Trên những chiếc xe sử dụng động cơ turbo ngày trước, người ta hay ví von rằng nếu muốn động cơ mạnh hơn, thì phải hy sinh độ nhạy của turbo, nhưng ngày nay điều đó đã không còn chính xác nữa bởi việc lựa chọn một mẫu turbo có độ nhạy nạp cao cùng bộ ống nạp phù hợp chỉ cải thiện được 2% hiệu năng và hoàn toàn chưa đáp ứng đủ các yêu cầu trong việc cải tiến hiệu năng nạp/xả. 

Những bộ turbo hai cánh nạp mới ngày nay mang đến độ nhạy nạp cao hơn những loại turbo truyền thống cánh đơn truyền thống nhờ vào việc cải tiến vật liệu chế tạo, lựa chọn ổ bi tốt hơn cùng đầu ống nạp với thiết kế mới. Vậy còn những yếu tố nào tạo nên sự khác biệt đó?

Thời kỳ đầu của hệ thống tăng nạp

Vào những ngày đầu của công nghệ tăng nạp bằng turbo, thị trường đang tràn ngập các mẫu xe sử dụng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa kiểu cơ khí thuần. Chính vì các công nghệ cũ kỹ này mà việc cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu và thời điểm đánh lửa bị hạn chế. Ngày đó, một động cơ được tinh chỉnh hoàn hảo phải đáp ứng được mức áp suất nạp 8psi mà không bị chết máy hay hỏng hóc vì áp suất nạp quá lớn.

Mặc dù gặp nhiều khó khăn về công nghệ vào 30 năm trước, một số người luôn phân vân giữa việc chọn loại họng nạp một đường hay hai đường khi lựa chọn turbo cho mình (Đây đã là vấn đề  kĩ thuật thường xuyên được tranh luận trước khi thuật ngữ “Turbo ống đơn - Single-scroll” và “Turbo ống kép - Twin-scroll” trở nên phổ biến). Vậy nên turbo ống kép thật sự không phải là một công nghệ quá mới mẻ, nhưng nó đã phần nào đã bị mọi người lãng quên dù vẫn phổ biến trong các động cơ chính hãng cũng các động cơ đua hiệu năng cao đang dần thịnh hành hơn.

Hệ thống tăng nạp ngày nay

Trong 10 năm trở lại đây, động cơ tăng nạp sử dụng công nghệ cao đang bùng nổ. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ hiện đại cho phép các kỹ sư và hãng sản xuất turbine khai thác hết tiềm năng của từng loại động cơ. Những hệ thống điều khiển động cơ chính hãng hoặc từ hãng thứ 3 đều cho phép tinh chỉnh lại cách thức phân phối nhiên liệu, biểu đồ đánh lửa và khả năng tăng nạp cùng với hàng loạt các điều kiện về mức tải và vị trí bướm ga.

Chính vì những khả năng tuyệt vời đó, ngày nay, động cơ và turbo đã được kết hợp hoàn hảo với nhau một cách hoàn hảo, giúp động cơ có độ nhạy nạp cao và mức công suất đạt tới giới hạn thiết kế. Khi lựa chọn một mẫu turbo hay toàn bộ hệ thống tăng nạp, người ta luôn cân nhắc giữa việc chọn turbo ống đơn hay loại ống kép để trang bị cho động cơ yêu quý của mình.

Những hứa hẹn của turbo ống kép

Turbo ống kép có hàng loạt những ưu điểm vượt trội so với loại ống đơn khi được thiết kế và sử dụng đúng kỹ thuật: cải thiện mức moment ở vòng tua máy thấp, tăng độ nhạy nạp, tăng mức công suất của động cơ trên toàn dải tốc độ, tối đa hiệu suất của chu trình turbine, giảm mất áp suất trong thời điểm trùng điệp (thời điểm valve nạp và xả cùng mở) và nhiêt độ khí thải cũng được giảm xuống.

Các yếu tố kỹ thuật bắt buộc

Hệ thống turbo ống đép đòi hỏi phải đi kèm với bộ ống nạp chia đôi và bắt buộc các cylinder tương ứng phải được thiết kế với đường ống tương ứng. Ví dụ trên động cơ 4 cylinder thẳng hàng, cylinder có thứ tự đánh lửa là (1) và (3) phải có đường ống xả đi chung vào một ống turbine (ống nạp của turbo), và tương tự cho cylinder có thứ tự đánh lửa thứ (2) và (4) sẽ có đường ống xả đi chung vào ống turbine còn lại.

