Khi nhắc đến những chiếc xe đua hay những chiếc xe thể thao có công suất lớn, chủ đề mà người ta thường đề cập đến là những chiếc turbo tăng áp.

Turbo tăng áp thường được lắp trong các động cơ diesel cỡ lớn. Một turbo có thể giúp làm tăng đáng kể công suất của một động cơ mà không cần phải tăng trọng lượng bản thân động cơ đó. Đây chính ưu điểm to lớn mà các turbo tăng ápmang lại.

Trong bài viết này, chúng ta hãy tìm hiểu làm thế nào mà một turbo tăng áp lại có thể làm tăng công suất của một động cơ trong khi vẫn duy trì được điều kiện làm việc tối ưu của động cơ. Chúng ta cũng sẽ tìm hiểu làm thế nào để ngăn ngừa sự hao tổn, các cánh tuabin gốm và các ổ bi giúp ích gì cho các turbo tăng áp để cải thiện hiệu suất của nó.

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. Nhiều không khí hơn được nén vào trong xilanh đồng nghĩa với việc nhiên liệu được đưa vào động cơ 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.

Để tăng khả năng nạp khí, các turbo tăng áp sử dụng dòng lưu lượng khí xả từ động cơ để làm quay cánh turbin, các cánh tuabin của turbo tăng áp quay ở tốc độ lên tới 150.000 vòng/phút, như vậy có thể cao hơn gấp 30 lần so với hầu hết các động cơ xe có thể làm được. Và với phương áp bố trí nối với ống xả như vậy, nhiệt độ trong các turbo cũng rất cao.

Turbo tăng áp và động cơ.

Nhìn chung, công suất của động cơ được xác định bởi lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu đốt cháy trong một quãng thời gian nhất định và lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu càng tăng thì công suất động cơ càng lớn. Điều đó có nghĩa là, để tăng công suất động cơ thì phải tăng đường kính xilanh, tăng số lượng xilanh hoặc tăng tốc độ của động cơ. Vấn đề là ở chỗ, khi tăng đường kính xilanh hoặc số lượng xilanh thì trọng lượng của động cơ cũng tăng lên và các yếu tố như là tổn thất do ma sát, rung động, và tiếng ồn lại hạn chế khả năng tăng tốc độ của động cơ.

Turbo tăng áp đáp ứng được cả hai yêu cầu mâu thuẫn nhau này: tăng công suất động cơ mà vẫn giữ cho động cơ gọn nhẹ, bằng cách cung cấp khối lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu lớn hơn mà không thay đổi kích thước động cơ.

Turbo tăng áp cho phép một động cơ đốt được nhiều nhiên liệu và không khí hơn bằng cách nén chúng nhiều hơn vào trong các xilanh. Thông thường việc tăng lưu lượng khí nạp bằng turbo tăng áp tạo ra áp suất khoảng 6 đến 8 Pounds trên diện tích một inch vuông (PSI). Áp suất khí quyển thông thường vào khoảng 14,7 PSI ở mực nước biển, có thể thấy rằng chúng làm tăng thêm khoảng 50% lượng khí nén thêm vào trong động cơ. Cho nên có thể làm tăng thêm khoảng 50% công suất động cơ. Nhưng hiệu quả tăng công suất không như vậy, thực tế chúng chỉ có thể giúp tăng công suất động cơ khoảng 30 đến 40% do ảnh hưởng của tổn hao năng lượng.

Một lý do khiến nó giảm hiệu quả đến từ thực tế công làm quay các cánh tuabin không phải không tiêu hao năng lượng. Do các cánh tuabin được đặt trong đường xả của ống xả làm tăng sự cản trở chuyển động của dòng khí xả, làm áp lực đẩy khí xả ra ngoài trong kỳ xả của động cơ bị cản trở và sinh ra một áp lực đẩy ngược chiều. Việc công suất sinh ra bị tổn hao một phần xảy ra ở tất cả các xilanh của động cơ đánh lửa cùng thời điểm.

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…

Turbin tăng áp được cố định trên đường ống xả khí bằng các bu lông. Khí xả từ các xilanh sẽ làm quay các cách turbin, nó hoạt động theo nguyên lý giống một động cơ turbin khí. Turbin 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 xilanh với áp suất cao.

Bên trong một turbin tăng áp

Dòng khí xả từ các xilanh 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 xilanh. 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 lến 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 turbin 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.

 Các bộ phận đặc biệt của turbo tăng áp

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 turbin 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 turbin 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 turbin 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 turbin. 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.

Một số turbo tăng áp sử dụng vòng bi cầu thay vì sử dụng loại ổ đệm chất lỏng để đỡ lấy trục của tuabin. Nhưng chúng không phải là loại ổ bi cầu thông thường, chúng là các ổ bi tự lựa có độ chinh xác rất cao được làm từ loại vật liệu cao cấp để có thể chịu được tốc độ quay và nhiệt độ sinh ra từ các turbo tăng áp. Chúng cho phép các trục tuabin có thể quay với lực ma sát sinh ra thấp hơn các loại ổ đỡ chất lỏng được sử dụng trong hầu hết các turbo tăng áp. Chúng cho phép các trục có trọng lượng nhẹ hơn và quay chậm hơn có thể làm việc hiệu quả. Đây là điều giúp các turbo tăng áp có thể tăng tốc nhanh hơn, giảm được độ trễ đến mức thấp hơn.

