TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP TURBOCHARGE

Hiện nay, mọi người đã quá quen thuộc với cụm từ “Động cơ Turbo tăng áp”, ai mua xe cũng hỏi “Xe này có dùng Turbo tăng áp k?”, vậy Turbo cụ thể là cái gì? Nó được ứng dụng vào động cơ đốt trong từ khi nào? Nguyên lý hoạt động ra sao? Thăng Long Ford xin chia sẻ tới các bạn đang quan tâm một số kiến thức nhỏ về Turbo tăng áp (Turbocharge).

Động cơ đốt trong phát minh từ năm 1794 bởi Robert Street. Đến nay đã có quá nhiều biến thể của động cơ đốt trong được phát triển từ động cơ của ông Robert. Và hơn 200 năm qua, chúng ta đang sử dụng chúng trong hầu hết các phương tiện di chuyển hàng ngày hay các thiết bị máy móc. Thật may mắn, vì nếu không có động cơ đốt trong thì ngày nay chúng ta vẫn có thể phải sử dụng động cơ hơi nước, tất cả ô tô xe máy đều cồng kềnh to lớn, với thùng đựng than và lò hơi phía sau, cùng với đó Tôi và các bạn sẽ phải dùng xẻng xúc thêm than ở mỗi lần dừng đèn đỏ, Quảng Ninh có thể đã không còn viên than nào vì người người dùng than, nhà nhà dùng than.

Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong là đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong 1 không gian kín (buồng đốt) và chuyển năng lượng của quá trình đốt cháy này đến trục khuỷu, rồi qua hệ truyền động tới các bánh xe. Trên động cơ truyền thống hút khí tự nhiên (Naturally aspirated engine), lượng không khí được hút vào trong động cơ bị giới hạn bởi dung tích xy lanh, đơn giản như ta dùng xy lanh kim tiêm có dung tích 50cc hút nước thì số lượng nước vào chỉ giới hạn ở 50cc.

dong co dot trong dau tien

Động cơ đốt trong đầu tiên

Và lượng không khí được hút vào tỉ lệ thuận với công suất sinh ra của động cơ. Đốt cháy không chỉ bị giới hạn ở lượng nhiên liệu được phun vào mà còn cả lượng không khí pha trộn với lượng nhiên liệu đó. Trước đây, để tăng công suất động cơ thì cách đầu tiên là tăng dung tích xy lanh. Nhiều hãng đã sản xuất ra các động cơ xe hơi lên tới 8000cc. Tuy nhiên, điều đó kéo theo kích thước và khối lượng động cơ rất lớn, từ đó động cơ V6, V8, V12 ra đời đáp ứng yêu cầu giảm kích thước. Nhiều động cơ V12 trên xe Sedan nặng tới 700kg trong khi động cơ 4 xi-lanh chỉ dưới 200kg. Vác theo khối động cơ nặng hơn đòi hỏi hệ thống khung gầm chắc hơn, hệ thống phanh lớn hơn, kéo theo trọng lượng cả chiếc xe lớn hơn rất nhiều, giảm đi sự linh hoạt, tốn nhiên liệu, và trên hết là giá thành của bản thân chiếc xe cũng bị đội lên rất nhiều.

Ý tưởng giữ nguyên dung tích động cơ, tăng công suất lên bằng cách tăng cưỡng bức thêm không khí vào buồng đốt được Gottlieb Daimler thực hiện năm 1885. Ông sử dụng 01 bơm không khí được vận hành bởi chính động cơ. Có thể nói đây là dạng tăng áp sử dụng máy nén khí đầu tiên (Compressor hay Supercharger). Mặc dù công suất trên cùng dung tích xi lanh của động cơ Supercharger so với động cơ không tăng áp đã cải thiện rất đáng kể, nhưng bản thân động cơ vẫn mất một phần không nhỏ công suất để vận hành máy nén khí này.

supercharge day dai

Turbo tăng áp được vận hành bởi dây cu-roa động cơ

Năm 1905, kỹ sư người Thụy Sỹ Alfred Buchi sáng chế ra cái gọi là Turbocharge ngày nay, đây là chiếc bơm nén khí dạng cánh quạt có vỏ ngoài hình con ốc, bơm được vận hành bởi chính nguồn năng lượng dư thừa của động cơ – đó là khí thải. Mặc dù ra đời năm 1905, nhưng phải tới 20 năm sau công nghệ Turbo tăng áp mới được hoàn thiện và ứng dụng vào xe hơi. Ở những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, động cơ Turbocharger hay Supercharge gần như chỉ được sử dụng trên các xe thể thao đắt tiền. Rào cản lớn nhất nằm ở chi phí đắt đỏ khi chế tạo động cơ tăng áp: đòi hỏi vật liệu tốt hơn, công nghệ chế tạo phức tạp hơn, vì vậy thời đó các hãng sản xuất xe vẫn đi theo con đường sử dụng động cơ nhiều xi lanh và dung tích lớn. Những động cơ này ngốn nhiên liệu nhiều, khí thải độc hại với môi trường.

turbo xe ford ranger xls wildtrak mazda bt50 everest 3

Turbo tăng áp xe Ford Ranger

Nguyên lý hoạt động của Turbo tăng áp: Turbo được cấu tạo bởi vỏ hình con ốc và cánh quạt Tuabin số 01, cánh quạt nén số 02 dùng chung trục quay. Cánh quạt số 01 được quay bởi luồng khí xả động cơ chạy qua, dẫn tới làm quay cánh quạt 02, cánh quạt số 02 có tác dụng như một bơm nén hút không khí từ cổ hút nén vào buồng đốt nhiều hơn. Khi lái xe tăng ga, khí xả ra nhiều hơn, hai cánh quạt quay nhanh hơn, nén không khí vào nhiều hơn và ngược lại.

