2.4.1 Tăng áp đơn (Single Turbo)
25 Động cơ 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. Tuabin lớn sẽ mang lại công suất cao nhất đồng thời độ trễ sẽ tăng, 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.
2.4.2 Tăng áp ống xả kép (Twinpower Turbo)
Với bộ turbo có kích thước nhỏ, độ trễ (Turbo lag) sẽ được giảm đáng kể và có thời gian đáp ứng tốt hơn, nhưng khi tốc độ quay động cơ cao, tiết diện nhỏ gây cản trở dòng khí xả tạo nên hiện tượng áp suất ngược (back-pressure), động cơ phải tiêu tốn công để đẩy lượng khí thải này ra. Điều ngược lại thì dễ dàng thấy được trên bộ turbo có kích thước lớn.
Để khắc phục hiện tượng này thì các hãng xe đã cải tiến bằng cách thiết kế ống xả kép. Bên cạnh đó, áp dụng cách thiết kế này còn mang lại nhiều ưu điểm về cả công suất, momen và tính kinh tế nhiên liệu.
Như chúng ta đã biết trục khuỷu động cơ phải quay 720 để hoàn thành một chu trình làm việc. Đối với động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng, các xi-lanh thực hiện với góc lệch công tác là 180. Giả sử động cơ có thứ tự nổ là 1-3-4-2.
Khi ta xét xi-lanh thứ 3 đang ở cuối kỳ nổ, piston đang ở điểm chết dưới, lúc này xu- pap xả sẽ mở sớm. Đối với động cơ không sử dụng ống xả kép, phần lớn năng lượng khí thải được sử dụng để quay bánh turbin của bộ Turbo tăng áp, một phần bị tổn thất trên đường ống xả. Cùng lúc đó ở xi-lanh thứ 1 đang ở cuối kỳ xả, chuẩn bị vào kỳ nạp, piston đang ở điểm chết trên, xu-pap nạp và xả sẽ cùng mở do góc trùng điệp. Do có áp suất lớn, một phần khí xả của xi-lanh thứ 3 sẽ đi ngược lại vào xi-lanh thứ 1, ảnh hưởng đến kỳ nạp cũng như là chất lượng hoà khí của xi-lanh thứ 1 dẫn đến giảm hiệu quả quá trình nổ tiếp theo và giảm công suất. Điều này sẽ càng nghiêm trọng hơn với các động cơ sử dụng càng nhiều xi-lanh, khi mà góc lệch công tác giữa các xi-lanh càng nhỏ.
Dưới đây là kết quả thử nghiệm về công suất và momen xoắn của động cơ 1.5L DCi K9K 4 xi-lanh thẳng hàng khi sử dụng bộ turbo tăng áp kết hợp ống xả kép và khi sử dụng bộ turbo tăng áp ống xả đơn.
26
Hình 2. 24: Biểu đồ so sánh công suất.
Hình 2. 25: Biểu đồ so sánh momen xoắn.
Qua hai biểu đồ, ta thấy được rằng việc ứng dụng ống xả kép giúp tăng gần 8.5% về cả công suất và momen xoắn ở số vòng quay động cơ đạt trên 1000 v/ph.
27 Năm 2006, BMW lần đầu tiên giới thiệu TwinPower Turbo trên mẫu sedan BMW 335i. Đây là dấu mốc đầu tiên của TwinPower Turbo trước khi công nghệ này được ứng dụng trên mọi chiếc xe BMW ngày nay.
Hình 2. 26: Turbo sử dụng ống xả kép.
Ở dải tua máy thấp, bộ turbo không được cấp khí xả dẫn đến hiện tượng hụt hơi. TwinPower Turbo ra đời không chỉ cải thiện sự hiệu quả và sức mạnh, công nghệ này còn nhằm hạn chế tối đa nhược điểm đó.
Đúng như tên gọi, TwinPower Turbo được cấu thành từ hai phần. TwinPower bao gồm các công nghệ độc quyền của BMW gồm: Valvetronic, VANOS và bộ phun nhiên liệu có độ chính xác cao HDPi. Turbo là bộ tăng áp đơn (single-turbo) hoặc tăng áp kép (twinpower-turbo). BMW đã lựa chọn giải pháp tăng áp cuộn đôi twin-scroll với hai cửa nạp khí cho động cơ TwinPower Turbo.
28
Hình 2. 27: Cơ cấu đường nạp kép twin-scroll trên động cơ turbo của BMW.
