(News.oto-hui.com) – Không có độ trễ, phản hồi ga tức thì, tăng thêm công suất và phục hồi năng lượng. Đây là những ưu điểm mà Turbo điện mang đến cho các xe đua Công thức 1. Và sẽ sớm thôi, công nghệ tăng áp hỗ trợ điện MGU-H sẽ sớm xuất hiện trên đường phố.
‘’Việc lắp thêm một turbo vào động cơ là một sự cân bằng. Một turbo lớn có thể đem lại công suất lớn hơn cho động cơ. Tuy nhiên, phải mất một khoảng thời gian thì turbo mới có thể hoạt động và việc đó sẽ tương đương với việc xe mất một khoảng thời gian để tăng tốc. Vì lí do này mà chúng ta cần phải tìm ra một giải pháp mới để giảm thiểu độ trễ này. Với một turbo điện, cả động cơ và turbo sẽ bỏ qua được độ trễ và chúng tôi có thể khai thác sức mạnh tối đa của khối động cơ xe đua F1‘’. – Trích lời của Craig Balis, Phó chủ tịch cấp cao của Garrett Motion kiêm Giám đốc công nghệ.
1. Độ trễ của turbo truyền thống:
Vì nó được kết nối trực tiếp với trục khuỷu, lợi ích chính của bộ tăng áp truyền động bằng dây đai là nó tạo ra phản ứng tức thì khi bạn nhấn ga. Mặt khác, cần một lượng năng lượng lớn để truyền động một bộ siêu nạp lớn. Trong cuộc đua drag, việc sử dụng một turbo lớn 14-71 Roots của Top Fuel dragster sẽ cung cấp từ 900 đến 1.000 mã lực ở mức 65 psi. Hệ thống ống xả tăng áp bắt buộc phải được thiết kế hiệu quả, tiêu thụ ít năng lượng , chủ yếu thông qua các hạn chế về đường dẫn khí thải.
Tuy nhiên, vấn đề chính đối với bộ tăng áp là thời gian trễ giữa thời điểm mở bướm ga và khi khí xả có thể “quay” tăng áp – cái mà các kỹ sư và tay đua gọi là “độ trễ tăng áp” hoặc “thời gian phản hồi tạm thời”. Turbo càng lớn thì độ trễ càng lớn.
Một turbo nhỏ có thể làm giảm độ trễ, nhưng điều này làm ảnh hưởng đến sức mạnh của động cơ. Tua bin với VGT vẫn là một giải pháp tạm thời. Bên cạnh đó, có một giải pháp khác là sử dụng nhiều tuabin nhỏ hơn song song hoặc thậm chí nhiều tuabin lắp nối tiếp. Điều này làm tăng thêm chi phí và sự phức tạp.
Volkswagen đã từng sản xuất động cơ 1.4L (85ci) với cả bộ tăng áp và bộ siêu nạp dẫn động bằng dây đai, cung cấp phản ứng tức thì từ bộ siêu nạp và sức mạnh cấp cao nhất từ bộ tăng áp.
Được gọi là VW “Twincharger”, động cơ này tạo ra nhiều mô-men xoắn hơn động cơ hút khí tự nhiên 2.3L sử dụng ít nhiên liệu hơn 20%.
Động cơ Twincharger đã được trao danh hiệu “Động cơ của năm” trong cả năm 2009 và 2010. Nhưng thật không may, với cả tăng áp và siêu nạp, động cơ này rất tốn kém để sản xuất. Cuối cùng, Volkswagen đã thay thế nó bằng một bộ tăng áp đơn ít tốn kém hơn mặc dù hiệu suất tổng thể giảm nhẹ.
2. Hệ thống siêu nạp sử dụng năng lượng điện:
Sự phát triển tiếp theo trong việc hạn chế độ trễ turbo là thay thế bộ siêu nạp (dẫn động bằng dây đai phụ) bằng một bộ siêu nạp (dẫn động bằng điện) được sử dụng cùng với bộ tăng áp.
Một ví dụ là hệ thống eBooster của BorgWarner, loại bỏ độ trễ của turbo và cho phép xác định kích thước turbo để đạt công suất cực đại.
- Ứng dụng thương mại đầu tiên cho eBooster sẽ là động cơ Mercedes Benz 3L S-class 2021. Bộ siêu nạp được điều khiển bởi một động cơ điện tốc độ cực cao DC không chổi than tiên tiến.
3. Nguồn gốc của E-turbo:
Điều gì sẽ xảy ra nếu ta có thể tăng tốc độ tuabin ngay từ lúc những vòng tua thấp để khắc phục độ trễ không phải bằng bộ tăng áp phụ mà bằng cách quay ngay tuabin của bộ tăng áp với một động cơ điện tương đối nhỏ nhưng cực kỳ mạnh mẽ?
Điều gì sẽ xảy ra nếu có thể tái sử dụng nhiệt thải và sử dụng nó để sạc lại hệ thống điện đã tiêu thụ để làm quay các cánh quạt của turbo?
Các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp Turbo như Garrett Motion, BorgWarner, Mitsubishi, và những người khác đã nghĩ về ý tưởng về e-turbo (Turbo điện) trong nhiều năm.
