Tuabin tăng áp (phần 1)

Tua bin tăng áp (Phần 1)
Khi nhắc đến những chiếc xe đua hay những chiếc xe thể thao có công suất lớn, chủ đề mà
người ta thường đề cập đến là những chiếc turbo tăng áp.
Hệ thống turbo tăng áp trong động cơ xe Mitsubishi Lancer Evolution IX.
Turbo tăng áp thường được lắp trong các động cơ diesel cỡ lớn. Một turbo có thể giúp làm tăng
đáng kể công suất của một động cơ mà không cần phải tăng trọng lượng bản thân động cơ đó.
Đây chính ưu điểm to lớn mà các turbo tăng áp mang lại.
Trong bài viết này, chúng ta hãy tìm hiểu làm thế nào mà một turbo tăng áp lại có thể làm tăng
công suất của một động cơ trong khi vẫn duy trì được điều kiện làm việc tối ưu của động cơ.
Chúng ta cũng sẽ tìm hiểu làm thế nào để ngăn ngừa sự hao tổn, các cánh tuabin gốm và các ổ
bi giúp ích gì cho các turbo tăng áp để cải thiện hiệu suất của nó.
Các turbo tăng áp là một kiểu hệ thống sinh áp lực một cách cưỡng bức. Chúng nén khí vào bên
trong các động cơ. Lợi ích của việc nén không khí đó là không khí được nén ép vào trong xilanh
nhiều hơn. Nhiều không khí hơn được nén vào trong xilanh đồng nghĩa với việc nhiên liệu được
đưa vào động cơ nhiều hơn. Bởi vậy, mỗi kỳ nổ ở xilanh lại sinh ra nhiều công suất hơn. Một
động cơ có trang bị turbo tăng áp sẽ sản sinh ra nhiều công suất hơn so với động cơ cùng kích
cỡ nhưng không có turbo tăng áp, nó cũng cải thiện một cách đáng kể tỷ lệ công suất sinh ra trên
một đơn vị trọng lượng không khí nén vào động cơ.
Để tăng khả năng nạp khí, các turbo tăng áp sử dụng dòng lưu lượng khí xả từ động cơ để làm
quay cánh turbin, các cánh tuabin của turbo tăng áp quay ở tốc độ lên tới 150.000 vòng/phút, như
vậy có thể cao hơn gấp 30 lần so với hầu hết các động cơ xe có thể làm được. Và với phương áp
bố trí nối với ống xả như vậy, nhiệt độ trong các turbo cũng rất cao.
Turbo tăng áp và động cơ.
Nhìn chung, công suất của động cơ được xác định bởi lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu đốt
cháy trong một quãng thời gian nhất định và lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu càng tăng thì
công suất động cơ càng lớn. Điều đó có nghĩa là, để tăng công suất động cơ thì phải tăng đường
kính xilanh, tăng số lượng xilanh hoặc tăng tốc độ của động cơ. Vấn đề là ở chỗ, khi tăng đường
kính xilanh hoặc số lượng xilanh thì trọng lượng của động cơ cũng tăng lên và các yếu tố như là
tổn thất do ma sát, rung động, và tiếng ồn lại hạn chế khả năng tăng tốc độ của động cơ.
Turbo tăng áp đáp ứng được cả hai yêu cầu mâu thuẫn nhau này: tăng công suất động cơ mà
vẫn giữ cho động cơ gọn nhẹ, bằng cách cung cấp khối lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu lớn

hơn mà không thay đổi kích thước động cơ.
Vị tí lắp turbo tăng áp trong xe.
Turbo tăng áp cho phép một động cơ đốt được nhiều nhiên liệu và không khí hơn bằng cách nén
chúng nhiều hơn vào trong các xilanh. Thông thường việc tăng lưu lượng khí nạp bằng turbo tăng
áp tạo ra áp suất khoảng 6 đến 8 Pounds trên diện tích một inch vuông (PSI). Áp suất khí quyển
thông thường vào khoảng 14,7 PSI ở mực nước biển, có thể thấy rằng chúng làm tăng thêm
khoảng 50% lượng khí nén thêm vào trong động cơ. Cho nên có thể làm tăng thêm khoảng 50%
công suất động cơ. Nhưng hiệu quả tăng công suất không như vậy, thực tế chúng chỉ có thể giúp
tăng công suất động cơ khoảng 30 đến 40% do ảnh hưởng của tổn hao năng lượng.
Một lý do khiến nó giảm hiệu quả đến từ thực tế công làm quay các cánh tuabin không phải không
tiêu hao năng lượng. Do các cánh tuabin được đặt trong đường xả của ống xả làm tăng sự cản
trở chuyển động của dòng khí xả, làm áp lực đẩy khí xả ra ngoài trong kỳ xả của động cơ bị cản
trở và sinh ra một áp lực đẩy ngược chiều. Việc công suất sinh ra bị tổn hao một phần xảy ra ở
tất cả các xilanh của động cơ đánh lửa cùng thời điểm.
Kết cấu của turbo tăng áp.
Tuabin nạp khí (tuabin tăng áp) bao gồm khoang tuabin, khoang nén khí, khoang trung tâm, cánh
tuabin, cánh nén khí, các ổ trục tự lực hoàn toàn, van cửa xả, bộ chấp hành...
Turbin tăng áp được cố định trên đường ống xả khí bằng các bu lông. Khí xả từ các xilanh sẽ làm
quay các cách turbin, nó hoạt động theo nguyên lý giống một động cơ turbin khí. Turbin được gắn
lên cùng một trục với cánh nén khí, cánh nén khí được đặt giữa bộ lọc khí và đường ống dẫn khí
nạp. Nhờ cách nén khí, không khí được nén vào trong các xilanh với áp suất cao.
Nguyên lý động cơ có turbo tăng áp
Bên trong một turbin tăng áp
Dòng khí xả từ các xilanh thổi ra tạo áp lực lên các cánh tuabin làm tuabin quay. Càng nhiều khí
xả đi qua các cánh tuabin thì tuabin quay càng nhanh. Cánh tuabin phải chịu được nhiệt và có độ
bền cao vì nó tiếp xúc trực tiếp với khí xả, quay với tốc độ cao và trở nên rất nóng. Bởi vậy, nó
được làm bằng hợp kim siêu chịu nhiệt hoặc bằng gốm.
Mặt khác trên một đầu còn lại của trục tuabin, cánh nén khí được gắn vào để đẩy không khí vào
trong các xilanh. Các cánh nén khí là một loại bơm ly tâm, nó hướng dòng không khí từ tâm quay
theo biên dạng cánh hướng ra ngoài.

Để có thể tăng tốc độ quay lến đến 150.000 vòng/phút, trục của tuabin được đỡ bởi một ô bi đặc
biệt. Hầu hết các ổ bi đều bị quá hủy ở tốc độ như thế, cho hầu hết các turbin tăng áp đều sử
dụng loại ổ đỡ chất lỏng. Loại ổ bi này đỡ lấy trục tuabin bằng một lớp dầu cực mỏng. Điều này
đạt được hai mục đích: trục quay của tuabin được làm mát và nó cho phép trục quay với lực cản
ma sát thấp…
Van cửa xả được lắp trong khoang tuabin. Khi van này mở thì một phần khí xả sẽ đi tắt qua ống
xả, nhờ thế mà giữ ổn định cho áp suất nạp, khi áp suất nạp đạt đến trị số đã định (khoảng 0,7
kg/cm
2
). Việc đóng mở van được kiểm soát bởi bộ chấp hành.