Trong đó, một đường nạp khí có kích thước nhỏ hơn có nhiệm vụ cải thiện khả năng đáp ứng của động cơ ở dải tua máy thấp. Đường nạp khí còn lại có kích thước lớn hơn, có vai trò tối ưu hoá sức mạnh ở dải vòng tua cao. Công thức này đã giúp TwinPower Turbo gần như triệt tiêu được hiện tượng turbo lag. TwinPower Turbo là công nghệ áp dụng cho cả động cơ tăng áp đơn và tăng áp kép.
Hiện tại, TwinPower Turbo xuất hiện trên mọi dòng sản phẩm của BMW, từ dòng entry-level như 1 series, 2 series cho đến dòng xe cỡ lớn như 5 series và 7 series. TwinPower Turbo góp phần tạo nên trải nghiệm hoàn toàn khác biệt trên những mẫu xe của BMW, đặc biệt là khả năng vận hành.
2.4.3 Tăng áp kép (T-win Turbo và Bi Turbo)
Bi Turbo và Twin-turbo về bản chất đều gọi là hệ thống tăng áp kép. Tức là có 2 bộ tăng áp trong một động cơ. Tuy nhiên, thiết kế và nguyên lý hoạt động của Bi-turbo lại chưa chắc giống Twin-turbo.Theo định nghĩa cũ thì động cơ tăng áp Bi-turbo có 2 bộ tăng áp, trong đó có một cái lớn và một cái nhỏ. Còn Twin-turbo thì cả 2 bộ tăng áp có kích cỡ
29 bằng nhau. Đó là sự khác nhau cơ bản về thiết kế của Bi-turbo và Twin-turbo. Tuy nhiên, các hãng xe vẫn gọi loạn cả lên giữa Bi và Twin-turbo.
Bi Turbo và Twin-turbo sẽ khắc phục được hiện tượng turbo lag hay “trễ” ở tăng áp turbo giúp cho xe hoạt động mạnh hơn ở vòng tua thấp.
Hình 2. 28: Bộ tăng áp kép T-win Turbo hoặc Bi-Turbo. 2.4.3.1 Tăng áp kép Bi Turbo
Hãy tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ 2.0L Turbo tăng áp kép (Bi-turbo) được trang bị trên cả 2 dòng xe Ford Everest 4WD và Ford Ranger Wildtrak 4×4.
30
Hình 2. 29: Turbo tăng áp kép (Bi turbo) được trang bị trên dòng xe Ford.
Ford Ranger Wildtrak 4×2 và Ford Everest 4WD đều trang bị động cơ Diesel 2.0L, 4 xi lanh thẳng hàng (I4), sử dụng công nghệ Turbo tăng áp kép (Bi-Turbo) thế hệ mới nhất của Ford.
Hai Turbo này có thể hoạt động độc lập để tạo hiệu suất động cơ tối ưu khi cần:
• Tăng mô men xoắn khi ở tốc độ thấp
31
Hình 2. 30: Vị trí của 2 turbo.
Nguyên lý hoạt động của Động cơ 2.0L Bi-Turbo như sau:
32
• Vòng tua của động cơ trong khoảng 1500 v/p – Chỉ có Turbo nhỏ hoạt động.
• Khi vòng tua của động cơ hoạt động trong khoảng 1500v/p đến 2500v/p – Cả hai Turbo nhỏ và lớn cùng hoạt động.
• Khi vòng tua của động cơ trên 3000 v/p – Chỉ có Turbo lớn hoạt động.
2.4.3.2 Tăng áp kép Twin Turbo
Động cơ V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ mới được phát triển hoàn toàn bởi đội ngũ kỹ sư của Mercedes AMG. Hệ thống bao gồm 2 turbo có kích thước bằng nhau được lắp ráp song song. Cỗ máy này được trang bị hàng loạt các công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực phát triển động cơ hiện nay, bao gồm công nghệ phun xăng trực tiếp, đầu xy-lanh tối ưu cho sự di chuyển của dòng hỗn hợp khí, khung máy được làm bằng hợp kim nhôm đúc nguyên khối, thành xy-lanh được phủ chất liệu nano-slide chống ma sát.v.v...
Hình 2. 32: Động cơ xăng V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ mới của Mercedes AMG.
33 Nguyên lý hoạt động của Twin Turbo:
• Ở vòng tua thấp chỉ có 1 turbo hoạt động.
• Ở vòng tua lớn thì cả 2 turbo đều hoạt động.
Chính vì thế, động cơ V8 4.0L Twin-Turbo của Mercedes AMG sẽ là một trong những cỗ máy 8 xy-lanh mạnh mẽ và hiệu quả nhất thế giới hiện nay. Công suất tối đa của nó lên đến 503 mã lực tại 6.250 vòng/phút và mô-men xoắn cực đại đạt 650Nm tại dải vòng tua 1.750 - 4.750 vòng/phút.
