Nghiên cứu thiết kế hệ thống tăng áp trên động cơ xe máy đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... ii
TÓM TẮT ......................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ..........................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ........................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. x
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................................................ 1
1.1

Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1

1.2

Mục tiêu đề tài........................................................................................................ 2

1.2.1

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 2

1.2.2

Nhiệm vụ nghiên cứu....................................................................................... 2

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 3

1.4

Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3

1.5

Cấu trúc đề tài........................................................................................................ 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP .................................................... 5
2.1 Giới thiệu về động cơ tăng áp ...................................................................................... 5
2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động .................................................................................... 7
2.2.1 Cấu tạo .................................................................................................................. 7
Một bộ tăng áp có thể chia thành 3 phần chính. .............................................................. 7
2.2.2 Ngun lí hoạt động ............................................................................................. 7
2.3 Q trình phát triển .................................................................................................... 17
2.4 Các loại tăng áp hiện nay ........................................................................................... 24
2.4.1 Tăng áp đơn (Single Turbo) ................................................................................. 24
2.4.2 Tăng áp ống xả kép (Twinpower Turbo) .............................................................. 25
2.4.3 Tăng áp kép (T-win Turbo và Bi Turbo) .............................................................. 28
2.4.4 Tăng áp VGT (Variable Geometry Turbo) ........................................................... 35
iv


2.4.5 Tăng áp cuộn đôi biến thiên (Variable Twin-Scroll Turbo) .................................. 36
2.5 Ưu, nhược điểm của việc ứng dụng tăng áp trên động cơ đốt trong ............................ 43
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ......................................................................... 45
3.1 Khảo sát động cơ Honda Winner 150......................................................................... 45
3.2 Phương án thiết kế bộ tăng áp .................................................................................... 47
3.2.1 Lựa chọn buống nén khí và cánh tua bin .............................................................. 47
3.2.2 Lựa chọn motor dẫn động .................................................................................... 51
3.2.3 Thiết kế bộ dẫn động (hộp số tăng tốc) ................................................................ 53
3.3 Phương án điều khiển ................................................................................................ 62

3.3.1 Lựa chọn linh kiện điều khiển .............................................................................. 66
3.3.2 Phương thức điều khiển ....................................................................................... 74
CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG TĂNG ÁP ................................................. 77
4.1

Thử nghiệm điều khiển góc mở bướm ga ........................................................... 77

4.2

Thử nghiệm trên xe máy ...................................................................................... 85

4.2.1

Vận hành ở chế độ đường trường ................................................................. 85

4.2.2

Vận hành ở chế độ đường đô thị ................................................................... 86

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 88
5.1 Kết luận ..................................................................................................................... 88
5.2 Kiến nghị ................................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 90

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
-

ĐCĐT:

Động cơ đốt trong.

(7)

-

Intake manifold:

Họng nạp.

(8)

-

Compress air travels through hoses/ pipes and intercooler ( if present) to the intake
manifold:

(8)

-

Khơng khí được nén di chuyển qua các ống và bộ làm mát sau đó đến họng nạp.

-

Diffuser:

Bộ khuếch tán.

(9)

-

Intercooler:

Bộ làm mát

(10)

-

DOHC( Double overhead cam):

Động cơ trục cam đơi

(48)

-

Air filter:

Lọc khơng khí.

(50)

-

Throttle:

Bướm ga.

(50)

-

DC:

Direct Current

(53)

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2. 1: Biểu đồ so sánh suất tiêu hao nhiên liệu theo momen của động cơ nạp khí tự nhiên
và động cơ kết hợp sử dụng turbo tăng áp. ............................................................................ 5
Hình 2. 2: Bộ tăng áp động cơ (Turbocharger). ..................................................................... 6
Hình 2. 3: Đường truyền khơng khí từ ngồi cho đến khi vào trong buồng đốt. ..................... 8
Hình 2. 4: Mặt ăn ghép giữa tăng áp và họng xả. .................................................................. 9
Hình 2. 5: Buồng nén trước và sau khi ghép lại. .................................................................... 9
Hình 2. 6: Lí do sau khi nén áp suất, nhiệt độ khơng khí tăng. ............................................. 10
Hình 2. 7: Động cơ được trang bị bộ làm mát. ..................................................................... 10
Hình 2. 8: Hệ thống dầu bơi trơn. ........................................................................................ 12
Hình 2. 9: Ổ bi và ổ đỡ........................................................................................................ 13
Hình 2. 10: Bạc đạn dọc trục. .............................................................................................. 13
Hình 2. 11: Vị trí lắp đặt van an tồn bên trong buồn tuabin................................................ 15
Hình 2. 12: Cấu tạo bộ phận dẫn động van an tồn. ............................................................. 15

