Trong thế giới ô tô, các loại động cơ đốt trong hút khí tự nhiên được sử dụng phổ biến bởi tính chất đơn giản, dễ kiểm soát và độ bền bỉ cao, nhưng gặp nhiều khó khăn đối với việc cải thiện hiệu năng vận hành. Các hãng xe đã phải liên tục tìm cách cho động cơ của mình sản sinh thêm nhiều mã lực hơn bằng cách dùng đến những giải pháp như turbo tăng áp hay siêu nạp, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về sức mạnh từ phía khách hàng, cũng như tuân thủ các tiêu chuẩn về khí thải vốn đang siết chặt hơn bao giờ hết.
Đối với động cơ đốt trong hút khí tự nhiên dùng cho ô tô, chúng dựa vào điều kiện áp suất khí quyển bình thường và sự chuyển động của piston để hút không khí vào buồng đốt. Lượng không khí mà động cơ hút vào sẽ tỷ lệ thuận với dung tích xy-lanh và tốc độ quay của động cơ, từ đó sản sinh được công suất và mô-men xoắn tương ứng. Những ưu điểm nổi trội bao gồm khả năng cung cấp năng lượng một cách mượt mà, có thể dự đoán được, đem lại phản hồi ga tức thì giúp xe dễ điều khiển, thiết kế không quá phức tạp dẫn đến độ tin cậy cao hơn và chi phí bảo dưỡng thấp hơn. Âm thanh của những khối động cơ hút khí tự nhiên cũng có nét đặc trưng rất riêng, tạo nên nhiều cảm xúc phấn khích cho người sử dụng.
Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất đối với động cơ hút khí tự nhiên là sự thiếu hụt công suất khi cố gắng sửa đổi thiết kế để tăng thêm sức mạnh cho chúng. Điều này khiến cho các hãng xe, trong nỗ lực “chạy đua vũ trang” để thu hút sự chú ý của khách hàng, buộc phải tìm đến những giải pháp khác nhằm sản sinh ra những thông số mã lực lớn hơn nữa. Việc nhiều quốc gia đánh thuế rất nặng vào động cơ dung tích lớn cũng làm cho tình hình tồi tệ hơn.
Để giải quyết vấn đề này, phương án khả dĩ nhất là cơ chế nạp cưỡng bức: một quá trình cung cấp khí nén đến cổng nạp của động cơ đốt trong và “ép” phải nhận nhiều không khí hơn, thay vì chỉ dựa vào lực hút tự nhiên của động cơ. Có nhiều cách để thực hiện, trong đó có 2 cách được biết đến nhiều nhất là turbo tăng áp (turbocharger) và siêu nạp (supercharger).
Turbo tăng áp
Nguyên lý cơ bản xoay quanh phương pháp dùng turbo tăng áp là tận dụng nguồn năng lượng từ khí xả để nạp thêm không khí vào buồng đốt, vừa tránh lãng phí vừa tối ưu hiệu suất sử dụng nhiên liệu, từ đó làm tăng công suất mà tiêu hao ít nhiên liệu hơn so với động cơ hút khí tự nhiên. Tất nhiên, không có gì là hoàn hảo, cơ chế này vẫn có những nhược điểm của riêng nó.
Trong quá trình vận hành của một động cơ thông thường, để bắt đầu mọi thứ, bạn cần có tia lửa, nhiên liệu và không khí. Oxy giúp nhiên liệu cháy trong khi tia lửa bắt đầu chuỗi phản ứng. Không khí được hút vào buồng đốt phía trên piston bởi hệ thống nạp, tại đây nhiên liệu cũng được phun vào ở dạng sương rất mịn. Khi piston đạt tới điểm cao nhất trong hành trình của nó, hỗn hợp không khí và nhiên liệu đó, dù là dầu diesel hay xăng, đều bị nén. Vào đúng thời điểm đó, hỗn hợp được đốt cháy, ép piston đi xuống. Không khí càng được nén nhiều trước khi vào buồng đốt thì lượng không khí thực tế được nhồi vào càng lớn.
Sự xuất hiện của turbo tăng áp sẽ góp phần tăng cường hiệu quả của toàn bộ quá trình nêu trên. Thoạt nhìn như một khối thống nhất, tuy nhiên cấu trúc bên trong của một bộ turbo tăng áp tiêu biểu thường sẽ gồm vài bộ phận, bao gồm 1 tuabin hướng tâm và 1 máy nén ly tâm, được kết nối với nhau bởi trục xuyên tâm, cùng vô số các cửa thoát khí. Phía có tuabin được gọi là đầu “nóng”, phía còn lại chứa máy nén được gọi là đầu “lạnh”.
