Đây là lý do vì sao động cơ diesel dùng bộ tăng áp nhiều hơn động cơ xăng

Động cơ diesel đã có mặt trong làng ô tô thế giới từ rất lâu, không thua kém gì động cơ xăng. Trong quá trình phát triển, động cơ diesel từng có những loại như hút khí tự nhiên, siêu nạp và tăng áp. Tuy nhiên, động cơ diesel tăng áp vẫn phổ biến hơn cả. Gần như mọi động cơ diesel trên ô tô ngày nay đều đi kèm bộ tăng áp. Trên thực tế, động cơ diesel dùng bộ tăng áp nhiều hơn động cơ xăng và sau đây là lý do.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ tăng áp

Bộ tăng áp của động cơ thường có hình xoắn ốc, được ghép từ hai buồng. Từ trước đến nay, bộ tăng áp đều có những bộ phận cơ bản như cánh tuabin, cánh bơm, trục, ổ bi đỡ và đường dẫn dầu bôi trơn trục. Cánh tuabin được lắp bên trong buồng gắn với cổ góp xả để nhận lực từ khí xả động cơ. Trong khi đó, cánh bơm được lắp ở buồng còn lại. Cánh bơm và cánh tuabin sẽ được nối liền với nhau bằng trục.

Cấu tạo bộ tăng áp của động cơ ô tô

Về nguyên lý hoạt động, khí xả động cơ sẽ làm cánh tuabin và cánh bơm của bộ tăng áp quay. Khi quay, cánh bơm sẽ bắt đầu hút không khí sạch vào động cơ. Khí xả càng nhiều thì tốc độ quay của cánh tuabin và cánh bơm càng nhanh, từ đó tăng áp suất trong đường ống nạp. Nhờ đó, lượng không khí được hút vào động cơ cũng nhiều hơn, giúp tăng công suất máy.

Sơ đồ cho thấy nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ tăng áp

Lý do vì sao động cơ diesel dùng bộ tăng áp nhiều hơn động cơ xăng

Động cơ xăng hút khí tự nhiên hiện nay vẫn rất phổ biến. Điều này trái ngược hoàn toàn với động cơ diesel hút khí tự nhiên. Nguyên nhân là bởi hầu hết động cơ diesel ngày nay đều dùng công nghệ tăng áp. 

Động cơ diesel và công nghệ tăng áp có thể nói là cặp đôi hoàn hảo. Động cơ diesel vốn là loại phun nhiên liệu trực tiếp, đồng nghĩa với quá trình đánh lửa bắt đầu khi nhiên liệu được bơm vào động cơ. Ở động cơ xăng, nhiên liệu và không khí sẽ được trộn lẫn vào nhau rồi bugi mới đánh lửa. Trong khi đó, với động cơ dầu, chính nhiên liệu sẽ tương tác với không khí và đánh lửa dựa trên áp suất cũng như nhiệt. Đó là lý do vì sao chúng ta có thuật ngữ động cơ "đánh lửa bằng cách nén".

Điều này cho phép động cơ diesel hoạt động với tỷ số nén không khí : nhiên liệu đa dạng hơn máy xăng. Động cơ xăng thường có tỷ số nén dao động từ 10:1 đến 15:1. Trong khi đó, động cơ diesel có thể chạy với tỷ số nén dao động từ 6:1 đến 100:1.

Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động kể trên cũng có những nhược điểm. Vì nhiên liệu không được hòa trộn với không khí trước khi vào động cơ nên cần nhiều thời gian để đốt cháy và tạo ra áp suất để sản sinh công suất. Khi vòng tua máy tăng lên, piston của động cơ sẽ di chuyển lên/xuống ở tốc độ cao hơn khiến nhiên liệu diesel càng có ít thời gian để đốt cháy và sinh công. Đây là lý do vì sao động cơ diesel thường có vòng tua máy thấp hơn.

Để khắc phục điều này, các kỹ sư đã dùng đến công nghệ tăng áp. Bộ tăng áp về cơ bản là máy nén chạy bằng khí xả, có tác dụng ép nhiều không khí vào động cơ hơn. Bằng cách này, động cơ sẽ nhận được nhiều không khí hơn mà không cần tăng vòng tua máy. Với lượng nhiên liệu bổ sung phù hợp, động cơ diesel có thể tạo ra công suất tối đa ngang ngửa động cơ xăng trong khi mô-men xoắn và khả năng tiết kiệm nhiên liệu vượt trội hơn.

Tăng công suất là một trong những lý do khiến động cơ diesel cần đến bộ tăng áp

Ngoài ra, việc lắp bộ tăng áp cho động cơ diesel cũng dễ hơn động cơ xăng. Các kỹ sư có thể lắp thêm bộ tăng áp cho động cơ diesel mà không cần phải thay đổi quá nhiều bộ phận bên trong động cơ. Với động cơ diesel, nhiên liệu được đốt cháy ở nhiệt độ thấp hơn động cơ xăng, đồng nghĩa với việc tạo ra nhiều khí xả hơn. Với tỷ lệ nén cao hơn, động cơ diesel sẽ đẩy khí xả ra với áp suất lớn ngay từ vòng tua thấp, từ đó khiến cánh tua bin và cánh bơm của bộ tăng áp quay nhanh hơn.