Turbodyne hợp tác với Honeywell International sau đó đã phát triển và cấp bằng sáng chế cho các động cơ turbo điện vào đầu năm 1995, chủ yếu để giải quyết lượng khí thải Detroit Diesel hai kỳ trên xe buýt Greyhound.
Nhưng phải đến những năm đầu của thế kỷ 21 khi bộ tăng áp trở nên phổ biến trên nhiều mẫu xe (không chỉ các mẫu xe cao cấp), ngành công nghiệp này mới thực sự quan tâm đến e-turbo (turbo điện) khi giá xăng trên toàn thế giới – đặc biệt là ở châu Âu – bắt đầu tăng cao.
Do đó, phải cần đến những phát triển mới về động cơ điện và pin công nghệ cao, cộng với sự tác động lớn từ giải đua xe Công thức 1, mới có thể thực sự khởi động ý tưởng này. Và Garrett Motion hợp tác với Scuderia Ferrari, vận dụng 65 năm kinh nghiệm của mình trong hệ thống tăng áp cùng các thử nghiệm hỗ trợ tăng áp turbo điện sử dụng trên khung gầm và động cơ F1 của Ferrari.
4. Hệ thống turbo hỗ trợ điện không có độ trễ.
Đây là một bộ tăng áp hybrid thực sự (thường được gọi là “e-turbo” – Turbo điện) kết hợp bộ tăng áp truyền thống với một động cơ điện tốc độ cao để quay bộ tăng áp theo tốc độ, tạo ra sức mạnh ngay lập tức khi bạn mở bướm ga (chính xác như một bộ siêu tăng áp nhưng không có lực ma sát của dây đai, ròng rọc hoặc ma sát của rôto siêu nạp).
Tốc độ trục tăng áp hiện được điều chỉnh bởi một động cơ điện và không còn phụ thuộc vào việc tăng áp suất khí xả như trong vòng phản hồi tuabin-máy nén truyền thống.
Giải quyết vấn đề độ trễ cung cấp một lợi thế quan trọng khác cho bộ tăng áp turbo điện như: Một e-turbo có không phải lo lắng về độ trễ. Điều này áp dụng cho cả xe đua hoặc bất kỳ xe phổ thông lẫn cao cấp trên đường phố.
5. Tái sử dụng nhiệt đã bị mất do khí thải:
Động cơ của turbo điện cũng có chức năng như một máy phát điện để làm chậm turbo để điều khiển tăng áp bằng cách đảo ngược mô-men xoắn. Năng lượng dư thừa trước đây bị lãng phí khi cửa xả mở ra, thay vào đó sẽ được sạc lại pin.
Khi năng lượng được lưu trữ trong pin, dù trong đua xe hay trên chạy bình thường trên đường phố, kiểu “lai tạo” như vậy không chỉ tăng thêm sức mạnh mà còn giúp tiết kiệm xăng.
6. Mô tơ điện dùng trong turbo điện:
Công nghệ E-turbo phát triển ngày càng mạnh nhờ những cải tiến lớn trong công nghệ động cơ điện không chổi than và hệ thống điện công suất cao của xe hybrid mới. Công nghệ này ban đầu được phát triển cho các ứng dụng hàng không vũ trụ, nơi mà chi phí không phải là vấn đề. Vì vậy, để làm cho tất cả điều này khả thi trong việc sử dụng ô tô phổ thông là tìm ra cách thương mại hóa công nghệ này với mức giá hợp lý cho người tiêu dùng đại chúng.
Trước tiên, Garrett giải thích về động cơ điện: “Động cơ điện phải càng nhỏ gọn càng tốt để có thể kiểm soát được động lực của rôto. Vì vậy, bắt buộc phải có được càng nhiều công suất càng tốt từ một động cơ nhỏ để cho phép turbo có cùng dải tốc độ. Trong một số trường hợp có thể lên tới 250.000 vòng/ phút trên các e-turbo nhỏ hơn. Vật liệu hiếm và tần số chuyển mạch cao là những thứ ta cần cân nhắc sử dụng, để tăng mật độ công suất tối đa trong các kích thước giới hạn”.
Garrett cho biết nên tập trung vào việc chuyển nhu cầu này từ các ứng dụng hàng không vũ trụ (chi phí cao) sang các ứng dụng công nghiệp hóa có thể sử dụng được trong ô tô.
7. Điện đầu ra ở Turbo điện:
Những chiếc xe đua F1 sử dụng hệ thống điện 800 volt. Hãy nhớ rằng định nghĩa công suất là lượng năng lượng được truyền trên một đơn vị thời gian.
Đối với động cơ đốt trong, công suất là năng lượng hóa học từ nhiên liệu được chuyển đổi thành năng lượng cơ học trên một đơn vị thời gian gọi là mã lực.
Đối với động cơ điện, công suất là năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học trên một đơn vị thời gian, được biểu thị trong hệ thống ISO là “Watts” (W) —mà cũng là biểu thức số liệu truyền thống của “mã lực”. Mối tương quan là 1 W = 0,00134102 hp.
