Công suất của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào lượng không khí và nhiên liệu nạp vào buồng đốt. Động cơ có công suất lớn thì yêu cầu lượng không khí và nhiên liệu nạp vào càng lớn. Do vậy muốn động cơ có công suất lớn hơn thì cần tăng lượng khí nạp vào buồng đốt, turbo tăng áp chính là thiết bị đề làm nhiệm vụ đó. Vậy tầm quan trọng của turbo tăng áp là gì và nguyên lý hoạt động của turbo tăng áp ra sao. Hãy theo dõi bài viết dưới đây. 

I. Tại sao cần sử dụng Turbo tăng áp 

Sử dụng turbo tăng áp mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho động cơ. Với động cơ cùng dung tích, động cơ được lắp turbo có thể tăng công suất nhiều nhất lên đến 100% và có trọng lượng nhẹ hơn. Bên cạnh đó turbo còn giúp tối ưu hóa tỷ lệ đốt cháy nhiên liệu và không khí (O2) giúp giảm thiểu khí thải độc hại, khói đen và việc nhiên liệu không cháy hết ra ngoài môi trường. Với cùng mức công suất, động cơ sử dụng turbo có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hơn 20%. Đặc biệt giúp cải thiện khả năng mang tải của xe, giúp xe vận hành mượt mà hơn ở tốc độ thấp.

II. Nguyên lý hoạt động cơ bản của Turbo tăng áp 

1. Turbo tăng áp trên động cơ

Turbo tăng áp trên động cơ hoạt động như sau: Khí xả nhiệt độ cao từ buồng đốt động cơ (có thể lên đến 760℃) truyền động cho tuabin quay với tốc độ cao. Sau đó, khí xả được đưa vào hệ thống xử lý. Tuabin quay làm quay cánh nén (nạp khí Turbo) do được lắp trên cùng 1 trục (tốc độ cao nhất đạt 130 vòng/phút2);

Đồng thời, bộ nén khí hút không khí sạch vào, nén lại và chuyển nó tới két làm mát khí. Tại đây, khí nén được làm mát xuống còn khoảng 45℃, sau đó được dẫn qua ống nạp vào buồng đốt động cơ. Khi vào buồng đốt, không khí sạch (O2) hòa trộn với nhiên liệu và được đốt cháy hoàn toàn, giúp tăng công suất động cơ và giảm tỷ lệ khí thải, góp phần bảo vệ môi trường.

Nguyên lý hoạt động của Turbo tăng áp trên động cơ 

Nguyên lý hoạt động của tuabin như sau: Vỏ tuabin được gắn, bắt đai ốc cố định với hành lang khí xả của động cơ. Khi khí xả có nhiệt độ cao (có thể lên đến 980℃) đi qua, chúng truyền động quay các cánh tuabin với tốc độ cao (lên đến 240 vòng/phút). Sự quay của cánh tuabin sẽ làm quay cánh bơm khí nạp, được lắp ở đầu đối diện của cùng một trục. Cánh bơm khí nạp sẽ nén và hút không khí sạch vào, cung cấp cho két làm mát khí. 

Tuabin bao gồm các thành phần chính như: vỏ tuabin, van trích khí xả (waste gate) (một số tuabin không có van này), và cánh xoắn VNT tối ưu khí động học.

Linh kiện của turbo bao gồm cánh tuabin và trục, được hàn bằng phương pháp ma sát hoặc hàn chùm tia điện. Cánh tuabin thường được đúc chính xác từ hợp kim gốc niken hoặc hợp kim titan chịu nhiệt độ cao, hoặc được gia công bằng phay CNC 3D. Sau đó, tùy theo yêu cầu sử dụng, cánh tuabin có thể được mài thành các hình dạng khác nhau.

Các linh kiện này yêu cầu có độ bền dẻo, khả năng chịu nhiệt cao và chịu ăn mòn tốt. Đồng thời, chúng cực kỳ nhạy cảm với sự cân bằng động. Trên trục, các chi tiết quay tốc độ cao như cánh tuabin, bạc trục, cổ trục và ổ đỡ phối hợp nhịp nhàng với nhau. Thường sử dụng vật liệu hợp kim và gia công chính xác qua các công đoạn tiện và mài.

Các chi tiết này cần có độ bền cơ học cao để tránh hiện tượng biến dạng khi quay ở tốc độ cao, điều này có thể dẫn đến va chạm với vỏ turbo. Vị trí cổ trục phải có khả năng chịu mài mòn tốt, thường được nhiệt luyện bề mặt hoặc tôi thẩm thấu. Sau khi gia công xong, các bộ phận tuabin sẽ được kiểm tra và cân bằng động riêng lẻ.

3. Nguyên lý hoạt động của vỏ tuabin 

Để đảm bảo khả năng chịu nhiệt cao, vỏ tuabin thường được đúc từ thép dẻo (thêm molypden) hoặc thép đúc gốc niken. Vỏ tuabin được đúc với các kích thước họng khác nhau, sau đó được gia công để phù hợp với hình dạng của tuabin.

Các thiết kế vỏ tuabin có thể bao gồm họng gió đơn hoặc đôi, có van xả khí hoặc không, có làm mát bằng nước hoặc không, và có thể đúc nguyên khối. Vỏ turbo không có hệ thống làm mát nước thường phải chịu được nhiệt độ cao, có thể lên đến 760độ C trong thời gian ngắn.

Trong khi đó, vỏ turbo có hệ thống làm mát được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ bề mặt cao, như động cơ hàng hải và máy phát điện.

