-bin khí” quay tự do và tầng thứ hai là máy nén truyền động cơ khí Dùng hệ thống tăng áp hai tầng lắp nối tiếp thuận một mặt có thể tận dụng năng lượng của khí thải, mặt khác có thể nâng cao áp suất trên đường ống nạp, từ đó nâng cao mật độ khí nạp.
Hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp ngược (Hình 2.10b) Trong hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp ngược không thể nào tiến hành cường hoá động cơ bằng biện pháp làm tăng lượng khí nạp đưa vào xilanh vì khối lượng không khí cung cấp cho xilanh trong mỗi chu trình thay đổi rất ít.
Trong hệ thống tăng áp hai tầng lập song song (Hình 2.10c), máy nén (N1) được dẫn động từ trục khuỷu động cơ cung cấp vào bình làm mát (LM) cùng với máy nén(N2) được dẫn động từ năng lượng khí thải bởi tua-bin (T).
Trong hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp, do có máy nén truyền động cơ giới nên có thể thay đổi tỷ số tăng áp của động cơ, cải thiện tính năng tăng tốc và chất lượng công tác trong mọi chế độ làm việc của động cơ Đặc điểm ấy rất quan trọng với động cơ 2 kỳ.
HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN MỘT SỐ HÃNG XE HIỆN NAY
2.6.1 Động cơ Honda 1.5L VTEC Turbo
Hình 2 11: Động cơ VTEC TURBO 1.5L Động cơ TURBO VTEC cho khả năng vận hành mạnh mẽ và khả năng tiết kiệm nhiên liệu tuyệt vời bất kể trong thành phố hay trên đường cao tốc So với động cơ thông thường nó cung cấp momen xoắn cao nhờ vào sự góp sức của hệ thống Turbo tăng áp. Đối với Honda Civic 2016, động cơ 1.5L VTEC TURBO ứng dụng nền tảng công nghệ Earth Dreams cho công suất tối đa đạt 173HP/5500rpm, momen xoắn tối đa đạt 220Nm/5.500rpm, tương đương với một động cơ 2.4L thông thường, nhưng tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn Với thiết kế sáng tạo, khả năng vận hành mạnh mẽ và hiệu suất động cơ tuyệt vời, Honda Civic thế hệ mới chắc chắn sẽ thiết lập một tiêu chuẩn mới cho phân khúc xe sedan hạng C.
2.6.2 Động cơ BMW TwinPower Turbo
Hình 2 12: Động cơ BMW TwinPower Turbo
Động cơ xăng BMW TwinPower Turbo Động cơ xăng cải tiến 3 xilanh đặc biệt êm ái, động cơ xăng 4 xilanh và động cơ 6 xilanh thẳng hàng BMW TwinPower Turbo đã đạt vô số danh hiệu danh giá tại giải thưởng “Động cơ của năm” Những động cơ ở thế hệ mới nhất đã chứng minh được tính kinh tế, lượng khí thải thấp và vận hành mạnh mẽ hơn những thế hệ tiền nhiệm. Để tăng hiệu quả vận hành và tính động lực học, gói cải tiến này, một cột mốc quan trọng trong chiến lược BMW EfficientDynamics, kết hợp công nghệ phun mới nhất và Valvetronic kiểm soát van nạp xả linh hoạt bao gồm công nghệ tăng áp kép cải tiến VANOS.
Động cơ dầu diesel BMW TwinPower Turbo
Các nguyên tắc cấu tạo khoa học của động cơ BMW EfficientDynamics thể hiện trên động cơ dầu diesel BMW TwinPower Turbo: kết hợp tính kinh tế tối ưu, sức mạnh động cơ và các tính năng vận hành với mức tiêu hao nhiên liệu thấp Không có bất kỳ một nghi ngờ nào về hiệu quả và sự năng động của động cơ này Nếu động cơ BMW TwinPower Turbo 3 xilanh là động cơ lý tưởng cho các dòng xe entry-level, thì động cơ diesel cải tiến BMW TwinPower Turbo 4 xilanh và động cơ diesel đặc biệt mạnh mẽ BMW TwinPower Turbo 6 xilanh thẳng hàng đem lại khả năng vận hành cực kỳ ấn tượng với mức tiêu hao nhiên liệu thấp và độ ma sát tối thiểu.