Hình 2. 33: Cấu trúc hiện đại và thiết kế đầy cơ bắp của động cơ V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ mới.
Động cơ V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ mới được phát triển dựa trên nền tảng thiết kế của trung tâm phát triển động cơ hiệu suất cao của hãng tại Brixworth, Anh quốc. Đây cũng là nơi cho ra đời những cỗ máy V6 1.6L dành cho gỉải đua F1 danh tiếng, nơi đội Mercedes đã liên tục giành chiến thắng trong mùa giải 2014.
34 Những công nghệ nổi bật nhất của động cơ V8 thế hệ mới bao gồm đầu xy-lanh được làm bằng chất liệu hợp kim Ziriconi có khả năng dẫn nhiệt và chịu nhiệt cao nhất, thành xy- lanh phủ lớp chất liệu nano-slide chống ma sát, khung máy được đúc bằng cát cho độ chính xác tối ưu và đặc biệt là công nghệ bôi trơn Dry Sump tiên tiến, không cần dùng hộc chứa nhớt, giúp hạ thấp trọng tâm của động cơ.
Ngoài ra, Chiếc Levante GTS được Maserati trang bị động cơ tăng áp kép V8 3.8L Twin-Turbo với cấu trúc V90 – động cơ cũng lắp trên chiếc Quattroporte GTS. Tuy nhiên khi lắp trên Levante GTS, động cơ V8 này được điều chỉnh lại để thích hợp về đặc tính vận hành của một chiếc SUV, cũng như kết hợp hoàn hảo với hệ dẫn động 4 bánh thông minh toàn thời gian AWD Q4.
Hình 2.34 Levante GTS.
Động cơ trên Levante GTS đạt công suất cực đại 550 mã lực tại 6.250v/ph và mô- men xoắn 730Nm trong dải tua 2.500-5.000v/ph. Điều này nghĩa là công suất trên Levante GTS thấp hơn 40 mã lực so với Levante Trofeo (590 mã lực), trong khi mô-men xoắn của 2 chiếc xe như nhau. Như mọi động cơ xăng trên các mẫu xe Maserati, động cơ V8 này cũng được lắp ráp bởi Ferrari ở Maranello.
35 Nhờ tỉ lệ trọng lượng/công suất ở mức 3,9kg/mã lực, chiếc Levante GTS mất 4,2 giây để tăng tốc 0-100km/h và vận tốc tối đa 292km/h (của Levante Trofeo là 3,9 giây và Vmax trên 300km/h).
2.4.4 Tăng áp VGT (Variable Geometry Turbo)
Hình 2. 34: Bộ tăng áp VGT (Variable Geometry Turbo).
Có lẽ một trong những hình thức tăng áp đặc biệt nhất, VGT bị hạn chế trong sản xuất (mặc dù khá phổ biến trong động cơ Diesel) do chi phí và yêu cầu vật liệu cực kỳ đặc biệt. Các van bên trong bộ tăng áp làm thay đổi tỷ lệ diện tích trên bán kính (A/R) để phù hợp với RPM. Ở tốc độ RPM thấp, tỷ lệ A/R thấp được sử dụng để tăng tốc độ khí thải và nhanh chóng tăng tốc cho bộ tăng áp. Khi vòng quay tăng lên, tỷ lệ A/R tăng lên để cho phép luồng không khí tăng lên. Kết quả là độ trễ Turbo thấp, ngưỡng tăng thấp và dải mô-men xoắn rộng và trơn tru. Việc này giúp turbo đáp ứng nhanh đồng thời không khối lượng được giảm đáng kể so với việc trang bị turbo tăng áp kép. Xe Porsche 911 Turbo là xe xăng đầu tiên trang bị hệ thống turbo tăng áp cánh biến thiên.
36
Nguyên lí hoạt động
Khi tốc độ quay động cơ thấp: Các cánh dẫn được điều khiển mở cho khí xả đi qua với tiết diện nhỏ. Điều này sẽ tăng tốc cho dòng khí xả và tác động lên bánh tua bin lực lớn hơn. Lúc này bộ turbo này sẽ hoạt động như Turbo có kích thước nhỏ.
Khi tốc độ quay động cơ cao: Các cánh dẫn được mở lớn, tăng tiết diện đi qua của khí xả do đó không xảy ra hiện tượng áp suất ngược.
