Một động cơ 1.5 lít tăng áp bây giờ cho khoảng 180 mã lực, ngang ngửa động cơ hút khí tự nhiên 2.5 lít của chục năm trước. Máy nhỏ hơn, nhẹ hơn, uống ít xăng hơn, mà sức kéo không hề thua. Thứ làm nên phép màu đó là một cụm chi tiết chỉ to bằng quả bưởi: bộ tăng áp turbo. Bài này đi từng bước, từ chuyện động cơ "thở" thế nào cho tới lý do vì sao bạn nên để máy nổ thêm một phút trước khi tắt.
Công suất bắt đầu từ không khí, không phải từ xăng
Nhiều người nghĩ muốn động cơ mạnh hơn thì cứ phun thêm xăng. Thực tế xăng chỉ cháy được khi có đủ oxy, và tỷ lệ này khá cứng nhắc: để đốt cháy hoàn toàn 1 kg xăng cần khoảng 14,7 kg không khí. Đây gọi là tỷ lệ hoà khí lý tưởng (stoichiometric). Phun xăng vượt quá lượng oxy có sẵn thì phần dư không cháy, chỉ thành khói đen và lãng phí.
Vì vậy, giới hạn thật sự của một động cơ là lượng không khí nó nạp được vào xi lanh mỗi chu kỳ. Nạp được bao nhiêu oxy thì mới đốt được bấy nhiêu xăng, và sinh ra bấy nhiêu năng lượng đẩy piston.
Động cơ bốn thì làm việc theo chu trình hút, nén, nổ, xả. Ở kỳ hút, piston đi xuống, tạo vùng áp suất thấp trong xi lanh và không khí bên ngoài tràn vào, giống như phổi bạn hít vào khi lồng ngực giãn ra.
Trần 1 bar của động cơ hút khí tự nhiên
Vấn đề nằm ở chữ "tràn vào". Không khí chỉ chảy vào xi lanh nhờ chênh lệch giữa áp suất khí quyển bên ngoài (khoảng 1 bar ở mực nước biển) và áp suất thấp trong xi lanh. Dù piston hút mạnh cỡ nào, áp suất trong xi lanh cũng không thể vượt áp suất khí quyển. Trên thực tế còn thấp hơn, vì đường ống nạp, bướm ga và xu páp đều cản dòng khí.
Muốn nạp nhiều không khí hơn với động cơ hút khí tự nhiên, kỹ sư chỉ có vài lựa chọn:
- Tăng dung tích xi lanh: xi lanh to hơn thì chứa nhiều khí hơn, nhưng máy nặng hơn, ma sát lớn hơn, tốn xăng ngay cả khi chạy nhẹ.
- Tăng vòng tua: hút nhiều lần hơn mỗi phút, nhưng chi tiết chịu lực lớn hơn và mô men xoắn ở vòng tua thấp vẫn yếu.
- Tối ưu đường nạp: chỉ nhích được vài phần trăm.
Càng lên cao, không khí càng loãng. Con số hay được dẫn là động cơ hút khí tự nhiên mất khoảng 3% công suất cho mỗi 300 m độ cao. Xe turbo bù được phần lớn mức hao hụt này vì máy nén có thể quay nhanh hơn để bù áp suất.
Turbo phá cái trần đó bằng một ý tưởng đơn giản: nén không khí trước khi đưa vào xi lanh. Cùng một xi lanh có thể tích không đổi, nếu không khí đi vào ở áp suất gần 2 bar tuyệt đối thay vì 1 bar, lượng oxy nhồi vào gần như tăng gấp đôi. Máy tính phun xăng tăng theo, mỗi lần nổ mạnh hơn hẳn.
Năng lượng đang bị vứt qua ống xả
Nén không khí cần năng lượng. Điểm thông minh của turbo là nó không lấy năng lượng từ trục khuỷu như máy nén cơ khí (supercharger), mà tận dụng thứ vốn bị bỏ đi: khí thải.
Trong một động cơ xăng, chỉ khoảng một phần ba năng lượng của nhiên liệu biến thành công cơ học. Phần còn lại tiêu tán qua két nước làm mát và qua ống xả, trong đó khí thải mang đi một phần rất lớn, cỡ một phần ba. Khí thải ra khỏi xi lanh ở nhiệt độ có thể trên 800 độ C, áp suất cao và tốc độ lớn.
Những tia lửa bạn thấy ở ống xả xe đua là bằng chứng trực quan: khí thải vẫn còn rất nhiều năng lượng nhiệt và động năng khi rời khỏi động cơ. Turbo đặt một chiếc "cối xay gió" ngay trên đường đi của dòng khí đó.