Các cách turbin được làm bằng gốm thường nhẹ hơn các cánh turbin được làm bằng kim loại phổ biến trong hầu hết các turbo tăng áp. Trái lại, chúng lại cho phép các turbin quay nhanh hơn, và giảm được độ trễ tác dụng.

Động cơ sử dụng hai turbo và nhiều turbo.

Một số động cơ sử dụng hai turbo tăng áp với kích thước khác nhau. Turbo có kích thước nhỏ hơn quay với tốc độ nhanh hơn, giảm được độ trễ tác dụng trong khi turbo có kích thước lớn hơn có thể đạt khả năng tăng công suất nhanh hơn ở tốc độ động cơ cao.

Khi hai tuabin cùng làm việc ở điều kiện tải nhẹ hoặc tốc độ thấp, tính thích ứng của động cơ được cải thiện, ví dụ thích ứng với tăng tốc. Khi hai tuabin cùng làm việc ở điều kiện tải nặng hoặc tốc độ cao, động cơ có thể sản ra công suất cao. Khi chỉ có một tuabin thì động cơ khó đạt được hiệu quả cao ở cả hai chế độ làm việc với tải trọng nặng và tải trọng nhẹ. Trong trường hợp này chỉ có thể đạt được hiệu quả cao ở một trong hai chế độ. Tuy nhiên, tuabin kép sử dụng van điều khiển khí xả và van phân dòng. Nó điều khiển cho một tuabin làm việc ở chế độ tải nhẹ và hai tuabin làm việc ở chế độ tải nặng hoặc tốc độ cao, để tăng tính thích ứng của động cơ ở mọi tốc độ và đạt được công suất cao.

Khi không khí được nén lại, nó được hâm nóng lên và khi không khí nóng lên, nó sẽ giãn nở. Bởi vậy áp suất trong turbo tăng lên một cách đáng kể và kết quả là không khí nóng lên trước khi đi vào động cơ. Để tăng công suất của động cơ, phải đạt được một mục tiêu là đưa thêm nhiều phân tử khí vào trong xilanh mà không làm tăng áp suất khí.

Để đạt được điều này, một bộ làm mát trung gian hay một bộ làm mát khí nạp được lắp thêm vào hệ thống, nó được xem như là một két làm mát nhưng chỉ khác là không khí được thổi đi vào và đi ra khỏi bộ làm mát trung gian này. Có hai kiểu bộ làm mát trung gian: Kiểu làm mát bằng không khí và kiểu làm mát bằng nước. Hiện nay chỉ có kiểu làm mát bằng không khí là được sử dụng. Tuỳ theo kiểu động cơ mà vị trí lắp bộ làm mát trung gian có khác nhau. Khí nạp được thổi qua một đường ống dẫn kín bên trong bộ làm mát trong khi đó không khí từ bên ngoài được đẩy cưỡng bức qua các cánh tản nhiệt của nó bằng quạt làm mát động cơ.

Bộ làm mát khí nạp giúp tăng công suất của động cơ bằng cách làm mát khí nén đi ra từ cánh nén khí của turbin trước khi đi vào trong động cơ. Điều này có nghĩa là nếu turbo tăng áp tạo ra một áp suất nén khoảng 7 PSI, hệ thống lám mát khí nạp sẽ làm nguội không khí có áp suất 7 PSI này, có nghĩa là nó trở nến đậm đặc hơn và chứa nhiều phân tử khí hơn một khối không khi nóng.

Một turbo tăng áp cũng giúp tăng mật độ khí nén khi càng lên cao sự đậm đặc của không khí càng bị giảm đi. Động cơ bình thường thực tế bị giảm công suất khi càng lên cao so với mực nước biển bởi vì mỗi hành trình nén của piston, động cơ sẽ nén được ít không khí hơn về khối lượng. Một động cơ có turbo tăng áp cũng bị giảm công suất nhưng sự giảm công suất này sẽ ít ảnh hưởng hơn bởi vì không khí loãng hơn dễ được đẩy qua các cánh nén khí của turbo hơn.

Các loại xe cũ với động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu cacbuarato, tự động tăng tỷ lệ nhiên liệu để phù hợp hơn với sự tăng lưu lượng khí nạp đi vào trong các xilanh. Các loại xe hiện đại ngày nay sử dụng loại động cơ phun nhiên liệu điện tử cũng đạt được điều này ở mức độ tối ưu hơn. Hệ thống phun nhiên liệu điện tử sử dụng các cảm biến ôxi trong đường ống xả để đo tỷ lệ không khí – nhiên liệu một cách chính xác. Bởi vậy, hệ thống này sẽ tự động tăng lượng nhiên liệu nạp vào nếu được trang bị thêm turbo tăng áp.

Nếu turbo tăng áp tăng lượng khí nạp nhanh quá mức đòi hỏi phải tăng lượng nhiên liệu phun vào phù hợp, hệ thống phun nhiên liệu có thể không cung cấp đủ nhiên liệu, cũng như là chương trình phần mềm trong bộ điều khiển không cho phép hoặc bơm nhiên liệu và vòi phun không đủ khả năng cung cấp đủ cho nhu cầu. Trong trường hợp này, một số điều chỉnh khác được thiết lập để thu được hiệu quả cao nhất từ turbo tăng áp.

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

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 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.