Turbodmychadlo I Tisk Email
Pondělí, 06 Říjen 2008 14:15

Turbodmychadlo Vynálezcem turbodmychadla je švýcarský konstruktér Alfred Bűchi, který jej patentoval roku 1905. Zprvu o něj nebyl velký zájem, až krátce před II. světovou válkou se turbo dostalo do letadel a lodních motorů.

Prvními osobními automobily s přeplňováním vyráběných v sérii se staly Chevrolet Corvair Monza a Oldsmobile Jetfire na začátku sedmdesátých let. Moc slávy ale nenadělaly. Pro svou poruchovost byly brzy staženy z trhu. Ve stejné době se turbodmychadla dostávala do motoristického světa a v závodech formule 1 začala získávat na oblibě.

Postupně se turbodmychadlo technicky zvládlo a automobilky, které chtěly získat na prestiži, nabízely alespoň jeden model automobilu s přeplňováním. K průkopníkům bezesporu patří Porsche, které v roce 1975 uvedlo na trh model 911Turbo.

Mezi velké obhájce turbodmychadla řadíme Saab, který roku 1976 představil svůj první přeplňovaný čtyřválec. Saab u přeplňování dodnes zůstal a snaží se svými propracovanými čtyřválcovými motory konkurovat ostatním výrobcům, používajícím ve výkonové třídě zpravidla atmosférické motory většího objemu.

S prvním přeplňovaným vznětový motorem přišel na trh Mercedes v modelu 300 SD roku 1978. U Volkswagenu nechtěli zůstat pozadu a představili v roce 1981 model Golf. Dalšími kroky vpřed byly na začátku 90. let motory TDI se zavedením proměnné geometrie lopatek statoru dmychadla, stejně jako integrace elektroniky do řízení vznětových motorů.

 

Dokud bude mít lidstvo k dispozici zásoby ropy, lze předpokládat, že vývoj spalovacích motorů na uhlovodíková paliva bude pokračovat. Tím bude pokračovat nekonečná honba za účinností a s ní související spotřebou paliva. Přeplňování motorů je jednou z možností, jak tyto dva parametry zlepšit.Turbodmychadlo díly, kompresor, turbína, hřídel

Cílem přeplňování je vyšší výkon a kroutící moment srovnatelný s motory o vyšším objemu fungující na principu zvýšení množství vzduchu a tím i paliva ve spalovacím prostoru za jednotku času. Spolu s tímto klesá měrná spotřeba. K tomuto účelu je zapotřebí vždy přeplňovací systém naladit ke konkrétnímu motoru. Díky přeplňování jsme schopni dosáhnout solidního kroutícího momentu i v nízkých otáčkách, na které se také účinek turbodmychadla nejčastěji umísťuje. To si s sebou ovšem nese zvýšení plnících tlaků a tím vyšší maximální tlaky ve spalovacím prostoru. Následkem je vyšší zatížení klikového hřídele, jeho uložení a pevnostní nároky na samotný píst.

Co to vlastně turbodmychadlo je? V podstatě jde o plynový, turbínový motor skládající se z odstředivého kompresoru, zvaného dmychadlo a dostředivé turbíny. Spolu jsou spojeny hřídelem, tedy mechanicky. Dmychadlo je roztáčeno, čímž saje vzduch a tlačí jej dále po směru proudění do spirální skříně, která slouží jako tzv. bezlopatkový difuzor. V podstatě jde o to, že ve spirále roste průtočná plocha a tím klesá rychlost proudícího vzduchu a roste tlak. Opomeneme-li prozatím regulaci odpouštění, tak je vzduch vháněn do spalovacího prostoru válce, kde spolu s palivem vykoná svou práci a výfukovým kanálem je veden na rozváděcí lopatky turbíny. Ty mají za úkol nastavit správnou průtočnou plochu a úhel proudění tak, aby byla účinnost turbíny co nejvyšší. Proud spalin roztočí turbínu a odchází výfukovým potrubím do katalyzátoru. Jak již bylo řečeno turbína je na jednom hřídeli s kompresorem, čímž se nám okruh uzavírá. Zároveň je dobré si uvědomit energetickou rovnováhu. Sečteme-li energii potřebnou na stlačení daného hmotnostního průtoku vzduchu dmychadlem a veškeré ztráty včetně ztrát v ložiskách, musí se rovnat energii, kterou je schopna turbína odebrat ze spalin.

Kompresor turbodmychadla tedy zvyšuje tlak vzduchu hnaného přes filtr do válců motoru a tím i jeho měrnou hmotnost. Je tedy možné do motoru dostat při stejných otáčkách a objemu více směsi paliva a vzduchu. Při zvyšování množství vzduchu, musíme zvýšit i přísun paliva. Pro správné hoření musí být zachován poměr směsi vzduchu a paliva v blízkosti tzv. Stechiometrického poměru, neboli λ (lambda) rovné 1. Stechiometrický poměr je poměr pro spálení 1 kg paliva a 14,7 kg vzduchu pro benzín nebo 14,5 kg vzduchu pro naftu. Převedeme-li hmotnostní poměr na objemy, ke spálení 1 litru paliva budeme potřebovat řádově 10.000 litrů vzduchu.