Hình 2. 35: Các bộ phận trong bộ turbo tăng áp cánh biến thiên. 2.4.5 Tăng áp cuộn đôi biến thiên (Variable Twin-Scroll Turbo)
Đây có thể là giải pháp mà chúng ta đang chờ đợi? 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 hồi Turbo tốt và sức mạnh khi ở tốc độ động cơ 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 tốt nhất.
37
Hình 2. 36: Bộ tăng áp cuộn đôi biến thiên (Variable Twin-Scroll Turbo). 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, phụ thuộc vào lựa chọn vật liệu.
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 đáp ứng được
trong quá trình sản xuất do có những thách thức về công nghệ.
2.4.6 Động cơ tăng áp điện (Electric Turbo)
Hệ thống này sử dụng một mô tơ điện để chạy tua-bin tăng áp cho phép hệ thống đạt áp suất đủ dùng nhanh hơn rất nhiều. Điều này không chỉ đảm bảo độ nhạy lớn trong việc
38 sinh công tăng cường mà còn cho phép cải thiện hiệu suất ở tua máy thấp nhằm tiết kiệm nhiên liệu.
Với một bộ tăng áp điện, hệ thống quản lí động cơ sẽ có thể yêu cầu một khoảng tăng công suất ngắn vừa đủ để vượt qua chướng ngại vật trong khi vẫn giữ cho các xylanh rỗi ở đúng trạng thái nghỉ. Cũng theo nhà sản xuất Valeo – những bộ tăng áp điện của họ sử dụng dòng 12V và 48V nên có thể hoàn toàn tích hợp trong các hệ thống lai như một bộ sạc. Khí nạp thổi qua hệ thống nén sẽ chạy mô tơ sinh điện và nạp pin cho xe. Đây cũng chính là một trong hai giải pháp mà Audi sử dụng để sạc pin cho mẫu xe R18 e – Tron đã giành chiến thắng trong giải Lemans vừa qua và đồng thời nhiều dòng xe công thức F1 cũng đang sử dụng hệ thống tương tự.
Một lợi thế khác của tăng áp điện là nó không cần đưa khí thải vào tua-bin quay và như thế theo cách truyền thống, điều này sẽ giúp khoang máy sẽ trở nên rộng rãi hơn – điều này rất quan trọng đối với những dòng xe hiện đại vốn ngày càng chật trội bên trong nắp ca pô do những trang thiết bị hỗ trợ tăng cường.
Thêm vào đó, các nhà thiết kế cũng có thể tùy đặt vị trí của bộ tăng áp điện ở bất cứ vị trí nào tối ưu theo từng thiết kế của xe. Mới đây thì Audi cũng trình diễn một hệ thống tăng áp điện trên phiên bản RS5 hiệu năng cao sử dụng nhiên liệu dầu diesel của mình. Hãng xe Audi cũng cho biết họ sẽ đưa tăng áp điện lên xe thương mại đầu tiên với mẫu SQ7 – phiên bản hiệu năng cao của thế hệ Q7.
39
Hình 2. 37: Hệ thống tăng áp điện trên Volvo.
Volvo mới đây cũng trình diễn một hệ thống tăng áp 3 cho động cơ 4 xylanh với 2 hệ thống tăng áp truyền thống và 1 hệ thống tăng áp điện hoạt động song song nhưng lại không đưa ra bất kì kế hoạch sản xuất hệ thống tăng áp điện cụ thể nào. Hiện tại, Ferrari cũng không đứng ngoài cuộc chơi khi úp mở về việc sẽ trang bị một hệ thống tăng áp điện cho xe của mình nhằm tăng độ nhạy trong khả năng đáp ứng của động cơ.
Hãng xe Nhật Bản cũng đã nghiên cứu và trang bị trên một số dòng xe đời mới khối động cơ Turbo tăng áp điện tử mới làm giảm hàm lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.
Dòng xe bán tải Nissan Navara VL phiên bản cao cấp nhất vừa được giới thiệu vào tháng 3/2015 mới đây đã được hãng xe Nhật Bản Nissan trang bị khối động cơ Turbo tăng áp điện tử mới.
40
Hình 2. 38: Hệ thống tăng áp điện trên Nissan.
Với Turbo điện tử và mô-tơ điện dẫn động cánh quạt tua-bin, để giải quyết tình trạng này, Nissan đã đưa ra công nghệ mới với tên gọi Turbo điện tử (electronic turbo hay e- turbo). Turbo điện tử hoạt động với một mô-tơ điện gắn với cánh quạt tua-bin và có thể điều khiển hoàn toàn bằng điện tử.
Nếu ở số vòng tua thấp, động cơ điện sẽ hoạt động để bù trừ cho dòng khí thải yếu