Pokračování článku Turbodmychadlo I
Chlazení
Střední efektivní tlak na píst je závislý na hustotě plnicího vzduchu. Protože hustota plnicího vzduchu s rostoucí teplotou klesá, klesá i střední efektivní tlak na píst a tím výkon přeplňovaného motoru. Ke zvýšení teploty plnicího vzduchu dochází převážně v kompresoru, přičemž je závislé na stlačení a účinnosti. Z tohoto důvodu se při vyšším stlačení vzduchu než P=1,5 vřazuje mezi kompresor dmychadla a motor chladič plnicího vzduchu. Pro ilustraci, při uvedeném stlačení dosahuje ohřátí vzduchu v kompresoru 43 až 50°C a poměrné zvýšení hustoty jen hodnoty kolem 1,3 dle účinnosti kompresoru. Efektivita ochlazení plnicího vzduchu při použití chladiče je závislá na druhu a velikosti chladiče, druhu chladícího média, jeho teplotě a poměru hmotnostního toku chlazeného vzduchu a chladicího média.
Důsledek chlazení plnicího vzduchu se dá shrnout do těchto bodů:
-
Zvýšení hustoty plnicího vzduchu při nepatrném snížení tlaku ztrátou v chladiči.
-
Při stejné dávce paliva se sníží teplotní a tlaková hladina celého tepelného oběhu přeplňovaného motoru a tím i maximální spalovací tlaky a teploty.
-
Snížení tepelného a částečně i mechanického namáhání a tím z pevnostního hlediska možného zvýšení výkonu motoru.
-
V důsledku snížení teplotní hladiny oběhu motoru a proplachu chlazeným vzduchem se sníží teploty výfukových plynů.
-
Výkon přeplňovaného motoru je méně závislý na teplotě okolí, jejíž vliv na teplotu plnicího vzduchu se částečně sníží. U motorů bez chlazení plnicího vzduchu se sníží výkon motoru asi o 1% při zvýšení teploty v sání kompresoru asi o 3°C.
-
Podle výše chlazení plnicího vzduchu se sníží měrná spotřeba paliva o 3 až 5% při jmenovitém výkonu motoru.
-
Při téže spotřebě paliva se chlazením dosáhne zvýšení výkonu motoru asi o 5 až 6%.
-
Zvýšení jmenovitého výkonu přeplňovaného motoru chlazením činí asi 10 až 35%.
Všechny uvedené výhody chlazení plnicího vzduchu se vztahují na motory čtyřdobé a nejsou v plné míře zachovány i u motorů dvoudobých, kde se téměř vždy používá chlazení plnicího vzduchu. Instalací chladiče plnicího vzduchu na přeplňovaném motoru dochází v důsledku snížení teploty výfukových plynů k růstu jejich hustoty a k poklesu objemového toku turbínou, což by při nezměněné průtočné ploše statoru turbíny způsobilo pokles otáček a tím i pokles stlačení plnicího vzduchu. Proto je nutné, podle intenzity chlazení plnicího vzduchu, zmenšit průtočnou plochu rozváděcího ústrojí turbíny tak, aby otáčky rotoru turbodmychadla zůstaly stejné.
Při zavádění chlazení plnicího vzduchu u přeplňovaného motoru je nutné zvážit i ekonomická hlediska, ze kterých vychází, že chlazení plnicího vzduchu je obvykle výhodné až při snížení teploty chlazením plnicího vzduchu minimálně o 20%. Chlazení plnicího vzduchu je nejjednodušší a nejúčinnější cestou ke zlepšení parametrů vznětových i zážehových motorů.
Detonační hoření a zážehový motor
Jak už bylo zmíněno dříve při přeplňování zážehových motorů jsou limitujícím prvkem samozápaly. Proto je snahou tyto samozápaly oddálit. Je nutné i připustit větší tepelné a mechanické zatížení a použití paliv s většími antidetonačními schopnostmi.
Jak vlastně detonační hoření vzniká? Po zážehu svíčkou je zbývající dosud nezapálená směs stlačována postupující reakční frontou plamenného hoření. Tím roste její teplota, která je ještě zvyšována přestupem tepla od reakční zóny. Proto, zvláště když směs měla již vysokou teplotu před zážehem, dochází k vytvoření většího množství aktivních jader, iontů a ke vznícení zbytku směsi. Tento zbytek směsi pak hoří nadzvukovou rychlostí a způsobuje tlakové a teplotní detonační kmitání, jež vede ke snížení účinnosti spalování a zvýšenému tepelnému a mechanickému zatížení motoru. To je jev, kterému je třeba zabránit.
Detonační spalování ovlivňují:
-
antidetonační vlastnostmi paliva a složení směsi paliva se vzduchem,
-
růst tlaků a teplot směsi na konci kompresního zdvihu motoru,
-
velikost předstihu zážehu,
-
otáčky motoru,
-
náchylnost spalovacího prostoru k detonačnímu spalování.