Hình 2. 13: Đường truyền khí xả khi van an tồn được kích hoạt. ....................................... 16
Hình 2. 14: Van an tồn bên trong và bên ngồi. ................................................................. 16
Hình 2. 15: Thiết kế bộ tăng áp động cơ. ............................................................................. 17
Hình 2. 16: Động cơ V12 Liberty tăng áp trên LUSAC 11. ................................................. 18
Hình 2. 17: Phi cơng Major Rudolph William Schroeder người đã góp phần chứng minh giả
thiết của Buchi là đúng. ....................................................................................................... 19
Hình 2. 18: Oldsmobile Jetfire và Chevrolet Corvair Monza Spyder. .................................. 20
Hình 2. 19: Chiếc xe INTERNATIONAL HARVESTER SCOUT 4x4. .............................. 21
Hình 2. 20: Động cơ tăng áp 2.5L của International Harvester scout. .................................. 21
Hình 2. 21: Xe đầu tiên BMW trang bị tăng áp. .................................................................. 22
Hình 2. 22: Động cơ tăng áp Porsche năm 1975. ................................................................. 23
Hình 2. 23: Bộ tăng áp đơn (Single Turbo).......................................................................... 24
Hình 2. 24: Biểu đồ so sánh cơng suất. ................................................................................ 26
Hình 2. 25: Biểu đồ so sánh momen xoắn. .......................................................................... 26
Hình 2. 26: Turbo sử dụng ống xả kép. ............................................................................... 27
Hình 2. 27: Cơ cấu đường nạp kép twin-scroll trên động cơ turbo của BMW. ..................... 28
Hình 2. 28: Bộ tăng áp kép T-win Turbo hoặc Bi-Turbo. .................................................... 29
vii


Hình 2. 29: Turbo tăng áp kép (Bi turbo) được trang bị trên dòng xe Ford. ......................... 30
Hình 2. 30: Vị trí của 2 turbo. ............................................................................................. 31
Hình 2. 31: Sơ đồ làm việc của Bi-turbo. ............................................................................ 31
Hình 2. 32: Động cơ xăng V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ mới của Mercedes AMG. ............... 32
Hình 2. 33: Cấu trúc hiện đại và thiết kế đầy cơ bắp của động cơ V8 4.0L Twin-Turbo thế hệ
mới. .................................................................................................................................... 33
Hình 2.34 Levante GTS. ..................................................................................................... 34
Hình 2. 35: Bộ tăng áp VGT ( Variable Geometry Turbo). .................................................. 35
Hình 2. 36: Các bộ phận trong bộ turbo tăng áp cánh biến thiên. ......................................... 36
Hình 2. 37: Bộ tăng áp cuộn đôi biến thiên (Variable Twin-Scroll Turbo). .......................... 37

Hình 2. 38: Hệ thống tăng áp điện trên Volvo. .................................................................... 39
Hình 2. 39: Hệ thống tăng áp điện trên Nissan. ................................................................... 40
Hình 2. 40: Audi đã kiểm chứng tính ưu việt của turbo tăng áp điện qua mẫu xe thử nghiệm
RS5 và A6........................................................................................................................... 41
Hình 3. 1: Sơ đồ động cơ tăng áp chạy bằng điện. ............................................................... 47
Hình 3. 2: Vỏ Turbo và cánh tuabin. ................................................................................... 48
Hình 3. 3: Mặt trước và sau của đế chụp Turbo ................................................................... 49
Hình 3. 4: Bản vẽ kỹ thuật của đế chụp Turbo ..................................................................... 50
Hình 3. 5: Motor DC 775 .................................................................................................... 51
Hình 3. 6: Trục đầu ra của Motor 775. ................................................................................ 52
Hình 3. 7: Cánh quạt tản nhiệt của Motor 775. .................................................................... 53
Hình 3. 8: Sơ đồ đường truyền motor, hộp số, cánh tuabin. ................................................. 53
Hình 3. 9: Hình ảnh minh họa hộp số 2 cấp. ........................................................................ 54
Hình 3. 10: Vỏ hộp số mặt số 1. .......................................................................................... 55
Hình 3. 11: Vỏ hộp số mặt số 2. .......................................................................................... 56
Hình 3. 12: Bản vẽ chi tiết mặt số 1. ................................................................................... 57
Hình 3. 13: Bản vẽ chi tiết mặt số 2. ................................................................................... 58
Hình 3. 14: Bánh răng số 1.................................................................................................. 59
Hình 3. 15: Bánh răng số 2 và 2’. ........................................................................................ 60
Hình 3. 16: Bánh răng số 3.................................................................................................. 60
Hình 3. 17: Vòng bi lỗ trục 3mm......................................................................................... 61
viii


