|
|
|
TURBO PUNJAČI |
|
|
|
Autor: Lukas
|
|
Saturday, 27 January 2007 |
Kada ljudi govore o prerađenim motorima, trkaćim automobilima, tema o
turbopunjačima se često dotakne. Danas su turbopunjači česta pojava, pojavljaju
se puno češće u auto industriji nego u moto industriji, na našu žalost.
Turbo
punjači mogu nabiti još kojeg ždrijebca na naš motor bez prevelikog povećanja
težine samog agregata, što nam je već velika prednost.
Probat ću malo
pojasniti kako to turbaci rade, kako preživljavaju toliko velika opterećenja
(vrlo slična radu jednog dijela turbinskih motora u zrakoplova samo u smanjenom
mjerilu), što su blow-off i waste-gate ventili te kako pomažu radu turbine
Turbo punjači su dio sustava prednabijanja zraka. Oni komprimiraju zrak u
cilindre motora tako da tlak na ulazu u cilindar je veći od
atmosferskog.
Prednost prednabijanja zraka je u tome što ako više zraka
nabijemo u cilindar motora, znači da možemo dati i više goriva. Što imamo više
goriva, znači da ćemo dabiti jaču ekspanziju u cilindru. Motor sa turbopunjačem
proizvodi više snage od jednakog motora bez turbo punjača. Time pridonosimo
odnosu snage i težine motora u korist snage.
Da bi smo dobili prednabijanje
tj. nadtlak u usisu, turbo punjač koristi ispušne plinove za pokretanje turbine
(znači odbačenu energiju pretvaramo u koristan rad) koja je na istom vratilu kao
i radijalni zračni kompresor koji nam nabija zrak. Turbina turbopunjača se vrti
i do 150,000 okretaja/min. To je cca 10 puta brže od vrtnje agregata na tzv. RR
motorima, a s obzirom se turbina vrti u strujama ispušnih plinova možemo
predpostaviti da radi u vrlo teški uvijetima.
OSNOVE
Siguran način
da dobijemo više snage u motoru je da povečamo količinu zraka i goriva koje
motor može sagoriti. Jedan od načina je da dodamo još koji cilindar ili da
postojeće cilindre povećamo. Medjutim, povećanjem broja cilidara dobijamo još
pokretnih djelova koji stvaraju frikciju pa s time i oduzimju dio snage koji će
stvoriti, a i time poskupljujemo jako izvedbu samog agregata. Povećavanje
obujma.... može, dobijamo moment motora s time i snagu, ali ga već ograničavamo
agregat u brojevima okretaja jer masa klipa nam je veća pa tu dobivamo
strahovito velika naprezanja na klipnjači i radilici. U jednom i drugom slučaju
troškovi izrade postaju ekonomski neopravdani.Turbo je u ovom slučaju
jednostavnije rješenje za dobijanje snage.
Ako su ga koristili na
zrakoplovima WWII gotovo u svim modelima, trebalo je izvuči pouku od toga. Oni
su još špricali i mješavinu vode i etanola u usis kako bi ohladili usisnu smjesu
da je više može stati u cilindar koliko su ga komprimirali. Oni su izvlačili
svaki dio energije kako bi dobili još koji KW pomoću turba a da pri tome ne
dodje do detoniranja goriva.
Normalni tlak zraka na razini mora je cca 14.7
Psi tj. 1 bar. Tipično stvoreni nadtlak turbo punjača je od 6- 10 psi iznad
atmosferskog što zanči da nam tlak pri ulazu u cilindar skače na 22.7 psi. Mogli
bi smo reći da očekujemo nekih 50% više snage, ali kako ništa nije savršeno tako
ni turbo punjači pa ta vrijednost pada na nekih 30-40% poboljšanja u snazi što
je jako veliki uspjeh.
Jedan od razloga nesavršenosti turbo punjača je taj
što položaj turbine u ispuhu na neki način stvara otpor ispušnim plinovima tako
da u ispušnom taktu klip mora gurati plinove prema van nailazeći na veći tlak
ispušnih plinova (back- pressure). To oduzima dio snage motora.
UNUTAR
TURBOPUNJAČA
Turbo punjač je pričvršćen na ispušni kolektor tako da
obuhvaća sve ispušne cijevi motora. Ispuh iz cilidara tjera turbinu da se počne
vrtiti (plinska turbina). Ona je spojena vratilom na radijalni kompresor koji
se nalazi između filtera zraka i usisa motora. Kompresor tada gura komprimirani
zrak prema cilindrima i i pomaže klipovima u kretnji jer klipovi ne troše
energiju na usis već ih nad tlak gura prema dolje. Mala pomoć, ali
pomoć.
Prikaz komponenti turbo punjča na motoru
Ispuh iz
cilindara prolazi kroz lopatice turbine, gurajući lopatice i tjerajući turbinu
na vrtnju. Što više ispušnih plinova prolazi kroz turbinu to će se ona brže
vtriti.
