Turbo tăng áp và hồi lưu khí thải

Tìm hiểu về turbo tăng áp 

Hiện nay, việc tăng công suất, momen xoắn cho ô tô không còn xa lạ với nhiều người , nhưng để động cơ vẫn nhỏ gọn, tiết kiệm nhiên liệu và giảm bớt khí thải thì turbo tăng áp (turbocharger) được sử dụng mang lại nhiều hiệu quả và ưu điểm rõ rệt. 

 Nguyên lý hoạt động của turbo tăng áp

Tuy nhiên, turbo tăng áp thường được sử dụng trên động cơ diezen mà ít được dùng trên động cơ xăng do cơ chế hoạt động cũng như tỉ số nén của nhiên liệu xăng dễ gây ra hiện tượng cháy kích nổ.

Trên thực tế, mọi người thường nhầm turbo tăng áp (turbocharger) với bộ siêu nạp (supercharger), Turbocharger chỉ là một dạng của Supercharger-dạng sử dụng dòng khí xả để tăng áp dòng nạp. Những dạng khác của Supercharger không làm việc như vậy, nó thường được dẫn động bằng trục khuỷu của động cơ thông qua một bộ truyền đai với puly.

Bộ siêu nạp (supercharger)

Ở bài viết này, chúng tôi chỉ đề cập đến nguyên lý hoạt động của turbo tăng áp (turbocharger) kiểu cánh gió. Turbo tăng áp có khả năng nén khí và tăng áp lực dòng khí nạp, được dẫn động nhờ áp suất dòng khí xả. Do vậy, turbo được gắn ngay trước ống xả của xe.

Khi xe chạy tải nhẹ với số vòng tua thấp, ECU điều khiển mô tơ bước xoay cánh điều chỉnh của turbo, làm mở một phần cánh làm giảm sự cản trở của khí thải, tránh tạo lên sự nạp không cần thiết. 

Trường hợp khi xe chạy tải nhỏ, số vòng tua máy thấp, cánh điều chỉnh của turbo hé mở một phần cho gió qua. Gió lùa qua các cánh điều chỉnh bên ngoài tới các cánh của bánh turbo phía trong, làm quay cánh turbo.

Khi xe tải thấp

Khi người lái cần tăng tốc, đạp ga các cánh bướm ga mở, các cánh di động ở turbo sẽ mở hoàn toàn, khí thải sẽ di chuyển tự do vào trong cánh điều chỉnh của turbo, khi đó tốc độ động cơ và công suất tăng. Trong hình là các cánh điều chỉnh của turbo hé mở hoàn toàn khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao.

Khi xe tăng tốc

Trường hợp khi xe chạy ở tốc độ cao, cánh điều chỉnh của turbo mở hoàn toàn cho luồng khí qua. Khí thải lùa qua các cánh điều chỉnh bên ngoài tới các cánh của bánh turbo phía trong, làm quay cánh turbo với tốc độ cao.

Khi xe ở tốc độ cao

Thông thường turbo làm việc trong vùng nhiệt độ rất cao. Do vậy để sử dụng xe ( và turbo nói riêng) an toàn, hiệu quả, người sử dụng nên tuân thủ đúng quy định bảo dưỡng bảo trì cũng như khuyến cáo của nhà sản xuất.

Cụm nhồi turbo

Theo ý kiến của nhiều lãnh đạo ngành ô tô, hệ thống tăng áp turbo, được biết đến chủ yếu với chức năng “tăng lực” cho xe, chính là giải pháp hữu hiệu để cắt giảm khí thải CO2.

Hệ thống tăng áp (turbo) đã đi qua một chặng đường dài kể từ thập niên 80

“Turbo không chỉ còn dành cho những chiếc xe đua,” theo ông Ulrich Hackenberg, giám đốc phát triển sản phẩm của Volkswagen, khẳng định.

“Nó đem đến giải pháp thu gọn kích thước mới,” ông nói tới việc các nhà sản xuất ô tô  chuyển sang dùng những động cơ nhỏ hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và xả ít khí thải hơn, trong khi vẫn đảm bảo công suất, mô-men xoắn cao hơn và cho cảm giác lái thú vị hơn.

