Nạp cưỡng bức – Tăng áp cho động cơ đốt trong – Phần 1: Giới thiệu

Nạp cưỡng bức (còn gọi là Cảm ứng cưỡng bức) là quá trình cung cấp khí nén đến cổng nạp của động cơ đốt trong. Động cơ nạp cưỡng bức sử dụng kiến trúc/máy nén khí để tăng áp suất, và mật độ của khí nạp. Với động cơ không có cảm ứng cưỡng bức được coi là động cơ hút khí tự nhiên.

Công nghệ nạp cưỡng bức/tăng áp khí nạp thường có 3 kiểu thiết kế: Ram air, siêu nạp và turbo tăng áp. Ở bài viết này, xin giới thiệu cơ bản về 3 kiểu thiết kế, trong các bài viết sau sẽ trình bày chi tiết cũng như các kiểu thiết kế khác nhau của từng loại.

Nạp khí trực diện (Ram Air)

Hệ thống nạp Ram-air là thiết kế đường ống nạp sử dụng áp suất không khí động được tạo ra bởi chuyển động của xe để tăng áp suất không khí tĩnh bên trong ống nạp trên động cơ đốt trong, do đó cho phép lưu lượng lớn hơn qua động cơ và do đó tăng công suất động cơ.

Nạp Ram air có lẽ là loại cưỡng bức đơn giản nhất. Khi ô tô đang di chuyển ở tốc độ cao, không khí sẽ bị ép vào ống nạp thông qua khe hút gió thường nằm ở phía trên nắp ca-pô. Điều này tạo ra một áp lực cao hơn một chút so với hút tự nhiên. Áp suất khí nạp cao hơn dẫn đến không khí dày đặc hơn một chút làm đầy buồng đốt, rất giống một động cơ tăng áp nhẹ. Giúp tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Có thể dễ dàng nhận thấy khe hút gió Ram air trong các xe đua. Hộp khí trên mọi xe đua Công thức và các cửa hút gió gắn trên mui xe trên nhiều xe đua GT hoặc xe đua sức bền là các thiết bị Ram air. Một kỹ sư của Công thức Một cho biết một hộp không khí điển hình có thể góp phần tạo ra thêm 20 mã lực ở tốc độ 200 km/h (124 dặm/giờ). Nó không phải là một lợi ích lớn, nhưng nó miễn phí, hầu như không có nhược điểm. Tuy nhiên, ở tốc độ thấp, ảnh hưởng của Ram air là không đáng kể.

Tăng áp siêu nạp

Bộ tăng áp siêu nạp (supercharger) là một máy nén khí làm tăng áp suất hoặc mật độ của không khí cung cấp cho động cơ đốt trong. Điều này cung cấp cho mỗi chu kỳ nạp của động cơ nhiều oxy hơn, để nó đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn và hoạt động nhiều hơn, do đó tăng công suất đầu ra. Dẫn động cho bộ siêu nạp có thể được cung cấp cơ học bằng dây đai, trục hoặc xích kết nối với trục khuỷu của động cơ.

Bộ tăng áp hầu như không có thời gian trễ để tạo áp suất vì máy nén luôn quay tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ. Chúng không phổ biến như bộ tăng áp vì chúng sử dụng mô-men xoắn sinh ra từ động cơ để hoạt động. Điều này dẫn đến một số tổn thất về điện năng và hiệu quả.

Turbo tăng áp

Bộ tăng áp Turbo, thường được gọi là Turbo (hay Turbo tăng áp), là một thiết bị nạp khí cưỡng bức, được dẫn động bằng tuabin, giúp tăng công suất của động cơ đốt trong bằng cách đưa thêm không khí nén vào buồng đốt. Sự cải tiến này đối với công suất của động cơ hút khí tự nhiên là do máy nén có thể đẩy nhiều không khí hơn – và tương ứng với nhiều nhiên liệu hơn – vào buồng đốt hơn so với áp suất khí quyển – hút khí tự nhiên.

