Với ôtô sử dụng động cơ đốt trong (xăng, dầu), để xe chạy cần có phản ứng hoá học gây nổ trong buồng đốt. Phản ứng này sẽ xảy ra khi nhiên liệu được hoà trộn với không khí ở một điều kiện thích hợp. Để gia tăng không khí vào buồng đốt giúp quá trình đốt nổ hiệu quả hơn, hệ thống tăng áp ra đời.
Ngày 16/11/1905, kỹ sư người Thuỵ Sĩ, Alfred Büchi nhận bằng phát minh sáng chế mang số 204630 từ văn phòng phát minh Reich, Đức. Büchi đi theo ý tưởng của riêng ông là tận dụng năng lượng động học sinh ra từ khí thải áp suất lớn để nén hỗn hợp khí nạp trước khi vào động cơ. Dòng khí thải được sử dụng để vận hành tuabin, qua đó, nén dòng khí nạp trước khi vào động cơ, kỹ thuật của ông mang tên turbocharger - tăng áp tuabin.
Bắt đầu sản xuất thương mại năm 1977, nghĩa là hơn 70 năm sau phát minh, tăng áp tuabin giúp nâng cao công suất động cơ một cách ấn tượng. Ví như chỉ có dung tích 3,3 lít, động cơ turbo có công suất lên tới 300 mã lực, tương đương với 91 mã lực/lít. Đến những năm 1980, công nghệ tăng áp tuabin tạo nên thời kỳ cách mạng trong môn đua xe thể thao F1.
Một bộ tăng áp trên ôtô. Ảnh: Unsplash
Ngày nay, bộ tăng áp là thứ quen thuộc trên ôtô. Đặc biệt, khi chính phủ các nước ngày càng gắt gao trong việc kiểm soát khí thải và mức tiêu hao nhiên liệu, động cơ cũng được làm nhỏ hơn để giảm những con số trên. Và bộ tăng áp là thứ giúp động cơ dù bé mà sức mạnh không đổi.
Nhưng trong khi gần như tất cả các động cơ diesel đều có tăng áp thì động cơ xăng lại chỉ rải rác. Sự khác biệt chủ yếu ở quá trình đốt cháy nhiên liệu.
Đốt cháy dầu
Dầu khó cháy hơn xăng. Lý do là sự bay hơi của xăng cho phép nhiên liệu này hòa với oxy trong không khí tạo nên hỗn hợp dễ cháy. Để tạo ra hỗn hợp dầu dễ cháy, cần áp suất cao và nhiệt độ môi trường cao - lý do của tỷ số nén cho động cơ dầu cao hơn so với động cơ xăng.
Ở một động cơ dầu, quá trình đốt cháy là tự phát từ nhiệt độ và áp suất cao trong buồng đốt. Ở tỷ số nén cao và áp lực trong quá trình đốt, sự kết nối giữa các thanh truyền, trục khuỷu và piston cần rất chắc chắn. Đây cũng là lý do mà một động cơ dầu không chạy ở vòng tua máy cao như ở động cơ xăng, vì các vật liệu đơn giản là không thể chịu được lực ở mức đó.
Đốt cháy xăng
Như đã đề cập, tỷ số nén của động cơ xăng thấp hơn do xăng không cần áp suất và nhiệt độ môi trường cao khi đốt cháy. Và vì xăng vốn được phun vào kỳ nén, nên không cần thiết phải có thêm hệ thống nén vì có thể làm hỏng động cơ nếu diễn ra vào thời điểm không thích hợp. Quá trình đốt cháy ở động cơ xăng được kiểm soát/bắt đầu bởi bugi và cần một lượng khí chính xác để pha trộn nhiên liệu nhằm tối ưu quá trình.
Nhiệt độ
Trong quá trình đốt cháy, nhiệt độ trong động cơ dầu cao hơn so với động cơ xăng. Đó là do điểm xuất phát cao hơn của quá trình nén và chậm trong quá trình đốt. Và vì vòng tua máy thấp nên piston hoạt động chậm. Lượng nhiên liệu khi quá trình đốt diễn ra là rất nhỏ. Có nghĩa việc tăng áp suất trong quá trình đốt khiến nhiệt độ tăng nhanh.
