Turbo - Tipovi i osnove rada

[Nikola]

Kako je ovo tuning forum, a ovakav tekst nisam nasao, bilo bi dobro objasniti principe i osnove rada, kao i tipove turno punjaca....

Ako ovakav tekst postoji, brisite temu...
Takodje ako smatrate potrebnim, prebacite je pod topic Osnovi rada motora...

Tekst i slike preuzeti sa www.bug.hr

Deo I

Koliko god mi filozofirali o nekakvim viševentilskim motorima, dorađenoj elektronici i tko zna čemu, ozbiljna igra sa snagom započinje tek s primjenom puhalice

Iako vjerujemo kako su se gotovo svi autoljupci barem jednom negdje sreli s temom turbopunjača, moramo misliti i na one koji to nisu. Uostalom, ovo je ipak škola za početnike. No i vama koji mislite da su puhalice mačji kašalj, savjetujemo jedno solidno ponavljanje gradiva. Stoga, sjednite u klupe!



Većina današnjih motora koji pokreću automobile koristi tzv. "atmosferski usis". Vjerojatno ste, ne jednom, čuli za nekakve atmosferske motore, barem u pričama o Formuli 1. No, dakle. Poznato nam je iz prijašnjih nastavaka da je zrak iz atmosfere potrebno nekako ugurati u cilindar. Silu koja se za to brine nazivamo Atmosferski tlak i radi se o uobičajenom pritisku zraka koji nas okružuje na površini mora (atmosferski tlak iznosi 14,7 psi = 101,3 kPa = 1 bar). Klip u svojem gibanju od gornje mrtve točke stvara u cilindru podtlak, obično nazvan i (djelomični) vakum. Taj podtlak dovodi do razlike između atmosferskog pritiska i onog u usisnom sustavu motora (koji je pri usisnom taktu manji od atmosferskog). Upravo zbog toga, naša sila - Atmosferski tlak, tjera zrak u usisni sustav i, ovisno o otvorenosti leptira, u sam cilindar. No, poznato nam je i da je za izgaranje neke količine goriva u cilindru potrebna i određena količina zraka. Logično je da, želimo li iz motora izvući veću snagu, moramo u njemu sagorjeti i više goriva. No, za taj je proces potrebno i više zraka, a atmosferski ga tlak ne može ubaciti u usis više nego li to određuje spomenuta razlika pritisaka. Tu u pomoć uskaču uređaji za prednabijanje zraka koje dodajemo atmosferskim motorima kako bi im povećali snagu, zadržavajući pri tome isti radni obujam.


Slika. 1 - Shematski prikaz turbopunjača

Sve uređaje za prednabijanje zraka zajedničkim imenom nazivamo "kompresori", a razlikujemo turbokompresore (pokretane strujom ispušnih plinova) te mehaničke kompresore (pokretane remenom ili lancem s koljenastog vratila). U prvom nastavku priče o prednabijanju reći ćemo riječ-dvije o turbokompresorima (turbopunjačima). Princip rada ove vrste kompresora vidljiv je na slici 1. Turbokompresori se sastoje od dva osnovna dijela, a to su: turbina kompresora te pogonska turbina. Kompresorska turbina u stvari je kotač na kojem se nalaze lopatice. Rotacija tih lopatica pokreće zrak koji je pod atmosferskim tlakom ušao u kompresor iz dovoda (cijevi koja vodi od filtera zraka ili sl.) te ga pod povećanim tlakom tjera dalje prema motoru, odnosno, cilindrima. Na drugom kraju osovine na kojoj se nalazi kompresorska turbina smještena je pogonska turbina. I ova turbina ima kotač s lopaticama a pokreće ju struja ispušnih plinova koja dolazi iz cilindara (ispušne grane motora). Ispušni plinovi tako prolaze preko lopatica pogonske turbine što izaziva njihovu rotaciju, nakon čega napuštaju turbokompresor putujući dalje, u ispušni sustav. Kako su pogonska i kompresorska turbina spojene jednom osovinom, struja ispušnih plinova posredno pokreće i kompresorsku turbinu. Jasno je iz samog načela rada turbokompreora da kao rezultat na njegovom izlazu dobivamo struju zraka pod pritiskom većim od atmosferskog. Tako je u cilindre moguće ubaciti više zraka, a samim time i više goriva koje će u potpunosti sagorjeti. Rezultat svega je značajno povećanje snage motora.