Unutar turbopunjača
Na drugoj strani vratila nalazi se kompresor koj znamo što
već radi. On je centrifugalnog tj. radijalnog tipa. On uvlači zrak na sredini
lopatica i baca ga radijalno od sredine prema obodu turbine, kako se kompresor
vrti.
Postoji još i aksijalni kompresori, ali oni se ne koriste na
turbopunjačima u moto i auto industriji.
Lopatice kompresora turba
Da bi turbine izdržale brzine
vrtnje od 150,000 o/min, vratilo turbine mora biti pažljivo učvršćeno.Većina
ležaja bi jednostavno eksplodirla pri toj vrtnji, jer to je već i više od nekih
turbo prop motora (turbo osovinski motori na zrakoplovima, po principu rada
mlazni, samo što im je dodana elisa naprijed koja proizvodi vučnu silu). Zbog
tog razloga turbopunjački koriste tzv. mokre ležajeve.
Mokri ležajevi drže
vratilo na tankom filmu ulja unutar tijela ležaja koje se stalno propumpava oko
vratila. Za tu svrhu koristi se motorno ulje i motorna uljna pumpa tako da nije
potrebno dodatnih elemenata.Ovakav tip ležaja ima dvostruku ulogu: hladi vratilo
i još neke djelova turbopunjača te dozovoljava vrtnju vratila bez prevelike
frikcije.
PREVELIKI PRITISAK
Kada zrak pod pritiskom upumpavamo u
cilindre pomoću turbopunjača, on se nakon toga još stlačuje pod pritiskom klipa.
Tu imamo opasnost od detonacije goriva tj. prijevremenog paljenja smjese
(kuckanja cilindra).
Ta pojava nam se dešava jer sa stlačivanjem zraka, raste
i temperatura zraka. Temperatura zraka može toliko narasti ( i preko 350
stupnjeva Celzijevaca) da zapali gorivo prije vremena, prije nego svječica da
iskru. Motori sa turbopunjačima obično moraju koristiti više oktansko gorivo da
bi izbjegli kuckanje cilindra (eng: knocking). Ako je pritisak u cilindru jako
velik, konstruktivni kompresijski omjer motora bi se trebao smanjiti da bi smo
izbjegli mogučnost kuckanja.
JOŠ MALO O TURBU
Jedan od najvećih
problema sa turbopunjačima je to što ne omogućavaju momentalni porast tlaka
punjenja na okretanje ručice snage. Potrebno je neko vrijeme (1-1,5 sek.) da bi
turbina dostigla okretaje gdje počinje stvarati pritisak za punjenje. To
rezultira u osjećaju nedovoljng odziva motora u trenutku (turbo rupa), medjutim
kada se turbina zavrtni na max dozvoljeni broj o/min i nabije tlak u cilindre,
osjećaj je kao da ste ispaljeni iz katapulta. Snaga naglo raste kod tih motora
dok su na relantu (min. broj okretaja) relativno nemirni i imate osjećaj
nepravilnog rada motora.
Da bi smo smanjili tu tzv. turbo rupu moramo
smanjiti masu rotacijskih djelova turbopunjača kao što su turbina i kompresor.
Ta radnja bi nam omogućila da se turbina i kompresor zavrte brže te samim time
počinju stvarati pritisak brže. Jedan od načina da smanjimo težinu je da
napravimo turbopunjač manjih dimenzija. Manji turbopunjač će prije stvoriti
pritisak na manjim okretajima motora, ali tu nailazimo na problem na večim
okretajima motora gdje je potreban stvarno veliki volumen zraka koji ulazi u
motor. Isto tako postoji i opasnost od prebrze vrtnje turbopunjača na velikim
okretajima kada puno ispušnih plinova prolazi kroz turbinu. U ovom dijelu možemo
postaviti još jedan turbopunjač većih dimenzija, koji će nam se aktivirati na
većim okretajima motora gdje će on snabdjevati motor zrakom pod tlakom jer će
nam on biti konstruiran da komprimira veći volumen zraka, a manjeg će isključiti
pomoću ventila u ispuhu. Veći turbo punjač ima veću masu te sporije dolazi do
svojeg maksimuma vrtnje, ali zato može pogurati veći volumen zraka u motor.Ova
izvedba se rijetko kada ugrađuje na motore motocikala, ali čisto zbog
upoznavanja sa radom. Naravno, postoji tu još sustav turbopunjača sa pokretnim
statorskim lopaticama gdje se kut tih lopatica namješta zavisno o opterećenju
motora.
WASTE GATE
VENTIL
Kako bi smo mogli regulirati okretaje turbine i kompresora, u
ispuh se postavlja Wastegate ventil. On nam omogućuje korištenje manjih turbo
punjača da bi smo izbjegli turbo rupu te nam omogućava da nam se turbina ne vrti
prebrzo na velikim okretajima motora. Wastegate je ventil koji omogućava
ispušnim plinovima da zabilaze lopatice turbine. Wastegate ventil nam osjeća
tlak na usisu motora te kada ulazni tlak poraste previše to nam je indikacija da
se kompresor vrti prebrzo. Tada wastegate ventil otvara prolaz ispušnim
plinovima koji zaobilazi turbinu tako da samo određeni dio ispuha prolazi kroz
lopatice turbine. Na taj način usporavamo turbinu nedozvoljavajući joj da
prekorači max broj okretaja.