Bên trong turbo: hai bánh quạt chung một trục
Mổ một bộ turbo ra, bạn sẽ thấy cấu tạo gồm ba phần chính:
| Bộ phận | Vị trí | Nhiệm vụ |
|---|---|---|
| Bánh tua bin (turbine) | Phía khí thải, trong vỏ gang chịu nhiệt | Bị khí thải thổi quay |
| Trục và ổ đỡ (CHRA) | Ở giữa, được bôi trơn và làm mát | Nối hai bánh, truyền chuyển động |
| Bánh nén (compressor) | Phía khí nạp, vỏ nhôm | Hút không khí và nén lại |
Khí thải đi vào vỏ tua bin dạng ốc sên, vỏ này hẹp dần để tăng tốc dòng khí rồi phun vào các cánh tua bin. Tua bin quay kéo theo trục, và bánh nén ở đầu bên kia quay cùng tốc độ. Bánh nén hút không khí từ lọc gió vào tâm, văng nó ra mép ngoài bằng lực ly tâm, rồi vỏ ốc sên phía nạp biến tốc độ đó thành áp suất.
Tốc độ quay là thứ khiến turbo trở thành một kỳ tích cơ khí. Trục của các turbo cỡ nhỏ trên xe con có thể quay tới khoảng 200.000 vòng mỗi phút, trong khi động cơ thường chỉ quay vài nghìn vòng. Ở tốc độ đó, ổ trục nằm trên một lớp dầu mỏng chứ không chạm kim loại, và cánh bánh nén phải được cân bằng cực kỳ chính xác, chỉ một vết mẻ nhỏ cũng có thể làm turbo rung và vỡ.
Supercharger cũng nén khí nạp nhưng được trục khuỷu kéo qua dây đai. Ưu điểm là phản hồi tức thì, không có độ trễ. Nhược điểm là nó "ăn" chính công suất động cơ để chạy. Turbo dùng năng lượng khí thải vốn bị bỏ đi nên hiệu quả hơn, đổi lại có độ trễ.
Nén khí làm khí nóng lên: vai trò của két làm mát khí nạp
Có một định luật vật lý mà turbo không thể né: nén khí thì khí nóng lên. Bạn từng bơm xe đạp và thấy thân bơm ấm dần thì đó chính là hiện tượng này.
Tính nhanh cho dễ hình dung: nén không khí từ 1 bar lên 2 bar tuyệt đối với hiệu suất bánh nén khoảng 70%, nhiệt độ khí từ 25 độ C có thể vọt lên trên 100 độ C. Khí nóng giãn nở, nên cùng áp suất nhưng chứa ít phân tử oxy hơn. Tệ hơn, khí nạp quá nóng làm hoà khí dễ tự bốc cháy sớm trước khi bugi đánh lửa, gây hiện tượng kích nổ (tiếng gõ máy), có thể làm thủng đỉnh piston.
Giải pháp là két làm mát khí nạp (intercooler): một tấm tản nhiệt đặt trên đường từ turbo tới cổ hút, thường nằm sau cản trước để đón gió.
Nếu két hạ khí từ khoảng 118 độ C xuống còn 50 độ C ở cùng áp suất, mật độ khí tăng theo tỷ lệ nhiệt độ tuyệt đối: 391 K chia 323 K, tức khoảng 20% oxy nhiều hơn chỉ nhờ làm mát. Đó là lý do hầu hết xe turbo hiện đại đều có intercooler, kiểu làm mát bằng gió hoặc bằng nước.
Van wastegate: chiếc phanh của turbo
Nếu cứ để khí thải thổi hết vào tua bin, ở vòng tua cao turbo sẽ quay ngày càng nhanh và áp suất nạp tăng không kiểm soát. Áp suất quá cao làm kích nổ, quá tải thanh truyền, gioăng mặt máy, thậm chí làm chính turbo vượt tốc độ an toàn.
Van wastegate giải quyết việc này. Đây là một cánh van nhỏ trên vỏ tua bin, mở ra một đường tắt cho khí thải đi vòng qua tua bin, thẳng xuống ống xả.
Cụm hình tròn có màng bên hông turbo trong ảnh là bộ chấp hành (actuator). Khi áp suất nạp chạm ngưỡng cài đặt, màng bị đẩy, kéo thanh nối mở van wastegate. Bớt khí thải qua tua bin thì turbo quay chậm lại, áp suất được giữ ở mức đặt. Trên xe hiện đại, nhiều wastegate được điều khiển bằng mô tơ điện theo lệnh của máy tính động cơ, chính xác hơn hẳn.