Ống góp khí thải, thay vì chỉ hướng các đầu ra đến thẳng bộ chuyển đổi xúc tác như trên xe dùng động cơ hút khí tự nhiên, thì được bổ sung thêm đường dẫn đến đầu “nóng” của bộ turbo tăng áp. Từ phía này, khí xả đi qua sẽ làm quay cánh tuabin với tốc độ rất cao, có thể lên đến 250.000 vòng/phút khiến nhiệt độ tăng lên rất nhanh, thế nên mới được gọi là đầu “nóng”. Khu vực này thường được làm từ chất liệu gang hoặc thép không gỉ để có thể chịu đựng được mức nhiệt độ cực cao, có thể lên đến ngưỡng 1.000 độ C. Động năng từ luồng khí xả được các cánh quạt tuabin chuyển đổi thành cơ năng làm quay trục xuyên tâm, từ đó cung cấp năng lượng cho máy nén hoạt động. Lượng khí xả này, sau khi hoàn thành nhiệm vụ, tiếp tục được dẫn đi để thoát khỏi khu vực turbo tăng áp và hướng trở lại tới bộ chuyển đổi xúc tác như bình thường.
Bộ phận máy nén có tác dụng hút không khí từ bên ngoài thông qua cửa lưu thông khí riêng, nén lại và đưa tới khoang nạp khí của động cơ. Khi được nén, sẽ có nhiều không khí hơn được đưa vào trong xy-lanh đồng nghĩa nhiên liệu đưa vào động cơ sẽ được đốt cháy nhiều hơn, qua đó làm tăng lượng công suất có thể sản sinh được, tạo ra cảm giác phản hồi nhanh nhạy hơn, tăng tốc mãnh liệt hơn cho chiếc xe. Do sử dụng chính khí thải của động cơ để nén nên nhiệt độ rất cao, vì vậy turbo tăng áp thường đi kèm với một bộ làm lạnh trung gian để làm mát dòng khí bổ sung này trước khi đưa trở lại vào động cơ. Đó là lý do vì sao phía đầu chứa máy nén được gọi là đầu “lạnh”, bởi nhiệt độ luồng khí từ đây trở đi “nguội” hơn so với khu vực đầu “nóng” của turbo tăng áp.
Quan trọng không kém là các thành phần điều áp bao gồm cửa xả (wastegate, hay còn gọi là van thải) và van xả xì (blow off valve) giúp điều chỉnh và giảm áp suất luồng khí xả, tránh gây ra tình trạng quá tải cho động cơ. Chúng được kích hoạt bằng cơ chế điều khiển điện tử, với thuật toán do ECU quyết định. Mặc dù việc điều áp giúp duy trì toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định, tác dụng phụ của nó là gây ra hoặc làm trầm trọng thêm hiện tượng trễ turbo vì làm kéo dài thêm thời gian mỗi khi bộ turbo tăng áp bắt đầu làm việc trở lại.
Siêu nạp
Trong lịch sử, siêu nạp ra đời trước turbo tăng áp. Về cơ bản, siêu nạp chính là một máy nén khí, làm tăng áp suất hoặc mật độ không khí cung cấp cho động cơ. Với nhiều không khí hơn ở mỗi chu kỳ nạp, động cơ cũng có thể bổ sung thêm nhiên liệu, do đó thực hiện nhiều công hơn và sản sinh ra nhiều công suất hơn.
Thiết kế đặc trưng của siêu nạp là nó được nối với trục khuỷu của động cơ bằng dây đai, trục hoặc xích. Chính hoạt động của động cơ là tác nhân khiến cho bộ siêu nạp vận hành, nói cách khác, siêu nạp không thể làm nhiệm vụ của nó nếu thiếu sự dẫn động từ trục khuỷu. Khi bộ siêu nạp bắt đầu quay, nó sẽ bơm không khí đậm đặc hơn vào động cơ. Động cơ quay càng nhanh thì siêu nạp càng góp phần làm tăng thêm sức mạnh.
Nhưng trước lúc phát huy hiệu quả đó, nó sẽ chỉ làm tiêu hao một phần năng lượng từ chính động cơ. Sự hao hụt này thấy rõ nhất khi để xe chạy không tải, ảnh hưởng đến độ bền của động cơ. Siêu nạp cần rất ít thời gian để tăng tốc đến ngưỡng có tác dụng, tuy nhiên mặt khác nó khiến nhiệt độ tăng đột biến và nếu đạt tới mức quá cao trong khoảng thời gian quá ngắn, hoàn toàn có thể xảy ra vụ nổ. Nguy cơ này hạn chế được bằng cách lắp thêm bộ phận tản nhiệt khí nạp giống như với turbo tăng áp.