Công nghệ tăng áp đời đầu

Vào cuối những năm 1890 và đầu những năm 1990, động cơ diesel tăng áp thường dùng chung công thức là áp suất ép không khí đi vào động cơ dưới 20 psi, hình dạng cố định, ống khí xả và cánh tuabin lớn để giảm áp suất khí xả. Lúc đó, bộ tăng áp cũng khá nhỏ và chỉ giúp động cơ tăng nhẹ công suất. Thiết kế của bộ tăng áp vẫn giữ nguyên như thế cho đến năm 2000 khi các hãng cải tiến trang bị này để đáp ứng quy định về khí thải khắt khe hơn cũng như nhu cầu mua động cơ diesel mạnh hơn, nhạy hơn của khách hàng.

Những động cơ diesel tăng áp làm thay đổi cuộc chơi

Động cơ diesel Duramax phun nhiên liệu trực tiếp (Common Rail) được DMAX - liên doanh giữa tập đoàn General Motors (GM) và Isuzu - ra mắt vào năm 2001 với bộ tăng áp lớn hơn nhiều so với trước. Những bộ tăng áp Garrett lớn hơn đã giúp động cơ Duramax đạt công suất tối đa 300 mã lực. Dung tích xi-lanh 6.6L và bộ điều khiển điện tử phức tạp cũng giúp Duramax vượt qua hầu hết các đối thủ vào thời điểm đó.

Không chịu thua kém, Dodge cùng Ford cũng tung ra những bộ tăng áp cải tiến nhằm tăng công suất cho động cơ Power Stroke và Cummins. Dodge đã lắp thêm bộ tăng áp biến đổi hình học cho động cơ Cummins. Ford cũng trang bị bộ tăng áp với buồng tuabin biến đổi cho động cơ Power Stroke. Tuy nhiên, Ford sử dụng cánh có thể di động để thay đổi luồng khí xả tới cánh tuabin nhằm tăng tốc hoặc giảm tốc bộ tăng áp trong động cơ Power Stroke. Đến năm 2005, GM cũng ứng dụng công nghệ biến thiên cho bộ tăng áp Garrett của động cơ Duramax.

Những thiết kế độc đáo khác

Trong giai đoạn từ năm 2008 - 2010, động cơ Power Stroke trên những mẫu xe bán tải của Ford được trang bị 2 bộ tăng áp, mang đến công suất và mô-men xoắn cao. Nhờ cách sắp xếp bộ tăng áp này, xe bán tải Ford nhanh chóng trở thành lựa chọn yêu thích của các hãng độ.

Những hãng xe châu Âu khác cũng thử nghiệm nhiều thiết kế bộ tăng áp khác nhau. Ví dụ như BMW 335d với một bộ tăng áp biến đổi hình học rất nhỏ và hoạt động từ vòng tua khoảng 1.500 - 2.500 vòng/phút. Khí xả động cơ được chuyển hoàn toàn qua bộ tăng áp nhỏ. Trong khi đó, một bộ tăng áp lớn hơn sẽ chịu trách nhiệm ở vòng tua máy từ 2.500 - 4.000 vòng/phút. Cách bố trí bộ tăng áp tuần tự như thế này mang đến dải công suất cực rộng và tạo cảm giác lái hứng khởi, phù hợp với xe thể thao như BMW 335d.

Có gì khác giữa bộ tăng áp và siêu nạp?

Công nghệ siêu nạp (supercharged) cũng tăng công suất cho xe bằng cách ép nhiều không khí vào trong động cơ. Tuy nhiên, tuabin của bộ siêu nạp lại quay bằng chính động cơ. So với bộ tăng áp, bộ siêu nạp không có tình trạng trễ, sản sinh nhiều mô-men xoắn hơn và mang đến tiếng pô ấn tượng. Tuy nhiên, vì chạy bằng động cơ thay vì khí xả nên bộ siêu nạp không giúp động cơ tiết kiệm nhiên liệu như bộ tăng áp.

Tương lai của bộ tăng áp trong thời đại ô tô điện

Theo dự đoán của nhiều chuyên gia, công nghệ tăng áp sẽ dần biến mất trên ô tô trong tương lai vì sự phổ biến của xe điện. Tuy nhiên, cái tên "Turbo" sẽ không biến mất. Nhiều mẫu ô tô điện dù không hề có công nghệ tăng áp nhưng vẫn được đặt tên "Turbo", ví dụ như Porsche Taycan. Trong trường hợp này, cái tên "Turbo" nhằm nhấn mạnh công suất lớn của xe hơn là ám chỉ công nghệ tăng áp.

Động cơ trong tương lai có thể chạy bằng cả nhiên liệu hydro và điều này sẽ giúp kéo dài sự tồn tại của bộ tăng áp.