Turbocharge là gì? Nó được ứng dụng vào động cơ xe hơi từ khi nào? Vận hành và hoạt động ra sao? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu.
Động cơ đốt trong được sáng chế năm 1794 bởi Robert Street. Và hơn 200 năm nay chúng ta đang sử dụng chúng trong phần lớn các phương tiện di chuyển hàng ngày.
Thật may mắn, vì nếu không có động cơ đốt trong, thì chúng ta ngày nay vẫn có thể phải sử dụng động cơ hơi nước, và tất cả xe ôtô đều có hình dáng xe tải hoặc bán tải, với thùng đựng than và lò hơi phía sau. Ta sẽ phải dùng xẻng xúc thêm than ở mỗi lần dừng đèn đỏ.
Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong là đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong 1 không gian kín (xi-lanh) và chuyển năng lượng của quá trình đốt cháy này đến bánh xe. Để phản ứng đốt cháy được sinh ra , động cơ cần không khí và nhiên liệu. Trên động cơ hút khí tự nhiên (Naturally aspirated engine), số lượng không khí hút vào trong động cơ bị giới hạn bởi dung tích xi lanh, cũng như ta dùng xi-lanh kim tiêm có dung tích 100cc hút nước thì số lượng nước vào chỉ giới hạn ở 100cc.
Động cơ đốt trong đầu tiên
Để tăng công suất, ta có thể tăng dung tích xi-lanh. Nhiều hãng đã sản xuất ra các động cơ xe hơi thương mại lên tới 8000cc. Tuy nhiên, để có động cơ dung tích lớn, động cơ sẽ to và nặng hơn. Nhiều động cơ V12 trên xe sedan nặng tới 700kg khi so sánh với động cơ 4 xi-lanh chỉ dưới 200kg.
Động cơ nặng hơn đòi hỏi hệ thống khung gầm chắc hơn, hệ thống phanh to hơn, kéo theo trọng lượng cả chiếc xe lớn hơn rất nhiều, giảm đi sự linh hoạt, và trên hết là giá thành của bản thân chiếc xe cũng bị đội lên rất nhiều.
Bài toán giữ nguyên dung tích, tăng công suất lên bằng cách đưa thêm không khí vào động cơ được Gottlieb Daimler sáng chế năm 1885. Với phương pháp sử dụng 1 bơm không khí được vận hành bởi chính động cơ. Có thể nói đây là dạng tăng áp sử dụng máy nén khí (compressor hay supercharger). Mặc dù công suất trên cùng dung tích xi lanh của động cơ Supercharger so với động cơ không tăng áp chênh lệch rất đáng kể, nhưng bản thân động cơ vẫn thất thoát 1 phần công suất để vận hành máy nén khí này.
Supercharger được vận hành bởi động cơ kéo bằng dây cu-roa
Năm 1905, kỹ sư Thụy sĩ Alfred Buchi sáng chế ra Turbocharge, đây là 1 quạt nén khí có hình con sò được vận hành bởi nguồn năng lượng dư thừa của động cơ – khí thải. Mặc dù ra đời năm 1905, nhưng phải mất 20 năm công nghệ của Turbocharge mới được hoàn thiện và đi vào ứng dụng.
Ở những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, động cơ turbocharger hay supercharge hầu như chỉ được sử dụng trên các xe thể thao. Rào cản phần lớn nằm ở chi phí đắt đỏ khi chế tạo động cơ tăng áp: đòi hỏi vật liệu tốt hơn, công nghệ chế tạo cầu kỳ hơn, vì vậy các hãng sản xuất xe đã đi theo con đường động cơ nhiều xi lanh và dung tích lớn.
Cấu tạo Turbocharger – sử dụng khí thải để vận hành bơm nạp không khí
Ngày nay, khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ trở nên khan hiếm, các xe hiện tại cần thế hệ động cơ mới tiêu hao ít nhiên liệu và thân thiện với môi trường hơn. Công nghệ ngày nay cho phép làm ra các động cơ tăng áp có công suất hết sức ấn tượng, ví dụ động cơ AMG trên xe A45 có công suất 381hp chỉ với dung tích 2000cc và 4 xi-lanh, con số mà ở thập niên trước ta chỉ thấy trên các xe V8 dung tích 5.000-6.000cc.
Với công nghệ điều khiển điện tử tiên tiến, các động cơ turbocharge ngày nay khá tiết kiệm nhiên liệu và tỷ lệ công suất/khối lượng rất cao. Các hãng xe đang trong thời kỳ thay đổi động cơ hút khí tự nhiên sang động cơ tăng áp nhằm tiết kiệm nhiên liệu, giảm lượng khí thải .
Thế hệ động cơ Ford Eco Boost trên Fiesta mới mặc dù chỉ có dung tích 1.0 nhưng đem lại công suất tương đương thế hệ 1.6 trước đó với khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Honda cũng đang thay thế các động cơ 2.4 trên CR-V bằng độ cơ Turbo VTEC 1.5 mới có công suất tương đương và tiêu hao nhiên liệu ít hơn. Và hầu hết các động cơ diesel ngày nay đều sử dụng turbocharge bởi khả năng vượt trội của nó.
Đã hơn 200 năm từ ngày động cơ đốt trong ra đời, rất nhiều công nghệ đã được áp dụng để làm cho nó ngày càng tốt hơn, và ta có thể nói, Turbocharge đã nâng khả năng của động cơ đốt trong lên 1 tầm cao mới.