Hệ thống siêu nạp: phân loại, cơ chế, ưu và nhược điểm

Như chúng ta đã biết, những khối động cơ đốt trong cũng thường được xem như là những máy bơm khí. Về cơ bản, nếu lượng khí lưu thông qua động cơ càng nhiều, máy sẽ sản sinh ra nhiều công suất và momen.

Việc hút thêm khí vào động cơ có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa các bộ phận nạp khí (cổ góp nạp khí, lọc gió) hay những thiết bị nén và hút khí cưỡng bức. Ngoài các hệ thống tăng áp thì hệ thống siêu nạp hiện có 3 kiểu cơ bản. Mời bạn đọc cùng Otoman tìm hiểu về chúng ngay trong bài viết dưới đây.

1. Hệ thống siêu nạp có nguồn gốc từ đâu?

Việc bổ sung hệ thống hút khí cưỡng bức bằng bộ tăng áp là khá phổ biến. Hệ thống tăng áp ban đầu được gọi là tăng áp siêu nạp (turbosupercharger) do chúng có sự tương đồng về mặt cấu tạo với một loại siêu nạp.

Tuy nhiên, từ những năm 1860, ý tưởng về hệ thống siêu nạp bắt đầu xuất hiện khi hai anh em Philander Roots và Francis Marion Roots lấy bằng sáng chế cho một thiết bị bơm khí được dùng trong lò cao. Kiểu bơm khí do hai anh em nhà Roots chế tạo được gọi là siêu nạp Roots. Thiết bị này về sau được sử dụng trên động cơ “hai thì“ đầu tiên của nhà thiết kế Dugald Clerk.

Đến năm 1885, việc lắp đặt hệ thống siêu nạp Roots trên xe hơi bắt đầu được áp dụng nhờ Gottlieb Daimler. Mặc dù rất nhiều xe cơ bắp Mỹ có trang bị hệ thống siêu nạp Roots, nhưng Mercedes lại là hãng xe sản xuất hàng đầu tiên.

Những mẫu xe của Mercedes được trang bị động cơ siêu nạp luôn được gắn mác Kompressor cho đến ngày nay.

Hiện nay, hệ thống siêu nạp có 3 kiểu phổ biến trong ngành công nghiệp xe hơi, bao gồm: siêu nạp Roots, siêu nạp vít kép và siêu nạp ly tâm (centrifugal supercharger). Mỗi kiểu siêu nạp sử dụng các phương pháp khác nhau để ép khí vào động cơ. Điểm tương đồng duy nhất giữa 3 kiểu siêu nạp là các hệ thống cơ học.

Khi lượng khí nạp vào động cơ tăng lên, nhiên liệu được thêm vào, dẫn đến công suất của động cơ tăng theo.

2. Siêu nạp Roots

Trong số 3 kiểu trên, siêu nạp Roots là loại lâu đời nhất. Bên trong một bộ siêu nạp Roots, bạn sẽ thấy được hai vấu đan vào nhau.

Tùy vào loại siêu nạp Roots, những vấu này sẽ có hình dạng khác nhau, ví dụ độ xoắn của vấu (hay thậm chí không có xoắn). Tuy nhiên, phần lớn các siêu nạp Roots dùng cho xe hơi đều có vấu xoắn để giảm độ rung lắc.

Siêu nạp Roots vận hành khi một vấu quay theo chiều kim đồng hồ và vấu còn lại quay ngược lại. Không khí được hút vào trong và được đẩy vào thành của vỏ bộ siêu nạp. Cần lưu ý rằng các vấu có thể không chạm nhau, nhưng khoảng cách giữa chúng phải đạt mức tối thiểu.

Với kiểu thiết kế trên, siêu nạp Roots giúp cải thiện momen xoắn tại dải vòng tua thấp rất hiệu quả. Tuy nhiên, những điểm yếu của siêu nạp Roots nằm ở kích thước, khối lượng lớn và hiệu suất thấp. Rất nhiều xe “hot-rod“ và xe cơ bắp cổ sử dụng siêu nạp Roots nhưng không được trang bị bộ làm mát khí nạp. Thậm chí, động cơ còn tốn một lượng công năng đáng kể để vận hành bộ siêu nạp này.