Zvýšením tlaku přeplňovaného vzduchu, potažmo směsi roste i tlak komprese ve válci. Mezní hodnotu stlačení, kompresního poměru, určují samozápaly. To znamená, že se směs zapálí samovolně a dříve, než je žádoucí vzhledem k nepravidelnému chodu motoru a celkové snížení účinnosti. Řešením je optimalizace pomocí řídící jednotky, která ovládá hodnotu předstihu. Spolu s tím se konstrukčně snižuje kompresní poměr. Problém samozápalů se týká zážehových motorů, Dieselové motory jím netrpí.

Hustota vzduchu roste s klesající teplotou. Proto je stlačený a tím i zahřátý vzduch před vstupem do válce ochlazen v mezichladiči. Teplota stlačeného vzduchu na výstupu z mezichladiče by měla dosahovat přibližně teploty nasátého vzduchu. Při návrhu přeplňovaných motorů je zapotřebí brát v potaz teplotu výstupních plynů, která má vliv na životnost turbíny a dále správnou funkci katalyzátoru. Jde v podstatě o to, že katalyzátor potřebuje ke správné funkci vyšší teploty. U turbíny je snaha, aby na vstupu byla teplota co nejvyšší (v mezích únosnosti materiálů) a na výstupu co nejnižší. To je tzv. teplotní spád turbíny, který udává její výkon, přenášený na kompresor. Tyto dva aspekty je potřeba sladit.

Popis turbodmychadla

  1. kompresorová skříň – sací, studená část turbodmychadla
  2. kompresorové kolo – zdroj stlačeného vzduchu
  3. axiální olejové ložisko – zadržuje axiální síly
  4. zadní stěna kompresorové skříně
  5. turbínová skříň – slouží jako rozvaděč turbíny
  6. turbína – hnaná výfukovými plyny, roztáčí kompresor
  7. radiální olejová ložiska – zadržují radiální síly
  8. ložisková skříň

 

Regulace odpouštěním výfukových plynů před turbínou

Pomocí elektromagnetického ventilu EMV lze řídit tlak za membránou pM odpouštěcího ventilu a tím řídit tlak za kompresorem p2K. Pro regulaci odpouštěním výfukových plynů před turbínou se volí menší turbína, která už při otáčkách počátku regulace motoru, což mohou být otáčky maximálního točivého momentu, má při plném hmotnostním toku mT otáčky, při kterých kompresor dává maximální stlačení plnicího vzduchu.

Maximální tlak za kompresorem p2k přivedený na membránu regulačního ventilu vytváří sílu, rovnající se síle proti působící pružiny, takže malé navýšení tlaku pM začíná otevírat klapku regulačního ventilu a část výfukových plynů mRV odtéká obtokem mimo turbínu. Tato regulace má za následek vyšší pružnost motoru, akcelerační schopnost a výkon v nízkých otáčkách motoru, zhoršuje se však ekonomie ve vyšších otáčkách v důsledku zvyšujících se ztrát vzniklých odpouštěním výfukových plynů.

Regulace odpouštěním výfukových plynů před turbínou

 

Regulace natáčením rozváděcích lopatek turbíny

Při tomto způsobu regulace plnicího tlaku, protéká turbínou stále stejný průtok spalin, daný průtokem vzduchu motorem a spotřebou paliva. Turbína se navrhuje na maximální hmotnostní průtok a optimální geometrie na hmotnostní průtok odpovídající přibližně středu regulované oblasti. Tím je při optimálním nastavení rozváděcích lopatek dán poměr průtočných ploch statoru a rotoru.

Takto můžeme měnit pouze výstupní plochu ze statoru turbíny a tím i úhel a velikost absolutní rychlosti proudu vstupujícího do rotoru, ovšem průtočná plocha rotoru zůstává nezměněná. Dochází tedy ke změně poměru průtočných ploch statoru a rotoru.

V principu je využíváno zákona kontinuity, který říká, že konstantní objem plynu proudí potrubím tím rychleji, čím menší má potrubí průřez. Tedy ve srovnání s regulací plnícího tlaku, u dmychadla prochází turbínou stále celý objem výfukových plynů. Při nízkých otáčkách motoru je požadován vysoký plnící tlak, takže je nastavitelnými lopatkami zmenšen průřez, kterým proudí výfukové plyny. Tlak před lopatkami se zvýší, rychlost plynů se ve zúženém místě také zvýší a to způsobí nárůst otáček turbodmychadla a tedy zvýšení tlaku kompresoru dmychadla. Ve vysokých otáčkách motoru, kdy je potřeba plnící tlak omezit, je průtočný průřez v místě rozváděcích lopatek zvětšen, turbodmychadlo se točí nižšími otáčkami a plnící tlak se také zmenší. Ovládání natáčení lopatek bývá řešeno různými pneumatickými nebo elektrickými akčními členy.

Natáčením rozváděcích lopatek turbíny jsou při regulaci mnohem nižší tlaky a teploty výfukových plynů před turbínou, než při jejich odpouštění.