Hình 3. 18: Vịng bi lỗ trục 4mm......................................................................................... 61
Hình 3. 19: Vịng bi lỗ trục 5mm......................................................................................... 61
Hình 3. 20: Vịng bi lỗ trục 8mm......................................................................................... 62
Hình 3. 21: Sơ đồ điều khiển động cơ tăng áp. .................................................................... 63
Hình 3. 22: Biểu đồ Analog và Digital. ............................................................................... 64
Hình 3. 23: Các mức giá trị % của xung PWM. ................................................................... 64

Hình 3. 24: Cách xác định 1 dao động. ................................................................................ 65
Hình 3. 25: Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A (1 Động Cơ). ........................... 66
Hình 3. 26: Sơ đồ kết nối Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A (1 Động Cơ). ..... 68
Hình 3. 27: Bo mạch Arduino Uno R3. ............................................................................... 69
Hình 3. 28: Các cổng kết nối và đèn báo tín hiệu. ............................................................... 71
Hình 3. 29: Các chân Digital và Analog. ............................................................................. 73
Hình 3. 30: Sơ đồ điều khiển Arduino. ................................................................................ 74
Hình 4. 1: Mạch thực tế sau khi đấu dây. ............................................................................ 77
Hình 4. 2: Nguồn tổ ơng 12V 5A. ....................................................................................... 78
Hình 4. 3: Biến trở 3 chân. .................................................................................................. 79
Hình 4. 4: Bộ 3 cảm biến trên xe Honda Winner 150. ......................................................... 79
Hình 4. 5: Mặt trước và sau của màn hình LCD 16x2.......................................................... 80
Hình 4. 6: Module I2C. ....................................................................................................... 81
Hình 4. 7: Màn hình hiển thị giá trị góc mở bướm ga. ......................................................... 82
Hình 4. 8: Góc bướm ga mở ở mức 25%. ............................................................................ 83
Hình 4. 9: Góc bướm ga mở ở mức 100%. .......................................................................... 84
Hình 4. 10: Hình ảnh minh họa vận hành xe ở đường trường. ............................................. 85
Hình 4. 11: Hình ảnh minh họa vận hành xe ở đường đô thị. ............................................... 87

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1: So sánh đặc tính giữa các loại tăng áp. ............................................................... 42
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật Honda Winner 150. ............................................................... 45
Bảng 3. 2: Thông số motor 775. .......................................................................................... 51
Bảng 3. 3: Thông số kỹ thuật bo mạch Arduino Uno R3. .................................................... 69

x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Ơ nhiễm mơi trường là một trong những bài tốn rất lớn đối với tồn thế giới, trong
đó khí thải của các loại động cơ đốt trong cũng là một trong những nguyên nhân gây ô
nhiễm môi trường mặc dù các nhà sản xuất đã luôn cố gắng để đạt được những tiêu chuẩn
khí thải nghiêm ngặt, nhưng ảnh hưởng của khí thải từ động cơ đốt trong vẫn còn rất lớn,
việc thay thế các động cơ đốt trong bằng động cơ điện và động cơ hydrid đã góp phần rất lớn
trong công cuộc đổi mới của ngành ô tô.
Tuy nhiên, trong tương lai gần với điều kiện kinh tế của nước ta hiện nay việc thay
thế hoàn toàn động cơ đốt trong là việc không thể, thay vào đó ta có thể giảm bớt được
lượng khí thải của động cơ đốt trong bằng cách giảm dung tích xy lanh, nhưng để giữ được
hiệu suất và công suất gần như cũ thì chiếc xe cần trang bị tăng áp, tuy nhiên các loại tăng áp
cơ thông thường luôn xuất hiện độ trễ, vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng tăng áp chạy
bằng điện là khả thi. Đặc biệt đối với nước ta với lượng tiêu thụ xe máy đứng thứ 2 Đông
Nam á. Với mật độ xe máy lớn hơn nhiều so với xe du lịch nên đề tài này sẽ ứng dụng tăng
áp điện lên xe máy.
Xe máy với nguồn động lực là động cơ đốt trong, là loại phương tiện giao thông chủ
yếu ở Việt Nam. Do đặc tính cơ động cao, giá thành thấp, phù hợp với tình trạng giao thơng
ở Việt Nam hiện nay. Xe máy trở thành phương tiện đa năng vừa là phương tiện đi lại, vận
chuyển hàng hóa của mỗi gia đình,…Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt mà q trình
đốt cháy nhiên liệu hóa thạch sinh nhiệt và q trình biến đổi nhiệt năng thành cơng cơ học
diễn ra ngay trong xi lanh của động cơ. Tuy nhiên hiệu suất của động cơ đốt trong khá thấp,
hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của xe động cơ điện, và xe hybrid bên cạnh đó rất
nhiều thiết bị đã được nghiên cứu và áp dụng lên động cơ nhằm tăng công suất động cơ và
giảm lượng tiêu hao nhiên liệu, và một trong những nghiên đã áp dụng thành công trên ô tô
là tăng áp động cơ.
Xe máy là phương tiện cá nhân có giá thành thấp, kết cấu đơn giản và thuận tiện cho
các thành phố chật hẹp. Vì vậy việc áp dụng các cơng nghệ mới trên xe máy vẫn còn hạn
1

