Bộ tăng áp là gì?

Trong động cơ đốt trong, bộ tăng áp (còn được gọi là turbo hoặc turbosupercharger) là một thiết bị cảm ứng cưỡng bức nén không khí nạp, đẩy nhiều không khí hơn vào động cơ để tạo ra nhiều công suất hơn cho một dung tích xi lanh nhất định.

Bộ tăng áp khác với bộ siêu nạp ở chỗ bộ tăng áp được cung cấp năng lượng bởi động năng của khí thải, trong khi bộ siêu nạp được cung cấp năng lượng cơ học, thường bằng dây đai từ trục khuỷu của động cơ. Tuy nhiên, cho đến giữa thế kỷ 20, bộ tăng áp được gọi là “turbosupercharger” và được coi là một loại bộ siêu nạp.

Thiết kếbộ tăng áp

Giống như các thiết bị nạp cưỡng bức khác, một máy nén trong bộ tăng áp tạo áp suất cho không khí nạp trước khi đi vào ống nạp. Trong trường hợp bộ tăng áp, máy nén được cung cấp năng lượng bởi động năng của khí thải động cơ, được trích xuất bởi tuabin của bộ tăng áp.

Các thành phần chính của bộ tăng áp bao gồm:

• Turbine – thường là thiết kế tuabin hướng tâm
• Máy nén – thường là máy nén ly tâm
• Bộ phận quay trục giữa

Tuabin

Phần tuabin (còn được gọi là “mặt nóng” hoặc “phía xả” của bộ tăng áp) là nơi tạo ra lực quay để truyền động cho máy nén (thông qua một trục quay đi qua trung tâm của bộ tăng áp). Sau khi khí thải làm quay tuabin, nó tiếp tục đi vào ống xả và thoát ra ngoài xe.

Bộ tăng áp cuộn đôi

Bộ tăng áp cuộn đôi sử dụng hai cửa nạp khí thải riêng biệt để tận dụng các xung động trong luồng khí thải từ mỗi xi-lanh. Trong một bộ tăng áp tăng áp tiêu chuẩn (cuộn đơn), khí thải từ tất cả các xi-lanh được kết hợp và đi vào bộ tăng áp thông qua một cửa nạp duy nhất, khiến các xung động khí từ mỗi xi-lanh giao thoa với nhau. Đối với bộ tăng áp tăng áp cuộn đôi, các xi-lanh được chia thành hai nhóm để tối đa hóa các xung động.

Bộ tăng áp đôi

Bộ tăng áp đôi sử dụng hai cửa nạp khí thải riêng biệt, nhằm tận dụng các xung khí thải phát ra từ từng xi-lanh.

Trong một bộ tăng áp thông thường, khí thải từ tất cả các xi-lanh được gộp chung và đi vào bộ tăng áp qua một cửa nạp duy nhất, khiến các xung khí từ các xi-lanh giao thoa và cản trở lẫn nhau, làm giảm hiệu suất.

Đối với bộ tăng áp đôi, các xi-lanh được chia thành hai nhóm riêng biệt, giúp tối ưu hóa các xung khí thải và cải thiện hiệu suất nạp – xả của động cơ.

Bộ tăng áp biến thiên hình học 

Bộ tăng áp biến thiên hình học (còn được gọi là bộ tăng áp có vòi phun biến thiên) được sử dụng để thay đổi tỷ lệ khía cạnh hiệu dụng của bộ tăng áp khi điều kiện vận hành thay đổi.

Điều này được thực hiện thông qua các cánh hướng dòng có thể điều chỉnh nằm bên trong vỏ tua-bin, giữa cửa vào và cánh tua-bin, giúp kiểm soát dòng khí thải đi vào tua-bin.

Một số bộ tăng áp biến thiên hình học sử dụng Bộ truyền động van điện quay để đóng mở các cánh hướng, trong khi một số khác lại sử dụng Bộ truyền động van khí nén.

