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 giúp cho chiếc xe có khả năng tăng tốc mạnh hơn và cho khả năng tiết kiệm nhiên liệu hơn so với khối động cơ Turbo truyền thống.
Còn theo Audi, hệ thống turbo tăng áp điện nâng cao hiệu suất động cơ từ 15 đến 20%. Các kỹ sư của Audi giải thích: Turbo tăng áp truyền thống (turbocharger) giống như cây đàn guitar thùng sử dụng rung động không khí trong thùng đàn để tạo ra hiện tượng cộng hưởng nhằm phát ra âm thanh trầm bổng. Một turbo tăng áp điện giống như đàn guitar điện, cung cấp những âm thanh réo rắt nhưng được nâng lên một tầm cao mới bởi bộ khuếch đại âm thanh điện tử.
Luồng không khí áp suất cao do turbo tăng áp điện cung cấp có thể đễ dàng điều chỉnh về cả 2 mặt: áp suất và thời lượng đáp ứng đúng nhu cầu của động cơ vào từng thời điểm.
41 Một hệ thống turbo tăng áp điện bao gồm turbin thu hồi năng lượng từ luồng khí thải và biến năng lượng này thành điện năng để cung cấp cho turbo điện. Theo Audi turbo tăng áp điện sẽ nâng hiệu suất động cơ thêm 15-20%. Hệ thống này cũng loại trừ được thời gian trễ, là thời gian tính từ lúc đạp chân ga cho đến khi động cơ nhận được khí tăng áp từ turbo để tăng tốc. Đối với turbo tăng áp điện, thời gian này chỉ 1/4 giây.
Hình 2. 39: Audi đã kiểm chứng tính ưu việt của turbo tăng áp điện qua mẫu xe thử nghiệm RS5 và A6.
Trung tâm thí nghiệm của VW cho biết, turbo điện sẽ được áp dụng cho SQ7 vào năm 2016. Điều này giúp cho SQ7 trở thành chiếc xe đầu tiên trên thế giới được trang bị tăng áp điện và chắc chắn sau đó sẽ đến lượt những kiểu mẫu Audi khác.
42
Bảng 2. 1: So sánh đặc tính giữa các loại tăng áp.
Loại tăng áp Độ trễ Phạm vi Chi phí Đặc điểm
Tăng áp đơn (1) Khá cao Hạn chế tại dãi RPM thấp
Thấp Đơn giản, được
sử dụng rộng
rãi trên các
dòng xe phổ thông.
Tăng áp ống kép(2) Trung bình Cản thiện tại dải RPM thấp so với loại đơn Cao Được sử dụng trên các dòng xe hạng sang. Tăng áp kép ( Bi Turbo – Twin Turbo)(3) Thấp Hoạt động tốt tại dải RPM rất rộng. Cao Được sử dụng trên các dòng xe thể thao, xe hạng sang.
Tăng áp biến thiên (4)
Thấp Hoạt động tốt
tại dải RPM rất rộng.
Trung bình
Tăng áp điện (5) Không có Hoạt động hiệu quả tại mọi dải RPM Cao -Độ phức tạp cao - Phù hợp với các dòng xe lai - Bằng cách kết nối động cơ điện với tuabin khí thải, năng lượng lãng phí
43 có thể phục hồi. - Momen xoắn sinh ra đều.
2.5 Ưu, nhược điểm của việc ứng dụng tăng áp trên động cơ đốt trong Ưu điểm: Ưu điểm:
Tăng hiệu suất động cơ: động cơ đốt trong khi sử dụng tăng áp sẽ tăng thêm 30-40%
công suất động cơ vì nó tăng hiệu suất nạp, từ đó quá trình cháy sẽ tăng và tăng công suất động cơ.
Tạo áp suất lớn: Mỗi hành trình của Piston tạo ra nhiều sức mạnh hơn động cơ hút khí
tự nhiên do đó, động cơ tăng áp có thể sản xuất nhiều năng lượng hơn trong cùng 1 động cơ có cùng kích thước.
Hiệu suất mạnh mẽ tạo ra mô - men xoắn: Dù với mục đích sản xuất kích thước nhỏ
để tiết kiệm nhiên liệu, động cơ tăng áp vẫn giữ được hiệu suất mạnh mẽ. Động cơ tăng áp còn tạo ra nhiều mô-men xoắn hơn, đặc biệt thấp hơn phạm vi vòng quay.
Giảm trọng lượng động cơ: để sản xuất 1 động cơ có công suất hoạch định sẽ phải sản
xuất 1 khối động cơ có dung tích xy lanh lớn. Nếu động cơ được ứng dụng tăng áp thì nhà sản xuất có thể sản xuất động cơ có dung tích nhỏ hơn nhưng công suất đầu ra vẫn bằng hoặc có thể cao hơn động cơ có dung tích lớn hơn khi không có tăng áp.
Tiết kiệm chi phí sản xuất: việc sản xuất 1 động cơ có dung tích nhỏ hơn, khối lượng
và kích thước sẽ hơn sẽ tiết kiệm được chi phí sản xuất.
Giúp tiết kiệm nhiên liệu: Động cơ tăng áp có công suất tương đương như các động
cơ lớn khác dù dung tích xy lanh nhỏ hơn. Trong đó, các hỗn hợp không khí và nhiên liệu đốt đẩy đến xy lanh được đốt cháy hoàn toàn, giúp động cơ tăng thêm hiệu suất, giảm thiểu khí thải và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
44
Hạn chế tối đa tiếng ồn: Động cơ tăng áp xe ô tô có khả năng sử dụng lại một phần
nguồn khí thải trong quá trình nén khí, qua đó lọc được nhiều không khí vào đường ống và linh kiện hơn so với động cơ hút khí tự nhiên. Khi đó, tiếng ồn động cơ êm và mượt hơn do tiếng ồn hút và xả được giảm và tinh lọc.
Nhược điểm:
Động cơ tăng áp có độ trễ (phản ứng chậm hơn): Đây là một trong những nhược điểm
lớn nhất của động cơ tăng áp xe ô tô. Do động cơ cần phải đạt được vòng tua lớn để đủ lượng khí xả cho hệ thống tăng áp hoạt động. Vì không có khả năng tạo đủ lượng khí thải để quay tuabin nạp của turbo nên độ trễ ngắn động cơ tăng áp chỉ thường xảy ra sau khi nhấn van tiết lưu.
Chi phí sửa chữa cao hơn: Việc sử dụng động cơ tăng áp khiến động cơ hoạt động
phức tạp hơn, đòi hỏi sử dụng những chất liệu bền và tốt hơn, đảm bảo tuổi thọ cho hệ thống này. Và khi gặp sự cố, việc sửa chữa động cơ tăng áp gặp nhiều khó khăn hơn và chi phí sửa chữa cũng cao hơn.
Cần điều tiết quá trình lái xe hợp lý: Trường hợp chiếc xe đang được điều khiển với
tốc độ cao, lúc này bộ tăng áp được tăng tốc khiến các xi lanh đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn, dẫn đến hiệu quả kém hơn.Vì vậy để đạt được số liệu hiệu quả tốt nhất, người lái không được nhấn quá mạnh vào máy gia tốc, cần kiểm soát tốt bướm ga và luôn chú ý điều tiết quá trình sao cho hợp lý.
45
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ 3.1 Khảo sát động cơ Honda Winner 150
Động cơ 150cc, DOHC, làm mát bằng dung dịch
Động cơ dung tích lớn 150cc, PGM-FI, 4 kỳ, xy-lanh đơn, làm mát bằng dung dịch tích hợp các công nghệ hàng đầu của Honda cho phép xe vận hành linh hoạt, công suất mạnh mẽ, nâng cao khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Côn tay, hộp số 6 cấp
Hệ thống côn tay cùng hộp số 6 cấp linh hoạt, tăng cường hiệu quả chạy xe ở các mức tốc độ khác nhau cũng như khả năng sang số nhẹ nhàng, linh hoạt, cho người lái cảm giác phấn kích hơn khi điều khiển xe.