Wastegate nằm phía khí thải và điều chỉnh tốc độ turbo. Van xả áp phía nạp (blow-off valve hay diverter valve) nằm sau bánh nén, mở ra khi bạn nhả ga đột ngột để khí nén không dội ngược vào bánh nén. Tiếng "xì" đặc trưng khi nhả ga trên xe độ là từ van này.
Áp suất cao còn buộc kỹ sư thay đổi cả động cơ: tỷ số nén thường thấp hơn máy hút khí tự nhiên, phun xăng trực tiếp vào buồng đốt để làm mát hoà khí, piston và xéc măng chịu nhiệt tốt hơn. Turbo không phải món gắn thêm tuỳ tiện, cả động cơ được thiết kế quanh nó.
Độ trễ turbo và những cách kỹ sư khắc phục
Nhược điểm nổi tiếng nhất của turbo là độ trễ (turbo lag). Khi bạn đạp ga ở vòng tua thấp, lượng khí thải còn ít, tua bin cần thời gian để tăng tốc lên vùng tạo áp suất. Ở các turbo đời cũ, khoảng thời gian này có thể tới một đến hai giây: xe hơi khựng, rồi đột ngột vọt lên khi turbo "vào".
Nguyên nhân gốc là quán tính: bánh tua bin và bánh nén có khối lượng, và turbo càng lớn (để cho công suất cao ở vòng tua cao) thì càng chậm tăng tốc. Các giải pháp chính:
- Turbo cỡ nhỏ: bánh quạt nhẹ, tăng tốc nhanh, tạo áp suất sớm từ khoảng 1.500 vòng/phút. Đổi lại công suất tối đa bị giới hạn.
- Turbo hai luồng (twin-scroll): tách khí thải của các xi lanh thành hai đường riêng để các xung khí không triệt tiêu nhau, tua bin nhận năng lượng đều và sớm hơn.
- Turbo cánh biến thiên (VGT/VNT): một vòng cánh hướng dòng quanh tua bin có thể xoay góc. Ở vòng tua thấp, cánh khép lại làm hẹp đường khí, tăng tốc dòng khí thải để quay tua bin nhanh. Ở vòng tua cao, cánh mở ra.
- Turbo kép: một turbo nhỏ lo vòng tua thấp, một turbo lớn lo vòng tua cao (kiểu nối tiếp), hoặc hai turbo nhỏ mỗi chiếc phục vụ một dãy xi lanh trên máy chữ V.
- Turbo điện: gắn mô tơ điện ngay trên trục turbo để quay trước khi khí thải kịp đủ mạnh. Mercedes-AMG đã đưa công nghệ này, chuyển giao từ đua xe F1, lên xe thương mại, gần như xoá độ trễ.
VGT phổ biến trên máy dầu từ lâu, nhưng hiếm trên máy xăng vì khí thải xăng nóng hơn nhiều, làm cơ cấu cánh khó bền. Đó là lý do bạn hay gặp turbo hai luồng trên xe xăng phổ thông.
Thu nhỏ động cơ: vì sao xe nào giờ cũng có turbo
Mười lăm năm trở lại đây, gần như hãng nào cũng chuyển sang chiến lược downsizing: thay máy lớn hút khí tự nhiên bằng máy nhỏ tăng áp. Lý do chính là tiêu chuẩn khí thải và mức tiêu thụ nhiên liệu ngày càng khắt khe.
Logic như sau: phần lớn thời gian bạn chạy xe nhẹ nhàng trong phố, động cơ chỉ cần một phần nhỏ công suất. Máy lớn lúc đó vẫn phải kéo khối piston nặng, chịu ma sát lớn và tổn thất bơm khí qua bướm ga hé mở. Máy nhỏ chạy nhẹ thì tiết kiệm hơn hẳn. Khi cần vượt, turbo vào cuộc và máy nhỏ "hoá" máy lớn.
| Tiêu chí | Máy hút khí tự nhiên dung tích lớn | Máy nhỏ tăng áp |
|---|---|---|
| Mô men xoắn vòng tua thấp | Trung bình | Cao, đạt đỉnh sớm |
| Trọng lượng, kích thước | Lớn | Nhỏ gọn |
| Tiêu thụ khi chạy nhẹ | Cao hơn | Thấp hơn |
| Phản hồi chân ga | Tuyến tính, tức thì | Có chút trễ, tuỳ thiết kế |
| Độ phức tạp, chi phí bảo dưỡng | Thấp | Cao hơn |
Một lưu ý thực tế: khi chạy hết ga liên tục, máy nhỏ tăng áp không tiết kiệm như quảng cáo, vì lúc đó nó nạp và đốt lượng nhiên liệu tương đương máy lớn. Lợi thế tiết kiệm chủ yếu nằm ở điều kiện vận hành thường ngày.