Turbo tăng áp dựa vào thể tích và vận tốc của khí thải để làm quay bánh tuabin, bánh tuabin này được nối với bánh máy nén thông qua một trục chung. Áp suất tăng được tạo ra có thể được điều chỉnh bởi một hệ thống van xả và bộ điều khiển điện tử. Lợi ích chính của turbo tăng áp là nó tiêu thụ ít năng lượng từ động cơ hơn bộ tăng áp siêu nạp; nhược điểm chính là phản ứng của động cơ bị ảnh hưởng rất nhiều vì phải mất thời gian để turbo tăng áp tăng tốc. Sự chậm trễ trong việc cung cấp năng lượng này được gọi là độ trễ turbo. Bất kỳ thiết kế turbo nhất định nào đều là một sự thỏa hiệp; một turbo nhỏ hơn sẽ quay nhanh và cung cấp đầy đủ áp suất tăng ở tốc độ động cơ thấp, nhưng áp suất tăng sẽ bị ảnh hưởng ở RPM động cơ cao. Mặt khác, một turbo lớn hơn sẽ cung cấp hiệu suất vòng tua cao được cải thiện với chi phí đáp ứng cấp thấp. Các vấn đề thiết kế phổ biến khác bao gồm tuổi thọ tuabin bị hạn chế, do nhiệt độ khí thải cao mà nó phải chịu và tác động hạn chế của tuabin đối với dòng khí thải.

Làm mát khí nạp

Một tác dụng phụ không thể tránh khỏi của nạp cưỡng bức là nén không khí làm tăng nhiệt độ của nó. Kết quả là, mật độ khí nạp giảm và các xi lanh nhận được ít không khí hơn so với áp suất tăng của hệ thống quy định. Nguy cơ phát nổ, hoặc “kích nổ”, tăng lên rất nhiều. Do đó, khí nạp sau khi qua máy tăng áp cần được làm lạnh hiệu quả.

Bộ làm mát liên động – Két tản nhiệt khí nạp

Bộ làm mát khí nạp Intercooler là một thiết bị cơ học được sử dụng để làm mát khí sau khi nén. Bộ làm mát khí nạp thường có dạng một bộ trao đổi nhiệt loại bỏ nhiệt thải trong máy nén khí. Bộ làm mát khí nạp có nhiều ứng dụng khác nhau, và có thể được tìm thấy, ví dụ, trong máy nén khí, máy điều hòa không khí, điện lạnh, tuabin khí và động cơ ô tô. Chúng được biết đến rộng rãi như một bộ làm mát khí nạp được sử dụng cho động cơ đốt trong nạp cưỡng bức (tăng áp hoặc siêu nạp), được sử dụng để cải thiện hiệu suất thể tích. Điều này được thực hiện bằng cách tăng mật độ khí nạp thông qua việc làm mát áp suất gần như không đổi.

Phun nước

Phun nước là một phương tiện hữu hiệu khác để làm mát khí nạp để ngăn kích nổ. Metanol được trộn với nước để ngăn chặn sự đóng băng và hoạt động như một loại nhiên liệu cháy chậm hơn. Phun nước, không giống như oxit nitơ hoặc cảm ứng cưỡng bức, không tự tăng thêm nhiều năng lượng cho động cơ, nhưng cho phép thêm năng lượng một cách an toàn. Nó hoạt động bằng cách được phun vào khí nạp. Nước hấp thụ nhiệt khi bay hơi để làm mát khí nạp và hạ nhiệt độ đốt cháy. Cồn cũng là nhiên liệu đốt cháy chậm hơn và nguội hơn xăng. Do nhiệt độ khí nạp thấp hơn và lượng khí nạp dày đặc hơn, có thể thêm áp suất tăng cao hơn và tăng thời gian một cách an toàn mà không cần sử dụng nhiên liệu có trị số octan cao hơn. Nó thường được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng đua xe, tuy nhiên nó cũng được chứng minh là thực tế để sử dụng trong thời gian dài.