Slika. 2 - Kučišta pogonske i kompresorske turbine

Jasno je da se s povećanjem pritiska na papučicu akceleratora (dodavanjem gasa) povećava i brzina rada motora, a samim time i brzina strujanja ispušnih plinova. Rezultat toga je i povećanje brzine okretanja turbina u turbokompresoru (brzine dostižu i do 120.000 o/min). Ipak, kao i toliko puta do sada, moramo zadovoljiti neke kompromise. Turbokompresor je proračunan da daje neke određene vrijednosti pritiska (prednabijanja) na izlazu iz turbine pri određenim brzinama rada motora. No, jasno je da njegova uloga mora pokrivati što veći raspon brojeva o/min. Problem se javlja kada motor natjeramo u područja visokih okretaja. Turbokompresor, koji je proračunan da daje potreban pritisak i pri nižim brojevima o/min, pri izrazito visokim brzinama može početi isporučivati previsoki pritisak prednabijanja. Kako bi se spriječile moguće štete koje bi ovako visok pritisak uzrokovao, uz turbokompresore se ugrađuju i "wastegate" (dump-valve) sigurnosni ventili (zlatni dio na vrhu turbokompreora - početna slika). Uloga ovih ventila je da oslobode dio pritiska s izlaznog dijela turbokompresora (puštajući ga u atmosferu) i tako smanje tlak u usisnom sustavu. Wastegate ventili obično su pokretani pneumatskim putem pomoću membrane (dijafragme) koja se nalazi pod pritiskom proizvedenim u turbini. Kada ovaj pritisak dostigne najveću proračunanu vrijednost, membrana ovog ventila pomiče polugu koja pak otvara tzv. "bypass" prolaz. Bypass je u stvari cijev kroz koju suvišni pritisak napušta usisni sustav motora. Valja napomenuti kako su wastegate ventili u nekim automobilima pokretani i elektromagnetski, uz kontrolu središnjeg računala.


Slika 3. Turbokompresor promenljive geometrije

Na slici 3 prikazan je turbokompresor promjenjive geometrije. Naime, osim prevelikog pritiska, u prednabijanju se javlja i problem poznat kao "kašnjenje" (turbo-lag). Svi koji su vozili automobile s turbokompresorima stalne geometrije poznaju efekt koji se javlja pri naglom dodavanju gasa u nižim brojevima okretaja. Kako je cijeli kompresor proračunan za neke srednje vrijednosti pritiska ispušnih plinova, jasno je da pri niskim brojevima o/min tlak u ispuhu nije dovoljan da zavrti lopatice pogonske turbine na brzinu potrebnu za ostvarivanje potrebnog pritiska prednabijanja. U "običnim" se turbo-automobilima tako može osjetiti nagli udar (naglo ubrzanje) koji dolazi kada se tlak u ispuhu dovoljno poveća. Kako bi se izbjegli ovakvi nedostaci i postigao efikasan rad turbopunjača pri nižim brojevima okretaja motora, izmišljene su pogonske turbine s krilcima promjenjive geometrije. Ovakva (dodatna) krilca, upravljana središnjim računalom, usmjeravaju struju ispušnih plinova na lopatice pogonske turbine kako bi se najbolje iskoristio raspoloživi pritisak struje ispuha te poboljšalo prednabijanje i pri nižim brojevima okretaja. Drugi način rješavanja ovog problema je u postavljanju dvaju turbopunjača (bi-turbo) manjih dimenzija čije su mase pokretnih dijelova manje te postižu potrebnu brzinu vrtnje i uz relativno sporu struju ispušnih plinova.

