Trận chiến không hồi kết giữa động cơ tăng áp và hút khí tự nhiên

Kể từ khi chiếc xe Clio Renault Sport ngừng sản xuất, các mẫu xe hot hatch đã không còn sử dụng động cơ hút khí tự nhiên nữa. Tương tự, M3 cùng với 118i và 120i là những mẫu xe BMW cuối cùng nói không với tăng áp. Rõ ràng, xu hướng chung của thế giới xe là giảm kích thước động cơ, lược bỏ xi lanh và thêm một (hoặc thậm chí hai) bộ tăng áp.

Trong tương lai, chúng ta có thể sẽ chứng kiến sự khai tử của động cơ đốt trong hút khí tự nhiên. Dù gì đi nữa, sẽ rất khó lòng chấp nhận được sự biến mất của tua máy cao, độ phản hồi chân ga sắc bén và tiếng pô uy lực từ hệ thống xả – những điều mà động cơ hút khí tự nhiên mang lại.

Tuy nhiên, Ferrari và Aston Martin vẫn đi theo lựa chọn hút khí tự nhiên với chiếc F12 và One-77. Sự ra mắt của hai mẫu động cơ này đã phần nào cho thấy tại sao các hệ thống nạp khí cưỡng bức (force induction) không thể dành ưu thế hoàn toàn. Thế nhưng, chúng cũng rất có thể sẽ là những sản phẩm cuối cùng cho một khái niệm sắp trở thành dĩ vãng...

Chúng ta đều hiểu rõ tại sao tăng áp lại chiếm lĩnh thị trường. Trong các bài kiểm tra tiêu thụ nhiên liệu, động cơ nhỏ hơn đương nhiên sẽ tiêu thụ ít nhiên liệu hơn. Chúng hoạt động hiệu quả hơn, có ma sát và mức hao hụt nhiệt năng thấp hơn. Điều quan trọng là, mức tiêu thụ nhiên liệu đi đôi với mức phát thải CO2 (xăng cháy tạo thành CO2 và H2O). Do đó, cả chi phí nhiên liệu và thuế phát thải thấp hơn sẽ đẩy lựa chọn của khách hàng lệch qua phía động cơ tăng áp.

Với một động cơ tăng áp, bạn chọn hy sinh âm thanh phấn khích và phản hồi chân ga (của động cơ hút khí tự nhiên) để đổi lấy một cỗ máy thiếu đi sự nhạy bén. Thậm chí, nếu bạn ép một động cơ tăng áp nhỏ hoạt động quá mức, mức tiêu thụ nhiên liệu cũng sẽ không khá hơn động cơ hút khí tự nhiên là bao. Thế nhưng, động cơ tăng áp lại có một số lợi thế khác. Chúng khá nhỏ và nhẹ, cho phép nhà sản xuất lắp đặt dễ dàng hơn và giúp xe nhẹ hơn. Bên cạnh đó, chúng cũng rẻ hơn động cơ với nhiều xi lanh, từ đó tiết kiệm chi phí cho các nhà sản xuất.

Rõ ràng, động cơ tăng áp có vẻ như đang dần giành được chiến thắng. Tuy nhiên trên thực tế, trong hơn một thập kỷ qua, đã có rất nhiều sự cạnh tranh (dù là nhỏ lẻ) khi động cơ tăng áp và hút khí tự nhiên luôn ganh đua từng chút trong việc liên tục cải tiến để khắc phục các yếu điểm.

Để đạt được mức momen cực đại như động cơ tăng áp, động cơ hút khí tự nhiên được áp dụng thêm các biện pháp thông minh. Ví dụ, Volkswagen tạo ra động cơ VR6 với 6 xi lanh, nhưng vẫn lọt vừa vào không gian của khoang động cơ I4. Ngoài ra, góc pha trục cam (cam phasing) của hệ thống van biến thiên cũng có thể được nới rộng, kết hợp với khả năng điều chỉnh góc trùng điệp (valve overlap) của động cơ.

Công nghệ này cho phép động cơ tạo ra công suất ở tua máy cao, momen ở tua máy trung bình và mức phát thải thấp ở tua máy thấp. Về khía cạnh này, hai hệ thống VTEC của Honda và VVC của Rover được coi là đã đi tiên phong từ lâu.

Nếu như động cơ hút khí tự nhiên luôn cố gắng tạo ra nhiều momen hơn thì ở chiều ngược lại, việc loại bỏ hiện tượng trễ tăng áp (turbo lag) là ưu tiên của các động cơ tăng áp. Hệ thống chống trễ tăng áp (anti lag) cho các động cơ xe đua rally (như trên chiếc Mitsubishi Evo) có khả năng phun hòa khí vào hệ thống xả khi nhả ga. Lượng hòa khí này bắt cháy ở nhiệt độ rất cao, nhờ đó tạo ra thêm áp lực để vận hành bộ tăng áp một cách trơn tru. Mặc dù vậy, hệ thống này lại làm tiêu hao thêm nhiên liệu và hại động cơ, do đó không phù hợp để sản xuất đại trà.