Vliv stavu směsi paliva se vzduchem
Poloha hranice detonačního spalování je ovlivněna nejen antidetonačními vlastnostmi samotného paliva vyjádřeného oktanovým číslem, ale i složením samotné směsi, které je charakterizováno součinitelem přebytku vzduchu λ. Budeme-li vycházet ze závislostí plnícího tlaku a teploty při konstantním kompresním poměru a otáčkách motoru vyplývají tyto závěry:
-
Plnicí tlak na mezi detonačního spalování při konstantním oktanovém čísle paliva a součiniteli přebytku vzduchu směsi klesá s rostoucí teplotou plnicího vzduchu.
-
Při konstantním oktanovém čísle paliva se mez detonačního spalování bude zvyšovat při obohacení směsi. Pro chudou směs λ = 1,1 leží mez detonačního spalování níže než pro bohatší směs λ = 0,9. Tuto skutečnost lze vysvětlit tím, že palivo při svém odpařování během komprese ochlazuje směs.
-
Čím vyšší bude oktanové číslo paliva, tím výše bude ležet hranice detonačního spalování.
Vliv kompresního poměru motoru
Kompresní poměr motoru značně ovlivňuje detonační spalování konečnými kompresními tlaky a teplotami. Maximální plnicí tlak klesá na mezi detonačního spalování s rostoucím kompresním poměrem motoru při konstantním oktanovém čísle paliva, součiniteli přebytku vzduchu a konstantních otáčkách motoru. Snížení kompresního poměru motoru má velký vliv na odsunutí meze detonačního spalování, ovšem současně snižuje termickou a tím i indikovanou účinnost motoru a hospodárnost jeho provozu. Poněvadž teplota na konci komprese je závislá na teplotě plnicího vzduchu, má velký význam chlazení plnicího vzduchu.
Vliv předstihu zážehu
Velikost úhlu předstihu zážehu má značný vliv na velikost spalovacích tlaků, teplot a rychlost jejich růstu. Závislost je taková, že s klesajícím úhlem předstihu zážehu roste hodnota středního efektivního tlaku a současně s tím i plnicí tlak. Pokud ovšem budeme zachovávat konstantní plnící tlak, bude střední efektivní tlak s klesající hodnotou předstihu klesat. Tohoto se často využívá při regulaci.
Možnosti odsunutí meze detonačního spalování
Možnosti odsunutí meze detonačního spalování vyplývají do značné míry z přecházejících kapitol a jsou následující:
- Použití paliv o vyšším oktanovém čísle.
- Vstřiknutí malého množství vody, které se provádí u velmi zatížených motorů, dovoluje zvýšení středního efektivního tlaku až o 20%.
- Chlazení plnicího vzduchu v chladiči za kompresorem.
- Tvar spalovacího prostoru a rozmístění tzv. teplých míst.
- Použití dvou zapalovacích svíček. Zkrátí se tím dráha čela reakční zóny a tím se zmenší čas pro vznik podmínek detonačního spalování.
- Zvýšení otáček motoru, čímž se rovněž zkracuje doba pro spalování a tím i vzniku podmínek detonační hoření.
- Snížení předstihu zážehu, který je také prvním krokem při provozní regulaci.
- Snížení plnicího tlaku, který je druhým krokem při provozní regulaci.
Pár dodatků ke konstrukci
Dmychadlo se točí otáčkami 10 000 až 200 000 /min. v závislosti na jeho velikosti, váze rotujících částí, potřebném tlaku a konstrukci turbodmychadla. Obecně platí, že čím menší průměr kompresoru a turbíny turbodmychadla, tím si můžeme dovolit vyšší otáčky. Hřídel turbodmychadla je uložen ve fluidních, olejových ložiskách. Klasická kuličková ložiska by při těchto otáčkách měla velmi nízkou životnost. Olejová ložiska fungují tak, že je mezi rotujícím hřídelem a pouzdrem ložiska malá mezera vyplněná tlakovým olejem, takže se tyto části nedotýkají. Hřídel v podstatě plave na olejovém filmu. Olej se většinou bere z mazací soustavy motoru a musí být po průchodu turbodmychadlem chlazen.
Aby se zabránilo poškození turbodmychadla a motoru při uzavření škrticí klapky, to je např. při řazení u manuálních převodovek, kdy vzduch stlačený turbodmychadlem nemá kam proudit, jsou přeplňované motory vybaveny přepouštěcím ventilem. Při zavření škrtící klapky za ní vznikne podtlak, který se využije k otevření přepouštěcího ventilu. Přebytečný vzduch se tak vyfoukne ven z motoru nebo zpět do sání. Přičemž vzniká charakteristický zvuk.
Ještě pár poznámek k materiálům turbodmychadel. Turbínové kolo bývá vyrobeno z žárupevné a žáruvzdorné niklové slitiny, kompresorové kolo z hliníkové slitiny. Skříně turbíny a ložisek se navrhují nejčastěji z temperované šedé litiny, skříň dmychadla je z hliníkové slitiny.