BMW TwinPower Turbo là thuật ngữ miêu tả động cơ chất lượng cao củaBMW, động cơ do BMW tạo ra mang lại hiệu suất hoạt động tốt nhất bên cạnh hiệu quả sử dụng nhiên liệu tối ưu nhất Ngày nay, BMW áp dụng công nghệ này trên hầu hết tất cả dòng xe của họ Động cơ bao gồm 2 thành phần chính: TwinPower và Turbo.
1- Biến thiên; 2- Hệ thống phun; 3- Turbo tăng áp nhiên liệu trực tiếp Đồng thời, công nghệ Turbo tăng áp mang đến hiệu suất tuyệt đối cho những động cơ có dung tích nhỏ, tăng đến mức gần như tương đương với những động cơ khác có dung tích lớn hơn.
2.6.3 Công nghệ tăng áp siêu nạp E-Turbo trên Audi Ở Festival Wửrther, Audi đó trưng bày phiờn bản khỏi niệm Audi TT cụng nghệ Clubsport Turbo Clubsport Turbo là tên Audi đặt cho công nghệ Turbocharger điện khí hóa hay Electric Bi-Turbo, còn được gọi là Hybrid Turbocharger, gọi vắn tắt là E-Turbo hay E-Charger.
Hình 2 14: Công nghệ siêu tăng áp trên xe Audi
Khi được trang bị E-Turbo, chiếc Audi TT động cơ xăng 2.5L TFSI 5 xilanh sản sinh 340 mã lực và 450 Nm momen xoắn được nâng lên 591 mã lực và 650 Nm momen xoắn Giúp cho xe có thể tăng tốc từ 0 lên 100Km/giờ trong vòng 3,6 giây Momen xoắn đạt mức tối đa ở phổ tua máy rất rộng từ 3.000 đến 7.000 vòng/phút Công suất được truyền qua hộp số tay 6 cấp.
Electric Bi-Turbo (E-Turbo) của Audi kết hợp Turbocharger vận hành bằng khí thoát thông thường với một động cơ điện thứ cấp để trợ lực khi tua máy thấp Nhìn bên ngoài E-Turbo hoàn toàn giống như Turbocharger thông thường.
Hình 2 15: Công nghệ tăng áp trên động cơ của Audi
HỆ THỐNG TĂNG ÁP KÉP BI-TURBO CỦA HÃNG FORD
2.7.1 Khái quát về Bi-Turbo
Trước khi tìm hiểu động cơ tăng áp Bi-Turbo là gì, ta cần hiểu thế nào là động cơ tăng áp Turbo Động cơ tăng áp Turbo là một kiểu hệ thống sản sinh áp lực một cách cưỡng bức Chúng hoạt động bằng cách nén khí vào bên trong động cơ Càng nhiều khí được đưa vào xilanh thì càng nhiều nhiên liệu được đưa vào động cơ Chính vì vậy, mỗi kỳ nổ ở xilanh lại sinh ra nhiều công suất hơn, làm tăng khả năng vận hành mạnh mẽ của xe Động cơ tăng áp Bi-Turbo được sáng tạo ra dựa trên Turbo tăng áp đơn. Động cơ tăng áp Bi-Turbo (Turbo tăng áp kép) chính là động cơ bao gồm haiTurbo, một lớn và một nhỏ Cùng với đó, có sự kết hợp 2 điểm làm mát khí nạp lớn và nhỏ Hai
Turbo này có thể hoạt động độc lập với nhau để có thể tạo hiệu suất động cơ tối ưu khi cần Động cơ tăng áp Bi-Turbo giúp làm tăng momen xoắn khi ở tốc độ thấp hoặc tăng công suất khi ở tốc độ cao.
2.7.2 Tìm hiểu chi tiết về hệ thống tăng áp kép Bi-Turbo của hãng Ford Ở hãng xe Ford, động cơ Bi-Turbo được áp dụng trên 2 dòng sản phẩm là Ford Ranger 2019 và Ford Everest 2019 với dung tích 2.0L Động cơ này có khả năng sản sinh công suất tối đa là 213 mã lực và momen xoắn cực đại là 500Nm.
Hình 2 16: Động cơ sử dụng hệ thống tăng áp kép Bi-Turbo của hãng Ford
Khi tìm hiểu các thông tin về một chiếc xe nào đó, chúng ta thường được đọc rất nhiều về cụm từ “động cơ tăng áp Bi-Turbo” Đây là loại động cơ không chỉ được trang bị trên xe ô tô, mà nó còn được áp dụng cho tàu thuyền, xe tải thậm chí là trong lĩnh vực hàng không để nâng cao công suất chuyển động của các phương tiện.
