Có lẽ bạn đã từng nhìn thấy một huy hiệu nhỏ “turbo” trên một chiếc xe trông khá bình thường. Các nhà sản xuất thường đặt những biểu tượng này rất khiêm tốn — nhỏ bé, nằm ở những góc khuất. Người chưa am hiểu rất dễ đi qua mà không để ý. Nhưng với những người trong nghề, đó là dấu hiệu đáng dừng lại. Vậy có gì đặc biệt ở đây? Đây là toàn bộ câu chuyện về tăng áp turbo — nó đến từ đâu, hoạt động như thế nào và tại sao nó quan trọng.
Tại sao các kỹ sư cần nhiều công suất hơn từ cùng một động cơ
Ngay từ những ngày đầu của kỹ thuật ô tô, các nhà thiết kế đã bị ám ảnh bởi một câu hỏi: làm thế nào để lấy được nhiều công suất hơn từ động cơ? Các định luật vật lý đưa ra câu trả lời rõ ràng — công suất động cơ tỉ lệ thuận trực tiếp với lượng nhiên liệu được đốt cháy trong mỗi chu kỳ làm việc. Đốt nhiều nhiên liệu hơn đồng nghĩa với nhiều công suất hơn. Đơn giản về lý thuyết. Nhưng trong thực tế, mọi thứ phức tạp hơn nhiều.
Yếu tố hạn chế then chốt là oxy. Nhiên liệu không tự cháy — nó cháy như một phần của hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Và hỗn hợp đó phải được cân bằng chính xác, không thể ước tính. Đối với động cơ xăng, tỉ lệ lý tưởng là vào khoảng:
- 1 phần nhiên liệu so với 14–15 phần không khí, tùy thuộc vào chế độ vận hành, thành phần nhiên liệu và các biến số khác
Điều này có nghĩa là nếu bạn muốn đốt nhiều nhiên liệu hơn, bạn cũng phải cung cấp nhiều không khí hơn đáng kể. Các động cơ hút khí tự nhiên thông thường hút không khí qua sự chênh lệch áp suất giữa xy-lanh và khí quyển. Kết quả là một giới hạn cứng: dung tích xy-lanh càng lớn, lượng oxy nạp vào mỗi chu kỳ càng nhiều. Các nhà sản xuất Mỹ vào giữa thế kỷ XX đã đẩy điều này đến cực điểm, chế tạo những động cơ dung tích khổng lồ với mức tiêu thụ nhiên liệu cực lớn. Nhưng liệu có cách thông minh hơn để nạp nhiều không khí hơn vào cùng một dung tích xy-lanh không?
Sự ra đời của máy nén cơ học: Đột phá của Gottlieb Daimler
Câu trả lời đến từ một cái tên quen thuộc — Gottlieb Wilhelm Daimler, kỹ sư người Đức đứng sau di sản DaimlerChrysler. Vào năm 1885, Daimler đã phát triển một phương pháp nén thêm không khí vào các xy-lanh động cơ bằng cách sử dụng máy nén cơ học — về cơ bản là một máy nén (quạt) được dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu động cơ, đẩy không khí nén vào các xy-lanh.
Phương pháp này có tác dụng. Nhưng nó có một nhược điểm đáng kể: máy nén lấy năng lượng trực tiếp từ động cơ để tự vận hành. Các kỹ sư biết rằng phải có cách tốt hơn.
Alfred Büchi và sự ra đời của turbocharger (1905)
Đây là lúc Alfred J. Büchi xuất hiện — một kỹ sư và nhà phát minh người Thụy Sĩ làm việc tại Sulzer Brothers, nơi ông dẫn dắt bộ phận phát triển động cơ diesel. Büchi đang bế tắc với hai vấn đề:
- Động cơ diesel thời đó to lớn, nặng nề và kém công suất
- Máy nén cơ học lấy đi năng lượng mà động cơ cần để tự vận hành
Năm 1905, Büchi đã cấp bằng sáng chế cho một giải pháp mang tính cách mạng: thiết bị tăng áp không được dẫn động bởi trục khuỷu động cơ, mà bởi chính khí thải của nó. Đây là turbocharger đầu tiên trên thế giới.
