Turbo tăng áp là công nghệ đã có từ lâu, được sử dụng phổ biến ở động cơ đốt trong với nguồn khí nạp cưỡng bức. Việc sử dụng Turbo tăng áp, năng lượng khí thải được tận dụng lại để tăng công suất cho động cơ. Thế nhưng, cách bố trí đường ống xả của Turbo tăng áp mỗi loại đều không giống nhau. Có loại chỉ dùng ống xả cuộn đơn (Single-scroll turbo), loại thì dùng ống xả cuộn kép (Twin-scroll Turbo). Vậy điểm khác nhau giữa Turbo ống xả cuộn đơn và cuộn kép là gì?

1. Sự hao tổn năng lượng của động cơ

Năng lượng của dòng khí thải bị mất đi trong quá trình thải (nếu không sử dụng turbo tăng áp) chiếm khoảng 30 – 40% tổng năng lượng được sinh ra qua quá trình đốt cháy nhiên liệu. Với việc sử dụng turbo tăng áp, một phần năng lượng này được tận dụng lại và sử dụng để nén khí nạp.

Turbo tăng áp tận dụng hai loại năng lượng của khí thải (lượng năng lượng này đều bị lãng phí trong động cơ hút khí tự nhiên):

  • Động năng
  • Nhiệt năng
Năng lượng dòng khí thải luôn bị lãng phí trong quá trình thải khí

2. Turbo tăng áp ống xả cuộn đơn

Việc sử dụng bộ tăng áp đóng vai trò hạn chế sự lãng phí năng lượng của dòng khí thải, thế nhưng điều này cũng sẽ đồng thời tạo ra độ trễ của Turbo. Độ trễ này xuất hiện trong thời gian cần để động cơ tạo ra đủ áp suất khí thải nhằm làm quay cánh turbo và cánh bơm khí nạp vào động cơ.

Cuộn đơn

Giả sử, ở động cơ I4 có thứ tự công tác 1-3-4-2, sử dụng chung một ống xả đơn (bốn ống xả đều đều quy tụ lại thành một ống – Single-scroll Turbo):

  • Nếu lượng khí thải xả không hết khi một cylinder bắt đầu vào kỳ nạp (cylinder 1), một phần dòng khí thải với lượng nhiệt, động năng cao và áp suất ngược sinh ra từ cylinder ở kỳ xả (cylinder 3) sẽ đi ngược vào buồng cháy của cylinder 1. Trong khi phần lớn năng lượng và áp suất được tạo ra từ cylinder 3 được sử dụng để quay cánh tuabin, sẽ có một phần nhỏ năng lượng bị thất thoát do ma sát bề mặt, thất thoát cục bộ do hình dạng ống dẫn…
Single-scroll Turbo
  • Điều này xảy ra khi xupap xả của cylinder 1 đóng muộn để xả sạch dòng khí, và thời điểm đóng muộn này sẽ tạo cơ hội để một phần khí xả từ cylinder 3 đi vào. Đây còn gọi là thời điểm trùng điệp.
  • Dòng khí xả này sẽ tác động ít nhiều đến pít tông trong cylinder 1, làm cho pít tông mất nhiều năng lượng hơn để đẩy khí thải ra khỏi cylinder 1 đồng thời ảnh hưởng đến hiệu suất nạp khí. Giải thích: Khi cylinder 1 sắp vào kỳ nạp, xupap nạp mở sớm, xupap xả đóng muộn. Một phần khí nạp khi vào cylinder 1 sẽ hòa trộn thêm một phần khí thải (áp suất ngược, dòng chảy ngược) sinh ra bởi cylinder 3.
Hiệu suất nạp khí
  • Nói đơn giản hiệu suất nạp khí chính là độ “đặc” của dòng không khí nạp (độ đặc của khí nạp càng cao, kỳ nổ sản sinh được nhiều năng lượng, động cơ “càng mạnh” hơn). Hệ số này luôn thay đổi tùy theo từng dải tốc độ khác nhau. Tuy nhiên, vì có sự xuất hiện của dòng khí thải nên độ đặc khí nạp này sẽ bị giảm đi một phần, ảnh hưởng đến công suất sinh ra.
Ống xả Mazda MX-5 (Turbo tăng áp ống xả cuộn đơn)

3. Turbo tăng áp ống xả cuộn kép

Ở turbo tăng áp ống xả cuộn kép, các ống xả được phân chia khác nhau để hạn chế áp suất ngược của dòng khí thải, ảnh hưởng đến cylinder vì góc trùng điệp.

Bộ tăng áp Twin-scroll Turbo

Xét động cơ I4, bốn xy lanh thẳng hàng có thứ tự công tác là 1-3-4-2.

  • Đối với bộ turbo ống xả cuộn kép, cylinder 1 và 4 sẽ có cùng đường ống xả và ống turbine thứ nhất.
  • Đối với cylinder 3 và 2 sẽ dùng chung ống turbine còn lại.
Đường đi của dòng khí thải của các cylinder trong Turbo tăng áp ống xả cuộn kép

Cả hai đường ống vận chuyển khí thải đều đến đầu vào tuabin. Vì sử dụng hai ống dẫn cho khí thải, nên hệ thống này được gọi là tăng áp ống xả cuộn kép (Twin-scroll Turbo).

Các luồng khí thải từ hai cặp xi lanh được chuyển đến tuabin thông qua các ống hình xoắn ốc (cuộn) có đường kính khác nhau.