Vỏ turbo được thiết kế để: Chịu được xung lực (rung động), Chống oxy hóa, Chịu nhiệt và biến dạng do nhiệt ít, đồng thời dễ dàng gia công cắt gọt.

4. Nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh khí xả 

Van điều chỉnh khí xả được điều khiển đóng mở bởi bộ điều tiết khí động, bao gồm màng khí và lò xo. Bộ điều tiết kiểm soát áp suất khí nạp từ cổng ra của máy nén khí (áp suất tăng áp) hoặc van điều khiển trên động cơ. Khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp, áp suất tăng áp thấp, van xả khí đóng lại. Nếu van này mở hoặc bị rò rỉ, công suất của động cơ sẽ không đủ. Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, áp suất tăng áp tăng, bộ điều tiết điều khiển van mở thông ngách, lúc này khí xả dư được thải ra ngoài để ngăn ngừa bộ tăng áp vượt quá tốc độ cho phép, đồng thời cải thiện công suất và hiệu suất xả khí của động cơ. Van thực hiện xả khí theo kiểu luồng đơn hoặc luồng kép.

Độ cứng (K) của lò xo (mềm hoặc cứng), áp suất cài đặt và đường kính lỗ van là những yếu tố quyết định hiệu suất của động cơ.

5. Nguyên lý hoạt động của công suất tuabin 

Sự tương quan giữa lưu lượng khí và tốc độ lưu thông ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của tuabin. Đường kính và kích thước của cánh tuabin, cùng với thiết kế chính xác của đường lượn cánh và cấu trúc vỏ tuabin, được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo lắp ráp phù hợp.

Việc lựa chọn kích thước đường lượn cánh tuabin, vỏ tuabin, ống dẫn khí và bộ điều tiết, cùng với áp suất van waste gate, đều ảnh hưởng đến công suất của turbo tăng áp và động cơ.

Khi tỷ lệ A/R nhỏ, tốc độ khí xả vào turbo sẽ tăng, giúp tăng động lực và khả năng tăng tốc của động cơ ở tốc độ thấp. Tuy nhiên, khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, khả năng lưu thông khí của turbo sẽ giảm, lực dội ngược từ khí xả tăng, khiến hiệu suất xả khí giảm, công suất kém, thậm chí có thể dẫn đến việc giảm hiệu suất, nhiệt độ xả cao và tiêu tốn nhiều nhiên liệu.

Ngược lại, khi tăng tỷ lệ A/R, khả năng tăng tốc ở tốc độ thấp sẽ giảm, nhưng sẽ có lợi cho việc gia tăng công suất của động cơ ở tốc độ trung và cao, đồng thời ít tiêu tốn nhiên liệu.

Nếu bộ điều tiết không được chọn lựa và cài đặt chính xác, công suất động cơ có thể không đạt yêu cầu, nhiệt độ có thể vượt mức cho phép, tiêu thụ nhiên liệu kém và có thể dẫn đến sự cố bộ tăng áp vượt quá tốc độ, hiệu suất giảm.

6. Nguyên lý hoạt động của cánh nén khí 

Cánh nén khí thường là chi tiết đúc hợp kim nhôm được dùng khuôn cao su hoặc khuôn thạch cao. Tùy vào hình dáng của turbo, quá trình gia công sẽ được hoàn thiện qua các bước mài và tiện để tạo ra các hình dạng khác nhau. Để nâng cao độ bền cơ học, trong một số ứng dụng đặc biệt (như xe buýt), người ta sử dụng máy gia công dập nhôm (máy phay 5 trục). Vật liệu cần có độ bền dẻo dai tốt, đặc biệt là khả năng chịu nhiệt độ cao (thường từ 200-300℃). Một số ứng dụng yêu cầu khả năng chịu nhiệt và ăn mòn cao, đặc biệt trong những điều kiện áp suất và nhiệt độ cao vượt quá giới hạn chịu dãn nhiệt của hợp kim nhôm, do đó hợp kim titan hoặc các hợp kim khác sẽ được sử dụng, như trong các chu trình khép kín của hệ thống thông gió cacte động cơ hoặc hệ thống khí thải tái tạo EGR. Đối với các chi tiết dễ bị ăn mòn hóa học, cần tiến hành xử lý bề mặt mạ cho nhôm. Các bộ phận này cũng rất nhạy cảm với ảnh hưởng cân bằng động, vì vậy, sau khi gia công xong, cần tiến hành cân bằng động. Đây là một trong những bộ phận dễ bị hỏng hóc nhất trong bộ tăng áp.

7. Nguyên lý hoạt động cơ bản của vỏ máy nén khí

Vỏ máy nén khí thường được chế tạo từ hợp kim nhôm hoặc chi tiết đúc cát. Vỏ đúc có các đường khí được thiết kế với kích thước theo yêu cầu. Quá trình gia công vỏ máy nén bao gồm việc đấu nối các đường vào và ra sao cho tương thích với hình dáng của cánh nén. Tùy theo từng mô hình sử dụng, vỏ máy nén có thể được thiết kế kèm theo bộ giảm thanh hoặc không có bộ giảm thanh. Vỏ máy nén cần đảm bảo các yêu cầu sau: khả năng chịu nhiệt cao (từ 200 đến 300℃), chịu được xung lực (rung chấn), ít biến dạng do nhiệt, và dễ dàng gia công cắt gọt.

8. Nguyên lý hoạt động công suất máy nén khí