Turbocharger hoạt động như thế nào
Khái niệm đằng sau tăng áp turbo rất thanh lịch và đơn giản. Đây là nguyên lý cơ bản, từng bước một:
- Khí thải nóng thoát ra từ động cơ và chảy vào vỏ tua-bin
- Các khí này làm quay bánh có cánh — rô-to tua-bin — giống như gió quay cối xay gió, nhưng ở tốc độ cực cao
- Rô-to tua-bin được gắn trên cùng một trục với bánh nén
- Khi tua-bin quay, nó dẫn động máy nén, máy nén đẩy không khí nén vào các xy-lanh
- Nhiều không khí hơn trong xy-lanh có nghĩa là có thể đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn — dẫn đến công suất đầu ra lớn hơn
Bản thân từ “turbocharger” bắt nguồn từ gốc tiếng Latinh turbo (xoáy) và compressio (nén) — mô tả chính xác những gì đang xảy ra bên trong.
Vai trò của bộ làm mát trung gian (intercooler)
Còn một mảnh ghép nữa. Khi không khí đi qua máy nén và bị làm nóng bởi các bộ phận nóng của turbocharger, nó giãn nở — nghĩa là ít oxy hơn có thể chứa trong cùng một thể tích. Để chống lại điều này, các động cơ tăng áp sử dụng bộ làm mát trung gian (intercooler): một bộ tản nhiệt đặt trên đường không khí giữa máy nén và các xy-lanh động cơ.
Công việc của bộ làm mát trung gian đơn giản nhưng quan trọng:
- Nó làm mát không khí nén trước khi vào xy-lanh
- Không khí mát hơn đặc hơn, nghĩa là nhiều phân tử oxy hơn có thể chứa trong cùng một không gian
- Điều này cho phép áp suất tăng áp cao hơn — và tăng công suất cao hơn nữa
- Nó cũng giúp ngăn chặn hiện tượng kích nổ (đốt cháy sớm), đặc biệt trong các ứng dụng hiệu suất cao
Những ưu điểm chính của tăng áp turbo so với động cơ hút khí tự nhiên
Lợi ích hiệu quả từ tăng áp turbo rất đáng kể. Không giống như máy nén cơ học — vốn tiêu thụ công suất động cơ để vận hành — turbocharger trích xuất năng lượng từ khí thải mà nếu không sẽ bị lãng phí. Đáng chú ý là tua-bin không làm chậm đáng kể các khí đó; thay vào đó nó làm mát chúng, thu hồi năng lượng trong quá trình. Những lợi ích chính bao gồm:
- Chỉ ~1,5% năng lượng động cơ bị tiêu thụ bởi chính turbocharger
- Công suất đầu ra cao hơn từ động cơ có dung tích nhỏ hơn
- Giảm tổn thất ma sát nhờ động cơ nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn
- Hiệu quả nhiên liệu tốt hơn so với động cơ hút khí tự nhiên có công suất tương đương
- Khí thải sạch hơn, đặc biệt liên quan đến các động cơ diesel hiện đại
Nghe có vẻ như giải pháp hoàn hảo — nhưng tăng áp turbo đi kèm với những thách thức kỹ thuật nghiêm trọng đã trì hoãn việc áp dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ.
Những thách thức: Nhiệt độ cực cao, tốc độ lớn và turbo lag
Turbocharger hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt:
- Rô-to tua-bin có thể quay với tốc độ lên đến 200.000 vòng/phút
- Nhiệt độ khí thải có thể đạt đến 1.000°C (1.832°F)
- Các bộ phận phải duy trì tính toàn vẹn cấu trúc và dung sai chính xác dưới áp lực nhiệt và cơ học liên tục
Vì vậy, tăng áp turbo chỉ trở nên phổ biến rộng rãi trong Thế chiến thứ hai — và ban đầu chỉ trong hàng không, nơi khoản đầu tư kỹ thuật được biện minh. Vào những năm 1950, Caterpillar đã thành công trong việc áp dụng công nghệ này cho máy kéo của mình, trong khi Cummins phát triển những động cơ diesel tăng áp đầu tiên cho xe tải. Xe ô tô du lịch tăng áp turbo không xuất hiện cho đến năm 1962, khi Oldsmobile Jetfire và Chevrolet Corvair Monza ra mắt gần như đồng thời.