Bộ tăng áp nhỏ là lựa chọn lý tưởng cho phản hồi chân ga sớm hơn, nhưng lại không cho ra hiệu suất cao ở vòng tua cao như các bộ tăng áp lớn hơn. Vì vậy, trên một số dòng xe đường trường, động cơ sử dụng hệ thống nạp khí gồm hai bộ tăng áp hoặc hệ thống tăng áp cuộn kép (twin-scroll). Hệ thống này chia đôi các đường xả từ các xi lanh, giúp tăng hiệu suất cho cánh tuabin ở vòng tua thấp.

Một giải pháp khác là trang bị thêm cho động cơ một bộ siêu nạp nhỏ để máy thoát hơn ở vòng tua thấp. Tuy nhiên, điểm yếu của cấu hình này là việc bộ siêu nạp lại làm tiêu hao cơ năng ở vòng tua cao. Do đó, các động cơ Twincharged 1.4 của Volkswagen và CX75 của Jaguar được thiết kế để ngắt kết nối (declutch) bộ siêu nạp ở vòng tua cao, từ đó “giao phó” nhiệm vụ tăng áp suất nạp cho bộ tăng áp. Đây là những công nghệ hết sức phức tạp mà Otoman sẽ giới thiệu tới bạn đọc trong những bài viết sau.

Giải pháp phổ biến nhất hiện nay cho động cơ tăng áp là sử dụng các bộ tăng áp biến thiên hình học (variable-geometry). Chúng có khả năg thay đổi góc nghiêng của vách hướng dòng khí thải (exhaust vane), do đó có thể tối ưu hóa dòng khí thải ở mọi dải vòng tua. Hệ thống này được áp dụng đầu tiên cho động cơ diesel, nhưng từng thất bại khi được đưa lên động cơ xăng (do nhiệt lượng lớn hơn). Tuy nhiên, các vật liệu cải tiến đã giúp khắc phục hoàn toàn vấn đề này kể từ mẫu xe Porsche 997 Turbo.

Quay lại với động cơ hút khí tự nhiên, một phương pháp giúp giải quyết vấn đề thiếu hụt momen là sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp (direct fuel injection). Do nhiên liệu chỉ được phun ngay trước khi đánh lửa, động cơ sẽ chịu được áp suất nén lớn hơn mà không sợ kích nổ. Cụ thể, động cơ SkyActiv của Mazda đã có thể đẩy tỷ số nén lên đến 14:1, từ đó giúp tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu. Nếu kết hợp công nghệ này với hệ thống van biến thiên đầy đủ (như BMW đã làm trên các động cơ I4 và I6 NA cũ), bạn sẽ có một động cơ tuyệt vời.

Động cơ tăng áp thường không chạy ở tua máy cao. Điều này là không cần thiết vì lượng momen xoắn cao ở vòng tua thấp là đã quá đủ để xe chuyển lên số cao rồi. Ngoài ra, hệ thống phun xăng trực tiếp mà có thể hoạt động ở vòng tua trên 6,500 rpm thì cũng tương đối đắt đỏ.

Rồi chúng ta sẽ phải tiếc nuối cho những động cơ hút khí tự nhiên với âm thanh uy lực và phản hồi sắc bén. Ngày nay, dù cho hiện tượng trễ tăng áp đã được triệt tiêu khá nhiều trên động cơ tăng áp (vẫn còn một chút “lợn cợn” ở chân ga), phản hồi tức thì của động cơ hút khí tự nhiên vẫn luôn là điều mà bạn sẽ không bao giờ quên được một khi đã trải nghiệm nó.

Cuối cùng là câu chuyện của âm thanh. Bạn có thể cho rằng tiếng động cơ I6 tăng áp vẫn đủ hấp dẫn khi so với V8 NA – sự thay đổi mà BMW đã thực hiện trên M135i. Thế nhưng, vấn đề là không nhiều người chạy xe với động cơ I6, mà phần lớn lại sử dụng động cơ với 4 xi lanh.

Bộ tăng áp là một trong những nguyên nhân gây cản trở dòng khí thải, do đó phần nào làm giảm đi tiếng nổ của động cơ. Chưa hết, với xu hướng thu nhỏ kích thước động cơ, tiếng nổ nhàm chán của động cơ I4 rồi sẽ dần thay thế cho âm thanh của các khối I5 hay I6.

Còn bạn, bạn là fan của động cơ hút khí tự nhiên hay động cơ tăng áp? Hãy cho Otoman biết dưới phần bình luận nhé!