Tỷ số nén cao hơn của động cơ dầu cũng có nghĩa hệ số giãn nở lớn hơn. Điều này dẫn tới nhiệt độ cuối cùng mà bộ tăng áp tuabin ở động cơ dầu có được sẽ thấp hơn ở động cơ xăng. Thường khí xả của dầu sẽ ở khoảng 800-850 độ C và ở xăng là 950-1.050 độ C.
Ảnh hưởng tới tăng áp tuabin
Mức nhiệt khác biệt giữa hai loại động cơ cũng dẫn tới sự khác biệt trong việc sử dụng vật liệu của tăng áp tuabin. Bộ tăng áp cho động cơ xăng cần vật liệu tiên tiến hơn để chống lại mức nhiệt cao trong quá trình hoạt động. Đặc biệt là nhôm, và gồm cả những vật liệu đắt tiền như nickel, thường được sử dụng cho các bộ tăng áp này.
Sự trao đổi nhiệt từ khu vực tuabin nóng rẫy với phần thân ổ trục được bảo vệ khỏi nhiệt độ cao bởi việc sử dụng một loạt khe dẫn nước và một vách ngăn nhiệt. Điều này tránh được những hư hỏng cho phần thân ổ trục và hệ thống vòng bi, cũng như giữ nhiệt độ dưới giới hạn của dầu (điểm mà dầu bắt đầu kết tinh và tạo ra những phần tử đen và rất cứng).
Hệ thống điều khiển tăng công suất
Sự khác biệt về nhiệt độ dẫn tới khác biệt về công nghệ được áp dụng. Dù hệ thống VG (Variable Geometry) thích hợp hơn theo quan điểm về hiệu suất, vẫn là một thách thức để đảm bảo nó hoạt động đúng chức năng trong việc ứng dụng với nhiên liệu xăng. Trong khi đó, ứng dụng với dầu lạnh hơn sẽ dễ dàng với cả hệ thống. Đây là lý do chính khi chúng ta thường thấy xe động cơ xăng có tăng áp tuabin cửa thải và mọi xe động cơ dầu có tăng áp VG.
Những công nghệ mới
Thị trường của ôtô động cơ dầu đang chìm dần sau bê bối khí thải năm 2015. Do quá trình đốt cháy của một động cơ dầu, hệ thống dễ tạo ra khí NOx (nitơ-oxit) hơn. Từ đó sẽ cần tới những hệ thống xử lý chuyên biệt để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải mới nhất.
Ôtô động cơ xăng cũng cần trở nên hiệu quả hơn để phù hợp với những quy định trong tương lai. Một trong những giải pháp là tăng áp VG. Một hệ thống VG giúp động cơ xăng có khả năng điều chỉnh điểm hoạt động của tuabin liên tục trong mọi điểm hoạt động của động cơ. Điều này đảm bảo mọi chi tiết làm việc ở điểm hiệu quả nhất, tạo ra một động cơ hiệu quả về tổng thể.
Những nhiên liệu khác
Vậy xăng và dầu có phải lựa chọn duy nhất cho một chiếc xe turbo? Trong khi các dòng xe mới như hybrid sạc điện (PHEV) và hybrid cấp độ nhẹ (MHEV) đòi hỏi những khái niệm truyền động khác và công nghệ turbo khác, thì nhiên liệu chủ yếu vẫn là xăng và dầu. Nhiều nhà sản xuất thiết bị gốc đang thử nghiệm với xăng chất lượng thấp hơn cũng như xăng với chỉ số ethanol cao hơn để xem chúng có thể đạt cùng mức hiệu suất động cơ hay không. Việc này sẽ cần một số tiêu chuẩn đặc biệt cho bộ tăng áp. Trong tương lai, chúng ta có thể sẽ thấy những loại nhiên liệu khác nhau xuất hiện trên thị trường cũng như các quy định khác đối với bộ tăng áp.
Mỹ Anh (theo MHI)