Nạp cưỡng bức – Tăng áp cho động cơ đốt trong – Phần 5: Turbo Tăng áp kép

Việc sử dụng Turbo tăng áp kép (Twin-turbo) là một câu hỏi về cả hiệu quả và cách bố trí. Một động cơ nhỏ tất nhiên sẽ tốt hơn nếu sử dụng một turbo đơn, vì nó không tạo ra đủ khí xả để dẫn động 2 turbo một cách hiệu quả. Đối với động cơ lớn hơn, tốt hơn nên sử dụng một cặp turbo tăng áp nhỏ thay vì một lớn, vì tuabin nhỏ giúp cho độ trễ turbo ít hơn.

Nhưng, câu hỏi là động cơ lớn như thế nào thì cần đến turbo tăng áp kép? Subaru đã sử dụng tăng áp kép trên động cơ boxer 2.0 lít của mình. Nhiều nhà sản xuất ô tô khác như Mitsubishi và Nissan đã sử dụng tăng áp kép trên động cơ dung tích 2.5 lít trở lên. Khi công nghệ của turbo tăng áp phát triển, các turbo tăng áp ngày nay đạt được quán tính và độ trễ turbo thấp hơn nhiều so với trước đây. Do đó, ngưỡng giữa tăng áp đơn và tăng áp kép cũng được nâng lên. Ví dụ, BMW đã thay đổi động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng 3.0 lít chủ đạo của mình từ tăng áp kép sang tăng áp đơn vào năm 2009. Ngoài một chút thỏa hiệp về sức mạnh tối đa, nó không hề có sự suy giảm về phản ứng và tinh chỉnh. Tuy nhiên, đối với các phiên bản hiệu suất như 1-Series M, BMW vẫn tiếp tục sử dụng tăng áp kép để mang lại mã lực cần thiết.

Việc đóng gói/bố trí cũng chi phối việc sử dụng tăng áp kép. Đối với động cơ chữ V và boxer, việc kết nối tất cả các xi-lanh với một bộ tăng áp duy nhất có thể là một vấn đề đau đầu. Twin-turbo có thể dễ dàng khắc phục được điều này. Vì một turbo chỉ cần phục vụ một dãy xi lanh, nó có thể được đưa vào gần với dãy xilanh hơn. Nhờ đó, đường ống turbo có thể được rút ngắn đáng kể, giúp tiết kiệm rất nhiều không gian trong khoang động cơ. Hơn nữa, các đường ống ngắn hơn dẫn đến độ trễ turbo ít hơn. Do đó, hầu hết tất cả các động cơ boxer và chữ V tăng áp trên thị trường đều sử dụng tăng áp kép.

Về cơ bản, có 3 kiểu sắp xếp tăng áp kép: Song song, Tuần tự và Biến thiên 2 giai đoạn (nối tiếp). Hãy xem cách chúng hoạt động:

Turbo tăng áp kép song song

Cách sắp xếp tăng áp kép đơn giản nhất là Tăng áp kép song song. Cả hai turbo đều hoạt động độc lập cùng một lúc. Hầu hết các loại tăng áp kép trên thị trường là loại này.

Maserati nổi tiếng là hãng xe đầu tiên cung cấp động cơ tăng áp kép trên thị trường đại chúng, hay nói cách khác là Biturbo. Hình ảnh này cho thấy động cơ Biturbo V6 2.5 lít đầu tiên của nó. Mỗi turbo được cung cấp khí xả từ bờ xi lanh gần đó. Không khí sạch được nén từ hai tuabin hòa vào một đường nạp khí chung và cung cấp cho tất cả sáu xi-lanh. Sự sắp xếp đơn giản này vẫn đang được sử dụng bởi phần lớn các động cơ tăng áp kép ngày nay.

Động cơ Nissan VG30DETT trên 300ZX thế hệ trước có turbo nạp vào các xi-lanh ở dãy đối diện. Điều này hình thành một vòng phản hồi và tự động cân bằng sức mạnh giữa hai dãy xi-lanh. Hầu hết các động cơ tăng áp kép đời đầu, như Ferrari F40 và Lotus Esprit V8, đều có thiết kế giống nhau. Hệ thống quản lý động cơ hiện đại có thể thực hiện công việc cân bằng bằng cách thay đổi quá trình đánh lửa, do đó việc bố trí nguồn cấp chéo không còn cần thiết nữa.