chế, điều này dẫn đến hiệu suất thấp, tiêu hao nhiên liệu cao và nồng độ phát thải lớn, đặc
biệt hoạt động ở điều kiện trong thành phố. Việc áp dụng hệ thống tăng áp cải thiện khả
năng nạp, qua đó cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ. Tuy nhiên tăng áp truyền thống trên ô
tô vẫn còn nhược điểm là độ trễ cao, và chúng ta có thể thấy được xu hướng sử dụng xe điện
và xe Hybrid đang được phát triển vì thế việc sử dụng tăng áp chạy bằng điện là hồn tồn
khả thi vì khi vận hành bằng điện thì sẽ loại bỏ hồn tồn được độ trễ, đồng thời nó cũng tạo
ra điện và góp phần bảo vệ mơi trường, hầu hết các dịng xe máy trên thị trường Việt Nam
đều chưa được trang bị bộ tăng áp, với việc áp dụng tăng áp điện trên xe máy có thể mang
lại nhiều lợi ích như giảm dung tích xylanh, tăng cơng suất động cơ, giảm suất tiêu hao
nhiên liệu, góp phần bảo vệ mơi trường, đặc biệt sẽ tạo nên một cải tiến mới cho những dòng
xe phân khối lớn. Và đề tài này sẽ nhắm tới những đối tượng động cơ có phân khối trung
bình trở lên, có hệ thống làm mát bằng nước, do tình trạng giao thơng của nước ta hạn chế,
chủ yếu nghiên cứu khi xe vận hành ở dải tốc độ thấp và di chuyển trong đường đông đúc,
thử nghiệm sẽ tiến hành đo lường các giá trị như tiêu hao nhiên liệu, khả năng vận hành, tính
cơ động, ổn định, so với động cơ hút khí tự nhiên.
1.2 Mục tiêu đề tài
1.2.1

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu cơ sở lí thuyết của tăng áp, phân loại và tìm hiểu ưu/

nhược điểm của các loại tăng áp hiện nay, nêu ra ý tưởng, đề xuất phương án thiết kế, khắc
phục các nhược điểm, tiến hành gia cơng hồn thiện mơ hình, ứng dụng lên xe máy, tiến
hành nghiệm thu, so sánh với nguyên bản, kết luận độ ổn định, an tồn, tính khả thi của dự
án.
1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu
Nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống tăng áp trên xe máy”
là thực hiện các nội dung sau:

 Nghiên cứu tổng quan đề tài.
 Cơ sở lí thuyết về tăng áp.
 Đưa ra ý tưởng, thiết kế tăng áp chạy bằng điện.
2


 Nghiệm thu thực tế.
 So sánh các kết quả nghiệm thu.
 Kết luận độ tin cậy, khả thi của dự án.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Bộ tăng áp chạy bằng motor điện
 Phạm vi nghiên cứu: Sau khi tham khảo các tài liệu liên quan với kiến thức sẵn có
và ý kiến của các thầy, nhóm chỉ tập trung nghiên cứu về: Bản thiết kế tăng áp điện,
cách vận hành, lập trình để tốc độ Turbo thay đổi theo điều kiện vận hành, cách lắp
ráp, bố trí tăng áp điện lên xe máy. Tiến hành thực nghiệm, đo lường các thông số
trên băng thử Dyno, so sánh với các giá trị nguyên bản, đưa ra kết luận về tính khả thi
của dự án.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên các kiến thức đã được học trên trường,
từ đó tìm kiếm thơng tin, tài liệu liên quan trên mạng, trong sách, từ đó phân tích,
tổng hợp, đối chiếu với nhau để đưa ra nội dung chính xác nhất nhất.
 Phương pháp thiết kế: Ý tưởng thiết kế hệ thống tăng áp chạy bằng motor điện gồm
các phần như: lựa phụ kiện tăng áp, motor dẫn động, thiết kế bộ dẫn động (hộp số
tăng tốc), thiết kế giá đỡ gắn trực tiếp lên xe máy.
 Phương pháp thử nghiệm: Việc lắp đặt ứng dụng hệ thống tăng áp lên động cơ xe
máy vận hành ở chế độ cầm chừng và vận hành trên đường thực tế được tính toán ước
lượng từ trước giúp chúng ta nghiệm thu được các số liệu như: suất tiêu hao nhiên
liệu, nhiệt độ động cơ, tính năng vận hành, độ ổn định, tin cậy,…Từ đó có thể so
sánh, cải tiến đối với tình trạng nguyên bản.
1.5 Cấu trúc đề tài

Đề tài được chia thành 5 chương:

3


 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan đề tài, ở chương này trình bày về các nội dung bao
gồm: Lí do chọn đề tài, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng và phạm vi
nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu và cấu trúc đề tài.
 Chương 2: Cơ sở lí thuyết về tăng áp, chương này bao gồm các nội dung về: Khái
niệm, lịch sử hình thành và phát triển của bộ tăng áp, phân loại các bộ tăng áp đang
có trên thị trường hiện nay, ưu nhược điểm của từng loại.
 Chương 3: Nghiên cứu, ứng dụng, ở chương này trình bày các nội dung sau: Khảo
sát về đối tượng nghiên cứu Honda Winner 150, đề xuất phương án thiết kế, phương
án điều khiển tùy vào điều kiện làm việc của động cơ.
 Chương 4: Thực nghiệm, ở chương này bao gồm các nội dung: Tiến hành nghiệm
thu trên băng thử nghiệm, vận hành trên đường thực tế trong nhiều trường hợp
nghiệm thu kết quả, so sánh với các yêu cầu đề ra.
 Chương 5: Đánh giá và kết luận: Sau khi có nghiệm thu có kết quả thực tế, tiến hành
so sánh cái thông số kỹ thuật với thông số nguyên bản từ nhà sản xuất. Đánh giá tính
ổn định, độ tin cậy, kinh tế của mơ hình.

4


CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP
2.1 Giới thiệu về động cơ tăng áp
Bộ tăng áp động cơ (tiếng Anh: Turbocharger) là hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng
bức để một động cơ có kích thước nhất định tạo nhiều công suất hơn. Bộ tăng áp động cơ
hoạt động bằng năng lượng khí thải tua bin. Bộ tăng áp được gắn vào họng xả động cơ, khi
động cơ hoạt động, khí xả làm quay tua bin, tua bin này vận hành máy nén (lắp giữa bộ lọc

gió và họng nạp nhiên liệu) khơng khí được nén ép vào trong xylanh nhiều hơn, nhiều không
khi được nén vào hơn đồng nghĩa với việc nhiên liệu được phun vào trong xylanh cũng
nhiều hơn. Vì thế một động cơ được trang bị tăng áp sẽ sinh ra nhiều công suất hơn với cùng
một kích thước xylanh với động cơ hút khí tự nhiên.

Hình 2. 1: Biểu đồ so sánh suất tiêu hao nhiên liệu theo momen của động cơ nạp khí tự
nhiên và động cơ kết hợp sử dụng turbo tăng áp.
Dựa vào biểu đồ trên ta có thể thấy rằng ở cùng một mức momen xoắn, động cơ kết
hợp sử dụng turbo tăng áp và giảm kích cỡ sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn. Cùng một mức
momen tạo ra là 50Nm, lần lượt các động cơ 1.3L, 1.5L, 2.0L, 3.0L có mức tiêu hao nhiên
liệu là 255g/kWh, 275g/kWh, 285g/kWh và 345g/kWh, ta thấy suất tiêu hao nhiên liệu của
5


động cơ 1.3L là nhỏ nhất có nghĩa là lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ ít nhất trong khi momen tao
ra của bốn động cơ là như nhau.

Hình 2. 2: Bộ tăng áp động cơ (Turbocharger).
Bộ tăng áp động cơ thường được dùng cho xe tải, xe hơi, tàu hoả và các máy xây
dựng. Các bộ tăng áp thường dùng với động cơ đốt trong chu kỳ Otto, chu kỳ diesel. Chúng
cũng tỏ ra hữu ích trong tế bào nhiên liệu.
Bộ tăng áp hoạt động dựa vào luồng khí thải tạo ra khi động cơ hoạt động. Khí thải
được dẫn qua bộ tăng áp làm quay một tua bin, tua bin này quay máy nén khí. Tua bin quay
với tốc độ rất cao, lên đến 150.000 vòng/phút (gấp 30 lần tốc độ của hầu hết các động cơ ô
tô hiện nay). Bộ tăng áp gắn với họng xả động cơ nên nhiệt độ làm việc của tua bin rất cao.

6


Bộ tăng áp giúp động cơ đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn bằng cách nén thêm nhiên liệu

vào xy lanh trong mỗi chu kỳ nổ. Một bộ tăng áp có thể tăng áp suất hút nhiên liệu lên 6 đến
8 psi (đơn vị đo áp suất: cân Anh trên mỗi phân vng). Vì áp suất khơng khí khoảng 14,7
psi nên động cơ sẽ nạp thêm 50% nhiên liệu. Công suất động cơ sẽ tăng khoảng 30-40%.
Mục đích cơ bản của tăng áp: là làm cho công suất của động cơ tăng lên nhưng đồng
thời tăng áp cho phép cải thiện các tiêu chí sau:
•

Giảm thể tích tồn bộ của ĐCĐT ứng với một đơn vị cơng suất.