Bộ tăng áp có hỗ trợ điện

Bộ tăng áp có hỗ trợ điện kết hợp giữa tua-bin truyền thống sử dụng khí thải và một động cơ điện, nhằm giảm độ trễ tăng áp. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ tăng áp điện chẳng hạn như tích hợp với hệ thống mild hybrid  đã cho phép bộ tăng áp bắt đầu quay trước khi khí thải tạo ra đủ áp suất. Điều này giúp giảm thêm độ trễ tăng áp và cải thiện hiệu suất động cơ, đặc biệt trong điều kiện vận hành ở tốc độ thấp và tình huống dừng khởi động thường xuyên trong đô thị.

Điểm khác biệt là bộ siêu nạp điện chỉ sử dụng động cơ điện để vận hành máy nén, mà không có sự hỗ trợ từ dòng khí thải

Bộ nén

Bộ nén có nhiệm vụ hút không khí từ bên ngoài thông qua hệ thống nạp của động cơ, nén áp suất không khí, sau đó đưa luồng khí nén vào buồng đốt.

Phần bộ nén của bộ tăng áp bao gồm cánh quạt nén , khuếch tán và vỏ xoắn ốc.

Đặc tính hoạt động của bộ nén được mô tả bằng bản đồ nén, thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng khí, áp suất và hiệu suất làm việc của bộ nén.

Vỏ có lỗ thoát khí 

Một số bộ tăng áp sử dụng vỏ có lỗ thoát khí, trong đó một vòng các lỗ hoặc rãnh tròn được bố trí quanh khu vực cánh quạt nén, cho phép một phần không khí thoát vòng quanh các cánh nén.

Thiết kế ported shroud giúp tăng khả năng chống hiện tượng “surge” và cải thiện hiệu suất hoạt động của bánh nén, đặc biệt ở các dải tốc độ thấp hoặc khi tải thay đổi nhanh.

Cụm trục quay trung tâm

Cụm trục quay trung tâm (CHRA) là bộ phận chứa trục nối giữa tua-bin và bộ nén. Một trục nhẹ hơn giúp giảm độ trễ của bộ tăng áp, vì nó có thể tăng tốc nhanh hơn khi khí thải bắt đầu quay tua-bin.

CHRA cũng chứa ổ trục, cho phép trục quay ở tốc độ rất cao với ma sát tối thiểu.

Một số CHRA được làm mát bằng nước, với các đường ống cho dòng dung dịch làm mát của động cơ chảy qua. Mục đích của việc làm mát bằng nước là bảo vệ dầu bôi trơn của bộ tăng áp khỏi bị quá nhiệt, giúp kéo dài tuổi thọ và đảm bảo hiệu suất ổn định.

Các bộ phận hỗ trợ 

Loại bộ tăng áp đơn giản nhất là bộ tăng áp tự do. Hệ thống này có thể đạt mức tăng áp tối đa khi động cơ hoạt động ở vòng tua và bướm ga tối đa, tuy nhiên, để động cơ có thể vận hành ổn định trong nhiều dải tải và tốc độ vòng tua khác nhau, cần bổ sung thêm các bộ phận hỗ trợ.

Các bộ phận bổ trợ thường được sử dụng cùng với bộ tăng áp bao gồm:

• Bộ làm mát khí nạp: là một loại két tản nhiệt được dùng để làm mát không khí nạp sau khi đã được nén bởi bộ tăng áp, giúp tăng mật độ không khí và cải thiện hiệu suất đốt.
• Phun nước: là quá trình phun sương nước vào buồng đốt, nhằm làm mát không khí nạp và giảm nguy cơ kích nổ trong động cơ.
• Van xả: do nhiều bộ tăng áp có khả năng tạo áp suất cao vượt mức mà động cơ có thể chịu được, nên van xả được sử dụng để giới hạn lượng khí thải đi vào tua-bin, qua đó kiểm soát áp suất tăng áp an toàn.
• Van xả khí nén: được dùng để ngăn hiện tượng “stall” (nghẽn nén) của bộ nén khi bướm ga đóng đột ngột, bằng cách xả áp suất thừa ra ngoài để bảo vệ bộ tăng ápr và tăng tuổi thọ hệ thống.