  • Ống lớn hơn (A) sẽ kết nối dòng khí thải của cylinder 2 và 3, hướng một luồng khí thải đến mép ngoài của cánh tuabin, giúp động cơ tăng áp quay nhanh hơn.
  • Ống nhỏ hơn (B) sẽ kết nối dòng khí thải của cylinder 1 và 4, hướng luồng khí thải khác đến các bề mặt bên trong của cánh tuabin, cải thiện phản ứng của bộ tăng áp trong các hoạt động nhất thời (tăng tốc động cơ).
Cấu tạo Twin-scroll Turbo (BMW)

4. Sự tác động của Turbo tăng áp và yếu tố ảnh hưởng của ống xả

Turbo tăng áp sẽ tác động đáng kể đến phản ứng nhất thời của động cơ (sự tăng tốc mạnh trong thời gian ngắn hay còn gọi là độ chồm). Công suất của động cơ phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng khí nạp.

Đối với động cơ tăng áp, để nhanh chóng tăng khối lượng không khí trong các cylinder, cánh tuabin cần phải tăng tốc nhanh hơn để truyền động cho cánh bơm khí nén.

  • Nếu mô men quán tính khối lượng của (tuabin, trục, máy nén) càng lớn, thời gian cần thiết để tăng tốc (turbo-lag) càng dài.
  • Mặt khác, nếu sử dụng một tuabin nhỏ, có thể tăng tốc sẽ nhanh hơn, nhưng nó gây ra các vấn đề ở tốc độ và tải động cơ cao hơn, do thực tế là nếu sẽ làm nghẹt dòng khí thải, không thể sử dụng nhiều năng lượng sinh ra từ lưu lượng khí thải lớn.
Thiết kế ống xả và Turbo tăng áp đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng

Do đó, quá trình kết hợp một bộ tăng áp với động cơ là rất phức tạp và cần phải tính đến rất nhiều yếu tố.

  • Hệ thống turbo ống xả cuộn kép đòi hỏi phải đi kèm với bộ ống nạp chia đôi và bắt buộc các cylinder tương ứng phải được thiết kế với đường ống tương ứng.
  • Thêm vào đó, để nối ghép hoàn thiện với turbo ống xả cuộn kép, các đường ống xả cần phải được thiết kế kỹ lưỡng để đạt được các độ dài và số đoạn uốn cong như nhau.
  • Tương tự, phần mặt ghép nối giữa phần cuối của ống xả với đầu vào của turbo phải đạt độ tương thích cao về hình dáng và kích thước.

5. Tiêu chuẩn thiết kế ống xả

Việc thiết kế ống xả có vai trò rất quan trọng đối với hiệu suất của bộ tăng áp, về hiệu quả và thời gian đáp ứng (thời gian quay nhanh hơn). Ống xả phải được thiết kế có tính đến các yêu cầu sau:

  • Sự can thiệp giữa quá trình xả của các xi lanh cần được giữ ở mức tối thiểu, lý tưởng nhất là không có bất kỳ sự can thiệp, ảnh hưởng áp suất, lưu lượng dòng khí thải nào giữa các cylinder được kết nối (trong quá trình xả).
  • Năng lượng của khí thải phải đến tuabin với tổn thất ít nhất.
  • Việc tận dụng lượng khí thải vào tuabin phải được thực hiện một cách nhất quán theo thời gian, để đảm bảo hiệu quả tối đa.
Ống xả động cơ I6 Twin-scroll Turbo

6. Ưu nhược điểm của Turbo ống xả cuộn đơn và ống cuộn kép

Theo năng lượng dòng khí thải, có hai loại hệ thống tăng áp:

  • Tăng áp với áp suất không đổi (Constant-pressure turbocharging)
  • Tăng áp xung (pulse turbocharging)
a. Tăng áp với áp suất không đổi (Single-scroll Turbo):

Turbo tăng áp có ống xả cuộn đơn, chủ yếu được sử dụng trong động cơ Diesel cho xe du lịch. Có các ống xả cho tất cả các xi lanh được tích hợp trong cùng một ống cuộn đơn.

Turbo tăng áp cuộn đơn (Single-scroll Turbo)

*Ưu điểm:

  • Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, dễ sản xuất và chi phí hiệu quả ống xả và vỏ tuabin.
  • Hiệu suất tuabin cao, được cung cấp bởi dòng khí xả ổn định.
  • Hiệu suất tốt ở mức tải cao (lưu lượng khí thải cao).

*Nhược điểm:

  • Năng lượng khí thải yếu, thấp hơn ở đầu vào tuabin.
  • Hiệu suất kém ở tốc độ và tải động cơ thấp.
  • Hiệu suất kém trong ở chế động cơ cầm chừng.
  • Chỉ sử dụng năng lượng nhiệt của khí thải để nén khí nạp qua máy nén.

b. Tăng áp cuộn kép (Twin-scroll Turbo):

Tận dụng tối đa năng lượng xung, có nghĩa là sử dụng năng lượng khí thải có sẵn để chuyển đổi thành công hữu ích đối với tuabin to, lớn hơn loại Single-scroll Turbo.

Opel Insignia ECOTEC 2.8 V6 với turbo tăng áp cuộn kép

*Ưu điểm:

  • Năng lượng đầu vào tuabin cao hơn do tận dụng tốt năng lượng của các sóng áp suất khí thải.
  • Hiệu suất tốt ở tốc độ và tải động cơ thấp – trung bình.
  • Giảm mất áp suất trong thời điểm trùng điệp (thời điểm valve nạp và xả cùng mở).
  • Cải thiện phản ứng của bộ tăng áp ở các điều kiện nhất thời (tăng tốc động cơ).
  • Sử dụng cả năng lượng nhiệt và xung (sóng áp suất) của khí thải để có nén khí nạp tốt, nhạy hơn hơn loại Single-scroll Turbo.

*Nhược điểm:

  • Hiệu quả kém ở tốc độ và tải động cơ cao.
  • Ống xả cùng vỏ tuabin thiết kế phức tạp và đắt tiền.

(Theo Otohui)

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây