Turbo và siêu nạp (supercharger) đều là cách nén thêm không khí vào xi-lanh để đốt được nhiều nhiên liệu hơn, từ đó tăng công suất mà không cần động cơ to hơn. Khác nhau ở nguồn năng lượng: turbo quay nhờ khí thải, siêu nạp quay nhờ dây đai nối thẳng trục khuỷu. Động cơ hút khí tự nhiên thì không nén gì cả, chỉ hút không khí theo áp suất khí quyển — phản ứng ga tức thì, tiếng máy rõ, nhưng muốn mạnh phải tăng dung tích hoặc vòng tua.
Nguyên lý chung: công suất đến từ không khí
Động cơ xăng đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu theo tỉ lệ gần cố định, khoảng 14,7 phần không khí trên 1 phần xăng theo khối lượng. Muốn đốt thêm xăng để có thêm công suất thì phải có thêm không khí. Có ba cách:
- Tăng dung tích — xi-lanh to hơn, nhiều xi-lanh hơn. Đơn giản nhưng nặng, tốn nhiên liệu.
- Tăng vòng tua — động cơ hút nhiều lượt hơn mỗi phút. Cần chi tiết nhẹ, chính xác, đắt.
- Nén không khí — nhồi nhiều không khí hơn vào cùng một xi-lanh. Đây là việc của turbo và siêu nạp, gọi chung là "tăng áp" (forced induction).
Áp suất tăng thêm gọi là "boost", thường đo bằng bar hoặc psi. Động cơ xe phổ thông tăng áp thường chạy boost khoảng 1 bar, nghĩa là gần gấp đôi lượng không khí so với hút tự nhiên — trên lý thuyết.
Turbo: tận dụng năng lượng khí thải
Bộ turbo gồm hai bánh cánh quạt trên cùng một trục. Khí thải nóng từ động cơ thổi quay bánh tua-bin; bánh nén ở đầu bên kia quay theo, hút và nén không khí đưa vào động cơ. Trục turbo có thể quay hơn 100.000 vòng/phút, nhiều loại lên tới khoảng 200.000 vòng/phút.
Các bộ phận đi kèm
- Intercooler (két làm mát khí nạp): không khí bị nén thì nóng lên, mà khí nóng loãng hơn và dễ gây kích nổ. Intercooler làm mát khí trước khi vào động cơ.
- Van xả (wastegate): mở cho một phần khí thải đi tắt qua tua-bin để giới hạn boost, tránh áp suất quá cao làm hỏng máy.
- Van xả áp (blow-off valve): khi nhả ga đột ngột, xả bớt áp suất bị dồn trong đường nạp. Tiếng "xì" quen thuộc của xe độ là tiếng van này.
Độ trễ turbo (turbo lag)
Điểm yếu cố hữu của turbo: khi đạp ga ở vòng tua thấp, khí thải chưa đủ mạnh để quay turbo nhanh, nên công suất đến muộn một nhịp rồi ập tới. Xe turbo thập niên 1980 nổi tiếng với kiểu "chậm chậm rồi vọt". Các cách khắc phục đời mới:
- Turbo nhỏ, nhẹ quay nhanh hơn; hai turbo cỡ khác nhau chạy nối tiếp (sequential).
- Turbo cánh biến thiên (VGT), đổi góc dòng khí theo vòng tua — phổ biến trên máy dầu, Porsche 911 Turbo đời 997 (2006) là một trong những xe xăng đầu tiên dùng.
- Turbo hai luồng (twin-scroll) tách xung khí thải của các xi-lanh.
- Turbo trợ điện: một mô-tơ điện nhỏ trên trục turbo quay sẵn trước khi khí thải đủ mạnh. Mercedes-AMG đưa công nghệ này từ F1 xuống xe đường phố.
- Mô-tơ điện của hệ hybrid "lấp" khoảng trống mô-men xoắn ở vòng tua thấp.
Siêu nạp: tức thì nhưng tốn sức
Bộ siêu nạp nối với trục khuỷu bằng dây đai hoặc bánh răng. Động cơ quay bao nhiêu thì máy nén quay theo bấy nhiêu, nên boost có ngay từ vòng tua thấp, không có độ trễ kiểu turbo. Cái giá: máy nén lấy một phần công suất của chính động cơ để chạy — gọi là tổn hao ký sinh. Ở bộ siêu nạp lớn, phần này có thể lên tới hàng chục mã lực.
Ba kiểu siêu nạp chính:
- Roots: hai rô-to dạng thuỳ đẩy khí, kiểu lâu đời nhất, hay thấy nhô lên giữa nắp máy xe cơ bắp Mỹ.
- Trục vít đôi (twin-screw): hai trục xoắn ăn khớp, nén khí bên trong, hiệu suất tốt hơn Roots.
- Ly tâm: hình dáng giống nửa nén của turbo nhưng quay bằng dây đai; boost tăng dần theo vòng tua.
Siêu nạp từng phổ biến trên xe Mercedes đời "Kompressor", xe Jaguar, Land Rover động cơ V8, và xe cơ bắp Mỹ như Dodge Challenger Hellcat. Do tiêu chuẩn khí thải ngày càng chặt, nhiều hãng đã chuyển sang turbo hoặc turbo kết hợp điện.
Động cơ hút khí tự nhiên: thứ đang hiếm dần
Động cơ hút khí tự nhiên (naturally aspirated, viết tắt NA) không có máy nén nào. Ưu điểm mà người mê lái quý:
- Phản hồi ga tức thì và tuyến tính: nhấn bao nhiêu, xe đáp lại bấy nhiêu, dễ đoán khi vào cua.
- Âm thanh: không có tua-bin chắn đường khí thải, tiếng máy rõ và cao, nhất là ở động cơ vòng tua cao.
- Đơn giản, bền: ít chi tiết chịu nhiệt và áp suất cao.
Những động cơ NA nổi tiếng thường quay rất cao: Lexus LFA với V10 4,8 lít lên khoảng 9.000 vòng/phút; Gordon Murray T.50 với V12 3,9 lít do Cosworth chế tạo quay tới khoảng 12.100 vòng/phút; Ferrari 812 Superfast dùng V12 6,5 lít hút khí tự nhiên, công suất khoảng 800 mã lực. Porsche vẫn giữ động cơ sáu xi-lanh NA cho các bản 911 GT3.
Nhược điểm: muốn mạnh thì phải to hoặc quay cao, khó đạt tiêu chuẩn khí thải và tiêu thụ nhiên liệu. Đó là lý do phần lớn xe mới hiện nay, từ xe nhỏ đến siêu xe, đều dùng turbo.
Bảng so sánh ba cách tạo công suất
| Tiêu chí | Hút khí tự nhiên | Turbo | Siêu nạp |
|---|---|---|---|
| Nguồn quay máy nén | Không có máy nén | Khí thải | Dây đai/bánh răng từ trục khuỷu |
| Phản hồi ga | Tức thì, tuyến tính | Có thể trễ ở vòng tua thấp | Gần như tức thì |
| Hiệu suất nhiên liệu | Trung bình | Tốt nhất (tận dụng năng lượng thải) | Kém hơn turbo do tổn hao |
| Nhiệt và độ phức tạp | Thấp | Cao (nhiệt khí thải, dầu bôi trơn trục) | Trung bình |
| Âm thanh | Rõ, cao | Trầm hơn, có tiếng hú turbo | Có tiếng rít đặc trưng |
| Xu hướng hiện nay | Hiếm dần, giữ ở xe thuần lái | Phổ biến nhất | Ít dần |
Mốc lịch sử đáng nhớ
- Đầu thế kỷ 20: kỹ sư Thụy Sĩ Alfred Büchi được cấp bằng sáng chế về tăng áp bằng khí thải (khoảng năm 1905).
- Thập niên 1920–1930: siêu nạp phổ biến trên xe đua Grand Prix và xe sang, như Mercedes-Benz SSK, Bentley "Blower".
- Thập niên 1920–1940: turbo và siêu nạp phát triển mạnh trên động cơ máy bay để bù không khí loãng ở độ cao.
- 1962: Oldsmobile Jetfire và Chevrolet Corvair Monza Spyder là những xe con sản xuất hàng loạt đầu tiên dùng turbo.
- 1974–1975: Porsche 911 Turbo (mã 930) ra đời, gắn chữ "Turbo" với siêu xe.
- 1977: Renault đưa động cơ turbo vào F1; đến giữa thập niên 1980, động cơ turbo F1 bản vòng loại được cho là vượt 1.000 mã lực, rồi bị cấm từ mùa 1989.