Dựa trên nền tảng này của động cơ Turbo, hãng Ford đã nghiên cứu và sản xuất ra loại động cơ tăng áp đẳng cấp hơn có tên gọi là Bi-Turbo Sự xuất hiện của loại động cơ này đã thổi một làn gió mới vào các thiết kế của Ford.
Hình 2 17: Động cơ tăng áp kép Bi-Turbo Đầu tiên, chúng ta hãy tìm hiểu thế nào là động cơ Turbo tăng áp rồi sau đó mới tìm hiểu về động cơ Bi-Turbo tăng áp Động cơ Turbo tăng áp là một kiểu hệ thống sản sinh ra áp lực một cách cưỡng ép.
Chúng vận hành bằng cách nén khí vào trong động cơ, càng nhiều khí được nén vào xilanh, thì sẽ có càng nhiều nhiên liệu được đưa vào động cơ Vậy nên, mỗi kỳ nổ ở xilanh lại sinh ra càng nhiều công suất hơn, từ đó khiến khả năng vận hành của xe càng được cải thiện hơn.
Hình 2 18: Hệ thống Bi-Turbo của Ford
Hình 2 19: Mô tả cấu tạo của động cơ diesel 2.0L Bi-Turbo của Ford Everest
Một điểm ấn tượng khác ở cấu hình động cơ dầu tăng áp kép Động cơ dầu 2.0L, 4 xilanh, tăng áp kép trên bản Titanium 2 cầu cao nhất cho công suất tối đa 213 mã lực và momen xoắn cực đại đạt 500 Nm Những thông số này đều cao hơn động cơ dầu tăng áp đơn 3.2L, 5 xilanh trước đây Việc giảm dung tích động cơ xuống còn 2.0L cũng giúp cho giá của Everest tốt hơn nhiều so với trước nhờ phần thuế tiêu thụ đặc biệt giảm 10- 20% so với trước.
Hình 2 20: Động cơ Diesel 2.0L Bi-Turbo (tăng áp kép) sản sinh công suất 213 mã lực
Về lý thuyết, động cơ tăng áp chấm nhỏ sẽ bị trễ tăng áp nhiều hơn động cơ tăng áp chấm lớn Tuy nhiên, trên thế hệ động cơ Eco Blue Ford ứng dụng hai công nghệ nổi bật giúp giảm độ trễ. Đầu tiên là công nghệ tăng áp kép tuần tự với 1 Turbo lớn và 1 Turbo nhỏ Trong đó, Turbo nhỏ sẽ bắt đầu hoạt động ở dải tua máy thấp hơn so với những loại Turbo đơn Còn Turbo lớn sẽ hoạt động ở dải tua cao đem lại công suất lớn hơn ở dải tua cao. Thế nên động cơ tăng áp kép vừa có công suất mạnh hơn và trễ tăng áp ít hơn so với động cơ tăng áp đơn.
Cánh quạt của bộ tăng áp trên Everest làm tự vật liệu Inconel có khả năng chịu lực và chịu nhiệt tốt Từ đó có thể làm cánh quạt nhỏ hơn, nhẹ hơn và giúp cải thiện độ nhạy của bộ tăng áp.
Trải nghiệm thực tế thì thật khó để cảm nhận sự khác biệt về độ trễ tăng áp của động cơ dầu tăng áp 2.0L mới so với động cơ dầu 3.2L trước đây Tuy nhiên, có thể thấy độ bốc của động cơ 2.0L mới ở dải tua thấp có vẻ không ấn tượng bằng khối động cơ 3.2L Bù lại, động cơ dầu tăng áp 2.0L mới nhỉn hơn ở nước hậu.
Hình 2 21: Động cơ Diesel 2.0L Bi-Turbo (tăng áp kép) cho công suất mạnh mẽ nhưng lại rất tiết kiệm nhiên liệu
Độ trễ Turbo là gì ? Độ trễ Turbo là khoảng thời gian bướm ga được mở mạnh đến khi cảm nhận được momen xoắn tăng đột ngột từ một động cơ tăng áp Turbo Độ trễ này đến từ thời gian để động cơ tạo ra đủ áp suất khí thải để quay Turbo và bơm khí nạp vào động cơ.Khoảng thời gian này dài nhất khi xe ở tốc độ vòng quay thấp hoặc tải trọng không lớn.