Sau này, công nghệ Turbo phát triển phức tạp và thông minh hơn, ví dụ có thể tự động điều chỉnh góc nghiêng của các cánh quạt Turbo để thay đổi lưu lượng không khí nén vào buồng đốt linh hoạt hơn, tùy theo chế độ vận hành của xe (Turbo điều khiển cánh), hoặc công nghệ điều khiển Turbo kép (Biturbo)…

 turbo charge nguyen ly

Cấu tạo Turbo tăng áp – sử dụng khí thải để vận hành bơm nạp không khí

Ưu điểm của Turbo tăng áp: Ưu điểm chính của Turbo là tăng công suất cho động cơ trong khi không tăng số lượng xi lanh cũng như dung tích, điều này dẫn đến ít tiêu hao nhiên liệu hơn.Ví dụ điển hình nhất mà chúng ta thấy là hãng Ford đã sử dụng động cơ EcoBoost 1.0L 3 xi lanh tăng áp để đã thay thế cho động cơ 1.6Lcũ trên một số dòng xe như Fiesta hay Ecosport, đem lại công suất cao hơn nhưng lại ít tốn nhiên liệu hơn tới 20%.

Nhược điểm: Đầu tiên là Turbo sẽ làm tăng chi phí sản xuất khá nhiều. Thứ hai, Turbo thường có độ trễ so với chân ga (Turbo lang), Turbo lag là sự chậm trễ trong phản ứng tại thời điểm khi người lái thực hiện tăng ga, Turbocharger sẽ mất 1 hoặc 2 giây (có thể là hơn) để có thể đáp ứng được việc gia tăng hiệu suất theo chân ga của tài xế.Trong những năm qua, các kỹ sư đã cố gắng giảm độ trễ bằng nhiều phương pháp như Turbo hai tầng, Turbo kép song song điều khiển điện tử phức tạp. Cùng với đó, việc sử dụng các vật liệu siêu bền siêu nhẹ cho các cánh quạt Turbo có trọng lượng thấp cũng là một bước tiến lớn trong việc giảm hiệu ứng Turbo lag.

Động cơ sử dụng turbo cũng đòi hỏi phải sử dụng vật liệu chế tạo bền hơn so với các động cơ truyền thống. Các Turbo tăng áp tạo ra công suất cao, động cơ nóng hơn, vì vậy hệ thống làm mát và bôi trơn cũng yêu cầu cao hơn.Các cánh quạt quay trên 100,000 vòng/phút, có thể lên đến 250,000 vòng/phút với các động cơ Ecoboost hay Ecoblue của Ford. Vì vậy các động cơ được tăng áp đòi hỏi phải có nguồn cung cấp dầu dồi dào cùng với một bơm dầu dung tích cao hơn và cần thêm một bộ làm mát dầu. Nhiệt độ là kẻ thù lớn nhất của dầu, chính vì vậy mà động cơ Turbo có yêu cầu về chế độ bảo dưỡng và phẩm cấp dầu bôi trơn cao hơn động cơ không được tăng áp. 

Ngày nay, khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ trở nên khan hiếm, yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng khí thải, công nghệ chế tạo tốt hơn, giá thành rẻ hơn, dẫn tới các hãng sản xuất ô tô áp dụng Turbo nhiều hơn, thậm chí các xe giá bình dân cũng có thể sử dụng Turbo tăng áp. Các xe hiện tại dùng động cơ mới tiêu hao ít nhiên liệu và thân thiện với môi trường hơn. Công nghệ phát triển cho phép sản xuất ra các động cơ tăng áp có công suất hết sức ấn tượng, ví dụ động cơ Ecoboost trên Ford Explorer có công suất 280Hp chỉ với dung tích 2300cc, 4 xy lanh, con số mà hơn chục năm trước ta chỉ thấy trên các động cơ V8 dung tích 5.000-6.000cc.

dong co ecoboost 2

Động cơ Ecoboost tăng áp của Ford

Với công nghệ điều khiển điện tử tiên tiến, các động cơ Turbo tăng áp hiện tại khá tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với môi trường và tỷ lệ công suất/khối lượng rất cao. Các hãng xe đang trong thời kỳ thay đổi động cơ hút khí tự nhiên sang động cơ tăng áp nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải . Ford đã thay thế hầu hết các động cơ cũ bằng động cơ tăng áp Ecoboost máy xăng, hay công nghệ Ecoblue máy dầu Diesel. Honda cũng đang thay thế các động cơ 2.4 trên CR-V bằng động cơ Turbo VTEC 1.5 mới có công suất tương đương và tiêu hao nhiên liệu ít hơn. Hyundai cũng đang sử dụng động cơ tăng áp trên hầu hết các dòng xe. Hầu hết các động cơ Diesel của hãng khác ngày nay đều sử dụng turbocharge bởi khả năng vượt trội của nó. Đã hơn 2 thế kỷ từ khi động cơ đốt trong ra đời, rất nhiều công nghệ đã được áp dụng để làm cho nó ngày càng tối ưu hơn, trong đó Turbo tăng áp đã nâng khả năng của động cơ đốt trong lên một tầm cao mới, có lẽ là cao nhất cho tới bây giờ.

Thăng Long Ford

laithu thanglongford3s.vn

facbook

^