Hệ thống siêu nạp cung cấp thêm luồng khí nạp cưỡng bức ngay tức thì ở tốc độ vòng quay thấp của động cơ, không có bất kỳ độ trễ nào đối với cảm giác chân ga lúc người lái thực hiện thao tác tăng tốc đột ngột. Đây là ưu điểm nổi bật nhất của siêu nạp khi so sánh với turbo tăng áp. Kết cấu của siêu nạp cũng tương đối đơn giản, khá dễ dàng lắp đặt bổ sung thêm cho động cơ. Tuy nhiên, bù lại cho hiệu năng vận hành tăng lên là hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu bị giảm đi nhiều. Siêu nạp cũng cần bảo trì thường xuyên, kỹ lưỡng để tránh lỗi vặt trong quá trình sử dụng xe.
Twincharging – kết hợp cả turbo tăng áp và siêu nạp cùng lúc
Sau một thời gian dài chứng kiến tình hình thực tế, các hãng xe đều kết luận rằng turbo tăng áp là giải pháp tiết kiệm nhiên liệu hơn đáng kể, nhưng siêu nạp lại mang đến cho người lái phản ứng chân ga nhạy bén hơn hẳn, không khác biệt mấy so với động cơ hút khí tự nhiên thông thường. Thế nên cũng đã có một số ý tưởng liên quan đến việc kết hợp turbo tăng áp và siêu nạp lại, nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai.
Cách thức phổ biến nhất là “nối tiếp”, để turbo tăng áp cung cấp năng lượng cho siêu nạp. Khi siêu nạp đã có thể quay, đến lượt nó cung cấp năng lượng trở lại cho turbo tăng áp. Tất nhiên, hệ thống vẫn cần tạo ra áp suất tăng áp, nhưng đây là lúc mà bộ siêu nạp phát huy tác dụng từ đặc trưng của nó. Khi có thêm mô-men xoắn ở tốc độ vòng quay thấp của động cơ, turbo tăng áp sẽ nhanh chóng thoát khỏi trạng thái trễ turbo hơn và phát huy tác dụng “trợ giúp” cho bộ siêu nạp sớm hơn, qua đó loại bỏ sự phụ thuộc của siêu nạp vào động cơ.
Một cách khác là “song song”, với cả turbo tăng áp và siêu nạp đều cố gắng bơm thêm khí đến động cơ. Tuy nhiên cách này được cho là kém hiệu quả hơn vì cần sự tinh chỉnh rất kỹ càng và cụ thể, đồng thời bắt buộc phải có van điều hướng. Nếu thiếu đi cơ chế rẽ nhánh hiệu quả, bộ siêu nạp chắc chắn sẽ thổi ngược về phía turbo tăng áp, vì đây sẽ là con đường có ít lực cản nhất ở vòng tua máy thấp.
Nhìn chung, một hệ thống “nối tiếp” có vẻ là thiết lập hoàn hảo, đặc biệt là khi bộ siêu nạp có thể bỏ qua hệ thống truyền động (hoặc thậm chí tách rời hoàn toàn về mặt cơ học) thông qua ly hợp điện từ và van điều hướng. Trong trường hợp này, hiệu quả cao nhất sẽ đến khi turbo tăng áp đạt tới tốc độ vòng quay tối ưu và bộ siêu nạp không còn gây hao tổn năng lượng từ động cơ nữa.
Tuy nhiên, nhược điểm là phương thức này cực kỳ phức tạp và làm tăng khối lượng lên rất nhiều, vì cần hàng loạt bộ phận bổ sung để cung cấp đủ khí nạp, dầu nhớt và dung dịch tản nhiệt chất lỏng cho cả bộ turbo tăng áp và bộ siêu nạp có thể cùng nhau vận hành ổn định. Quan trọng nhất là bước tinh chỉnh thuật toán phần mềm điều khiển, vì một hệ thống phức tạp như thế này đòi hỏi sự chính xác gần như tuyệt đối mới có thể đem lại trải nghiệm trơn tru mượt mà.
Nhận định
Những cách tăng sức mạnh cho động cơ đốt trong này đều có lợi thế và hạn chế riêng của chúng, tạo nên nét quyến rũ đặc trưng cho từng loại. Tuy nhiên, có thể thấy sự tiêu hao nhiên liệu của siêu nạp là yếu tố không được lòng các nhà sản xuất xe hơi trong thời đại ngày nay, nên turbo tăng áp dễ dàng thắng thế.
Với turbo tăng áp, nhìn chung thì các yếu tố như chi phí, khối lượng và độ phức tạp đều ở mức thấp nhất. Tất nhiên nó có nhược điểm nằm ở độ trễ turbo, nhưng các lợi ích là quá to lớn để có thể bỏ qua. Dẫu vậy, siêu nạp vẫn có “đất dụng võ” khi ứng dụng trên các khối động cơ dung tích lớn, trong khi các loại động cơ dung tích nhỏ hoàn toàn có thể bứt phá khỏi giới hạn ban đầu nếu được trang bị cơ chế twincharging phù hợp.
Tổng hợp