Tại sao có độ trễ của Turbo ? Động cơ lắp bộ tăng áp luôn có một độ trễ nhất định Bởi lẽ để có dòng khí với áp lực lớn đẩy vào buồng đốt, tua-bin cần quay ở tốc độ cao Muốn tua-bin quay ở tốc độ cao thì lượng khí thải ra từ họng xả phải lớn, điều này không đạt được ở vòng tua máy thấp Do đó, khi đạp ga có đôi chút độ trễ lúc vòng tua máy chưa lên cao, xe vọt đi lúc tua máy đạt mức cần thiết.
Phương pháp khắc phục độ trễ Turbo: Có 5 cách khắc phục độ trễ Turbo
- Thêm một van khí thải
- Kết hợp với hộp số vô cấp
- Turbo tăng áp liên tiếp
2.7.3 Cách thức hoạt động và nguyên lý hoạt động của hệ thống tăng áp kép Bi- Turbo của hãng Ford
Hình 2 22: Ford Everest 2021 được trang bị Bi-Turbo 2021
Ford Everest Titanium 2.0L 4WD AT Bi-Turbo 2021 Động cơ Diesel 2.0L Bi-Turbo tiên tiến của Everest cho công suất 213PS Và momen xoắn cực đại 500Nm mà vẫn rất tiết kiệm nhiên liệu.
Hình 2 23: Động cơ Ford Everes 2021 và biểu đồ momen xoắn của động cơ
Cách thức hoạt động của động cơ 2.0L Bi-Turbo trên Ford Everest như sau:
- Ở tốc độ động cơ khoảng 1.500 vòng/phút – Chỉ có tăng áp nhỏ hoạt động.
- Ở tốc độ động cơ trong khoảng 1.500÷2500 vòng/phút - Cả hai tăng áp nhỏ và lớn cùng hoạt động.
- Ở tốc độ động cơ trên 3.000 vòng/phút - Chỉ có tăng áp lớn hoạt động.
Nguyên lý hoạt động: Động cơ Turbo tăng áp là kiểu hệ thống sinh ra áp lực, nó hoạt động dựa trên cơ chế nén khí vào trong các động cơ Lợi ích sinh ra đó là không khí được vào xilanh nhiều hơn, kéo theo là nhiên liệu được đưa vào động cơ nhiều hơn Từ đó mỗi kỳ nổ của xilanh diễn ra, công suất được sản sinh ra nhiều hơn.
SO SÁNH HỆ THỐNG TĂNG ÁP KÉP BI-TURBO CỦA FORD VỚI HỆ THỐNG TĂNG ÁP CÁCDÒNG XE KHÁC
HỆ THỐNG TĂNG ÁP CÁC DÒNG XE KHÁC
* Hệ thống tăng áp kép Bi-Turbo của Ford Động cơ tăng áp Bi-Turbo (Turbo tăng áp kép) chính là động cơ bao gồm 2 Turbo,
1 lớn và 1 nhỏ Cùng với đó, có sự kết hợp 2 điểm làm mát khí nạp lớn và nhỏ Hai Turbo này có thể hoạt động độc lập với nhau để có thể tạo hiệu suất động cơ tối ưu khi cần Động cơ tăng áp Bi-Turbo giúp làm tăng momen xoắn khi ở tốc độ thấp hoặc tăng công suất khi ở tốc độ cao.
2.8.1 Với hệ thống tăng áp Bi-Turbo của Mercedes-Benz Động cơ Bi-Turbo của Mercedes-Benz sử dụng hai bộ tăng áp giống hệt nhau, mỗi bộ ở mỗi bên của ống góp, để hút tới 1.4Kg/cm 2 qua động cơ Mỗi bộ tăng áp được kết nối với ba xilanh ở phía tương ứng của động cơ và chúng hoạt động cùng nhau để tạo ra sức đẩy nhanh hơn và hiệu quả hơn Hệ thống Bi-Turbo ít gây căng thẳng hơn cho động cơ và chúng tiết kiệm xăng hơn.
Hình 2 25: Động cơ AMG 4.0 V8 Bi-Turbo
2.8.2 Với hệ thống tăng áp Twin Turbo của BMW Động cơ xăng cải tiến 3 xilanh đặc biệt êm ái, động cơ xăng 4 xilanh và động cơ 6 xilanh thẳng hàng BMW TwinPower Turbo đã đạt vô số danh hiệu danh giá tại giải thưởng "Động cơ của năm" Các động cơ này đều đã thiết lập nên những chuẩn mực mới trong ngành công nghiệp ô tô Những động cơ ở thế hệ mới nhất đã chứng minh được tính kinh tế, lượng khí thải thấp và vận hành mạnh mẽ hơn những thế hệ tiền nhiệm Để tăng hiệu quả vận hành và tính động lực học, gói cải tiến này một cột mốc quan trọng trong chiến lược BMW EfficientDynamics kết hợp công nghệ phun mới nhất và Valvetronic kiểm soát van nạp xả linh hoạt bao gồm công nghệ tăng áp kép cải tiến VANOS.