Do hiệu suất nhiệt của siêu nạp Roots thấp nên khí nạp vào động cơ có nhiệt độ cao. Khi khí nạp có nhiệt độ cao, động cơ không thể sản sinh công suất lớn (do không khí nóng không đặc như không khí mát).

3. Siêu nạp vít kép

Siêu nạp Roots và siêu nạp vít kép hoạt động tương tự nhau. Siêu nạp vít kép có 2 vít, nhưng cách vận hành lại hơi khác so với vấu của siêu nạp Roots.

Trong khi siêu nạp Roots hút khí từ trên đỉnh và nạp khí xuống bên dưới, thì siêu nạp vít kép lại hút khí bất kể từ phía trước hoặc phía sau, và nạp khí sang hai bên vỏ rồi đẩy xuống động cơ.

Đối với siêu nạp vít kép, khoảng cách dung sai giữa 2 rôtơ phải cực kỳ nhỏ để ngăn không cho không khí lọt qua (như vấu của siêu nạp Roots). Hai vít của siêu nạp vít kép còn được gọi là vít đực và vít cái (male and female rotor).

Khi hai vít này quay, vít đực đảm nhận công việc hút khí, trong khi vít cái thực hiện việc đẩy khí. Vít cái có nhiệm vụ đưa lượng khí nạp vào cổng ra của bộ siêu nạp, từ đó khí nạp sẽ được đẩy vào động cơ.

So với siêu nạp Roots, siêu nạp vít kép có kích thước nhỏ hơn đáng kể, không tốn quá nhiều năng lượng động cơ để vận hành, có hiệu suất nhiệt cao và dễ dàng làm mát khí nạp. Bên cạnh đó, siêu nạp vít kép còn giúp động cơ sản sinh nhiều công suất tại vòng tua thấp, từ đó giúp cho động cơ có cảm giác phản hồi chân ga tốt (do khí nạp được đưa vào động cơ là gần như ngay lập tức).

Roots và vít kép đều là các dạng siêu nạp tĩnh (positive displacement supercharger). Cả hai đều nạp một lượng khí cố định cho mỗi một vòng tua, trong khi siêu nạp ly tâm (dưới đây) lại không như vậy.

4. Siêu nạp ly tâm

Siêu nạp ly tâm có cơ chế hoạt động khá giống với tăng áp. Điểm chung của cả hai là việc chúng đều nạp khí bằng bánh công tác (impeller). Tất nhiên, bộ tăng áp vận hành bởi khí xả của động cơ, còn siêu nạp thì vận hành bởi lực kéo của động cơ.

Bánh công tác của siêu nạp ly tâm được thiết kế để quay theo tỷ lệ được định sẵn (so với puli dẫn động). Thiết kế này phần nào làm “hy sinh” công suất tại vòng tua máy thấp của siêu nạp ly tâm. Tuy vậy, khi bắt đầu quay, siêu nạp ly tâm lại có thể nạp lượng khí lớn và sản sinh lượng áp suất nạp lớn cho động cơ.

Một trong những điểm lợi của siêu nạp ly tâm nằm ở chỗ hệ thống làm mát khí nạp đi kèm rất dễ được lắp đặt.

Thông thường, siêu nạp Roots và vít kép được lắp trên đỉnh động cơ hoặc lắp trực tiếp với cổ góp nạp khí. Riêng siêu nạp ly tâm lại được lắp ở phần phía trước của động cơ. Do vậy, việc lắp đặt ống dẫn cho hệ thống làm nguội khí nạp cũng trở nên đơn giản hơn.

5. Tổng kết

Có thể nói, mỗi loại siêu nạp đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng. Phần lớn siêu nạp Roots không được sử dụng cho việc độ xe đường trường do kích thước, trọng lượng lớn và hiệu suất kém. Thay vào đó, chúng thường được sử dụng trên những dòng xe đua drag.

Ngược lại, siêu nạp ly tâm lại rất phổ biến với xe đường trường với khả năng giúp động cơ đạt công suất lớn. Riêng với những ai thích công suất lớn tại vòng tua máy thấp, siêu nạp vít kép sẽ là một lựa chọn không tồi.

Vậy nếu có một chiếc xe cơ bắp Mỹ, bạn sẽ lựa chọn loại siêu nạp nào cho dự án của mình? Hãy để lại bình luận của mình bên dưới nhé!