Tại sao turbo ngày càng mạnh mẽ và hiệu quả?

Bộ tăng áp động cơ, turbocharger, hay gọi ngắn gọn là turbo, là một thiết bị nạp nhiên liệu cưỡng bức làm tăng hiệu quả và công suất đầu ra của động cơ đốt trong.

Hiện nay, gần 1/4 xe mới bán ở Bắc Mỹ được trang bị ít nhất 1 turbo, nếu không thì phải 2 turbo. Đủ các loại động cơ đều có thể trang bị turbo, từ Mercedes AMG V8, động cơ 6 xi lanh của BMW, và gần đây nhất là động cơ 6 xi lanh của Porsche. Chúng ngày càng hiệu quả, đáng tin cậy, tốt hơn và rẻ hơn.

Trong thời hạn 5 năm, gần một nửa doanh số bán xe tải nhẹ mới của thế giới sẽ trang bị turbo, với 39% ở Bắc Mỹ. Đó là theo kỹ sư tại Honeywell, một nhà sản xuất turbo nổi tiếng thế giới. Ông đã trao đổi với chúng tôi về những gì sắp tới cho các thế hệ tiếp theo của động cơ tăng áp.

Tăng áp điện và hybrid

 

Người hâm mộ Formula 1 hiện đang ghét cay ghét đắng động cơ V6 hybrid turbo trong những chiếc xe đua hiện tại sẽ được lái một cái gì đó khá giống như vậy trong một vài năm nữa. Một máy phát - động cơ điện DC gắn trên trục, kết nối các tua-bin và máy nén có thể quay máy đến tốc độ đầy đủ mà không cần sử dụng khí thải. Thay vì khí thải dư thừa chạy qua tuabin dưới tải cao, một tuabin điện có thể sử dụng năng lượng dư thừa này để tạo ra điện. Một siêu tụ có thể lưu trữ năng lượng này để tăng sức mạnh turbo, hoặc điện có thể được chuyển đến nơi khác, chẳng hạn như với một kết cấu hybrid tái sinh. Kết quả là chuyển giao sức mạnh nhanh hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Hiện nay, bộ siêu tăng áp điện đã xuất hiện trong Ford Focus và nguyên mẫu diesel của Audi, chúng hoạt động giống như vậy nhưng không có kết nối đến dòng thải. Ngoài độ tin cậy chưa được chứng minh trong một chiếc xe sản xuất, tăng áp điện phải đối mặt với một vấn đề khác: chúng tiêu thụ quá nhiều năng lượng. Ở tải tối đa, một tuabin điện sẽ cần một mạng lưới điện 48-volt để chạy (ví dụ, Audi e-supercharger trong mẫu concept RS5 TDI hút xuống 7 kW (9 mã lực)). Các nhà sản xuất ô tô không quan tâm nhiều đến việc thiết kế lại hệ thống 12-volt, do đó thiết lập này là không có khả năng. Thay vào đó, pin điện áp cao trong hybrid thông thường có thể gây ra các cú điện giật. Đến năm 2020, Honeywell hy vọng ¼ xe hybrid mới sẽ trang bị turbo. Dù bằng cách nào, turbo điện đang trên con đường phát triển.

Van biến thiên và áp suất cao

 

Một turbo cổ điển có thể quay với tốc độ lên đến 300.000 vòng/phút, đẩy không khí đến cổ hút ở tốc độ gần Mach 1. Nhưng ngay cả như vậy cũng có thể không đủ. Ông Peter Davies, giám đốc cao cấp của Honeywell chịu trách nhiệm phát triển hệ thống truyền động toàn cầu, cho biết, trong vòng 10 năm tới, các nhà sản xuất sẽ xác định áp suất cao hơn gần mức 18 psi. Ông Davies dự đoán ​​động cơ hiệu suất cao turbo tương lai có thể đạt trung bình 31-36 psi.

Ông nói: "Trong một động cơ xăng, van chuyển hướng khí thải ra khỏi turbine thường mở trong chu kỳ. Bạn có thể chuyển đổi giữa tăng áp thấp và cao rất nhanh chóng."

Nhưng vấn đề tạo áp lực một lần nữa cho thấy điểm yếu của tuabin vĩnh cửu: chậm ở vòng tua máy thấp, mà ngay cả những chiếc xe tăng áp hiện đại như Mercedes-Benz AMG GLA45 và Mitsubishi Lancer Evolution cũng có điểm yếu này.