Thông số kỹ thuật của Honda Winner 150 2016
Với mục đích tạo ra một mẫu xe thể thao vượt lên một phương tiện di chuyển thông thường thì Honda WINNER 150 dường như đã đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó. Thiết kế thể thao ấn tượng nhưng vẫn tạo ra sự quen thuộc đặc trưng của xe Honda. Động cơ vận hành mạnh mẽ, hộp số nhẹ, nhạy phù hợp cho nhiều đối tượng khác hàng khác nhau có thể dễ dàng sử dụng.
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật Honda Winner 150.
Số Thứ Tự
Thông Số Đơn vị
1 Khối lượng bản thân 122kg
2 Dài x Rộng x Cao 2.025 x 725 x 1.102
mm
3 Khoảng cách trục bánh xe 1.276 mm
4 Độ cao yên 780 mm
46
6 Dung tích bình xăng 4,5 lít
7 Kích cỡ lốp trước/ sau Trước: 90/80-17M/C
46P /
Sau: 120/70-17M/C 58P
8 Phuộc trước Ống lồng, giảm chấn
thủy lực
9 Phuộc sau Lò xo trụ đơn
10 Loại động cơ PGM-FI, 4 kỳ,
DOHC, xy-lanh đơn, côn 6 số, làm mát bằng dung dịch
11 Dung tích xy-lanh 149,1 cm3
12 Đường kính x hành trình pít-tông 57,3 x 57,8 mm
13 Tỉ số nén 11,3:1
14 Công suất tối đa 11,5kW/9.000
vòng/phút
15 Mô-men cực đại 13,5Nm/6.500
vòng/phút
16 Dung tích nhớt máy 1,1L khi thay nhớt
1,3L khi rã máy
47
3.2 Phương án thiết kế bộ tăng áp
Hình 3. 1: Sơ đồ động cơ tăng áp chạy bằng điện.
Bộ tăng áp chạy bằng điện sẽ được lắp trực tiếp vào họng ga của động cơ xe. Vì tăng áp chạy bằng điện khác biệt với các loại tăng áp truyền thông chạy bằng khí thải và không tiếp xúc trực tiếp với khí thải sinh ra nhiệt. Nên bộ tăng áp chạy bằng điện không cần lắp thêm tản nhiệt cho không khí nhưng vẫn giữ được nhiệt độ khí nạp ở mức cho phép. Motor của bộ tăng áp sẽ được điều khiển trực tiếp bằng bộ xử lí tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga. Việc có thể điều khiển được tốc độ quay của tuabin cũng như lượng không khí nạp về động cơ nên ta có thể tinh chỉnh để phù hợp với các loại dung tích động cơ. Đồng thời tối ưu được lượng không khí cần nạp vào động cơ ở mọi vòng tua máy.
3.2.1 Lựa chọn buống nén khí và cánh tua bin
Vì có thể điều khiển được tốc độ quay của tuabin nên ta không quá quan trọng trong việc lựa chọn cánh và vỏ Turbo. Ta có thể chọn ở mức tương đối để phù hợp với động cơ cần ứng dụng.
48
Hình 3. 2: Vỏ Turbo và cánh tuabin.
Thông thường, các bộ tăng áp tuyền thống sẽ được nối với nhau bằng 1 trục giữa kết nối cánh quạt bên khí thải và cánh quạt bên khí nạp. Nhưng ở bộ tăng áp chạy bằng motor điện thì trục giữa sẽ được nối từ trục của motor điện tới cánh quạt khí nạp. Do đó, ta cần thiết kế lại trục giữa và mặt bích làm kín phía sau vỏ Turbo.