[Nikola]

Deo II

U prvom dijelu priče o puhalicama razmotrili smo rad turbinom pokretanih punjača. Danas govorimo o još dvije varijante punjenja motora pod povišenim pritiskom, njihovom miješanju s turbokompresorima te mističnom intercooleru

Govoreći o turbokompresorima naši su nastavnici tijekom proteklog sata spomenuli nešto u stilu: "Sve uređaje za prednabijanje zraka zajedničkim imenom nazivamo "kompresori", a razlikujemo turbokompresore (pokretane strujom ispušnih plinova) te mehaničke kompresore (pokretane remenom ili lancem s koljenastog vratila)". E, pa upravo u skladu s time, današnji nastavni sat objašnjava što su i kako rade tzv. mehanički kompresori (punjači) sabijenog zraka.



U raširenoj upotrebi danas susrećemo dvije vrste mehaničkih kompresora, a to su Roots-ov punjač i Spiralni ili "G" punjač. Osnovna prednost mehaničkih punjača pred onima pokretanim strujom ispušnih plinova upravo se nalazi u načelu njihova pokretanja. Kako se radi o direktnom pogonu, vezanom uz koljenasto vratilo, mehanički punjači ne pate od (u prethodnom nastavku spominjanog) kašnjenja. Drugim riječima, pri dodavanju gasa, motor se počinje brže okretati (time i radilica) što istovremeno povećava brzinu okretanja pogona koji pokreće mehanički punjač. Osnovna je prednost ovakvog sustava, dakle, u tome što motori opremljeni mehaničkim punjačima brže prihvaćaju promjenu položaja papučice akceleratora, a sam punjač efikasno radi već pri nižim brojevima o/min. Ipak, mehanički punjači imaju i svojih mana. Vjerojatno najnezgodnija, očituje se u velikoj buci koju ovakvi punjači proizvode, a motori opremljeni njima poznati su i po izraženijoj "žeđi" za gorivom. Kao i uvijek, i u slučaju izbora vrste punjača sabijenog zraka odluka je stvar kompromisa, a pravo će rješenje ovisiti o potrebama određenog pogonskog stroja.


Slika. 1 - Shematski prikaz rada Rootsovog punjača s (ravnim) trokrakim rotorima

Rootsov punjač (čije shematsko načelo rada vidimo na sl. 1) uobičajeniji je od ova dva tipa mehaničkih punjača. Osnovu njegove konstrukcije čine dva rotora koji se okreću unutar kučišta. Ovi rotori imaju obično dva do tri kraka (neki ih nazivaju i "resicama") ravnog ili spiralnog (sl. 2) oblika. Rotori su međusobno povezani zupčanicima (po jedan na osovini svakog rotora) koji su, pak, pokretani remenom ili lancem s radilice. Pogon Rootsovog punjača tako je izveden da se rotori okreću dva do tri puta brže od brzine motora (broj okretaja koljenastog vratila) pa ovakav kompresor u stvari djeluje kao pumpa koja naprosto ubrzava strujanje zraka prema usisnom dijelu motora iznad brzine koju bi se postiglo samim podtlakom što ga stvara klip tijekom usisnog takta. Prema načelu rada, Rootsov se punjač naziva i "Zračnom pumpom pozitivne istisnine" jer je obujam zraka koji se istisne u usis motora jednak pri svakom okretaju rotora, bez obzira na brzinu rada motora.


Slika. 2 - Rootsov punjač jaguarovog 6-cilindraša sa spiralnim rotorima (krakovi rotora su malo uvijeni)

Druga vrsta mehaničkog punjača je spiralni kompresor ili "G" punjač (sl. 3), kakav često susrećemo kod VW-ovih motora s prednabijanjem. Ovaj punjač, koji je ime "G" dobio zbog oblika spirala, također spada u skupinu zračnih pumpi pozitivne istisnine. Osnovu "G" punjača čini spiralni escentar koji unutrašnjost njegova kučišta dijeli na vanjsku i unutarnju komoru. Moramo priznati da je, bez niza shematskih prikaza (za koji ipak nemamo dovoljno prostora), veoma teško objasniti rad spiralnog punjača, no pokušat ćemo cijelu priču oslikati riječima. Značajka rada spiralnog ekscentra kod "G" punjača je u tome da on ne rotira unutar kučišta već se giba ekscentrično (uh, ovo se fakat zakompliciralo...) u spiralnom kučištu. Između mjesta gdje ekscentar dodiruje kučište i mjesta gdje je on od kučišta odmaknut, stvara se prostor u koji ulazi zrak. Gibanjem ekscentra mijenja se položaj točke dodira i mjesta odmaka od kučišta čime se ostvaruje kretanje i komprimiranje zraka unutar samog punjača. Tako "G" kompresor na svom izlaznom otvoru (obično oko sredine kučišta) stvara pritisak zraka viši od onog na ulaznom. Dvije osovine zadužene su za pokretanje ekscentra spiralnog punjača. Pogonska osovina drži ekscentar i omogućava njegovo gibanje, dok ekscentrična osovina kompenzira rad pogonske kako se ekscentar ne bi počeo rotirati. Ove su dvije osovine međusobno povezane malim nazubljenim remenom čiji je "posao" da ih prilikom okretanja zadrži u određenom međusobnom odnosu, tj. "u fazi".


Slika. 3 - Konstrukcija i pogon spiralnog punjača (koncern VAG)

Mali dodatak na kraju priče o trima punjačima odnosi se na sliku 4. Već je na prvi pogled jasno zbog čega su neki konstruktori posezali za ovakvom, hibridnom, konstrukcijom s dva punjača različitih načela rada. U prvom smo nastavku priče o prednabijanju rekli kako se problem turbo-kašnjenja katkada rješava postavljanjem dvaju, manjih, kompresora (bi-turbo). No, moguće ga je riješiti i tako da se na motor postavi mehanički kompresor, koji reagira na dodavanje gasa trenutno (i time "pokriva" područje niskih o/min), kombiniran s turbokompresorom koji većinu svog posla odrađuje pri višim brzinama rada motora (zgodno, zar ne?).


Slikal. 4 - Najbolje iz oba svijeta - Motor Lancie Delte S4 (rally, Grupa B) bio je opremljen turbopunjačem (1) i Rootsovim kompresorom (2)

Došli smo do posljednjeg odlomka teme o prednabijanju. Naime, poznato nam je iz svakodnevnog života da se plinovi prilikom širenja (povećavanja obujma) hlade. Kada pritisnete ventil na dezodoransu (pardon, deodorantu) oslobađa se stlačeni sadržaj bočice čime mu se naglo povećava obujam. Dakako, osjetit ćete kako vas taj mlaz hladi. Upravo obrnuto, događa se kada plinovima naglo smanjujemo obujam, tj. kada ih komprimiramo. Primjera radi, sjetite se pumpe za bicikl. Nakon dosta rada, njezino se kučište znatno ugrije, upravo stoga što smo u njemu sabijali zrak. Jednako tako se i zrak sabijen u turbopunjaču ili mehaničkom kompresoru znatno zagrijava. No, zagrijavanjem mu se povećava obujam i pada gustoća. Rjeđi zrak, dakako, sadrži manje kisika potrebnog za izgaranje goriva. Također, pregrijani bi zrak u cilindru, prilikom kompresijskog takta, mogao izazvati i detonativno izgaranje (samozapaljenje smjese). Jasno je da zrak, komprimiran u nekom punjaču, treba stoga ohladiti. Za hlađenje sabijenog zraka koriste se hladnjaci (intercooleri) čija je konstrukcija u osnovi jednaka onoj hladnjaka za rashladnu tekućinu. S jedne strane ulazi zagrijani komprimirani zrak, a s druge izlazi ohlađen nakon izmjene topline s okolinom. Intercooleri, ipak, nisu potrebni na svim motorima s prednabijanjem, već ih se ugrađuje pretežno u snnažnije automobile kod kojih se koriste viši pritisci prednabijanja.


Slikal. 5 - Intercooleri ili, književnije, "hladnjaci sabijenog zraka"


Slikal. 6 - Strujanje zraka sabijenog u punjaču (crne strelice) i hladnog zraka iz okoline kod motora s intercoolerom

Preuzeto sa www.bug.hr

[SaL]

Dobro, aj sad kazi nesto o twinturbo-u.
Predpostavljam da i druge zanima!
(Mada toga dosta ima po netu, a najbolji primer toga je

www.nacionalnaklasa.com/content/view/520/23/)

[Nikola]

eeeee to ce morati da saceka nekog drugog
Ja verovatno ne znam o turbo punjacima nista vise nego ti, gornji tekst je preuzet, kao sto je na pocetku i na kraju teksta i navedeno....