Neki turbo punjači koriste kuglične ležajeve
umjesto tekučih ležaja u kojima se vratilo vrti. To nisu standardni kuglični
ležajevi nego se koriste kuglični ležajevi napravljeni od najboljih materijala
pa čak i keramički ležajevi postoje u tu svrhu. Takve izvedbe dozvoljavaju
turbini da se zavrti još brže sa manje otpora nego sa mokrim ležajevima te
upotrebu manjih i lakših vratila.
Keramičke lopatice turbina su lakše od
čelčnih koje se koriste u većini turbopunjača. Naravno, to još pridodaje turbini
da smanji turbo rupu, ali izvedba je vrlo skupa te vrlo rijetka. Proizvođači
turbopunjača još su ponudili lopatice turbina načinjene od titanija. Titanij je
vrlo lagan prijelazni metal fenomenalnih termičkih i mehaničkih svojstava. Za
cijenu takve perverzije neznam, ali vjerujem da je cijena
paprena.
INTERCOOLER
Kada se zrak stlačuje, zagrijava se, a kada
se zrak zagrijava onda se i širi. Znači da nam dio porasta tlaka od
turbopunjača rezultat grijanja zraka prije nogo što je ušao u motor. To nam
smanjuje učinak jer na taj način dobivamo rijeđi zrak, a nama je potrebno što
više gustog zraka. Da bi smo povećali snagu motora treba nam što više molekula
zraka što neophodno ne znači veći tlak.
Hladnjak stlačenog zraka tzv.
intercooler je dodatna komponenta sustava prednabijanja zraka koja izgleda kao
obični hladnjak osim što kroz njega prolazi stlačeni zrak, a oko njega prolazi
zrak koji ga hladi. On nam se nalazi poslije kompresora prije ulaska u motor i
hladi nam stlačeni zrak iz kompresora. Ako nam je prednabijanje 7 psi, sa
intercoolerom ćemo imati isti tlak prednabijanja, ali će u tom zraku biti više
molekula zraka nego u onom koji nema intercooler. Isto tako je manja opasnost od
detonacije goriva jer zrak nije vruć pri samom ulasku već je ohlađen tako da još
i na taj način možemo povećati tlak na ulazu u motor , ali to je druga tema i o
tome drugom prilikom.
RASTERETNI (BLOW OFF) VENTIL
Mogao sam i
prije ukomponirati ovaj dio u sustavu turbopunjača, ali on i nije toliko bitan
za konvencionalnu uporabu. Da li ste ikada čuli ubrzanje nekog vozila ili motora
i kod puštanja snage onj zvukk „Pssshh“ kao da nešto šišti pod jakim tlakom u
atmosferu? Kad se to čuje onda se zna da tu nešto nije standardno. Naime, kada
okrenemo ručicu snage i krenemo sa ubrzanjem, kompresor nabija tlak u cilindre i
sve radi kako treba, mođutim kada pustimo ručicu snage onda nam pritisak negdje
mora brzo izaći van. Jedini put mu je nazad kroz kompresor što je nepoželjno jer
time dolazi do pumpanja kompresora te zaustavljanja lopatica kompresora.
Pumpanje kompresora je fenomen kada tlak iza lopatica kompresora postane toliko
velik da ga kompresor više ne može savladati tj. uguravati nego se vraća nazad
te time usporava vrtnju kompresora i/ili ga potpuno zaustavlja, a može i
promjeniti smjer vrtnje gdje onda temperature na turbini postaju toliko velike
da je termički unište. To sigurno ne želimo.
Da bi se to izbjeglo, višak
zraka se preko rasteretnog ventila tzv. compressor bypass valve (CBV) vraća
ispred kompresora, ali iza MAF senzora te se sprijčava pumpanje kompresora.
Postavlja se iza MAF (Mass air flow senzora) kako ECU ne bi obrizgala goriva u
motor jer bi osjetila veći volumen zraka, ali greškom.
Drugo rješenje je
rasteretni ventil u atmosferu tzv. blow-off ili dump valve koji isto to radi,
ali taj višak zraka baca u atmosferu omogučavajući na taj način nesmetanu vrtnju
kompresora i ne stvarajući nikakve otpore koji bi i malo kočili turbinu i
kompresor. Ukoliko trebamo ponovo brzo dati snagu motoru, lopatice turbo punjača
se i dalje vrte slobodno tako da je u ovom slučaju turbo rupa gotovo
nepostojeća.
Na slici iznad gore možemo vidjeti
zatvoreni rasteretni ventil i usis otvoren, zrak pod tlakom ulazi u
motor.
Na slici iznad možemo
vidjeti otvoreni rasteretni ventil i usis zatvoren, zrak pod tlakom izlazi u
atmosferu.
Samo je registriranim korisnicima dopuĹĄteno slati komentare.
Molimo da se prijavite ili registrirate. |
|
Budite u tijeku sa novostima!
|
|
|
|
|