Để tìm công suất điện tính bằng Watts (W), ta nhân điện áp (V) với cường độ dòng điện (A): W = V x A.
a. Motor 48V có thể được sử dụng rộng rãi:
Về con số thực tế, hệ thống tăng áp điện tử đầu tiên của BorgWarner sử dụng công suất cực đại là 17 kW.
- 1 kW (kilowatt) tương đương với 1.000 watt, vì vậy 17 kW tương đương với 17.000 W hoặc khoảng 22,8 mã lực.
Hơn thế nữa, BorgWarner đang sử dụng động cơ e-turbo 400/800 V, sản sinh công suất từ 6 đến 34 kW (khoảng 8 đến 45,6 mã lực) ở công suất tối đa.
Với các hệ thống 48 volt này, hiện đã sẵn sàng cho việc hòa nhập và thiết lập 400 volt công suất cao đã được sử dụng trong một số xe hybrid, bộ tăng áp điện trở thành một lựa chọn thiết thực mà không cần phải thiết kế lại xe nữa.
8. Nghiên cứu điển hình về chuyển động của E-Turbo (Turbo điện):
Garrett đã cho thấy sự cải thiện đáng kể khi chuyển từ turbo thông thường sang turbo điện.
Ở tốc độ động cơ thấp, 1.500 vòng/ phút, mô-men xoắn theo mục tiêu đã đạt được trong 1 giây so với 4,5 giây ở mô hình sản xuất hiện tại. Công suất định mức tăng 16%, mô-men xoắn tăng 10,5% và thời gian tăng tốc từ 60 đến 100 km/h giảm từ 11 giây xuống 8,8 giây, cải thiện 25%.
Garrett tin rằng nó có lợi thế hơn so với các đối thủ cạnh tranh do tích hợp chặt chẽ các thuật toán điều khiển tăng tốc trong các Mô-đun điều khiển động cơ (ECM) hiện có cũng như giám sát thời gian thực của toàn bộ “vòng lặp trên không” của xe trong thời gian thực.
9. BorgWarner E-Turbo:
BorgWarner đã thử nghiệm công nghệ e-turbo trên chiếc Porsche Boxster 718S 2017 được trang bị bộ tăng áp VGT sản xuất tiêu chuẩn trên động cơ 4 xi-lanh 2.5L.
Giống như xe đua F1, e-turbo quay trục tua-bin để cung cấp khả năng tăng tốc tức thời, đồng thời hoạt động như một máy phát điện để chuyển nhiệt năng thành điện năng và sạc pin dự trữ.
Sau đó, pin có thể cung cấp năng lượng cho một động cơ điện khác được kết nối với turbo để bổ sung mô-men xoắn và công suất cho xe.
Và E-turbo lớn hơn so với turbo thông thường tiêu chuẩn mà nó thay thế vì không có độ trễ, giúp tăng sức mạnh không chỉ ở phần đầu mà còn trên toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ.
Tóm lại, quá trình chuyển đổi e-turbo điện đã tạo ra:
- 400 mã lực bánh sau (cải thiện 11% so với turbo thông thường).
- 610 N.m mô-men xoắn bánh sau (cải thiện 36%).
- Thời gian để đạt được mô-men xoắn cao trong vòng chưa đầy 0,5 giây ở bất kỳ tốc độ động cơ nào (cải thiện 200 đến 700 %).
- Tốc độ tăng tốc từ 33 km/h đến 80 km/h nhanh hơn khoảng 0,5 giây.
BorgWarner nhận thấy e-turbo điện trong thị trường động cơ xăng 1.5-4L thì thường là khách hàng thích động cơ có hiệu suất cao với tăng áp cao hơn là động cơ phân khối lớn hơn với nhiều xi-lanh hơn. Họ cho biết chiếc xe đầu tiên có công nghệ e-turbo dự kiến sẽ được phát hành vào năm 2023.
Hơn thế nữa, BorgWarner đang nghiên cứu các cấu hình e-turbo tạo ra tối đa 125 kW (67 mã lực) và 80 kW (107 mã lực) liên tục. Như đã lưu ý trước đây, khi không được sử dụng để tăng tốc e-turbo điện, trong điều kiện không tăng tốc, năng lượng điện dư thừa có thể được thu hồi trở lại vào bộ truyền động hoặc hoạt động hiệu quả như một máy phát điện để sạc lại pin.
10. Liệu xe sử dụng động cơ với E-turbo điện giá có cao?
Đầu tiên e-turbo điện sẽ được trang bị trên các xe hiệu suất cao, dần dần nó sẽ được trang bị trên các mẫu xe phổ thông và tất nhiên là giá thành cũng sẽ hạ dần. Đây có lẽ sẽ là biện pháp để duy trì động cơ đốt trong, giúp nó không bị bài trừ.
Bài viết liên quan:
- Bộ tăng áp E-Turbo trên động cơ siêu xe Mercedes-AMG ONE có gì đặc biệt?
- Sự khác nhau giữa Turbo ống xả cuộn đơn và cuộn kép – (Single-scroll Turbo vs Twin-scroll Turbo)
- Độ trễ turbo là gì và cách khắc phục
