Turbo tăng áp động cơ diesel

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của động cơ đốt trong là đốt cháy hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xi lanh của động cơ để tạo ra công cơ học.

Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, một lượng khí xả bị thải ra ngoài không khí một cách lãng phí. Do đó, turbo tăng áp được thiết kế để tận dụng luồng khí xả này nhằm tăng công suất động cơ.

Nói cách khác, turbo tăng áp là thiết bị tăng lượng khí nạp vào xi lanh, hay còn gọi là hệ thống sinh áp lực cưỡng bức. Lượng không khí được nén vào xi lanh nhiều hơn, đồng nghĩa với hỗn hợp nhiên liệu được đưa vào động cơ nhiều hơn. Từ đó, công suất động cơ được tăng lên mà không phải tăng dung tích hay số lượng xi lanh.

Đây sẽ lý giải tại sao động cơ tăng áp chủ yếu được sử dụng trong động cơ diesel hơn động cơ xăng

Lịch sử của turbo tăng áp động cơ diesel

Cải thiện hiệu quả của động cơ đốt trong đã được các kỹ sư nghiên cứu từ cuối những năm 1800. Tuy nhiên, mãi đến hơn 100 năm sau, kỹ sư người Thụy Sĩ Alfred Büchi (1879-1959) – người đứng đầu nghiên cứu động cơ diesel tại Gebrüder Sulzer lúc bấy giờ nhận được bằng sáng chế về turbo tăng áp

Nhưng phải mất tới 20 năm sau, phát minh của ông mới đưa vào áp dụng

Ứng dụng đầu tiên của công nghệ tăng áp được sử dụng cho các động cơ hàng hải. Ngành hàng hải Đức đã đóng 2 chiếc tàu chở khách “Preussen” và “Hansestadt Danzig” với động cơ diesel tăng áp 10 xi lanh, công suất tăng từ 1750 tăng lên 2500 mã lực.

Trong chiến tranh thế giới thứ 1 và thứ 2, người ta ứng dụng turbo tăng áp trong các máy bay chiến đấu và mang lại thành công.

Sau chiến tranh, turbo càng được sử dụng rộng rãi

Turbo tăng áp động cơ diesel

Cấu tạo turbo tăng áp

Turbo gồm 2 phần chính là tuabin và máy nén.

Tuabin bao gồm bánh tuabin (1) và vỏ tuabin (2)

Máy nén cũng bao gồm hai phần là bánh xe máy nén (5) và vỏ máy nén (6).

Turbo tăng áp hoạt động như thế nào

Nhiệm vụ của vỏ tuabin là dẫn khí thải (3) vào bánh tuabin. Năng lượng từ khí thải làm quay bánh tuabin, và khí sau đó thoát ra khỏi vỏ tuabin thông qua khu vực thoát khí (4).

Bánh xe máy nén được gắn vào tuabin bằng trục thép rèn (7), và khi tuabin quay, bánh xe máy nén quay, không khí được hút và nén lại.

Vỏ máy nén sau đó chuyển đổi luồng không khí có áp suất cao, áp suất thấp thành luồng không khí có áp suất cao, tốc độ thấp thông qua một quá trình gọi là khuếch tán.

Khí nén (8) được đẩy vào động cơ, cho phép động cơ đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn để tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Các loại turbo tăng áp

1, Single-Turbo – turbo đơn

2, Twin-Turbo – turbo kép

3, Twin-Scroll Turbo – turbo tăng áp cuộn đôi

4, Variable Geometry Turbo – turbo tăng áp điều khiển cánh

5, Variable Twin Scroll Turbo – turbo tăng áp cuộn đôi biến thiên

6, Electric Turbo – turbo tăng áp điện

1, Single-Turbo – turbo đơn:

Tùy vào kích thước của turbo sẽ dẫn đến các đặc tính momen xoắn khác nhau. Turbo có kích thước nhỏ hơn quay với tốc độ nhanh hơn, giảm được độ trễ trong khi turbo có kích thước lớn hơn có thể đạt khả năng tăng công suất nhanh hơn ở tốc độ động cơ cao.

Loại turbo này đơn giản trong lựa chọn để lắp đặt, phù hợp với các động cơ nhỏ trong việc tạo ra sức mạnh tương đương với các động cơ hút khí tự nhiên lớn hơn nhưng với trọng lượng thấp hơn.

Turbo tăng áp động cơ diesel – turbo đơn

2, Twin-Turbo là gì – turbo tăng áp kép:

Cũng giống như tên gọi của nó, turbo kép nghĩa là có thêm một bộ tăng áp thứ 2 được lắp vào động cơ. Với turbo kép, có 2 loại là bố trí là song song hay bố trí tuần tự.