Prodleva neboli turboefekt
Turboefekt turbodmychadla je prodlevu mezi okamžikem, kdy sešlápneme plynový pedál a okamžikem, kdy pocítíme zátah turbodmychadla. To je způsobeno tím, že výfukové plyny potřebují k dosažení vyššího tlaku určitou dobu a také kvůli poměrně velké setrvačnost rotoru, především turbíny a tím odezvy na změnu.
Prodlevu je možné zmenšovat například snížením rotační setrvačnosti turbíny tedy použitím lehčích materiálů a zmenšením jejího průměru. Jsme ovšem limitováni mechanickými vlastnostmi a parametry, které od turbodmychadla požadujeme. Žáruvzdorné a žárupevné slitiny bývají bohužel těžší a také nemůžeme chtít od „mikroturba“ velké tlaky a průtoky vzduchu. Vyšší otáčky jsou jen částečným řešením, které jde ruku v ruce s pevností. Takže se vždy musí najít vyhovující kompromis.
Snadnější to je u použití dvou menších dmychadel, která mají menší setrvačnosti a je možné je spolu regulovat tak, aby se překrývala a turboefekt minimalizovat.
Porovnání spotřeby
Měrná spotřeba přeplňovaných motorů je obecně nižší než u srovnatelných atmosférických motorů. Absolutní spotřeba, tedy ta, kterou pociťuje naše peněženka je na tom obdobně. V principu je to tak, že přeplňovaný motor dává vyšší kroutící momenty v nižších otáčkách, k čemuž je navrhnuta i převodovka. Tomu pak odpovídá to, že pro dosažení stejné rychlosti pracuje přeplňovaný oproti atmosférickému motoru na nižších otáčkách a tedy i s menšími mechanickými ztrátami.
Nejčastější závady turbodmychadla a jejich příčiny
Poškození cizím předmětem
Poškození cizím předmětem je snadno viditelné a rozpoznatelné na poškozených lopatkách turbínového nebo dmychadlového kola. Je nanejvýš nevhodné narovnávat lopatky poškozeného kola. Při takto „opraveném“ oběžném kole dochází k poklesu pevnosti narovnaných lopatek a k nevývahám, které se mohou projevit ve vysokých otáčkách turbodmychadla jeho celkovou destrukcí.
Znečistěný motorový olej
Vzhledem k tomu, že turbodmychadlo je uloženo na olejových ložiskách, je značně citlivé na kvalitu oleje. Proto je nutné provádět řádné a včasné výměny motorového oleje i olejového a vzduchového filtru. Nejčastější příčinou tohoto poškození bývá:
- chyba ve výrobě nebo nadměrné opotřebení motoru,
- špatná kvalita motorového oleje vedoucí k jeho karbonizaci,
- poškozený či ucpaný olejový filtr, případně filtr nízké kvality,
- nečistoty, která se do motorového oleje dostaly při chybné servisní činnosti.
Nedokonalé mazání turbodmychadla
Při opakovaných přerušení dodávky motorového oleje na dobu kolem pěti sekund dochází k poškození ložisek turbodmychadla. Nejčastějšími příčinami bývají:
- montáž turbodmychadla bez předchozí kontroly olejového systému,
- nedodržení intervalu výměny motorového oleje a filtru,
- odstavení vozu na extrémně dlouhou dobu,
- nesprávné startování převážně v zimním období s teplotami pod bodem mrazu,
- nízký tlak oleje způsobený závadou v olejovém systému,
- znečistění oleje například palivem či chladicí kapalinou.
Přerušení dodávky oleje
Mezi nejčastější závady turbodmychadel patří opakované přerušení dodávky motorového oleje při časovém úseku kolem deseti sekund. To má za následek přehřátí ložisek turbodmychadla s jejich hrozícím zadřením a následných poškozením rotoru. Příčinami jsou:
- poškozený nebo omezený přívod motorového oleje turbodmychadla,
- porucha na olejovém čerpadle,
- nedostatečné množství motorového oleje,
- průnik vzduchu do olejového systému.
Přehřátí
Při nadměrných teplotách výfukového systému nebo okamžitého vypnutí motoru po režimu vysokého zatížení dochází ke karbonizaci oleje na rozpálených smáčených stěnách. Proto se doporučuje při takovémto režimu nechat motor alespoň dvě minuty vychladit na volnoběžných otáčkách. Nejvíce ohroženy jsou turbínová skříň, ložiska a hřídel turbodmychadla. U turbínové skříně muže dokonce dojít k prasklinám litinového bloku. Příčinami jsou:
- ucpaný filtr vzduchu,
-
nedostatečný přívod vzduchu,
-
náhlé vypnutí motoru po režimu vysokého zatížení,
-
karbonizace nekvalitního motorového oleje,
-
nedostatečné intervaly výměny motorového oleje,
-
pronikání vzduchu do systému mazání,
-
vadné olejové čerpadlo,
-
nesprávná instalace turbínové skříně,
-
omezený přívod oleje.
Použité zdroje:
K. Hofmann, Alternativní pohony
Ladislav Bartoníček, Přeplňování pístových spalovacích motorů
www.auto.cz
www.wikipedia.cz
|