Nguyên lý hoạt động của bộ tăng áp khí nạp

Kể từ khi động cơ đốt trong ra đời và suốt trong quá trình ngành công nghiệp ô tô phát triển, các nhà thiết kế luôn tìm cách để tăng công suất của động cơ. Một cách đơn giản nhất chính là chế tạo động cơ cỡ lớn. Tuy nhiên, khi động cơ lớn hơn thì trọng lượng và giá thành cũng tăng theo và đây không phải là vấn đề mà các nhà thiết kế cần tìm.

Có cách nào khác để tăng công suất, để làm cho một động cơ có kích cỡ bình thường hiệu quả hơn không? Câu trả lời là: có! Bạn có thể thực hiện điều này bằng cách tăng thêm lượng không khí vào trong buồng cháy. Nhiều không khí hơn nghĩa là cần nhiều nhiên liệu hơn và nhiều nhiên liệu hơn tức là sự nổ trong buồng cháy sẽ mạnh hơn và do đó công suất sinh ra sẽ lớn hơn. Sử dụng bộ tăng áp supercharger là cách hiệu quả nhất để tăng lượng không khí vào trong xi lanh. Bây giờ, chúng ta hãy cùng tìm hiểu xem supercharger là gì, nó làm việc ra sao và so sánh nó với tăng áp turbo.

Những vấn đề cơ bản của Supercharger

Supercharger là một thiết bị nén không khí vào trong xi lanh để áp suất nạp của động cơ lớn hơn áp suất khí quyển. Cả hệ thống supercharger và turbocharger đều làm như vậy. Thực tế, thuật ngữ “turbocharger” là dạng viết ngắn của “turbo-supercharger”, tên chính thức của nó. Sự khác nhau giữa hai thiết bị chính là nguồn cung cấp năng lượng cho chúng. Turbocharger sử dụng nguồn năng lượng của khí xả làm quay tuốc bin máy nén khí. Supercharger lại sử dụng mô men cơ khí trực tiếp của trục khuỷu bằng dẫn động đai.

Một động cơ bốn kỳ bình thường có một kỳ dùng để nạp khí. Có ba bước trong một quá trình đó như sau:

1. Piston chuyển động xuống dưới,
2. Điều này sẽ tạo ra một khoảng không
3. Không khí với áp suất khí quyển sẽ được hút vào trong buồng cháy.

Trước khi được hút vào trong động cơ, không khí đã được kết hợp cùng với nhiên liệu ở bộ hoà trộn (carburator). Hỗn hợp khí này sẽ được chuyển hoá thành năng lượng động học nhờ một phản ứng hoá học mà ta thường gọi là sự cháy. Nến điện là nguồn kích thích để phản ứng hoá học này bắt đầu bằng cách bật tia lửa trong khối hỗn hợp khí. Khi nhiên liệu trải qua quá trình ô xy hoá, một lượng năng lượng lớn được giải phóng. Lực nén do áp suất lớn sinh ra tập trung trên đỉnh piston sẽ đẩy piston đi xuống. Lợi dụng lực quán tính, các nhà chế tạo đã tận dụng hiệu quả chuyển động đó của piston và chuyển nó thành chuyển động quay của trục khuỷu để đưa ra dẫn động các bánh xe.

Để năng lượng cháy sinh ra lớn hơn ta cần phải tăng lượng nhiên liệu, tuy nhiên vấn đề không đơn giản như vậy. Bạn không thể chỉ bơm nhiên liệu vào động cơ là đạt được mục đích của mình bởi vì lượng ô xy có trong khí nạp chỉ đốt cháy hết một lượng nào đó nhiên liệu mà thôi. Đối với các động cơ xăng hiện đang sử trên các xe ô tô, chất lượng quá trình cháy tốt nhất ở mức độ hoà trộn 14-1, tức là 14 phần không khí trộn với 1 phần xăng. Như vậy có thể kết luận: để tăng lượng nhiên liệu, bạn cần phải tăng lượng không khí nạp vào trong xi lanh.

