Η αλήθεια είναι πως τα πρώτα βήματα για χρησιμοποίηση turbo από την BMW στους βενζινοκινητήρες έγινε με απόλυτη επιτυχία. Η απόδοση αυξήθηκε και η κατανάλωση καυσίμου και τα καυσαέρια μειώθηκαν. Φυσικά έπεται συνέχεια και στους μικρότερους κινητήρες και αποδώσεις που ως μη-turbo μοτέρ ούτε που τις φανταζόμασταν. Τι είναι αυτό που κάνει ένα ν κινητήρα μικρού κυβισμού να βγάζει τόσο μεγάλη ισχύ? Τι είναι αυτό το σαλιγκάρι και τι είναι αυτό που κάνει να φτερνίζεται ένα αυτοκίνητο. Γιατί καίμε λιγότερο καύσιμο? Γιατί ρολεμενάτη τουρμπίνα? Τι είναι το external wastegate?
Πάρτε κανένα σαντουϊτσάκι και πατήστε το start button: η γνώση ξεκινά.
Πώς δουλεύει ένα σύστημα turbo:
Η δύναμη ενός κινητήρα είναι ανάλογη με την ποσότητα αέρα και καυσίμου που μπαίνει μέσα στους κυλίνδρους. Οι μεγαλύτεροι κινητήρες καταναλώνουν περισσότερο αέρα για την καύση και συνεπώς παράγουν περισσότερο έργο. Εάν θέλουμε μια οποιουδήποτε μεγέθους μηχανή να παράγει ακόμα περισσότερο έργο δεν έχουμε άλλη λύση παρά να αυξήσουμε την ποσότητα αέρα που εισέρχεται σε αυτή και βελτιώνει την καύση. Εγκαθιστώντας έναν υπερσυμπιεστή καυσαερίων, η ισχύς και απόδοση ενός κινητήρα μπορεί να αυξηθεί σε μεγάλο βαθμό.
Αλλά πώς ένας υπερσυμπιεστής καυσαερίων σπρώχνει περισσότερο αέρα σε έναν κινητήρα? Ας δούμε πρώτα την παρακάτω εικόνα:
https://www.turbobygarrett.com/turbo...1_enlarged.gif
Τα επιμέρους στοιχεία που αποτελούν ένα σύστημα υπερτροφοδότησης είναι:
- Το φίλτρο αέρος (δεν φαίνεται στην παραπάνω εικόνα) δια μέσω του οποίου περνά ο ατμοσφαιρικός αέρας πριν πάει στο turbo (1).
- Ο αέρας συμπιέζεται και αυξάνεται η πυκνότητά του (μάζα/όγκο) (2).
- Λόγω των νόμων των αερίων και της καταστατικής εξίσωσης, όταν ένα αέριo υμπιέζεται (αυξάνεται η πίεση του) τότε υποχρεωτικά ανεβαίνει και η θερμοκρασία του. Για αυτό χρησιμοποιείται ένα ψυγείο (3) που είναι γνωστό ως intercooler και ψύχει τον συμπιεσμένο αέρα πριν εισέλθει για καύση. Ενίοτε χρησιμοποιείται και chargecooler αλλά τις διαφορές τους θα τις αναλύσουμε πιο μετά. Η ψύξη του αέρα βοηθά στην περεταίρω μείωση της πυκνότητας του και την αποφυγή δυσάρεστων παρενεργειών όπως η προανάφλεξη (πειράκια).
- Αφού περάσει από την πολλαπλή εισαγωγή (4), ο αέρας εισέρχεται στους θαλάμους καύσης που έχουν ένα σταθερό όγκο. Αφού ο αέρας είναι συμπιεσμένος πλέον, επιτρέπεται στον κύλινδρο να εισέλθει και περισσότερο καύσιμο (για να διατηρηθεί η αναλογία αέρα/καυσήμου σταθερή, γνωστός και ως λόγος λ). Και περισσότερο καύσιμο σημαίνει ισχυρότερη έκρηξη και συνεπώς μεγαλύτερο έργο.