Một cấu hình turbo hai giai đoạn - sử dụng một turbo nhỏ hơn cho dải vòng quay thấp, một turbo lớn hơn cho dải vòng quay tối đa là một trong những giải pháp phổ biến. Tuy nhiên, turbo van biến thiên, còn được gọi là vòi phun biến thiên, là một giải pháp khác. Cho đến nay, do giá thành cao, chỉ có động cơ diesel và một vài xe thể thao cao cấp như Porsche 911 Turbo sử dụng loại này. Thông qua phần mềm động cơ, cánh quạt trong tua bin có thể mở và đóng để hướng dòng khí thải. Khi đóng, cánh quạt chặt chẽ hơn cho phép tuabin quay nhanh hơn khi số vòng quay thấp, do đó làm tăng áp lực sớm hơn. Với số vòng quay cao, các cánh quạt mở rộng hơn, cho phép dòng xả chạy qua mà không có sự phân hoá turbo. Lúc này van xả áp lực dư thừa đã không còn cần thiết.

Phun nước và làm mát từng giai đoạn

 

Giữa các tuabin khí thải và các máy nén khí có một sự chênh lệch nhiệt độ hơn 1100 độ Fahrenheit. Toàn bộ tuabin có thể đạt 1920 độ trong thời gian ngắn. Bộ làm mát sẽ giảm nhiệt khi nạp sau khi rời khỏi máy nén, nhưng đây là những kỹ thuật làm mát sau. Trong tương lai, các nhà sản xuất động cơ có thể thay đổi để làm mát trong từng giai đoạn. Ở đây, bộ làm mát được trang bị giữa hai turbo, do đó làm giảm nhiệt độ của lượng khí nén turbo chính trước khi vào turbo thứ cấp. Với lượng khí làm mát hơn, dày đặc hơn, động cơ sẽ đạt công suất và hiệu quả cao hơn từ mỗi chu kỳ đốt.

Phun nước vào dòng nạp là một lựa chọn hiệu quả khác đã được chứng minh bằng một số máy bay thế chiến thứ hai, xe đua Volvo 240 trong những năm 1980 và BMW M4 GTS 2016. Trong trường hợp của BMW, một máy bơm phun nước 145 psi từ một bình 5 lít trong khoang hành lý sẽ giúp giảm tiếng ồn động cơ và nitơ oxit, hình thành ở nhiệt độ cao và cũng làm giảm nhiệt độ đốt và xả cao điểm. 

Giải quyết vấn đề hiệu quả thực tế thấp hơn so với hứa hẹn

Mặc dù động cơ tăng áp nhỏ hơn đã cải thiện điểm số EPA nhưng trong rất nhiều các thử nghiệm thực tế, động cơ turbo vẫn không thể hiện sự vượt trội so với các động cơ hút khí tự nhiên. Chẳng hạn, động cơ EcoBoost 2,7 lít và 3,5 lít V6 của Ford có số dặm đi được ngang bằng với động cơ V8 6,2 lít của Chevrolet. Mức tiêu thụ nhiên liệu của Cadillac ATS 2.0T và BMW 328i cũng không có gì để khoe khoang. 

Davies phát biểu, "Bạn có thể xác nhận một cái gì đó trên giường thử nghiệm mà không thể chuyển đổi trên đường thực tế. Đây là thách thức của ngành công nghiệp hiện nay."

Nói cách khác, các sản xuất ô tô chính thống hiện đang không thể tích hợp bộ tăng áp và tối ưu hóa từng phần của động cơ để đạt được hiệu quả như trên lý thuyết. Các công nghệ mà chúng tôi đã đề cập ở đây mang lại tiềm năng quan trọng, nhưng cũng giống như tất cả các tiến bộ trong ngành ô tô, độ phức tạp, độ tin cậy và chi phí chính là những rào cản đầu tiên cần vượt qua.

Tác giả: Anh Tuấn - Nguồn: Autoworld

Lựa chọn xe của bạn

 

ĐỌC NHIỀU NHẤT

Đang cập nhật
03:16 01/10/2014
Ít nhất một phiên bản Nissan Rogue đã được thiết kế lại vào cuối năm ngoái. Sẽ không quá khó khăn với fan hâm mộ dòng xe này trong việc tìm kiếm và thuê cho mình những chiếc Nissan Rogue đời cũ bởi hãng vẫn đang cung cấp bản Rogue Select chuyên để cho thuê.