- Thập niên 2010: trào lưu "downsizing" — động cơ nhỏ lại, gắn turbo — lan rộng do tiêu chuẩn khí thải. F1 quay lại turbo kết hợp hybrid từ năm 2014.
Turbo kép và nạp kép
"Twin-turbo" là hai turbo, có thể chạy song song (mỗi turbo phục vụ một dãy xi-lanh của động cơ chữ V) hoặc nối tiếp. "Twincharger" là kết hợp cả siêu nạp lẫn turbo: siêu nạp lo vòng tua thấp, turbo lo vòng tua cao. Lancia Delta S4 trong rally Group B giữa thập niên 1980 là ví dụ nổi tiếng; Volkswagen từng dùng giải pháp này trên động cơ 1.4 TSI.
Góc nhìn hôm nay: sống chung với xe turbo
Phần lớn xe mới bán tại Việt Nam hiện nay dùng động cơ turbo dung tích nhỏ. Vài thói quen giúp turbo bền hơn:
- Dùng đúng loại dầu nhớt theo sách hướng dẫn và thay đúng hạn. Trục turbo quay rất nhanh, được bôi trơn và làm mát bằng dầu máy; dầu kém hoặc quá hạn là nguyên nhân hàng đầu làm hỏng turbo.
- Đừng ép máy khi còn nguội: mấy phút đầu nên chạy nhẹ nhàng cho dầu đạt nhiệt độ.
- Sau đoạn chạy tải nặng (leo đèo dài, kéo tải), để máy nổ không tải chừng nửa phút đến một phút trước khi tắt giúp turbo nguội bớt. Nhiều xe đời mới có bơm làm mát chạy sau khi tắt máy nên việc này bớt quan trọng hơn trước.
- Dùng xăng đúng chỉ số octan hãng khuyến nghị — động cơ tăng áp dễ kích nổ hơn.
- Cẩn thận với "remap" tăng boost: tăng công suất vượt thiết kế có thể làm giảm tuổi thọ động cơ, hộp số, và ảnh hưởng điều kiện bảo hành, khí thải khi đăng kiểm.
Muốn nghe sự khác biệt bằng tai, hãy so một chiếc xe NA vòng tua cao với một chiếc turbo cùng phân khúc ở các video thử xe có thu âm tốt — sự khác nhau về tiếng máy và độ "trễ" ga dễ nhận ra hơn mọi bảng số liệu.
Câu hỏi thường gặp
Turbo và supercharger khác nhau thế nào?
Cả hai đều nén không khí vào động cơ để tăng công suất. Turbo quay nhờ khí thải nên tiết kiệm nhiên liệu hơn nhưng có thể trễ ở vòng tua thấp. Supercharger (siêu nạp) quay bằng dây đai từ trục khuỷu nên phản ứng tức thì nhưng lấy bớt công suất của động cơ.
Turbo lag là gì?
Turbo lag là độ trễ giữa lúc đạp ga và lúc turbo tạo đủ áp suất, vì khí thải ở vòng tua thấp chưa đủ mạnh để quay turbo nhanh. Xe đời mới giảm hiện tượng này bằng turbo nhỏ, turbo cánh biến thiên, turbo trợ điện hoặc mô-tơ hybrid hỗ trợ.
Động cơ hút khí tự nhiên là gì?
Đó là động cơ chỉ hút không khí theo áp suất khí quyển, không có turbo hay siêu nạp. Ưu điểm là phản hồi ga tức thì, tiếng máy rõ và cấu tạo đơn giản. Nhược điểm là muốn mạnh phải tăng dung tích hoặc vòng tua, khó đạt tiêu chuẩn khí thải mới.
Xe turbo có bền không?
Turbo đời mới khá bền nếu dùng đúng dầu nhớt, thay dầu đúng hạn và không ép máy khi còn nguội. Trục turbo được bôi trơn bằng dầu máy nên dầu kém chất lượng là nguyên nhân hỏng phổ biến nhất. Độ tăng áp vượt thiết kế làm giảm tuổi thọ đáng kể.
Twin-turbo là gì?
Twin-turbo là động cơ dùng hai bộ turbo. Chúng có thể chạy song song, mỗi turbo phục vụ một nhóm xi-lanh, hoặc nối tiếp, turbo nhỏ lo vòng tua thấp và turbo lớn lo vòng tua cao. Mục đích là vừa có nhiều công suất vừa giảm độ trễ.