Đó là công việc của supercharger. Supercharger tăng lượng khí nạp bằng cách nén không khí vào xi lanh với áp suất cao hơn áp suất khí quyển mà không cần đến độ chân không trong xi lanh. Nhờ có lượng không khí được tăng cường, lượng nhiên liệu cũng có thể tăng theo vào do vậy công suất động cơ cũng cao hơn đến 46%, mô men xoắn cũng cao hơn tới 31% so với động cơ không tăng áp cùng kích cỡ. Hơn nữa, ở một số vùng núi cao, động cơ hoạt động rất kém vì mật độ không khí loãng và áp suất thấp, hệ thống tăng áp sẽ làm tăng áp suất khí để động cơ hoạt động tốt hơn.

Không giống như bộ nạp tăng áp turbocharger, sử dụng năng lượng của dòng khí thải để làm quay máy nén khí, supercharger sử dụng trực tiếp mô men xoắn của trục khuỷu để làm quay bánh răng dẫn động trục máy nén khí. Để nén được không khí vào xi lanh, trục máy nén khí phải quay rất nhanh, nhanh hơn rất nhiều tốc độ của động cơ. Về nguyên tắc, chỉ cần thiết kế bánh răng dẫn động lớn hơn bánh răng trục máy nén. Tuy nhiên vì lý do công nghệ, số vòng quay của máy nén khí bị giới hạn. Hiện nay ở các bộ tăng áp dùng cho ô tô, tốc độ của máy nén thường ở 50.000 đến 60.000 vòng/phút.

Với tốc độ khoảng 50.000 vòng/phút, máy nén khí làm tăng áp suất không khí vào xi lanh khoảng 6 đến 9 psi. So với áp suất của không khí là 14.7 psi thì bộ tăng áp sẽ sung cấp thêm khoảng 50% lượng không khí vào trong xi lanh.

Khi không khí bị nén lại cũng có nghĩa là nó sẽ nóng lên và mật độ không khí sẽ giảm đi và không thể giãn nở tốt nhất khi nổ. Điều này có nghĩa là chúng không thể tạo ra nhiều năng lượng nhất khi nến điện đánh lửa. Để bộ tăng áp làm việc hiệu quả nhất, không khí bị nén cần phải được làm lạnh trước khi đưa vào đường ống hút. Bộ làm mát trung gian sẽ thực hiện quá trình làm mát này. Những bộ làm mát trung gian được thiết kế theo hai hướng cơ bản, làm mát bằng không khí và làm mát bằng nước. Cả hai công việc này đều giống như bộ tản nhiệt, với không khí và nước lạnh được chạy qua một hệ thống đường ống. Khi không khí nóng ở trong bộ tăng áp sẽ tản nhiệt qua hệ thống đường ống làm mát và nhiệt độ của chúng sẽ hạ xuống. Việc giảm nhiệt độ của không khí sẽ làm tăng mật độ của nó lên và lượng khí nạp vào buồng cháy sẽ nhiều hơn.

Các loại tăng áp

Có ba loại tăng áp supercharger, đó là Roots (bộ tăng áp sử dụng bánh răng), twin-screw (bộ tăng áp sử dụng trục vít kép) và centrifugal (bộ tăng áp ly tâm). Sự khác nhau cơ bản của ba loại này là cách thức đẩy không khí vào ống hút của động cơ. Roots và twin-screw sử dụng kiểu bánh răng và trục vít ăn khớp với nhau, còn centrifugal thì sử dụng bộ cánh quạt để đẩy không khí vào. Phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu mà mỗi loại cho những hiệu suất khác nhau, phù hợp với những kiểu kích thước khác nhau.

