Hướng đi mới cho tăng áp động cơ

Với ưu điểm nổi bật là tăng công suất động cơ mà không cần tăng dung tích của xilanh động cơ đồng nghĩa với tăng kích thước của động cơ, điều này giúp hệ thống tăng áp đang ngày càng trở lên phổ biến. Tuy nhiên, cả hệ thống tăng áp  dẫn động bằng dòng khí nạp (Turbocharger) và dẫn động từ động cơ (Supercharge) bên cạnh đó vẫn có những nhược điểm mà không thể khắc phục được.

Turbocharger

Có thể hiểu turbocharger như một chiếc bơm không khí vận hành nhờ năng lượng của khí thải từ động cơ. Khi hỗn hợp khí thải nóng bị đẩy ra khỏi động cơ, chúng sẽ được dẫn tới một tuốc-bin cánh quạt có tốc độ quay rất nhanh (từ 30.000 – 120.000 rpm). Tuốc-bin cánh quạt này sẽ truyền động lực qua trục tới một tuốc-bin cánh quạt khác, được gọi là máy nén khí để nén hỗn hợp khí và nhiên liệu đốt vào động cơ.



Ưu điểm của turbocharge: tận dụng được năng lượng khí thải, tiếng động phát ra từ ống bô êm hơn và không cần tới bộ giảm thanh lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của turbocharger: giá thành chế tạo cao hơn động cơ không tăng áp do bổ sung thêm các chi tiết; phải cải tiến vật liệu trong xy-lanh, buồng đốt…vv, để chịu được áp suất lớn hơn. Và nhược điểm lớn nhất của turbocharger là “độ trễ”, nghĩa là khoảng thời gian từ khi đạp ga cho tới khi động cơ bắt đầu “tăng tốc”. Nguyên nhân chính gây ra điều này là do áp suất tăng áp phụ thuộc vào tốc độ luân chuyển của khí thải nên turbocharge không tạo ra nhiều lực nén khi động cơ có tốc độ tua thấp do đó phải mất thời gian để có đủ áp suất.

Trong những chiếc xe cũ trước đây, độ trễ này có thể tạo ra cảm giác như xe đang dừng lại. Ngược lại, vận tốc tua của động cơ càng nhanh thì áp suất mà tăng áp tạo ra sẽ càng lớn và trong thường hợp này, turbocharge lại phải cần tới một chiếc van gọi là “cửa xả” để xả bớt lượng khí thải tránh buồng đốt động cơ bị phá hủy do áp suất quá lớn.

Supercharge

Supercharge cũng tăng áp nhờ nén khí, tuy nhiên khác với turbocharger là nó không sử dụng nguồn năng lượng của khí thải để tăng áp động cơ. Thay thế cho hệ thống cơ khí, supercharge thường vận hành nhờ một dây cua-roa liên kết trực tiếp với trục khuỷu của động cơ để tăng áp cho dòng khí nạp. Dây cuaroa này làm quay hai rôto nằm trong hộp supercharge để nén không khí vào đường nạp. Supercharge cần ít hệ thống ống dẫn hơn turbocharge, nhưng lại làm tăng đáng kể tải trọng lên trục khuỷu và làm giảm công suất truyền đến các bánh xe.




Ở động cơ hiện đại ngày nay, máy tính sẽ kiểm soát các van “tránh” của động cơ để supercharge chỉ nén hỗn hợp khí khi cần tăng công suất. Khi không cần tăng công suất, van tránh sẽ mở ra để supercharge có thể hoạt động không tải, qua đó không tạo ra bất cứ tải trọng nào lên trục khuỷu. Supercharge thường giúp động cơ tăng từ 30-50% công suất so với động cơ thông thường cùng loại.

Động cơ điện dẫn động tăng áp: Hướng đi mới cho tăng áp động cơ

Mặc dù có nhiều ưu điểm nổi trội nhưng hệ thống turbocharge thông thường vẫn còn những hạn chế cố hữu như khối lượng lớn và có quán tính cao, hiệu quả thấp, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở vòng tua máy nhỏ, khó điều khiển và hệ số cản khí xả lớn. Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất phải sử dụng turbo kép Twin-charging (turbo kép – sử dụng một turbo kết hợp với super chager hoặc sử dụng nhiều bộ turbo nối tiếp nhau. Tuy nhiên, các nhà sản xuất đã cố gắng khắc phục  nhược điểm trên bằng cách sử dụng một turbo nhỏ (khối lượng thấp) để tăng công suất ở tốc độ vòng tua máy thấp. Ở tốc độ cao, turbo thứ cấp có cánh quạt lớn hơn giúp tăng công suất động cơ lên tối đa. Phương pháp này mang lại hiệu quả nhưng có cấu tạo phức tạp, giá thành cao và khó bảo dưỡng sửa chữa.



Trong khi đó, Supercharge cũng nén khí, nhưng thông qua một hệ thống cơ khí. Nó thường vận hành nhờ một dây cua-roa liến kết với trục khuỷu của động cơ. Dây cuaroa này làm quay hai rôto nằm trong hộp supercharge để nén không khí vào cổ góp nạp. Supercharge cần ít hệ thống ống dẫn hơn turbocharge, nhưng lại làm tăng đáng kể tải trọng lên trục khuỷu và làm tiêu tốn năng lượng để vận hành hệ thống.



Để giải quyết những nhược điểm này, Audi đã từng nghiên cứu và đưa ra giải pháp tốt hơn để đạt được các kết quả tương tự bằng cách sử dụng hệ thống tăng áp được gọi dưới cái tên ‘e-boosted’. Hệ thống tăng áp này hoạt động dựa trên một máy nén chạy bằng điện, cho phép đáp ứng tốt hơn  ở tốc độ vòng tua máy thấp kết hợp với một bộ tăng áp thông thường để đạt được công suất lớn nhất khi vòng tua máy cao.

Điểm đặc biệt là năng lượng được tái tạo khi xe xuống dốc hoặc phanh sẽ được cung cấp cho máy nén, để giúp tiết kiệm nhiên liệu. Khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp, dòng khí thải không phải làm quay cánh quạt nên lực cản khí động trên đường xả nhỏ, thất thoát công giảm, hiệu suất động cơ tăng. Đồng thời dòng khí thải không tổn hao năng lượng để làm quay cánh quạt nên sẽ nhanh chóng làm nóng bộ xúc tác trung hòa khí xả đạt nhiệt độ tối ưu và đạt hiệu quả cao nhất.

Trong thử nghiệm của Audi trên mẫu xe RS 5 TDI, khi trang bị’e-boosted’ cho động cơ 3.0-liter V-6 TDI,động cơ nhanh chóng đạt công suất lên tới 385 mã lực (287 KW) với mô men xoắn cực đại lên tới 750 Nm tại số vòng quay 1250 rpm, xe có thể tăng tốc từ 0-100 km/h trong 4 giây và đạt tốc độ tối đa 280 km/h. Những con số thống kê cho thấy nó hoàn toàn có thể so sánh với mẫu xe RS 5 V8 phiên bản chạy xăng.

Với hệ thống tăng áp sử dụng dẫn động điện nó đã mở ra một hướng đi mớiđể có thể tạo nên một thế hệ động cơ hoàn hảo hơn, nhỏ hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn, hiệu suất động cơ cao hơn nhưng vẫn cho sức mạnh như các động cơ dung tích lớn.