Dùng xe turbo sao cho bền
Turbo làm việc trong môi trường khắc nghiệt bậc nhất của chiếc xe: một đầu ngâm trong khí thải vài trăm độ, trục quay hàng trăm nghìn vòng mỗi phút trên lớp dầu mỏng. Gần như mọi hỏng hóc turbo đều liên quan tới dầu bôi trơn.
- [ ]Dùng đúng loại dầu tổng hợp đạt tiêu chuẩn nhà sản xuất yêu cầu, không ham dầu rẻ.
- [ ]Thay dầu đúng hạn, rút ngắn chu kỳ nếu chạy phố tắc đường nhiều.
- [ ]Vài phút đầu khi máy còn lạnh, chạy nhẹ nhàng, tránh đạp lút ga.
- [ ]Sau khi chạy mạnh (đổ đèo, cao tốc), để máy nổ không tải khoảng 30 giây đến một phút rồi mới tắt.
- [ ]Nghe tiếng rít lạ, thấy khói xanh ở ống xả hoặc hao dầu bất thường thì kiểm tra turbo sớm.
Lý do của bước để máy nổ chờ: khi tắt máy đột ngột, bơm dầu ngừng ngay nhưng turbo vẫn đang rất nóng. Dầu đọng trong ổ trục bị "nấu" thành cặn than, lâu dần làm tắc đường dầu và mòn ổ trục. Nhiều turbo đời mới đã có áo nước làm mát và bơm nước điện chạy tiếp sau khi tắt máy, nên rủi ro thấp hơn trước, nhưng thói quen này vẫn đáng giữ sau những lần chạy nặng.
Turbo không tạo ra năng lượng từ hư không. Nó chỉ nhặt lại thứ động cơ đang vứt đi và dùng nó để giúp động cơ thở sâu hơn.
Tóm tắt nhanh
- Công suất động cơ bị giới hạn bởi lượng oxy nạp được; động cơ hút khí tự nhiên bị chặn trần ở áp suất khí quyển, khoảng 1 bar.
- Turbo dùng năng lượng khí thải quay tua bin, kéo bánh nén ép không khí lên gần 2 bar tuyệt đối, nhồi thêm oxy để đốt thêm xăng.
- Intercooler làm mát khí sau nén để tăng mật độ oxy và chống kích nổ; wastegate giữ áp suất không vượt ngưỡng.
- Độ trễ turbo được khắc phục bằng turbo nhỏ, twin-scroll, cánh biến thiên, turbo kép và turbo điện.
- Turbo bền nhờ dầu tốt, thay dầu đúng hạn và để máy nguội bớt sau khi chạy mạnh.
Câu hỏi thường gặp
Xe turbo có tốn xăng hơn xe thường không?
Khi chạy bình thường, máy nhỏ tăng áp thường tiết kiệm hơn máy lớn có công suất tương đương. Nhưng nếu bạn hay đạp ga sâu để tận hưởng turbo, mức tiêu thụ sẽ tăng nhanh, vì lúc đó động cơ đốt lượng nhiên liệu ngang máy lớn.
Có cần để máy nổ chờ mỗi lần tắt xe turbo?
Không cần sau mỗi chuyến đi phố nhẹ nhàng. Chỉ nên để máy nổ không tải khoảng 30 giây đến một phút sau khi chạy mạnh, như leo đèo, chạy cao tốc tốc độ cao hay kéo tải nặng.
Tiếng "xì" khi nhả ga trên xe turbo là gì?
Đó là tiếng van xả áp phía nạp (blow-off valve) xả khí nén ra ngoài khi bướm ga đóng đột ngột. Trên xe nguyên bản, khí này thường được dẫn vòng lại đường nạp nên gần như không nghe thấy.
Turbo bao lâu thì phải thay?
Không có mốc cố định. Turbo trên xe đời mới được thiết kế để bền ngang động cơ nếu bảo dưỡng tốt. Các dấu hiệu cần kiểm tra là hao dầu, khói xanh, tiếng rít như còi và xe yếu hẳn khi tăng tốc.