Hình 2 26: Động cơ BMW Twin Turbo
2.8.3 Với hệ thống tăng áp Single-Scroll Turbocharger của Toyota
Toyota vừa công bố mẫu động cơ mới có dung tích xilanh 1.2L mang tên mã 8NR- FTS Khi xu hướng các hãng xe sản xuất động cơ dung tích nhỏ và tăng áp thì đến giờ mới là lúc mà Toyota giới thiệu sản phẩm tương tự Động cơ này sẽ xuất hiện trên phiên bản xe Toyota Auris, một mẫu hatchback hạng C dựa trên khung gầm của Corolla được bán tại Nhật Toyota cho biết động cơ này cho công suất khoảng 114 mã lực tại dải vòng tua 5.200÷5.600vòng/phút và momen xoắn 185 Nm tại vòng tua 1.500÷4.000vòng/phút. Động cơ mới của Toyota có dung tích xilanh 1.196cc cho hiệu suất tương đương với động cơ 1.6L tiêu chuẩn nhờ sử dụng bộ tăng áp cuộn đơn (Single-Scroll Turbocharger) kết hợp với cấu trúc phun nhiên liệu trực tiếp Động cơ này vẫn sử dụng hệ thống điều khiển van biến thiên VVT với chu trình Atkinson, điều chỉnh thời gian van theo tải.
Hình 2 27: Động cơ Toyota 1.2L Turbo
2.8.4 Với công nghệ VGT Turbo trên động cơ diesel trên xe Chevrolet Colorado 2.5 AT 2018
VGT là viết tắt của Variable Geometry Turbo Công nghệ này trang bị các cánh điều hướng bên trong Turbo, giúp điều khiển tốc độ dòng khí đánh vào cánh Tua-bin, nhằm đảm bảo tốc độ của cánh tua-bin luôn quay đúng với yêu cầu.
Việc này giúp hạn chế tối đa hiện tượng Turbo nạp, vốn xảy ra khi động cơ cần tăng tốc đột ngột, mà lưu lượng khí xả ra không có đủ để tăng tốc tua-bin ngay lập tức, dẫn đến cánh tua-bin nạp không bơm đủ không khí vào buồn đốt.
Hình 2 28: Mô phỏng công nghệ VTG Turbo
Các Turbo tăng áp là một kiểu hệ thống sinh áp lực một cách cưỡng bức Chúng nén khí vào bên trong các động cơ Lợi ích của việc nén không khí đó là không khí được nén ép vào trong xilanh nhiều hơn Bởi vậy, mỗi kỳ nổ ở xilanh lại sinh ra nhiều công suất hơn Một động cơ có trang bị Turbo tăng áp sẽ sản sinh ra nhiều công suất hơn so với động cơ cùng kích cỡ nhưng không có Turbo tăng áp, nó cũng cải thiện một cách đáng kể tỷ lệ công suất sinh ra trên một đơn vị trọng lượng không khí nén vào động cơ.
Hình 2 29: Hệ thống nén khí trong hệ thống tăng áp của Toyota
2.9 KẾT LUẬN VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP KÉP BI-TURBO CỦA FORD
Thế hệ động cơ diesel 2.0L mới của Ford được sử dụng các vật liệu tiên tiến và có cấu trúc rất tinh tế Nhỏ gọn, nhẹ, mạnh mẽ và hiệu quả, động cơ được trang bị công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển bằng hệ thống điện tử, cổ hút gió được tích hợp đúc liền khối với đầu xilanh và đai cam truyền động được nhúng trong dầu. Động cơ diesel 2.0L tăng áp kép (Bi-Turbo) của Ford tận dụng cơ chế hoặc động của 2 Turbo để tăng độ nhạy, giảm hiện tượng trễ của tăng áp (Turbo lag) và đương nhiên - tối ưu nhiên liệu Ford đã trang bị những công nghệ tiên tiến cho động cơ này,cũng như cải thiện sức bền vật liệu, nâng cấp các piston, tối ưu hóa Tua-bin tăng áp và đặc biệt đã thử nghiệm động cơ này trên những cung đường khắc nghiệt nhất trước khi đến tay người dùng.