[SaL]

Provalio sam te!!!

(Salim se, dobar post)
Naci ces da prekopirash i to odnekud

Deder, potrudi se!

[Nikola]

Pa sam si dao link na kojem ima to sto te interesuje.... slobodan si da to prekopiras ovde...

poz.

[Yugo_IHI_Turbo]

Mene zanima teorija twin-scroll turbo punjaca.
Znaci da neko konkretno objasni zasto su bolji?
Zasto su ta dva kanala bolja od jednog i da li iko uopste ugradjuje takve turbine serijski?

[SaL]

Ovakva stvar, ne znam sta je to sto si naveo, taj twin scroll turbo, ali mogu da na primeru Opel Vectre OPC objasnim funkciju, Twinturbo sistema kompresora.
Ovakva stvar, motor je dizel, sa dva turbo-a i intercoolerom, vajda oko 2L zapremine, podrazumeva se 16 V, common rail.
Turbo sistem je pogonjen izduvnim gasovima, i ima tri, da kazemo faze rada:

-Prva faza- 0-1800 rpm, mali turbo gura pritisak, dok je veliki samo protocni deo u****. Leptir kod izlaza iz velikog turba je zatvoren.

-Druga faza- 1800-3000 rpm, mali turbo i dalje radi ali sada se veliki zalece, i sluzi za predsabijanje. Leptir je poluotvoren.

-Treca faza- iznad 3000 rpm, kada se premoscava mali turbo, veliki je u potpunom zaletu, dok je leptir otvoren skroz.

Snaga je!!!!!!212 ks@4000+ rpm!!!! Dizel koji ima vecu kolicinu snage, po litru zapremine nego Ferari!

P.S.
Zao mi je sto nisam mogao da nadjem slike, ali bice uskoro.Tacnije informacije imate u casopisu "Turbo", ali na zalost broj sam zaboravio!

[Nikola]

2L zapremine, podrazumeva se 16 V, common rail.


Snaga je!!!!!!212 ks@4000+ rpm!!!! Dizel koji ima vecu kolicinu snage, po litru zapremine nego Ferari!

Ne znam šta si ovim hteo da kažeš?
Turbo benzinci sa tehnologijom od pre 15 i vise godina imaju otprilike toliku snagu po L.

[Nenad]

Mene zanima teorija twin-scroll turbo punjaca.
Znaci da neko konkretno objasni zasto su bolji?
Zasto su ta dva kanala bolja od jednog i da li iko uopste ugradjuje takve turbine serijski?

What are twin scroll or divided inlet turbine housings? What are the benefits of using a twin scroll turbo?
A "twin scroll" or "divided inlet" means that there are two separate volutes within the turbine housing. The main reason for doing this is to isolate the pulses coming from each exhaust port and maintain more of the pulse energy from each cylinder all the way down to the turbine wheel. There are no differences between the turbine wheels used in open or single inlet turbines compared to those used in twin or divided inlet turbines.
Generally speaking, a divided inlet turbine setup will respond faster and produce boost quicker than single or open design of the same nozzle area, of course this is dependent upon proper execution. The simple fact that a divided housing is used does not guarantee these results.

While it does not cause any problems or harm to run a divided inlet turbine housing on a manifold that is an "open" design, none of the benefits of the twin inlet will be seen.

[Yugo_IHI_Turbo]

Jako zanimljivo.
I kad malo bolje zamislim jako dobro smisljeno, jednostavno i jebitacno.
Kako li su se samo setili.
Ugradjuje li se takav turbo serijski igde uopste?

[cedo]

Koju maximalnu kompresiju moze imati auto sa turbo punjacem?
Dali se smije na obican motor ugraditi turbina,ili se mora nesto radit,da bi motor mogao izdrzat pritisak?
Kokretno mislim na klipove.

[206]

Cedo, otvori novu temu pa pitaj isto pitanje. Hvala.