•

Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị cơng suất.

•

Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị cơng suất.

•

Hiệu suất của động cơ tăng đặc biệt là khi tăng áp tuabin khí, do đó suất tiêu hao
nhiên liệu giảm.

•

Có thể làm giảm lượng khí thải độc hại.

•

Giảm độ ồn của động cơ.

2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
2.2.1 Cấu tạo
Một bộ tăng áp có thể chia thành 3 phần chính.
•

Phần lạnh bao gồm phần khoan nén khí, cánh nén và van an tồn.

•

Phần nóng bao gồm phần vỏ, khoang tuabin, khớp nối với cụm ống xả, cánh
tuabin.

•

Phần trung tâm bao gồm vỏ bao bọc một trục nối cánh tuabin và cánh nén, đồng
thời chứa các đường dầu, nước làm mát.

2.2.2 Nguyên lí hoạt động
Bộ tăng áp được chia làm 2 phần: Phần nóng và phần lạnh, phần nóng bao gồm cánh
tuabin nhờ vào dịng khí xả từ các xylanh thổi ra tạo áp lực lên các cánh tua bin làm tuabin
quay dẫn động máy nén, Lúc này máy nén do tuabin dẫn động được quay cùng tốc độ của
tuabin nhờ trục, khơng khí được hút từ ngồi mơi trường xung quanh qua bầu lọc vào máy
nén qua cửa nạp. Dòng khí đi tới miệng ra của bánh công tác, dưới tác dụng của lực ly tâm
7


của chuyển động quay, dòng khí đi ra miệng ra của bánh với một tốc độ lớn, được dẫn qua
bộ làm mát tới đường ống nạp và đẩy vào xylanh.

Hình 2. 3: Đường truyền khơng khí từ ngồi cho đến khi vào trong buồng đốt.

Dòng khí nén đẩy ra mạnh đồng thời tạo nên hiện tượng chân không cục bộ tại cửa
vào gây tác dụng hút khơng khí phía trước cửa đi vào bánh tạo ra dòng chảy liên tục trong
rãnh cánh. Sau đó dòng khí được dẫn qua vành tăng áp. Tại đây động năng của khơng khí
được chuyển thành áp năng, làm cho áp suất của khòng khí tăng lên và tốc độ giảm xuống.
Nhờ đó, sau khi đi qua bộ tuabin tăng áp, khơng khí đã được nén sơ bộ trước khi đi vào
xilanh động cơ.
Bộ tăng áp được nối với động cơ thông qua mặt khớp bên bên phần nóng, và nó được
cố định với đầu ra của họng xả bằng các bulong.

8


Hình 2. 4: Mặt ăn ghép giữa tăng áp và họng xả.
Buồng nén gồm 2 phần chính khi chúng kết hợp với nhau sẽ tạo nên một bộ khuếch
tán không khí.

Hình 2. 5: Buồng nén trước và sau khi ghép lại.
Bộ khuếch tán có chức năng giúp chuyển đổi luồng khơng khí hỗn loạn, tốc độ nhanh,
áp suất thấp thơng qua cánh nén thành luồng khơng khí tốc độ thấp và áp suất cao.

9


Hình 2. 6: Lí do sau khi nén áp suất, nhiệt độ khơng khí tăng.
Khơng khí được nén tới áp suất cao đồng thời nhiệt độ khơng khí cũng tăng theo, vì
vậy các bộ tăng áp được trang bị hệ thống làm mát để giúp hỗn hợp hịa khí tránh khỏi hiện
tượng kích nổ sớm khi vào trong buồng đốt.
2.2.2.1 Hệ thống làm mát

Hình 2. 7: Động cơ được trang bị bộ làm mát.

10


Vai trò của làm mát khi tăng áp
 Giảm tổn thất nhiệt.
 Cải thiện hiệu suất cơ giới.
 Pc tăng mà khơng làm tăng áp suất chu trình.
 Giảm cơng tiêu thụ của máy nén cho 1kg khí tăng áp.
Các phương pháp làm mát khi tăng áp
Phương pháp làm mát phổ biến nhất là làm mát bằng nước. Nước làm mát được tuần
hoàn trong động cơ và mang nhiệt của khí tăng áp ra ngồi. Phương thức này có thể nói là
đơn giản nhất và hiệu quả nhất để giảm nhiệt độ khí tăng áp đến mức chỉ lớn hơn nhiệt độ
trung bình của nước làm mát một ít.
Phương thức này có hệ số trao đổi nhiệt lớn, ổn thất áp suất nhỏ, chênh lệch nhiệt độ
giữa nước vào và nước ra chỉ khoảng 10 ÷ 150C. Với phương thức này, các tổn thất phát sinh
gồm:
 Tổn thất áp suất do khí nạp phải đi qua két làm mát.
 Qua làm mát khí tăng áp sẽ cho phép giảm cơng tiêu thụ của máy nén.
2.2.2.2 Hệ thống dầu bôi trơn
Phần giữa chứa trục nối cánh tuabin và cánh nén, Ngoài chứa nước làm mát cịn có
dầu bơi trơn. Dầu động cơ được cung cấp từ ống dẫn dầu, đưa vào để bôi trơn và làm mát
các ổ trục tự lựa lắp bên trong khoang trung tâm. Sau đó dầu chảy ra theo ống thoát và trở về
các-te dầu.

