Mục lục:
- Turbocharger – Tăng áp dẫn động khí thải
- Điều chỉnh áp suất nén bằng cơ-khí nén
- Điều chỉnh áp suất nén bằng điện tử
- Điều chỉnh áp suất nén với tua bin thay đổi được (VTG)
Trong thì nạp, lượng khí sạch nhiều nhất có thể sẽ được một thiết bị tăng áp đẩy vào xy-lanh. Ngoài ra hỗn hợp nhiên liệu không khí hoặc không khí được nén trước toàn phần hay một phần ở ngoài xy-lanh. Ta phân biệt:
- Máy tăng áp không dẫn động bằng cơ học (Turbocharger), thí dụ turbo tăng áp khí thải, Bi-Turbo, Twin-Turbo
- Máy tăng áp với dẫn động bằng cơ học (Supercharger), thí dụ máy tăng áp Root, máy nén, máy tăng áp vòng xoắn, máy tăng áp rotor
- Phối hợp turbo tăng áp khí thải và máy nén trục vít
Turbocharger – Tăng áp dẫn động khí thải
Với thiết bị này, năng lượng của khí thải được sử dụng để chuyển tải khí sạch vào xy-lanh.
Hiệu ứng tăng áp đạt được chỉ trong phạm vi tốc độ quay trung bình đến cao. Ngoài ra, tăng áp khí thải sẽ phản ứng hơi chậm đối với sự thay đổi nhanh chóng của vị trí bàn đạp ga, vì khí thải lực quán tính không thể theo kịp với sự thay đổi nhanh của tình trạng tải (độ trễ turbo). Tăng áp khí thải vận hành hầu như không bị thất thoát năng lượng vì chúng không cần công suất dẫn động từ trục khuỷu.
Thiết bị rotor tăng áp: gồm có bánh tua bin với trục và bánh nén.
Tùy theo thiết kế của máy tăng áp, chúng đạt được tốc độ quay liên tục từ 50.000 v/ph cho đến 400.000 v/ph.
Nguyên lý hoạt động: Khí thải của động cơ tác động lên bánh tua bin trong turbo tăng áp và qua trục lên bánh nén.
Bộ phận nén có nhiệm vụ hút khí sạch và cung cấp cho động cơ một độ nạp khí sạch được nén trước. Do được nén trước nên khí nạp nóng lên đến 180 °C.
Làm mát khí nén và áp suất nén: Không khí được bộ tăng áp nén trước và bị nóng lên có thể được làm mát qua một bộ làm mát (Intercooler) trước khi vào xy-lanh. Qua đó tỷ trọng không khí của độ nạp khí sạch được tăng lên. Khối lượng không khí lớn hơn tạo điều kiện cho việc phun một lượng nhiên liệu nhiều hơn.
Bảng dưới hiển thị áp suất nén của khí nạp được làm mát và không được làm mát.
| Động cơ tăng áp | Quá áp [bar] |
|---|---|
| Không làm mát khí nạp | 0,2 đến 1,8 |
| Làm mát khí nạp | 0,5 đến 2,2 |
Áp suất nén của động cơ tăng áp qua turbo tăng áp khí thải không được phép vượt quá áp suất nén do nhà sản xuất quy định, nếu không động cơ sẽ bị hư hỏng.
Điều chỉnh áp suất nén
Bên cạnh việc động cơ có thể bị phá hủy do độ tăng áp quá lớn, kích cỡ của turbo tăng áp phải được thiết kế sao cho cũng có thể đạt được hiệu ứng tăng áp ở tốc độ quay trung bình khi dòng khí thải yếu hơn. Điều này dẫn đến kết quả là tốc độ quay động cơ cao với lượng khí thải lớn, hoặc áp suất nén của turbo tăng áp vượt quá giới hạn cho phép hoặc turbo tăng áp thúc đẩy một tốc độ quay vượt quá giới hạn cho phép. Vì thế áp suất nén phải được điều chỉnh.