Động cơ sáu xilanh tăng áp kép N54 của BMW có mỗi turbo được cung cấp khí xả bởi 3 xi-lanh liền kề. Khí nén từ cả hai tuabin tham gia và cung cấp cho tất cả 6 xi lanh. Về cơ bản, nó giống với thiết kế của Maserati, chỉ áp dụng cho động cơ thẳng hàng.

Turbo tăng áp kép tuần tự

Để giảm độ trễ turbo, một số nhà sản xuất lựa chọn tăng áp kép tuần tự. Ở tốc độ động cơ thấp, tất cả lượng khí thải giới hạn được dẫn đến để dẫn động một trong các turbo, khiến một turbo khác không hoạt động. Do đó, turbo đầu tiên có thể tăng tốc nhanh hơn. Khi lưu lượng khí thải đạt đủ để dẫn động cả hai turbo, turbo thứ hai sẽ can thiệp và giúp đạt áp suất tăng tối đa. Việc chuyển đổi được thực hiện bởi một van rẽ nhánh, được điều khiển bởi hệ thống quản lý động cơ. Những chiếc xe sử dụng tăng áp kép tuần tự bao gồm Porsche 959, Mazda RX-7 Mk3, Toyota Supra (thế hệ cuối) và Subaru Legacy những năm 1990.

Turbo tăng áp kép tuần tự yêu cầu kết nối các đường ống rất phức tạp, vì cả hai turbo tăng áp phải được kết nối với tất cả các xi lanh. Điều này không chỉ chiếm nhiều không gian hơn, mà các ống dài hơn có thể bù đắp phần nào việc làm giảm độ trễ turbo.

Vì công nghệ hiện đại đã giảm phần lớn độ trễ của turbo, nên tăng áp kép tuần tự không còn được coi là cần thiết nữa. Ngày nay, nó đã biến mất khỏi sản xuất.

Tăng áp kép tuần tự dẫn động VVL của Audi

Vào năm 2016, một loại hệ thống tăng áp kép tuần tự rất đặc biệt đã xuất hiện trên động cơ diesel 4 lít V8 của Audi SQ7. Nó sử dụng hệ thống nâng van biến thiên Valvelift của Audi để lựa chọn một hoặc hai turbo. Trong mỗi xi-lanh, 2 van xả được tách biệt đối xứng, mỗi van dẫn đến turbo tăng áp riêng (cả hai turbo đều có cùng kích thước). Một trong những van xả được trang bị cơ chế Valvelift. Ở vòng tua máy thấp đến trung bình, Valvelift chuyển sang chế độ cam không nâng để đóng van xả đó. Bằng cách này, tất cả khí xả đi qua một van xả khác để dẫn động một turbo. Ở tốc độ vòng tua cao hơn khi lượng khí thải được tạo ra nhiều hơn, Valvelift sẽ chuyển sang trạng thái cam bình thường và kích hoạt lại van xả đó. Và tiếp theo một turbo khác tham gia công việc để cung cấp đầy đủ sức mạnh.

Lợi ích lớn nhất của thiết kế này là nó tiết kiệm được sự kết nối phức tạp giữa hai turbo, do đó làm cho động cơ nhỏ hơn. Về mặt tiêu cực, xi-lanh chỉ chạy 1 van xả ở vòng tua thấp đến trung bình, hạn chế xả sạch. Tuy nhiên, vì Audi sử dụng nó trên động cơ diesel, có nhịp hút xả chậm hơn nhiều so với động cơ xăng, nên nó không ảnh hưởng đến công suất đầu ra.