Tohoto systému je zatím využíváno hlavně u vznětových motorů, protože výfukové plyny zážehových motorů mají příliš vysoké teploty.

Regulace natáčením rozváděcích lopatek turbíny

 

Regulace plnicího tlaku změnou šířky statoru turbíny

Změna šířky rozváděcího kola turbíny, je na první pohled nejjednodušším způsobem změny geometrie turbíny. Obtížnost plyne z principu věci. Celé rozváděcí kolo s lopatkami, je rovnoměrně po celém obvodě axiálně posouváno v turbínové skříni při teplotách blížícím se 800°C. Přitom se lopatky zasouvají do prstence v druhé stěně, která je opatřena otvory s profilem zasouvajících se lopatek. Z nutnosti vyšších ovládacích sil se pro ovládání používá pístové jednotky ovládané tlakem z brzdového systému vozidla a nikoli jednotky membránové využívající tlaku z výstupu kompresoru. Pro hodnotu regulovaného plnícího tlaku je užito otáček rotoru turbodmychadla, které se snímají uprostřed rotoru v ložiskové skříni bezdotykovým elektromagnetickým snímačem.Regulace plnicího tlaku změnou šířky statoru turbíny

Z hlediska parametrů to je originální řešení, protože proti ostatním způsobům regulace, zde protéká celý hmotnostní průtok turbínou při optimálním úhlu náběhu proudu do oběžného kola a turbína tak má stále vysokou účinnost. Zvětšení ztrát je způsobeno pouze zvýšenými třecími ztrátami ve statoru a náhlým rozšířením kanálu mezi statorem a rotorem turbíny.

Tento způsob regulace byl poprvé použit pro užitková vozidla Iveco Cursor na regulovaných přeplňovaných vznětových motorech. V současné době se této regulace používá nejen pro přeplňování vznětových motorů užitkových vozidel, ale i vznětových a zážehových motorů vozidel osobních.

 

Regulace plnicího tlaku řídící směrovou klapkou

U této regulace je jedinou pohyblivou částí směrová klapka uložená v bezlopatkové rozváděcí skříni turbíny. Je přestavována elektropneumatickým tlakem regulovaným v elektromagnetickém ventilu pomocí membránové jednotky.Regulace plnicího tlaku řídící směrovou klapkou Teoretické řešení je v podstatě stejné, jako při regulaci natáčením lopatek statoru turbíny s tím rozdílem, že úhel absolutní rychlosti na vstupu do rotoru se mění změnou úhlu nastavení jediné, řídící směrové klapky.

 

Kombinovaná regulace plnicího tlaku

Ve snaze snížit tlaky a teploty výfukových plynů před turbínou, a přitom maximálně zvýšit akceleraceschopnost motoru vyvinula firma Garrett turbodmychadlo s použitím bezlopatkové rozváděcí skříně, která má řídící směrovou klapku "a". Pro úpravu víru v rozváděcí skříni a tím i úhlu náběhu na vstupu do rotoru turbíny je doplněna odpouštěcí klapku "b". K dosažení minimálního momentu setrvačnosti rotoru turbíny byl průměr oběžného kola turbíny snížen na 32 mm. Tím pádem nemůže turbínou projít celý hmotnostní průtok produkovaný motorem. Od polohy "d" do polohy "c" řídící směrová klapka zvětšuje obvodovou složku rychlosti v bezlopatkové rozváděcí skříni a současně odpouští klapkou "b" přebytečný hmotnostní tok. Tím se docílí stejného efektu, jako při natáčení rozváděcích lopatek, ovšem v kombinaci s odpouštěním.Kombinovaná regulace plnicího tlaku

Tato kombinace s odpouštěním a použitím co nejmenších průměrů oběžných kol turbíny se používá u všech druhů regulací plnicího tlaku změnou geometrie turbíny. Uvedený způsob regulace turbodmychadlem Garrett VAT 25 byl poprvé použit při přeplňování motoru XU10J4TE vozu Peugeot 405 T16 s očekávanými výsledky.

 

Dvoustupňové přeplňování

U vysokotlakého přeplňování klesá s rostoucím stlačením při vyšších tlacích účinnost dmychadla především vlivem třecích ztrát a netěsností a zužuje se takDvoustupňové přeplňování využitelná oblast jeho stabilní práce. Taktéž účinnost turbíny klesá s rostoucím expanzním poměrem, tedy velkým rozdílem tlaků na vstupu a výstupu turbíny. To vede k dvoustupňovému přeplňování, což znamená, rozdělení jak komprese v dmychadle, tak expanze v turbíně do dvou stupňů. Při tomto řešení nám vyvstávají problémy při řešení zástavby dvou turbodmychadel a mezichladičů, regulace přechodových stavů dvou rotorů turbodmychadel a mimo jiné i energetická bilance zahrnující práci potřebnou na ochlazení vzduchu v mezichladičích.

 

 

Pokračování v článku Turbodmychadlo II...

 

 

Použité zdroje:

K. Hofmann, Alternativní pohony

Ladislav Bartoníček, Přeplňování pístových spalovacích motorů

www.auto.cz

www.wikipedia.cz


 

 

gototop