Chương I: Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Xăng
Chương 4. Những Công Nghệ Mới Được ứng Dụng Trong Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Hiện Nay Trên Xe Toyota Yaris 2011
1.3 Hệ thống turbo tăng áp
1.3.1 Tổng quan hệ thống
Hệ thống tăng áp biến thiên (Variable Nozzle Turbocharger, viết tắt là VNT) của Toyota được áp dụng trên các dòng xe Fortuner và Hilux từ cuối năm 2012 tại thị trường Philippines. Về bản chất và nguyên lý hoạt động, hệ thống tăng áp VNT này cũng tương tự như hệ thống VGT (Variable Geometry Turbo) vốn đã được nhiều hãng như Porsche, Ford, Honda, Peugeot, Fiat, Hyundai,… áp dụng.
Hình 42 Vị trí turbo tăng áp
Công nghệ VNT cải thiện hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, đồng thời giúp tăng công suất và mô-men xoắn lần lượt khoảng 40% và 30% so với động cơ cũ. Hệ thống này hoạt động nhờ một cánh quạt điều khiển bằng mô-tơ, có thể thay đổi góc mở tích hợp bên trong turbo để điều chỉnh tốc độ và áp suất của dòng khí tùy theo tình trạng hoạt động của bướm ga, để tăng công suất và tăng hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu.
1.3.2 Kết cấu của turbo tăng áp
Tuabin nạp khí (tuabin tăng áp) bao gồm khoang tuabin, khoang nén khí, khoang trung tâm, cánh tuabin, cánh nén khí, các ổ trục tự lực hoàn toàn, van cửa xả, bộ chấp hành…
Hình 43 Cấu tạo Turbo tăng áp Nguyên lý hoạt động của turbo tăng áp
Tuabin tăng áp được cố định trên đường ống xả khí bằng các bu lông. Khí xả từ các xy-lanh sẽ làm quay các cách tuabin, nó hoạt động theo nguyên lý giống một động cơ tuabin khí. Tuabin được gắn lên cùng một trục với cánh nén khí, cánh nén khí được đặt giữa bộ lọc khí và đường ống dẫn khí nạp. Nhờ cách nén khí, không khí được nén vào trong các xy-lanh với áp suất cao.
Hình 44 Sơ đồ hệ thống turbo tăng áp Hệ thống nén khí
Hình 45 Nén khí trong turbo tăng áp Nén khí trong turbo tăng áp
Dòng khí xả từ các xy-lanh thổi ra tạo áp lực lên các cánh tuabin làm tuabin quay.
Càng nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin thì tuabin quay càng nhanh. Cánh tuabin phải chịu được nhiệt 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 bằng gốm.
Mặt khác trên một đầu còn lại của trục tuabin, cánh nén khí được gắn vào để đẩy không khí vào trong các xy-lanh. Các cánh nén khí là một loại bơm ly tâm, nó hướng dòng không khí từ tâm quay theo biên dạng cánh hướng ra ngoài.
Để có thể tăng tốc độ quay lên đến 150.000 vòng/phút, trục của tuabin được đỡ bởi một ô bi đặc biệt. Hầu hết các ổ bi đều bị quá hủy ở tốc độ như thế, cho hầu hết các tuabin tăng áp đều sử dụng loại ổ đỡ chất lỏng. Loại ổ bi này đỡ lấy trục tuabin bằng một lớp dầu cực mỏng. Điều này đạt được hai mục đích: trục quay của tuabin được làm mát và nó cho phép trục quay với lực cản ma sát thấp…
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.
Một trong những vấn đề chính đối với turbo tăng áp đó là chúng không làm tăng công suất ngay lập tức khi bạn đạp ga. Phải mất khoảng vài giây đồng hồ để turbo tăng vận tốc trước khi tác dụng khuyếch đại công suất. Kết quả là một độ trễ xuất hiện khi bạn đạp ga và sau đó chiếc xe bất thình lình chồm lên khi turbo bắt đầu làm việc.
Một cách để làm giảm độ trễ tác dụng của turbo là giảm tác dụng quán tính của các bộ phận quay, chính là làm giảm trọng lượng bản thân của chúng. Điều này cho phép cánh tuabin và cánh nén khí có thể tăng tốc rất nhanh và hỗ trợ tăng cường công suất cho động cơ sớm hơn. Một cách chắc chắn để giảm độ quán tính của cánh tuabin và cánh nén khí là chế tạo chúng có kích thước nhỏ hơn. Một turbo có kích thước nhỏ hơn sẽ tác dụng giúp tăng cường công suất cho động cơ nhanh hơn ở tốc độ động cơ thấp nhưng có thể không có tác dụng tăng công suất ở tốc độ động cơ cao khi một lượng lớn khí nạp được nén vào trong động cơ. Nó cũng nguy hiểm hơn khi tốc độ quay của tuabin quá nhanh ở tốc độ động cơ cao khi có nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin.
Các turbo tăng áp có kích thước lớn hơn có thể giúp tăng công suất động cơ nhiều hơn ở tốc độ cao nhưng lại sinh ra một độ trễ tác dụng rất lớn bởi vì nó mất nhiều thời gian hơn để tăng tốc độ quay của cánh tuabin và cánh nén khí do chúng nặng hơn. Để khắc phục được hạn chế này, người ta đã chế tạo một số bộ phận đặc biệt đi kèm với nó.
Hầu hết các động cơ có gắn turbo tăng áp để có một mức hao phí nhất định, điều này bắt buộc phải sử dụng một turbo tăng áp nhỏ hơn để giảm độ trễ trong khi ngăn nó khỏi quay quá nhanh ở tốc độ động cơ cao. Để ngăn hao tổn, trong turbo bố trí một van đặc biệt cho phép khí xả đi tắt qua các cánh tuabin. Van này có độ nhạy lớn với sự tăng áp đột ngột. Nếu áp suất tăng lên quá cao, nó có thể xác nhận rằng tuabin quay quá nhanh và mở ra cho phép một lượng khí xả đi vòng qua cánh tuabin và làm giảm tốc độ tuabin.