11


Hình 2. 8: Hệ thống dầu bơi trơn.
Ngồi ra, bên trong bộ tăng áp còn có những ổ trục đỡ bao gồm 2 loại: Ổ bi (Ball

bearing), ổ đỡ (Journal bearing) có phạm vi sử dụng rộng rãi hơn. Cả 2 đều giúp kiểm soát
việc xoay quanh trục của trục nối. Nhưng chúng không phải là loại ổ bi cầu thơng thường,
chúng là các ổ bi tự lựa có độ chinh xác rất cao được làm từ loại vật liệu cao cấp để có thể
chịu được tốc độ quay và nhiệt độ sinh ra từ các turbo tăng áp. Chúng cho phép các trục
tuabin có thể quay với lực ma sát sinh ra thấp hơn các loại ổ đỡ chất lỏng được sử dụng
trong hầu hết các turbo tăng áp. Chúng cho phép các trục có trọng lượng nhẹ hơn và quay
chậm hơn có thể làm việc hiệu quả. Đây là điều giúp các turbo tăng áp có thể tăng tốc nhanh
hơn, giảm được độ trễ đến mức thấp hơn.

12


Hình 2. 9: Ổ bi và ổ đỡ.
Để ngăn chặn sự trượt dọc thì bộ tăng áp được trang bị bạc đạn dọc trục (Thrust
bearing), nó có kết cấu tương tự như trục khuỷa của động cơ với 2 loại ổ trục.

Hình 2. 10: Bạc đạn dọc trục.
Một trong những vấn đề chính đối với turbo tăng áp đó là chúng không làm tăng công
suất ngay lập tức khi bạn đạp ga. Phải mất khoảng vài giây để turbo tăng vận tốc trước khi
tác dụng khuyếch đại công suất. Kết quả là một độ trễ xuất hiện khi bạn đạp ga và sau đó
chiếc xe bất thình lình chồm lên khi turbo bắt đầu làm việc.

13


Một cách để làm giảm độ trễ tác dụng của turbo là giảm tác dụng quán tính của các
bộ phận quay, chính là làm giảm trọng lượng bản thân của chúng. Điều này cho phép cánh
turbin và cánh nén khí có thể tăng tốc rất nhanh và hỗ trợ tăng cường công suất cho động cơ
sớm hơn. Một cách chắc chắn để giảm độ quán tính của cánh tuabin và cánh nén khí là chế
tạo chúng có kích thước nhỏ hơn. Một turbo có kích thước nhỏ hơn sẽ tác dụng giúp tăng

cường công suất cho động cơ nhanh hơn ở tốc độ động cơ thấp nhưng có thể khơng có tác
dụng tăng cơng suất ở tốc độ động cơ cao khi một lượng lớn khí nạp được nén vào trong
động cơ. Nó cũng nguy hiểm hơn khi tốc độ quay của tuabin quá nhanh ở tốc độ động cơ cao
khi có nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin.
Các turbo tăng áp có kích thước lớn hơn có thể giúp tăng công suất động cơ nhiều
hơn ở tốc độ cao nhưng lại sinh ra một độ trễ tác dụng rất lớn bởi vì nó mất nhiều thời gian
hơn để tăng tốc độ quay của cánh turbin và cánh nén khí do chúng nặng hơn. Để khắc phục
được hạn chế này, người ta đã chế tạo một số bộ phận đặcbiệt đi kèm với nó. Hầu hết các
động cơ có gắn turbo tăng áp để có một mức hao phí nhất định, điều này bắt buộc phải sử
dụng một turbo tăng áp nhỏ hơn để giảm độ trễ trong khi ngăn nó khỏi quay quá nhanh ở tốc
độ động cơ cao. Để ngăn hao tổn, trong turbo bố trí một van đặc biệt cho phép khí xả đi tắt
qua các cánh turbin. Van này có độ nhạy lớn với sự tăng áp đột ngột. Nếu áp suất tăng lên
quá cao, nó có thể xác nhận rằng tuabin quay quá nhanh và mở ra cho phép một lượng khí xả
đi vòng qua cánh tuabin và làm giảm tốc độ tuabin.
Van an tồn bao gồm một màng căng ln bị ép bởi lò xo. Khi áp suất trên đường ống
nạp quá lớn, lực đẩy sẽ thắng lực đàn hồi của lò xo, đẩy thanh đẩy làm mở van an toàn. Khi
van an tồn được mở ra nó cho phép lượng khí thải dư thốt ra ngồi, trước khi nó tác động
vào cánh tuabin, từ đó làm giảm tốc độ và khả năng tạo ra lượng áp suất lớn hơn của máy
nén.

