Tìm hiểu về động cơ xe đua (Turbo)

1/ Sự tiến hóa của động cơ

Ở bài trước Thể thao tốc độ đã giới thiệu về động cơ đốt trong. Nhiều giải đua xe, điển hình là MotoGP vẫn đang sử dụng động cơ này.

Thực ra F1 vẫn sử dụng động cơ này, tuy nhiên từ năm 2014, động cơ F1 có sự tiến hóa làm cho nó trở nên phức tạp hơn. Động cơ đốt trong bây giờ chỉ là một bộ phận của loại động cơ mới này. Để phân biệt thì người ta gọi động cơ mới là CỤC NĂNG LƯỢNG (POWER UNIT) hoặc là ĐỘNG CƠ LAI (HYBRID ENGINE) lý do là nó có 6 bộ phận chính:

-Động cơ đốt trong: Chính là động cơ mà chúng ta đã tìm hiểu trong bài trước

-Turbo tăng áp: Chính là bộ phận mà chúng ta sẽ tìm hiểu trong bài này.

Cộng với 4 bộ phận này chúng ta sẽ tìm hiểu ở các bài sau.

-MGU-H: Thiết bị thu hồi nhiệt năng

-MGU-K: Thiết bị thu hồi động năng

-Pin dự trữ

-Thiết bị điện tử

2/ Turbo để làm gì?

Nhiệm vụ của Turbo là làm tăng sức mạnh động cơ bằng các tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu cho động cơ. Có nghĩa là động cơ có Turbo sẽ tiêu thụ ít xăng hơn mà vẫn có thể đi được quãng đường bằng hoặc xa hơn động cơ thường.

3/ Làm thế nào để Turbo có thể làm được nhiều đó?

Nếu các bạn đã đọc bài tìm hiểu về động cơ đốt trong thì sẽ biết rằng động cơ đốt trong sẽ có 1 lối dẫn nhiên liệu (xăng và không khí) đi vào và 1 lối dẫn khí thải đi ra. Cho nên:

-Với lối dẫn khí thải ra: Do luồng khí thải được thổi ra với tốc độ rất lớn. Các nhà khoa học đã lợi dụng tính chất này để cho luồng khí thải này thổi vào 1 cái quạt turbo. Để làm gì thì các bạn hãy đọc tiếp.

-Với lối dẫn nhiên liệu đi vào: Các nhà khoa học cũng nhận ra là nếu để cả hỗn hợp xăng và không khí đi vào như vậy sẽ gây hao xăng cao. Lý do là tỷ lệ pha trộn giữa xăng và không khí chưa phải là tối ưu.

Nếu có thể tăng lượng không khí (với xăng vẫn như cũ) thì quá trình đốt sẽ hiệu quả hơn. Chính vì vậy họ tạo lối đi riêng cho xăng và không khí.

Không khí bây giờ được dẫn vào một máy nén để thổi vào buồng đốt. Thực chất máy nén chính là một cái máy (quạt) hút gió để hút nhiều không khí hơn mà thôi.

Nhưng máy nén này hoạt động như thế nào?

Đáp án chính là ở cái quạt turbo nói trên.

Các nhà khoa học kết nối cái quạt turbo này với cái máy nén khí sạch (bằng 1 cái trục) để khi cái quạt turbo quay thì máy nén khí cũng quay và nó hút không khí vào trong.

Nếu thấy khó hiểu thì các bạn hãy xem hình bên dưới

4/ Đường đi của không khí trong động cơ có turbo (hình trên)

Như vậy nếu không có turbo thì không khí chỉ đơn giản được hút vào động cơ một cách tự nhiên rồi cũng tự nhiên đi ra ngoài. Nhưng trong động cơ có turbo thì đường đi của không khí như sau:

-Không khí sẽ bị hút (bởi máy nén của turbo) để vào động cơ chính

-Nó sẽ đi qua một bộ phận làm mát trước khi đưa vào động cơ

-Không khí và xăng sẽ bị đốt tạo thành khí thải

-Khí thải được thổi qua máy xả của turbo trước khi thoát ra ngoài

5/ Cổng khí thải (wastegate) là gì?

Nhìn vào cái hình minh họa chắc bạn sẽ thắc mắc cái wastegate có tác dụng gì đúng không?

Rõ ràng nếu wastegate mở to thì một lượng khí thải sẽ thoát bằng đường đó chứ không đi qua turbo. Làm cho cái quạt quay chậm lại. Dẫn đến cái máy nén bên phía kia cũng quay chậm lại, không khí hút vào ít hơn. Từ đó làm giảm tác dụng của Turbo.

Nghe thì có vẻ tiêu cực, nhưng thực chất wastegate có một nhiệm vụ quan trọng là điều hòa hoạt động của turbo.

Vì nếu để turbo hoạt động tự do, liệu khi xui xẻo sẽ cháy turbo rồi cháy luôn động cơ thì sao. Lý do là không khí hút vào càng nhiều thì quá trình đốt càng tạo ra nhiều nhiệt làm cho động cơ càng nóng, áp suất càng cao. Đây là một tác dụng phụ của Turbo (Nói chung là cái gì quá cũng không tốt đúng không nào).

Chính vì thế wastegate có một cái van điều hòa. Có 1 cái ống nối từ máy nén tới cái van này.

Khi khí thải thổi quá nhiều vào turbo sẽ làm nó quay nhanh hơn bình thường, máy nén cũng sẽ tạo ra luồng khí có áp suất cao hơn, làm cho cái van sẽ mở ra, khí thải đi ra theo đường wastegate ra ngoài để giảm tải cho turbo

Ngược lại khi turbo hoạt đọng bình thường, áp suất bình thường thì cái van sẽ đóng. Khí thải hoàn toàn đi vào turbo.

Thông tin thêm là để tăng tiếng ồn cho động cơ thì FIA yêu cầu wastegate và ống thải của turbo phải tách riêng. Vì thế mà chúng ta thấy xe F1 ngày nay có (ít nhất) 2 ống xả.

6/ Turbo Lag

Turbo Lag là hiện tượng turbo không cung cấp đủ khí nén cho động cơ chính. Lý do thường là khi tay đua giảm ga =>động cơ chậm lại=>khí thải ít=>turbo quay ít=>khí sạch được hút vào ít hơn bình thường=>động cơ tăng sức mạnh chậm hơn.

Nếu không phải lý do để đua xe thì các tài xế bình thường có thể đợi cho turbo hoạt động mạnh dần lên ứng với quá trình tăng ga.

Nhưng với các tay đua xe thì đó là một điểm yếu phải khắc phục. Và các kỹ sư khắc phục nó bằng thiết bị MGU-H.

MGU-H có nhiệm vụ làm cho turbo vẫn quay trong trường hợp dòng khí thải không đủ mạnh (do giảm ga)=>nên turbo vẫn có thể hút đủ không khí vào động cơ chính.