Trong ba hệ thống, Roots supercharger là thiết kế cổ điển nhất. Năm 1860 Philander và Francis Roots đã phát minh ra một cỗ máy có kết cấu tương tự để thông gió hầm mỏ. Đến năm 1900, Gottleib Daimler đã đưa thiết kế này lên xe ô tô làm nhiệm vụ tăng áp cho khí nạp vào động cơ. Khi các vấu cam ăn khớp với nhau quay, không khí sẽ bị nhốt vào phần không gian giữa các vấu cam. Do đặc điểm kết cấu, khoảng không gian này chạy từ đầu vào của bộ tăng áp đến đầu ra của nó (đầu vào động cơ). Một số lượng lớn không khí chuyển động vào đường ống nạp và “chồng” lên nhau tạo nên áp suất tăng. Roots không khác gì những cái quạt gió và chính thuật ngữ “blower” – quạt gió cũng thường xuyên được sử dụng để mô tả tất cả những bộ tăng áp. Roots supercharger thường khá lớn và nằm trên đỉnh động cơ, chúng được sử dụng trên các xe ô tô được cải tiến tăng công suất bởi vì chúng thường ló ra khỏi nắp cabô của xe. Tuy nhiên, chúng là loại supercharger có hiệu suất thấp nhất bởi hai lý do: chúng thường rất nặng và cơ bản nhất là chúng thổi không khí theo kiểu xung, ngắt quãng, không liên tục và êm dịu.

Loại thứ hai là twin-screw supercharger. Nguyên lý làm việc tương tự như roots supercharger nhưng có kết cấu khác, nó đẩy không khí qua khe hở của cặp trục vít ăn khớp với nhau. Nó dồn không khí vào những cái “túi” được tạo bởi các vấu cam lõm trên trục. Lượng không khí này được nén bên trong khoảng không gian lõm của trục vít. Bởi vì trục vít này có dạng hình nón do đó khoảng không này sẽ bị thu hẹp lại khi trục vít quay và không khí sẽ bị dồn từ đầu này sang đầu kia của hệ thống với áp suất tăng dần. Điều này làm cho twin-screw supercharger hiệu quả hơn nhưng chi phí sản xuất cũng cao hơn. Một vài loại twin-screw supercharger được lắp trên nắp động cơ giống như roots nhưng chúng cũng tạo ra tiếng ồn lớn. Khi làm việc chúng tạo ra những tiếng rít gió và đương nhiên lại cần phải có công nghệ để giảm những âm thanh đáng ghét đó đi.

Cuối cùng là bộ centrifugal supercharger. Một thiết bị giống như một rotor, quay rất nhanh đẩy không khí vào một không gian nhỏ. Một cánh tuốc bin quay với vận tốc rất lớn, từ 50.000 đến 60.000 vòng/phút sẽ tạo ra lực ly tâm cho khối không khí chuyển động theo nó. Như vậy, khoảng không gian gần tâm (nối với đầu vào của bộ tăng áp) sẽ có áp suất thấp và ngược lại, phía xa tâm (nối với ống nạp) sẽ có áp suất cao hơn. Chính cánh quạt tuốc bin đã giúp chuyển luồng không khí có vận tốc cao, áp suất thấp thành vận tốc thấp và áp suất cao.

Centrifugal supercharger hệ thống nạp tăng áp hiệu quả nhất và được sử dụng nhiều nhất. Chúng nhỏ, gọn, nhẹ và được lắp đặt ở phía trước của động cơ. Tuy vẫn có tiếng ồn khi hút khí nhưng so với tiếng ồn của đường phố, người sử dụng hoàn toàn có thể chấp nhận được.

Bất cứ bộ tăng áp nào trong ba loại kể trên cũng có thể lắp đặt trên chiếc xe của bạn để tăng sức mạnh của nó. Hiện nay các hãng xe đều cố gắng chế tạo các động cơ sẵn sàng thích ứng với bất cứ bộ tăng áp nào theo yêu cầu của bạn, tuy nhiên nếu là người không khó tính bạn nên sử dụng thiết bị tăng áp theo nhà chế tạo đã lắp đặt sẵn.