- Αφού το μείγμα αυτό καεί, τα αέρια διοχετεύονται προς την πολλαπλή εξαγωγή (5).
- Τα καυτά αέρια συνεχίζουν την πορεία τους προς τον στρόβιλο (6). Αυτό δημιουργεί οπισθοπίεση ( η καλύτερη μετάφραση για το backpressure) στον κινητήρα το οποίο σημαίνει μεγαλύτερη πίεση στην εξάτμιση από το περιβάλλον.
- Η μείωση πίεσης (εκτόνωση) επιφέρει και μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων (το αντίθετο με την συμπίεση λόγω των νόμων περί αερίων) κατά μήκος της τουρμπίνας. Η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική (η ενέργεια μπορεί να αλλάζει μόνο μορφές και όχι να χάνεται σύμφωνα με τους κλασικούς νόμους της φυσικής) και λόγω μεταφοράς ορμής κινείται ο στρόβιλος.
Από τι αποτελείται ένας υπερσυμπιεστής καυσαερίων?
https://img13.imageshack.us/img13/61...ayenlargei.jpg
Βαλβίδες εκτόνωσης:
Πριν συνεχίσουμε την ανάλυση του συστήματος θα πρέπει να αναφερθούμε στις βαλβίδες εκτόνωσης, γνωστές και ως σκάστρες. Η σκάστρα (blow off valve – BOV) είναι μια βαλβίδα ανακούφισης μεταξύ turbo και εισαγωγής για την αποφυγή του φαινομένου surge, δηλαδή την υπερβολική πίεση στην εισαγωγή που φρενάρει απότομα τον συμπιεστή όταν κλείνει η πεταλούδα. Η σκάστρα συνήθως πρέπει να τοποθετείται μετά το intercooler, αν φυσικά υπάρχει τέτοιο ψυγείο. Όταν η πεταλούδα κλείνει, τότε μειώνεται η ροή του αέρα προς τον θάλαμο καύσης. Λόγω ορμής ο συμπιεστής συνεχίζει να περιστρέφεται. Αυτό προκαλεί δύο προβλήματα. Τα κολάρα εισαγωγής ή οι σωληνώσεις μπορεί να αστοχήσουν και να καταστραφούν λόγω μεγάλης πίεσης ή να φρενάρει πολύ απότομα η τουρμπίνα και να κοπεί ο άξονας στην μέση σαν αγγούρι από τις στρεπτικές τάσεις που αναπτύσσονται. Στην καλύτερη περίπτωση θα αστοχήσει το ρουλεμάν ή το θρός. Η βαλβίδα ανακούφισης ανοίγει εκτονώνοντας τον αέρα πίσω στην ατμόσφαιρα (ανοιχτού τύπου που προκαλούν το γνωστό σφύριγμα των τουρμπάτων) ή ξανά στην εισαγωγή αλλά μετά το MAF sensor να υπάρχει (κλειστού τύπου που συνήθως είναι πιο ήσυχες). Το σήμα για να ανοίξει η βαλβίδα προέρχεται από μια γραμμή υποπίεσης από την εισαγωγή.
Wastegates:
Από την μεριά της εξάτμισης, μια βαλβίδα wastegate επιτρέπει τον έλεγχο της πίεσης μέσω του ελέγχου ροής των καυσαερίων. Μερικές σύγχρονες εφαρμογές diesel δεν χρησιμοποιούν wastegates και αποκαλούνται free-floating turbochargers.