14


Hình 2. 11: Vị trí lắp đặt van an tồn bên trong buồn tuabin.

Hình 2. 12: Cấu tạo bộ phận dẫn động van an toàn.

15

Hình 2. 13: Đường truyền khí xả khi van an tồn được kích hoạt.
Van an tồn được chia ra làm hai loại là loại bên trong và bên ngồi:

Hình 2. 14: Van an toàn bên trong và bên ngoài.

16


2.3 Q trình phát triển
Bộ tăng áp có lịch sử ra đời gần với động cơ đốt trong, bắt đầu từ năm 1905 với bằng
sáng chế của kĩ sư người Thụy Sĩ Alfred Buchi (1879- 1959). Ơng ta mơ tả là cánh quạt
được dẫn động bởi khí thải với một máy nén được kết nối với nhau bằng một trục.

Hình 2. 15: Thiết kế bộ tăng áp động cơ.
Tuy nó khơng được gọi là bộ tăng áp ngay lúc đó nhưng nó đã mang cấu trúc cơ bản
của một bộ tăng áp. Một tua bin dẫn động bằng khí thải nối với một cánh tuabin nén trên
cùng một trục.
Ông Buchi đã thiết kế ra nó để giúp các phi cơ khắc phục một vấn đề nghiêm trọng,
như bạn đã biết khi máy bay, bay lên ở độ cao càng cao thì mật độ khơng khí càng lỗng, vì
thế động cơ không đủ oxy và dẫn đến sự hao hụt hiệu suất, và làm giảm nhiều khả năng của
máy bay, vì vậy ông Buchi đã sáng kiến ra máy nén mục đích nén khơng khí lại làm cho
khơng khí đậm lại, và đưa nó trở lại bên trong động cơ, cũng như tái tạo lại phần năng lượng
bị mất. Nhưng thật không may, phát minh của ông Buchi đã không thực sự thành cơng. Nó
thực sự là một lý thuyết tuyệt vời, nhưng nguyên mẫu đầu tiên ông ấy sáng chế đã bị bác bỏ
và thất bại, được cho rằng là không đáng tin cậy, và phải mất tới 15 năm sau thì khái niệm
của ơng Buchi mới được đưa vào thực tiễn.
17


Năm 1920, một chiếc máy bay được gọi là Packard Le-Pere Lusac 11 đã làm một

điều mà được coi là khơng thể trong một thời gian dài. Nó bay lên độ cao hơn 10.000 m
hoặc 33.000 ft và làm được điều này bằng cách dựa vào sức mạnh tăng áp, chiếc LUSAC11 thực tế được thiết kế bởi Pháp và được ủy quyền từ Mỹ, và những chiếc máy bay này
chưa từng được thấy trong một trận chiến thực tế, nhưng chúng đã đánh dấu một lịch sử. Nó
vận hành một động cơ V12 Liberty được sản xuất bởi Packard Motor Car Company. Nhưng
điều quan trọng hơn cả động cơ là bộ tăng áp và nó được gọi là “bộ siêu nạp”, và nó được
thiết kế bới General Electric Company Design và trong phịng nghiên cứu Turbo được quản
lí bởi Mr. Stanford, và là một bộ tăng áp đầu tiên hoạt động thực sự hiệu quả.

Hình 2. 16: Động cơ V12 Liberty tăng áp trên LUSAC 11.
Bộ tăng áp giúp Lusac 11 vượt quá 10.000 mét, nhưng thí nghiệm gần như thất bại và
nó gần như sắp lấy đi mạng sống của một phi cơng, bởi vì nhãn cầu của phi công gần như
đông lại khi anh ấy đã cố gắng thay đổi nguồn oxy ở độ cao quá cao. Và dĩ nhiên anh ấy có
lẽ sẽ chết, nhưng may mắn thay anh ấy đã cố lấy lại sự tỉnh táo của mình trong những phút
cuối cùng, và anh ấy đã dành lại được sự điều khiển của máy bay trong khi anh ấy hồn tồn
khơng thấy gì trong khoảng thời gian ngắn, phi công vẫn hạ cánh máy bay một cách an toàn,
và đã chứng minh rằng ý tưởng của ông Buchi là khả thi.
18