Độ trễ bộ tăng áp và ngưỡng tăng áp

Độ trễ bộ tăng áp là độ trễ – khi vòng tua máy nằm trong phạm vi hoạt động của bộ tăng áp – xảy ra giữa lúc nhấn ga và lúc bộ tăng áp bắt đầu tăng áp để tạo áp suất tăng áp. Độ trễ này là do lưu lượng khí thải tăng lên (sau khi bướm ga đột ngột mở) khiến tuabin mất thời gian để quay đến tốc độ tạo ra lực tăng áp.

Hậu quả của độ trễ bộ tăng áp là giảm phản ứng bướm ga, dưới dạng độ trễ trong việc cung cấp công suất. Bộ siêu nạp không bị ảnh hưởng bởi độ trễ bộ tăng áp vì cơ cấu máy nén được dẫn động trực tiếp bởi động cơ.

Các phương pháp giảm độ trễ bộ tăng áp bao gồm:

• Giảm quán tính quay của bộ tăng áp tăng áp bằng cách sử dụng các chi tiết bán kính nhỏ hơn, gốm và các vật liệu nhẹ khác
• Thay đổi tỷ số nén của tuabin (tỷ số A/R)
• Tăng áp suất không khí ở tầng trên (xả máy nén) và cải thiện phản ứng cửa xả
• Giảm tổn thất ma sát ổ trục, ví dụ, sử dụng ổ trục lá thay vì ổ trục dầu thông thường
• Sử dụng bộ tăng áp tăng áp vòi phun biến thiên hoặc bộ tăng áp tăng áp cuộn đôi
• Giảm thể tích đường ống ở tầng trên
• Sử dụng nhiều bộ tăng áp tăng áp tuần tự hoặc song song
• Sử dụng hệ thống chống trễ
• Sử dụng van ống bộ tăng áp tăng áp để tăng tốc độ dòng khí thải đến tuabin (tua bin cuộn đôi)
• Sử dụng van bướm để đẩy khí thải qua một đường dẫn nhỏ hơn ở cửa nạp bộ tăng áp
• Tua bin tăng áp điện và bộ tăng áp tăng áp hybrid.

So sánh giữa bộ tăng áp và bộ siêu nạp

Điểm khác biệt chính giữa bộ tăng áp và bộ siêu nạp nằm ở nguồn năng lượng dùng để dẫn động máy nén:

• Bộ siêu nạp được dẫn động cơ học trực tiếp từ động cơ, thường thông qua dây đai nối với trục khuỷu.
• Bộ tăng áp, ngược lại, được vận hành nhờ năng lượng động học của dòng khí thải từ động cơ.

Do đó, bộ tăng áp không tạo ra tải cơ học trực tiếp lên động cơ, nhưng lại tăng áp suất ngược trong hệ thống xả, khiến tổn thất bơm của động cơ cao hơn đôi chút.

Động cơ sử dụng bộ siêu nạp thường phổ biến trong các ứng dụng đòi hỏi độ phản hồi ga nhanh, vì công suất tăng lên gần như tức thời khi nhấn ga. Ngoài ra, bộ siêu nạp cũng ít làm nóng không khí nạp hơn so với bộ tăng áp, giúp duy trì hiệu suất ổn định hơn trong điều kiện vận hành kéo dài.

Ứng dụng

Bộ tăng áp đã được sử dụng trong các ứng dụng sau:

• Động cơ ô tô chạy bằng xăng
• Động cơ ô tô và xe tải chạy bằng dầu diesel
• Động cơ xe máy (khá hiếm)
• Động cơ xe tải chạy bằng dầu diesel, bắt đầu với xe tải Saurer năm 1938
• Động cơ diesel xe buýt và xe khách
• Động cơ piston máy bay
• Động cơ hàng hải
• Động cơ đầu máy và động cơ diesel nhiều cụm cho tàu hỏa
• Động cơ tĩnh tại/công nghiệp