Παρόλαυτά, όλοι οι υπερσυμπιεστές βενζινοκινητήρων έχουν wastegates. Υπάρχουν δύο είδη τέτοιων βαλβίδων, οι εσωτερικές (internal) και οι εξωτερικές (external). Και τα δύο είδη βαλβίδων παρέχουν παράκαμψη των καυσαερίων από τον στρόβιλο. Δηλαδή αντί τα καυσαέρια να διέλθουν από το μαντέμι της τουρμπίνας και να αυξήσουν τις στροφές του στροβίλου μεγαλώνοντας την πίεση υπερπλήρωσης, τον παρακάμπτουν και εξέρχονται από την εξάτμιση όπως στους ατμοσφαιρικού (χωρίς turbo) κινητήρες. Παρόμοια με τις σκάστρες, τα wastegates χρησιμοποιούν την πίεση υπερπλήρωσης και την δύναμη ενός ελατηρίου για να ελέγξουν το άνοιγμα τους.
Τα εσωτερικά wategates βρίσκονται στο εσωτερικό της τουρμπίνας μέσα στο μαντέμι και αποτελούνται από ένα κλαπέτο, έναν διωστήρα, και έναν πνευματικό ρυθμιστή. Είναι πολύ σημαντικό αυτός ο ρυθμιστής να συνδεθεί μόνο με την πίεση υπερπλήρωσης γιατί ένα wastegate δεν είναι σχεδιασμένο για να ελέγχει την υποπίεση αλλά την υπερπλήρωση.
Στην πρώτη εικόνα του επόμενου post φαίνεται ένα εσωτερικό wastegate (το κλαπέτο του).
Εσωτερικό wastegate:
https://www.streettuned.com.au/image..._wastegate.jpg
Κλαπέτο πάνω στο μαντέμι:
https://image.modified.com/f/2835517..._wastegate.jpg
Τα εξωτερικά wastegates τοποθετούνται πάνω στην πολλαπλή εξαγωγή (χταπόδι) και πριν τον στρόβιλο. Αυτό έχει το πλεονέκτημα να μπορεί να διοχέτευση τα καυσαέρια μετά την τουρμπίνα στο κύκλωμα εξάτμισης με αποτέλεσμα να καταπονείται ο στρόβιλος θερμικά πολύ λιγότερο. Σε αγωνιστικές εφαρμογές όπως και μερικοί κάγκουρες βγάζουν τα καυσαέρια αυτά στην ατμόσφαιρα παρακάμπτοντας την εξάτμιση με αποτέλεσμα να τρομάζουν γιαγιάδες και…… Για καλήτερη άποψη δείτε την δεύτερη εικόνα του επόμενου post
Εξωτερικό wastegate
https://www.xspeed.com.au/shop/image...d9023733127205
Λίπανση και ψύξη:
Στο κεντρικό σημείο του υπερσυμπιεστή οπού εδράζεται ο άξονας καταλήγει τουλάχιστον μια παροχή λαδιού και φυσικά η έξοδος αντιδιαμετρικά. Αυτό έχει δύο σκοπούς: είτε την λίπανση του άξονα και των εδράνων κύλισης ή ολίσθησης είτε την ψύξη της τουρμπίνας. Λόγω των πολύ υψηλών στροφών, το μεγαλύτερο φορτίο του άξονα υποβαστάζεται από ένα πολύ λεπτό φιλμ λαδιού δημιουργώντας υδροδυναμικό κουζινέτο μειώνοντας στο ελάχιστο τις τριβές.
Όταν ένας κινητήρας σβήσει τότε ξεκινά το φαινόμενο heat draining κατά το οποίο η θερμοκρασία της μηχανής εκτονώνεται προς την πολλαπλή εξαγωγή και συνεπώς και την τουρμπίνα. Για αυτό το λόγο στις σύγχρονες εφαρμογές καταλήγει ακόμα μια παροχή, αυτή του νερού. Το νερό απάγει την θερμότητα κατά την λειτουργία πολύ καλύτερα από το λάδι και συνεπώς δεν καταπονείται τόσο πολύ θερμικά το turbo τόσο κατά την λειτουργείς του όσο και κατά το σβήσιμο του.