Ngoài độ bền, còn có một thách thức khác đặc trưng của xe ô tô: turbo lag (độ trễ turbo). Ở tốc độ động cơ thấp, lượng khí thải có hạn, vì vậy tua-bin quay chậm và máy nén hầu như không tạo ra áp suất. Động cơ có thể cảm thấy uể oải dưới 3.000 vòng/phút, rồi đột nhiên bùng lên công suất trên 4.000–5.000 vòng/phút. Tua-bin càng lớn, độ trễ càng rõ rệt. Tua-bin nhỏ hơn giảm độ trễ nhưng hy sinh công suất đỉnh.
Các giải pháp hiện đại: Cách các kỹ sư khắc phục turbo lag
Qua nhiều thập kỷ, các kỹ sư đã phát triển một số cách tiếp cận thông minh để giảm thiểu turbo lag trong khi vẫn duy trì lợi ích công suất:
- Turbo kép tuần tự: một turbocharger nhỏ, ít quán tính xử lý số vòng quay thấp, trong khi một đơn vị lớn hơn hoạt động ở số vòng quay cao. Được sử dụng trong Porsche 959 huyền thoại, và ngày nay có trong các động cơ diesel của BMW và Land Rover. Động cơ xăng Volkswagen sử dụng máy nén dẫn động bằng đai thay cho turbo nhỏ để có phản hồi tốt hơn ở vòng tua thấp.
- Turbo cuộn đôi (twin-scroll): một turbo duy nhất với hai đầu vào khí thải riêng biệt (cuộn xoắn), mỗi cái được cấp từ một nhóm xy-lanh khác nhau. Điều này giữ tua-bin quay hiệu quả ở cả số vòng quay thấp và cao, giảm độ trễ mà không cần thêm một đơn vị turbo thứ hai. Phổ biến trong động cơ sáu xy-lanh thẳng hàng và bốn xy-lanh.
- Turbo kép song song: hai turbocharger giống nhau phục vụ các dãy xy-lanh riêng biệt. Tiêu chuẩn trong động cơ cấu hình chữ V, nơi mỗi dãy có đơn vị riêng. Bộ phận M của BMW đã tiến xa hơn với ống góp khí thải chéo trên X5 M và X6 M, cho phép máy nén cuộn đôi hút khí từ các dãy xy-lanh đối diện ở các pha đánh lửa đối diện nhau.
- Turbo hình học thay đổi (VGT): các cánh điều chỉnh bên trong vỏ tua-bin thay đổi đường dẫn khí thải tùy theo tốc độ động cơ — về cơ bản cho turbo “kích thước” phù hợp ở mọi số vòng quay. Đầu tiên được áp dụng trên động cơ diesel (nơi nhiệt độ khí thải thấp hơn giúp triển khai dễ dàng hơn), và cuối cùng được đưa vào động cơ xăng bởi Porsche với mẫu 911 Turbo.
Tăng áp turbo ngày nay: Từ hiệu suất đến tiết kiệm nhiên liệu
Điều bắt đầu như một thách thức kỹ thuật hàng không đã trở thành công nghệ thống trị trong các hệ thống truyền động ô tô hiện đại. Ngày nay, tăng áp turbo không chỉ là về hiệu suất — mà còn là trọng tâm của tiết kiệm nhiên liệu và tiêu chuẩn khí thải. Hầu hết mọi động cơ diesel trên thị trường đều mang tiền tố “turbo” như một điều hiển nhiên. Và trong thế giới xe xăng, các động cơ tăng áp turbo dung tích nhỏ đã phần lớn thay thế các đơn vị hút khí tự nhiên lớn hơn trong các phân khúc phổ thông, hạng sang và hiệu suất cao.
Chiếc huy hiệu nhỏ khiêm tốn ở phía sau một chiếc xe trông khá bình thường kể một câu chuyện trải dài hơn một thế kỷ — từ bằng sáng chế năm 1905 của Büchi đến các hệ thống cuộn đôi hình học thay đổi ngày nay. Và câu chuyện đó chưa kết thúc.
Đây là bản dịch. Bạn có thể đọc bản gốc tại đây: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html
Đã xuất bản Tháng Một 27, 2022 • 7 phút để đọc