Ông Ian Robertson, giám đốc bán hàng và marketing của tập đoàn BMW, cũng nhất trí với ý kiến trên.

“Thông thường chúng tôi tăng cả công suất động cơ lẫn khả năng tăng tốc của xe, đồng thời cải thiện hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và giảm nồng độ khí thải CO2. Turbo có vai trò quan trọng để đạt được điều đó,” ông nói.

Nhanh hơn, ít khí thải hơn

Tỷ lệ xe sử dụng hệ thống tăng áp turbo trên thế giới theo tính toán của Global Insight trong năm 2008 và dự kiến năm 2020

Trên toàn thế giới, theo các nhà phân tích của công ty nghiên cứu thị trường Global Insight, hiện chỉ có khoảng 1/4 ô tô sử dụng hệ thống tăng áp, nhưng đến năm 2020, gần 3/4 số ô tô trên thị trường sẽ dùng hệ thống tăng áp.

Trung tâm của quá trình phát triển này là những nhu cầu đầy mâu thuẫn của người lái xe, theo ông Alex Ismail, CEO của Honeywell Transportation, một trong những nhà sản xuất turbo hàng đầu thế giới.

“Mọi người muốn có xe nhỏ hơn và động cơ nhỏ hơn, nhưng lại không chuẩn bị tinh thần hy sinh công suất và tính năng vận hành,” ông giải thích. Giải pháp duy nhất cho những nhu cầu đầy mâu thuẫn này,  theo ông Ismail, là động cơ nhỏ với hệ thống tăng áp.

“Với hệ thống tăng áp, các nhà sản xuất ô tô có thể giải quyết được bài toán lắp động cơ nhỏ hơn cho xe, nhưng vẫn không phải giảm tính năng vận hành.”

Trong thập kỷ tới, chủ yếu nhờ sự phát triển của hệ thống tăng áp, dung tích động cơ trung bình ở Mỹ sẽ giảm từ 3.6L xuống 2.9L, theo Global Insight.

Tại Trung Quốc và châu Âu, các thị trường có dung tích động cơ trung bình hiện nay là 1.8L, sẽ giảm xuống lần lượt còn 1.6L và 1.4L.

Như vậy, các hệ thống tăng áp là câu trả lời nhanh nhất cho tình trạng ấm lên của trái đất, với chi phí tính trên mỗi xe thấp hơn bất kỳ công nghệ nào khác, theo ông Ismail.

“Nó có thể giúp ngành công nghiệp ô tô giảm 35-39% lượng khí thải chỉ với chi phí 1.600 USD/xe,” ông nói.

Cải tiến công nghệ

Tại Mỹ, nơi động cơ dung tích lớn, động cơ V8, vẫn phổ biển, chỉ có 5% số ô tô sử dụng hệ thống tăng áp turbo, ông Ismail cho biết.

Nhưng theo dự đoán của Global Insight, đến năm 2020, dự kiến 85% ô tô tại Mỹ sẽ dùng hệ thống tăng áp.

Tại Trung Quốc, tỷ lệ này dự kiến đạt 60% vào năm 2020, so với mức 13% hiện nay.

Tốc độ phổ biến của động cơ tăng áp ở châu Âu cũng sẽ rất nhanh, mặc dù hiện tại các nhà sản xuất châu Âu đã đi đầu.

Dù chỉ có vài mẫu xe có gắn chữ ‘Turbo’ trong suốt thập niên 80 của thế kỷ trước, nhưng hơn 50% số xe sản xuất tại châu Âu được trang bị hệ thống tăng áp. Tỷ lệ này dự kiến tăng lên 85% trong thập kỷ tới.

“Turbo đã có nhiều thay đổi kể từ thập niên 80. Tôi nhớ rằng hồi đó, dễ dàng nhận thấy “độ trễ” của turbo, tức là khoảng thời gian từ khi đạp ga cho tới lúc động cơ bắt đầu tăng tốc. “Độ trễ” này tạo cảm giác như xe dừng lại một chút trước khi tăng tốc.

Nhưng với các hệ thống tăng áp twin-scroll turbo hiện nay, và triple-scroll turbo, bạn thậm chí không cảm nhận được sự tồn tại của turbo.