Hiện nay, hầu như tất cả các động cơ 4 cylinder thẳng hàng đều có thứ tự đánh lửa là 1-3-4-2. Theo đó, đối với bộ turbo ống kép, cylinder (1) và (4) sẽ có cùng đường ống xả và ống turbine thứ nhất, đối với cylinder (3) và (2) sẽ dùng chung ống turbine còn lại. Đối với động cơ 6 cylinder cũng sẽ tuân theo nguyên tắc bố trí như vậy: cylinder có thứ tự nổ thứ (1), (3) và (5) sẽ đi vào cùng một ống turbine, các cylinder có thứ tự nổ còn lại sẽ đi và ống thứ hai.

Thêm vào đó, để nối ghép hoàn thiện với turbo ống kép, các đường ống xả cần phải được thiết kế kỹ lưỡng để đạt được các độ dài và số đoạn uốn cong như nhau. Tương tự, phần mặt ghép nối giữa phần cuối của ống xả với đầu vào của turbo phải đạt độ tương thích cao về hình dáng và kích thước.

Giả sử ta sử dụng bộ turbo cánh kép nhưng sử dụng bộ đầu ống xả kiểu đơn giản dành cho loại turbo cánh đơn và ngược lại, hiệu quả mang lại sẽ không hơn không kép một hệt hống sử dụng turbo cánh đơn bình thường.

Bổ sung hiệu suất nạp

Trục động cơ phải quay góc 720 độ để hoàn thành hết một chu kỳ động cơ với 4 kỳ: nạp ,nén, nổ xả. Ở động cơ có 4 cylinder, tất cả các cylinder sẽ hoàn thành hết chu kỳ của mình với 2 vòng quay động cơ,tức là 720 độ. Điều này cũng đúng với động cơ 12 cylinder. Động cơ có càng nhiều cylinder thì góc lệch pha kỳ nổ của các cylinder càng nhỏ.

Ở động cơ 4 cylinder, kỳ nổ của mỗi cylinder diễn ra sau mỗi góc 180 độ của góc quay trục khuỷu. Tương tự cho các kỳ khác trong chu trình động cơ: nạp, nén và xả. Trên động cơ 6 cylinder, sẽ có nhiều kỳ nổ sẽ diễn ra hơn suốt 2 vòng quay động cơ, kết quả là các kỳ nổ lần lượt lệch pha nhau 1 góc 120 độ. Và điều tương tự trên động cơ 8 cylinder là 90 độ và đối với động cơ 12 cylinder là 60 độ trục khuỷu.

Vậy, góc lệch pha giữa mỗi cylinder có ý nghĩa gì? Nếu bạn đã có tìm hiểu về cách thức làm việc của trục cam, bạn sẽ hiểu ngay. Trục cam thường sẽ mở và đóng các van nạp/xả với một khoảng từ 256 đến 312 độ theo góc quay trục khuỷu.

Giả sử quá trình này diễn ra với độ dài là 280 độ góc quay trục khuỷu. Nếu kỳ xả/thải của động cơ 4 cyclinder thẳng hàng diễn ra cứ sau khoảng 180 độ, thời gian để piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên là 180 độ, vậy sẽ có 100 độ còn dư trong quá trình này. Nếu thứ tự nổ là 1-3-2-4, thử xét đến cylinder số 3. Khi piston (3) đang chuyển động xuống điểm chết dưới, van thải sẽ bắt đầu mở sớm. Ở thời điểm này, cylinder (1) bắt đầu đóng van xả và van nạp chuẩn bị mở ra để chuẩn bị cho kỳ nạp mới. Ở 50* đầu tiên khia van xả 3 mở, van xả 1 cũng đồng thời mở theo.

Khi cylinder (1) vừa xả hết khí thải  vầ đang trong quá trình đón van xả, van nạp (1) đang trong quá trình ở ra để bắt đầu kỳ nạp mới. Lúc đó, cylinder (3) đang trong kỳ xả và thải ra lượng khí mang động năng lớn. Trong khi phần lớn năng lượng và áp suất được tạo ra từ cylinder (3) được sử dụng để quay cánh turbine, một phần nhỏ năng lượng bị thất thoát do ma sát bề mặt, thất thoát cục bộ do hình dạng ốn dẫn…

Đối với bộ turbine không có đường vào được chia đôi, một phần khí xả do áp suất lớn sẽ đi ngược vào đường thải của cylinder (1) trong lúc van xả của cylinder (1) đang mở. Việc này hoàn toàn được giải quyết với loại turbine có họng nạp tách biệt. Vì lý do này, khi kỳ nạp của cylinder (1) bắt đầu, khí nạp bị trộng lẫn một phần với khí thải bị nhiễm từ cylinder (3), làm quá trình nổ xảy ra kém hiệu quả, từ đó kéo công suất cực đại của động cơ giảm xuống đáng kể.