KẾT LUẬN VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP KÉP BI-TURBO CỦA FORD
Thế hệ động cơ diesel 2.0L mới của Ford được sử dụng các vật liệu tiên tiến và có cấu trúc rất tinh tế Nhỏ gọn, nhẹ, mạnh mẽ và hiệu quả, động cơ được trang bị công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển bằng hệ thống điện tử, cổ hút gió được tích hợp đúc liền khối với đầu xilanh và đai cam truyền động được nhúng trong dầu. Động cơ diesel 2.0L tăng áp kép (Bi-Turbo) của Ford tận dụng cơ chế hoặc động của 2 Turbo để tăng độ nhạy, giảm hiện tượng trễ của tăng áp (Turbo lag) và đương nhiên - tối ưu nhiên liệu Ford đã trang bị những công nghệ tiên tiến cho động cơ này,cũng như cải thiện sức bền vật liệu, nâng cấp các piston, tối ưu hóa Tua-bin tăng áp và đặc biệt đã thử nghiệm động cơ này trên những cung đường khắc nghiệt nhất trước khi đến tay người dùng.
MÔ PHỎNG CHI TIẾT TRÊN HỆ THỐNG TĂNG ÁP KÉP BI-TURBO CỦA HÃNG FORD
BẢN VẼ TURBO KÉP
Bộ tăng áp turbo thường có hình xoắn ốc.Cấu tạo bên trong gồm:
Cánh tuabin,cánh bơm,trục,ổ bi đỡ,đường dẫn dầu bôi trơn trục turbo Bộ turbo tăng áp được lắp trên đường ống xả động cơ.Khí xả từ động cơ khi thải ra sẽ làm cánh quạt tuabin của bộ tăng áp quay cánh tuabin của bộ tăng áp.Do kết nối trên cùng một trục nên khí cánh tuabin quay thì cánh bơm khoang đối diện sẽ quay theo.Cánh bơm quay giúp hút khí sạch vào và nạp vào động cơ.Kết quả là khi lượng khí xả càng nhiều thì tốc độ quay của động cơ càng nhanh hơn,từ đó công suất động cơ tăng cao hơn.
BẢN VẼ TUABIN NÉN
Mô tả: Là bộ phận thiết kế hình xoắn ốc bao bọc lấy phần quạt nén khí
Chức năng:Chúng giúp tạo ra,và định hướng cho đường di chuyển của dòng khí nén đi vào động cơ
BẢN VẼ TUABIN XẢ
Mô tả:Là bộ phận hình xoắn ốc,bao bọc lấy quạt tuabin,với cửa xả hướng ra ngoài
Chức năng:Chúng giúp tiếp nhận luồng khí xả từ động cơ,dẫn động chúng làm quay cánh quạt,và đưa luồng khí thải ra bên ngoài
BẢN VẼ CÁNH QUẠT NÉN
Mô tả:Là bộ phận được gắn ở đầu còn lại của trục turbo,nó nằm bên trong vỏ hút khí
Chức năng:Quạt nén khí chuyển động với vận tốc cao giúp hút không khí sạch và nén chúng ở áp suất cao,đưa vào bên trong buồng đốt
BẢN VẼ CÁNH QUẠT XẢ
Mô tả:Là cánh quạt được gắn trực tiếp với trục turbo,và nằm bên trong vỏ khí nén
Chức năng:Là bộ phận tiếp nhận dòng khí thải từ động cơ,từ đó làm quay trục turbo,tạo ra chuyển động cho cánh quạt nén khí
- Công dụng một số chi tiết bên trong turbo:
Tên chí tiết Hình ảnh 3D Công dụng Ổ đỡ Được làm từ đồng thau giúp đỡ trục turbo đồng thời khi có dầu di vào từ các lỗ sẽ giúp trục turbo quay mượt hơn và làm giảm ma sát
Vỏ turbo Được lắp dưới turbo nén để ngăn cách cánh quạt nén với phần thân turbo, Được cố định bằng các ốc vít
Mặt chà Làm cố định trục turbo không cho trục quay rung lắc
Phớt dầu Dùng để làm kín ,tránh không khí lọt vào
Xéc măng Dùng để ngăn dầu chảy vào các vỏ turbo và cánh quạt
Bass đỡ Được gắn dưới turbo xả và cánh xả,dùng để ngăn cách và cố định trục turbo