Διαφορές ρολεμάν με θρός (κουζινέτο τριβής):
Η τεχνολογία με θρός ήταν αυτή που πρώτη χρησιμοποιήθηκε και είναι ευρέως διαδομένη ακόμα και στις μέρες μας. Ο άξονας της τουρμπίνας εδράζεται πάνω σε 2 μπρούτζινα χιτώνια, ενώ ανάμεσα σε κάθε χιτώνιο και άξονα δημιουργείται ένα λεπτό στρώμα από λιπαντικό. Είναι πολύ φθηνή λύση αλλά υπάρχουν δύο προβλήματα: λόγω αυξημένων τριβών υπάρχει δυσκολία στο στροφάρισμα του συμπιεστή και συνεπώς την αύξησης του φαινόμενου turbo lag. Το δεύτερο πρόβλημα είναι η γρήγορη φθορά η οποία καταστρέφει την ζυγοστάθμιση του άξονα με καταστροφικά αποτελέσματα (φανταστείτε άξονα που περιστρέφεται με το λιγότερο 50000 rpm και να ταλαντώνεται 1 δέκατο του mm).
Η σύγχρονη τεχνολογία σε συνδυασμό με την μείωση του κόστους έφερε την επανάσταση με την χρήση σφαιρικών τριβέων, γνωστών και ως ρολεμάν. Πρόκειται για δύο κωνικά ρολεμάν στην άκρη του κάθε άξονα για την υποστήριξη τόσο των διατμητικών όσο και των αξονικών φορτίων. Τα πλεονεκτήματα τους είναι πολύ εύκολο να τα φανταστούμε: πολύ μεγάλη αντοχή στον χρόνο και στην σκληρή χρήση ενώ ταυτόχρονα επιτρέπουν γρηγορότερο στροφάρισμα (spooling) των φτερωτών και συνεπώς επίτευξη μέγιστης πίεσης σε χαμηλότερο εύρος στροφών του κινητήρα και αισθητή μείωση του turbo lag.
Η παρακάτω εικόνα δείχνει την διαφορά της αύξησης της συχνότητας περιστροφής δύο ίδιου μεγέθους υπερσυμπιεστές στον ίδιο κινητήρα. Ο ένας υπερσυμπιεστής εδράζεται σε κουζινέτα ενώ ο δεύτερος σε ρολεμάν.
Άλλα πλεονεκτήματα χρήσης σφαιρικών τριβέων είναι:
- Μειωμένη ροή λαδιού: Απαιτείται μειωμένη ποσότητα λαδιού για την λίπανση όλου του συστήματος. Αυτή η μειωμένη ροή ελαχιστοποιεί τις πιθανότητες για διαρροή λιπαντικού. Επίσης ελαχιστοποιείται η πιθανότητα καταστροφής του άξονα όταν σταματήσει απότομα ο κινητήρας από μεγάλη καταπόνηση.
- Βελτιωμένη δυναμική του ρότορα και αντοχή: Η χρήση σφαιρικών τριβέων δίνει καλύτερη απόσβεση των κραδασμών, τόσο στην καθημερινή όσο και στην αγωνιστική χρήση. Επίσης, η έλλειψη «μπιτέ» ρολεμάν (thrust bearring – δέχεται φορτία στον διαμήκη άξονα και όχι εγκάρσια) ενισχύει την αντοχή όλου του συστήματος που συνήθως αποτελεί και πολύ αδύναμο κρίκο.
Αυτά ήταν για το ξεκίνημα και να πάρουμε μια αρχική ιδέα για το πώς λειτουργεί ένας κινητήρας με στροβιλοσυμπιεστή καυσαερίων και μια αρχική αναφορά στα επιμέρους συστήματα και παρελκόμενα μας τέτοιας διάταξης.
Πριν προχωρήσουμε στο δεύτερο και πιο δύσκολο μάθημα, μπορείτε να διατυπώσετε τις απορίες σας και αν μπορώ να βοηθήσω τότε με ευχαρίστηση να το κάνω.