Với bố trí song song có hai bộ tăng áp có kích thước bằng nhau hoạt động đồng thời, phân chia nhiệm vụ tăng áp bằng nhau. Mỗi bộ tăng áp được điều khiển bởi một nửa năng lượng xả của động cơ.

Với bố trí tuần tự, một turbo nhỏ hơn được sử dụng ở tốc độ thấp, và một turbo lớn sử dụng cho tốc độ cao

Twin – turbo giúp cho tính thích ứng của động cơ được cải thiện song, chi phí cao và độ phức tạp cao

3, Twin-Scroll Turbo – turbo tăng áp cuộn đôi

Thiết kế turbo tăng áp cuộn đôi/kép khắc phục những nhược điểm của turbo cuộn đơn bằng cách tách các xi lanh có xung khí thải giao thoa với nhau. Điều này có ý nghĩa cực kỳ quan trọng. Lý do là khi một xung xả khí điển hình từ một xi lanh, khi van xả mở ra, khí thải ra từ buồng đốt và tạo ra xung áp suất cao. Mạch thoát nhanh và áp suất cũng giảm nhanh. Đuôi xung là khoảng thời gian áp suất âm ( thấp hơn áp suất khí quyển). Khi van nạp mở trong khoảng thời gian chồng chéo, áp suất lại giảm xuống. Cuối cùng, van xả đóng lại và áp suất trong ống xả được ổn định.

Việc sử dụng 2 đường ống xả riêng giúp cho luồng khí vào tuabin luôn được đồng đều và giảm độ trễ ngay ở tua thấp.

Thiết kế turbo cuộn kép được chứng minh là tăng hiệu suất của tuabin lên 7-8% và giúp cải thiện hiệu suất của nhiên liệu cao tới 5%.

Nhược điểm của loại turbo này là chi phí cao, độ phức tạp cao hơn so với turbo cuộn đơn.

Turbo tăng áp động cơ diesel cuộn kép

4, Variable Geometry Turbo – turbo tăng áp điều khiển cánh

Công nghệ turbo tăng áp làm xoay các cánh điều chỉnh của bánh turbo được sử dụng rộng rãi trong động cơ turbo sử dụng nhiên liệu diesel kể từ những năm 1990.

Công nghệ này ra đời nhằm khắc phục độ trễ của turbo

Nó hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi góc quay ở các cánh điều chỉnh của tuabin mà khí xả sẽ đập vào các cánh này.

Phương pháp này cho phép động cơ có thể thay đổi lưu lượng khí nạp vào động cơ, gia tăng công suất nhanh chóng, loại bỏ độ trễ của turbo

Loại turbo này hầu như chỉ được ở động cơ diesel vì là do dòng khí thải của động cơ xăng có nhiệt độ cao hơn rất nhiều, thường lên tới 9500C( so với 700-8000C ở động cơ diesel) – điều này gây ra khó khăn cho việc chế tạo các lá van chịu được nhiệt ở nhiệt độ cao

5, Variable Twin Scroll Turbo – turbo tăng áp cuộn đôi biến thiên

Đây là loại turbo tăng áp kết hợp những ưu điểm của turbo cuộn kép và turbo tăng áp biến đổi. Nó thực hiện bằng cách sử dụng một van có thể chuyển hướng luồng khí thải thành một cuộn duy nhất hoặc bằng cách thay đổi lượng van mở ra có thể cho phép khí thải tách ra thành cả hai cuộn.

Turbo loại này chi phí thấp hơn so với turbo tăng áp cánh biến thiên, cho phép đường cong momen xoắn rộng, phẳng.

Tuy nhiên, chi phí và độ phức tạp của nó cao hơn nhiều so với turbo đơn hay turbo cuộn kép truyền thống

6, Electric Turbo – turbo tăng áp điện:

Công nghệ tăng áp điện là công nghệ mới, đáp ứng về tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, đồng thời cải thiện hiệu suất động cơ

Loại turbo này loại bỏ gần hết các nhược điểm của động cơ tăng áp như độ trễ của turbo, không đủ khí thải, momen xoắn thấp.

Turbo điện tử hoạt động với một mô tơ điện gắn với cánh quạt tuabin, có thể điều khiển hoàn toàn bằng điện tử. Nếu ở vòng tua thấp, động cơ điện sẽ hoạt động để bù trừ cho dòng khí thải yếu giúp cho xe có khả năng tăng tốc mạnh hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn so với khối động cơ turbo truyền thống.

Nhược điểm: chi phí cao, phải làm mát động cơ để đảm bảo độ tin cậy

>> Xem thêm: turbo tăng áp máy xúc

– Tín Phú Lợi –

Tài liệu tham khảo:

Tổng hợp Internet