Volkswagen Twincharger – Turbo kết hợp Supercharger

Chúng ta đều biết rằng, bộ tăng áp cơ khí (siêu nạp) hoạt động tốt ở vòng tua thấp nhưng lại thiếu hiệu quả ở vòng tua cao. Và turbo tăng áp khí xả hoạt động mạnh mẽ ở vòng tua cao nhưng bất đắc dĩ ở vòng tua thấp. Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư đã mong muốn kết hợp bộ siêu nạp và turbo tăng áp với nhau. Năm 1985, Lancia đã đưa một hệ thống phức tạp như vậy vào chương trình đặc biệt dành cho cuộc đua Group B, Delta S4. Bất chấp thành công trong giải đua mô tô, Lancia chưa bao giờ đưa công nghệ này vào sản xuất hàng loạt. Người Nhật đã làm điều đó đầu tiên. Năm 1988, Nissan đã sản xuất 10.000 chiếc March Super Turbo, động cơ nhỏ 1,0 lít sử dụng bộ siêu nạp Roots và turbo tăng áp để tạo ra công suất đáng nể 110 ps. Tuy nhiên, sau đó thì nó cũng mất dấu vết.

Năm 2005, Volkswagen hồi sinh ý tưởng này với sự trợ giúp của nhà sản xuất bộ siêu nạp Eaton. Động cơ phun xăng trực tiếp TSI 1,4 lít được trang bị hệ thống turbo tăng áp + siêu nạp được gọi là “Twincharger”. Nó tạo ra công suất 170 mã lực và mô-men xoắn 177 lbft (240.7 Nm), tương đương với động cơ hút khí tự nhiên 2,3 lít nhưng tiêu thụ nhiên liệu ít hơn 20%. Động cơ này được sử dụng rộng rãi trên Golf, Polo, Scirocco, Skoda Fabia, Seat Ibiza và Audi A1. Đây là lần đầu tiên turbo + siêu nạp được sản xuất hàng loạt.

Cấu tạo của Twincharger khá đơn giản. Nó có bộ siêu nạp Roots và turbo tăng áp được mắc nối tiếp. Bộ siêu nạp có thể được bỏ qua bằng một đường dẫn bypass thay thế hoặc được ngắt hoàn toàn bằng ly hợp điện từ.

Twincharger hoạt động như thế nào

• Tùy thuộc vào tải và phạm vi vòng tua, bộ điều khiển động cơ sẽ tính toán lượng không khí cần thiết đến xi-lanh để tạo ra mô-men xoắn cần thiết. Nó xác định xem turbo tăng áp có thể tự tạo ra áp suất tăng hay không hay máy nén siêu nạp có cần được kích hoạt hay không.
• Ở vòng tua thấp, bộ siêu nạp cung cấp phần lớn áp suất tăng áp. Áp suất mà nó tạo ra cũng giúp tăng tốc turbo tăng áp để turbo tăng áp sau có thể đi vào phạm vi hoạt động nhanh hơn.
• Ở tốc độ 1500 vòng/phút, cả hai bộ tăng áp đều đóng góp áp suất tăng như nhau, với tổng áp suất là 2,5 bar. (Nếu turbo tăng áp hoạt động độc lập, nó chỉ có thể cung cấp 1,3 bar ở cùng một vòng tua)
• Sau đó, turbo tăng áp – được tối ưu hóa cho công suất vòng tua cao – bắt đầu dẫn đầu. Vòng quay càng cao, siêu nạp Roots càng hoạt động kém hiệu quả. Do đó, van by-pass sẽ giảm áp suất siêu nạp dần dần.
• Đến 3500 vòng/phút, turbo tăng áp đóng góp toàn bộ áp suất tăng áp nên bộ siêu nạp được ngắt bằng ly hợp điện từ để tiết kiệm năng lượng.

Chế độ hút khí tự nhiên ở tải thấp

Van bypass điều chỉnh mở hoàn toàn ở chế độ hút khí tự nhiên. Luồng khí nạp chảy qua van bypass điều chỉnh tới turbo tăng áp. Turbo tăng áp đã được dẫn động bởi khí thải, nhưng năng lượng của khí thải thấp đến mức chỉ tạo ra một áp suất tăng nhỏ.

Van tiết lưu (bướm ga) mở tùy thuộc vào khoảng cách người lái nhấn ga và có chân không trong đường ống nạp hay không.

Bộ siêu nạp và turbo tăng áp hoạt động ở mức tải cao hơn và tốc độ động cơ lên tới 2.400 vòng/phút

Trong phạm vi này, van bypass được đóng hoặc mở một phần để điều chỉnh áp suất tăng. Bộ siêu nạp được kích hoạt thông qua ly hợp từ và được dẫn động bởi đai dẫn động bộ siêu nạp. Bộ siêu nạp hút không khí vào và nén nó lại. Không khí sạch được nén được bơm tới turbo tăng áp. Ở đó khí nén sẽ được nén nhiều hơn.

Áp suất tăng của siêu nạp được đo bằng cảm biến áp suất đường ống nạp (G583) và được điều chỉnh bởi van bypass. Áp suất tăng tổng thể được đo bằng cảm biến áp suất khí nạp (G31).

Van tiết lưu (bướm ga) mở hoàn toàn. Áp suất lên tới 2,5 bar (tuyệt đối) được tạo ra trong đường ống nạp.

Turbo tăng áp và siêu nạp hoạt động ở mức tải cao và vòng tua từ 2.400 đến 3.500 vòng/phút

Trong phạm vi này, áp suất tăng được tạo ra, chẳng hạn như ở tốc độ không đổi, thì chỉ có turbo tăng áp hoạt động. Nếu lúc này xe tăng tốc nhanh thì turbo tăng áp sẽ không đủ đáp ứng để tạo ra áp suất tăng đủ nhanh. Khi đó sẽ có độ trễ turbo. Để tránh điều này, bộ điều khiển động cơ sẽ kích hoạt nhanh siêu nạp và điều chỉnh van bypass theo áp suất tăng yêu cầu. Nó giúp bộ tăng áp tạo ra áp suất tăng cần thiết.

Turbo tăng áp hoạt động hoàn toàn

Từ tốc độ động cơ xấp xỉ 3.500 vòng/phút, turbo tăng áp có thể tự tạo ra áp suất tăng áp cần thiết tại bất kỳ điểm tải nào. Van bypass mở hoàn toàn và luồng khí nạp chảy thẳng vào turbo tăng áp. Năng lượng khí thải hiện đã đủ trong mọi điều kiện để tạo ra áp suất tăng áp cho turbo tăng áp. Bướm ga mở hoàn toàn. Áp suất lên tới 2,0 bar (tuyệt đối) được tích tụ trong đường ống nạp. Áp suất tăng của turbo tăng áp được đo bằng cảm biến áp suất khí nạp (G31) và được điều chỉnh bằng van điều khiển áp suất nạp.

Twincharger là một thành tựu khá lớn. Nó mang lại sức mạnh và khả năng điều khiển tuyệt vời nhưng lại nhỏ gọn một cách đáng ngạc nhiên. Nhược điểm duy nhất là chi phí cao. Có thể dự đoán, nó đắt hơn đáng kể so với hệ thống turbo tăng áp. Vì turbo tăng áp hiện đại đã cải thiện rất nhiều phản ứng ở dải vòng tua thấp nên tầm quan trọng của Twincharger chắc chắn sẽ giảm đi. Điều này ngăn cản nó thâm nhập sâu hơn vào thị trường đại chúng.