Ta phân biệt:
- Điều chỉnh áp suất nén bằng cơ-khí nén
- Điều chỉnh khí nén bằng điện tử
- Điều chỉnh khí nén với cánh dẫn có thể thay đổi vị trí (VGT)
Điều chỉnh áp suất nén bằng cơ-khí nén
Trong van điều chỉnh khí nén, một màng căng bị ép trước bởi lò xo xoắn chịu tác động của áp suất nén. Ngay khi áp lực nén lớn hơn lực ép của lò xo, van sẽ mở. Khí thải không qua tua bin mà tràn theo đường vòng vào ống thải.
Van điều chỉnh áp suất nén có thể được đặt ở bất cứ vị trí nào trong hệ thống thải, trước turbo tăng áp. Thay vì van điều chỉnh áp suất nén, một nắp của đường vòng (Bypass Valve) cũng có thể được sử dụng.
Bypass Valve (Nắp đường vòng) có nhiệm vụ đóng và mở đường vòng, được kết nối qua một thanh điều khiển với hộp điều khiển thường được gắn trên bộ turbo. Do hộp điều khiển cách xa những bộ phận nóng của máy tăng áp nên áp lực nhiệt của màng nhựa không lớn, do đó nguy cơ hư hỏng thấp.
Ở chế độ thả trôi (idling) và khi bướm ga đóng, áp suất động lớn xuất hiện nơi bánh nén (bánh bơm), làm cho bánh nén bị hãm lại khiến sự giảm tốc xảy ra khi tải thay đổi bất thình lình. Để bánh nén tiếp tục quay không bị ngăn trở trong chế độ kéo (thả trôi), những thiết bị điều khiển áp suất nén với van không khí tuần hoàn (wastegate), điều khiển qua áp suất ở cổ hút, được sử dụng. Khi bướm ga đóng, van này có thể bơm vòng không khí được nén trước từ phía nén sang phía hút của bánh nén (bánh bơm).
Điều chỉnh áp suất nén bằng điện tử
Tùy thuộc vào vị trí bướm ga và khuynh hướng gõ, áp suất nén tối ưu được tính toán qua một bộ điều khiển áp suất nén. Nhiệt độ không khí hút vào, nhiệt độ động cơ và tốc độ quay là những tham số điều chỉnh. Dao động áp suất không khí, thí dụ khi chạy đường núi, được bù trừ nhờ một cảm biến độ cao trong bộ điều khiển động cơ, cảm biến này liên tục đo áp suất không khí môi trường và thông số này được dùng đến khi tính toán áp suất nén.
Nguyên lý hoạt động: Một cảm biến áp suất ghi nhận áp suất nén và bộ điều khiển áp suất nén điều khiển một van xung nhịp (Hình dưới). Tỷ lệ nhịp điều khiển tiết diện mở.
Áp suất nén thấp (Hình dưới): Van xung nhịp mở kết nối giữa ống nén và cổ hút. Một áp suất nén nhỏ tác động lên van điều khiển áp suất nén. Van vẫn đóng. Tua bin được toàn bộ dòng khí thải dẫn động.
Áp suất nén cao (Hình 3). Cảm biến áp suất gửi tín hiệu áp suất nén quá cao đến bộ điều khiển áp suất nén. Van xung nhịp đóng kết nối giữa ống nén và ống hút. Áp suất nén của ống điều khiển tăng lên. Van điều khiển áp suất nén mở và dòng khí thải đến tua bin giảm đi.
“Tăng áp cưỡng bức (Overboost)”: Được hiểu là tăng áp suất nén vượt mức, ngắn hạn để tăng tốc. Khi bàn đạp ga được ấn xuống hoàn toàn (kick down), van điều khiển áp suất nén được đóng lại qua van xung nhịp. Toàn dòng khí thải được dẫn qua tua bin, áp suất nén tăng lên đột ngột. Sau khi đạt được tốc độ mong muốn, quy trình điều khiển thông thường vận hành trở lại.