Turbo tăng áp kép biến thiên 2 giai đoạn

Trong những năm gần đây, hiện tượng trễ turbo đã được giải quyết phần lớn trên động cơ xăng, nhờ vào công nghệ như bộ tăng áp kết hợp chặt chẽ (một số thậm chí còn được tích hợp với ống xả) và tuabin nhỏ có quán tính thấp. Tuy nhiên, điều tương tự không thể nói đối với động cơ diesel. Động cơ diesel có thể tạo ra công suất tương đương với động cơ xăng, nhưng cần áp suất tăng cao hơn do đó có bộ tăng áp lớn hơn. Không cần phải nói rằng các turbo lớn dẫn đến độ trễ turbo nhiều hơn. Hơn nữa, động cơ diesel có xu hướng làm việc ở vòng tua thấp hơn nhiều so với động cơ xăng. Điều này có nghĩa là trong cách sử dụng bình thường, chúng tạo ra ít khí thải hơn để cung cấp cho các turbo. Kết quả là, vấn đề độ trễ turbo càng trở nên tồi tệ hơn.

Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư đã phát triển một loại tăng áp kép phức tạp hơn đặc biệt dành cho động cơ diesel. Nó là loại tăng áp kép biến thiên 2 giai đoạn – còn được gọi là turbo tăng áp kép nối tiếp.

Động cơ tăng áp kép biến thiên 2 giai đoạn xuất hiện lần đầu tiên trên BMW 535d vào năm 2004. Hệ thống này được phát triển bởi BorgWarner, mặc dù các nhà sản xuất khác như Garrett-Honeywell cũng tham gia sau đó.

Như trong hình này, hệ thống turbo trên 535d được làm rất nhỏ gọn. Nó có các đường ống rất ngắn nối giữa hai turbo.

Động cơ tạo ra 272 mã lực và 413 lbft, mạnh hơn nhiều so với 218 mã lực và 369 lbft của phiên bản tăng áp đơn trên 530d. Hơn nữa, nó tạo ra mô-men xoắn 391 lbft từ tốc độ thấp nhất là 1500 vòng/phút, có nghĩa là bộ tăng áp tăng áp rất nhanh.

Không giống như các hệ thống tăng áp kép khác, tăng áp kép biến thiên 2 giai đoạn sử dụng các turbo tăng áp kích thước khác nhau – turbo nhỏ để tăng tốc nhanh hơn ở vòng tua thấp và một turbo lớn để đảm bảo vòng tua cao hơn. Chúng được kết nối theo chuỗi để áp suất tăng từ một tuabin này được nhân thêm với một tuabin khác, do đó có tên là “2 giai đoạn”. Sự phân phối khí thải liên tục thay đổi, do đó, quá trình chuyển đổi từ turbo nhỏ sang turbo lớn có thể được thực hiện liền mạch. Dưới đây là một ví dụ được lấy từ hệ thống Opel. Hãy xem nó hoạt động như thế nào:

Dưới 1800 vòng/phút:

Nắp van trên đường xả được đóng lại. Tất cả khí xả dẫn động turbo nhỏ, cung cấp tất cả áp suất tăng trong giai đoạn này. Turbo lớn chạy không tải và không đóng góp vào lực nén.

1800 – 3000 vòng/phút:

Bộ tăng áp lớn bây giờ được đưa vào hoạt động, để cả hai bộ tăng áp chạy cùng nhau. Tùy thuộc vào tải, nắp van đường ống xả mở ngày càng nhiều và cấp khí thải cho cả hai turbo. Turbo lớn nén trước không khí, sau đó được làm mát trong bộ làm mát và nâng lên đến áp suất tăng cao hơn trong turbo nhỏ.

Van một chiều vẫn đóng, vì áp suất tăng của turbo lớn vẫn thấp hơn áp suất của turbo nhỏ.

Trên 3000 vòng/phút:

Chỉ có turbo lớn mới nén không khí, vì nhiều không khí có thể chảy qua nó hơn so với turbo nhỏ. Nắp van đường ống xả giờ đã mở hoàn toàn và toàn bộ khí xả chảy qua bộ tăng áp lớn, tạo ra mức tăng tối đa.

Van một chiều được mở bởi dòng khí từ turbo lớn. Điều này bỏ qua turbo nhỏ.