Lợi ích của điều khiển áp suất nén bằng điện tử so với điều khiển áp suất nén bằng cơ-khí nén:
- Tính năng đáp ứng (của động cơ) tốt hơn
- Công suất cố định vì không phụ thuộc vào áp suất không khí (điều chỉnh áp suất tuyệt đối)
- Áp suất nén bất kỳ, có thể được tăng đến giới hạn kích nổ
Điều chỉnh áp suất nén với tua bin thay đổi được (VTG)
Áp suất nén của loại máy nén này được điều chỉnh qua những cánh dẫn có thể dịch chuyển được. Việc điều chỉnh được thực hiện không phụ thuộc vào luồng khí thải bị ảnh hưởng từ tốc độ quay động cơ.
Nguyên lý hoạt động
Tốc độ quay động cơ thấp: Để đạt được một mô-men xoắn lớn dù tốc độ quay thấp, cần đến một áp suất nén cao. Khi đó những cánh dẫn được hiệu chỉnh tạo ra một tiết diện đầu vào hẹp làm tăng tốc độ của dòng khí thải, đồng thời dòng khí thải tác động lên khu vực ngoài của bánh tua bin (cánh tay đòn dài). Qua đó tốc độ quay tua bin và áp suất nén tăng lên.
Tốc độ quay động cơ cao: Những cánh dẫn tạo tiết diện đầu vào lớn hơn để có thể tiếp thu một lượng khí thải lớn hơn ở tốc độ quay cao, do đó đạt được áp suất nén cần thiết nhưng không bị vượt quá. Dòng khí thải tác động lên khu vực trung tâm của bánh tua bin.
Việc thay đổi tiết diện đầu vào có thể được tận dụng, thí dụ như để đạt được sự gia tăng áp suất nén bổ sung ngắn hạn (tăng áp cưỡng bức). Do có thể đạt được áp suất nén tối ưu qua việc hiệu chỉnh những cánh quạt nên đường vòng không cần thiết. Khi bộ điều khiển thông báo tình trạng chạy khẩn của động cơ, những cánh dẫn được điều khiển sao cho một tiết diện đầu vào lớn nhất được khai thông, áp suất nén và công suất động cơ giảm xuống.
Hiệu chỉnh cánh dẫn
Được thực hiện qua một thanh điều khiển có chuỗi dẫn khớp vào vòng chỉnh, qua đó có thể xoay vòng chỉnh. Chuyển động quay này được truyền qua chuỗi dẫn và trục đến cánh dẫn. Tất cả những cánh dẫn được đỡ trong vòng ổ lăn được xoay cùng lúc và đều đặn vào vị trí mong muốn. Việc hiệu chỉnh cánh dẫn được thực hiện bằng điện khí lực.
Hiệu chỉnh cánh dẫn bằng điện-khí
Một bơm chân không tạo ra áp suất chân không. Qua một thiết bị chuyển đổi áp suất bằng điện-khí lực (EPT), áp suất điều khiển được dẫn vào hộp áp suất chân không. Trong hộp áp suất chân không, áp suất chênh lệch giữa áp suất điều khiển và áp suất môi trường có nhiệm vụ hiệu chỉnh cánh dẫn qua thanh dẫn một cách bất kỳ.
Hiệu chỉnh cánh dẫn bằng điện
Thay cho hiệu chỉnh bằng điện-khí lực, một động cơ điện với bộ phận dẫn động tác động lên thanh dẫn để hiệu chỉnh những cánh dẫn. Vì thế có thể đạt được tốc độ hiệu chỉnh cao hơn và sự hiệu chỉnh chính xác hơn. Việc hiệu chỉnh áp suất nén bằng thiết bị điện nhanh và chính xác đáng kể hơn so với bằng điện khí lực. Điều này mang lại những lợi ích khả năng phản ứng nhanh và giảm phát thải khí độc.
Từ tiêu chuẩn EURO 4 trở đi, thiết bị hiệu chỉnh bằng điện được sử dụng.
Xem thêm:
