Předměty:
- Operace
- Turbo díra
- Dvojité turbo
- Tri-turbo
- Twin scroll turbo
- Turbo s variabilní geometrií
- Vypouštěcí ventil
- Wastegate
- Mezichladič
- Charakteristika kompresoru (přepětí a tlumivka)
- Kombinace turba a kompresoru
- Elektronické turbo
Úkon:
Výfukové plyny vycházející z válců jsou přiváděny z výfukového potrubí do turba. Tlak výfukových plynů způsobuje otáčení kola turbíny (červené plyny). Výfukové plyny pak odcházejí z turba přes stejné kolo turbíny do výfuku. Kolo kompresoru je poháněno pomocí hřídele (modré plyny). Kolečko kompresoru nasává vzduch ze strany (kde je zobrazen vzduchový filtr) a přivádí jej pod tlakem (přes modrou šipku) přes hadici turba do mezichladič. Mezichladič ochlazuje stlačený vzduch (motor má lepší výkon s chladnějším vzduchem). Vzduch pak vstupuje do sacího potrubí.
Při použití turba se při sacím zdvihu dostává do válců více vzduchu než u atmosférického motoru, který je pouze nasáván, protože se píst pohybuje směrem dolů. Tím, že se do válců tímto způsobem přivádí více vzduchu a přidává se více paliva, bude k dispozici vyšší výkon.
Tlak turba se měří pomocí snímač plnicího tlaku. Tlak turba se upravuje na základě signálu, který tento snímač posílá do ECU.
Turbo je namontováno co nejblíže za výfukovým potrubím. Někdy jsou rozdělovač a turbo navrženy jako jeden celek. Turbo je nutné namontovat co nejblíže k hlavě válců, protože otáčky výfukových plynů klesají co nejméně a ztrácí se co nejméně tlaku.
Turbo zpoždění:
Starší turba často trpí nechvalně známou prodlevou turba. Turbo funguje na výfukové plyny z motoru. Pokud se na jeden zátah sešlápne plynový pedál až na dno, potřebuje motor v nízkých otáčkách hodně vzduchu, ale v tu chvíli ještě musí startovat turbo z výfukových plynů, které se uvolňují. Turbo zatím nedodává dostatečný tlak. Teprve když motor dosáhne vyšších otáček, turbo naskočí správně. To se obvykle děje kolem 2000 otáček a je to znát, protože auto prudčeji zrychluje.
Tato prodleva turba je považována za hlavní nevýhodu. Výsledkem je, že mnoho lidí je pro jednu mechanický kompresor. To funguje neustále, protože je poháněno přímo klikovým hřídelem a tedy vždy ve stejných otáčkách, jak se motor točí. Když zrychlíte, kompresor okamžitě dodá tlak z volnoběžných otáček. Turba, která jsou dnes v autech zabudována, jsou tím ovlivněna méně, částečně i díky variabilnímu turbu.
Dvojité turbo:
Přídavek „twin-turbo“ naznačuje přítomnost dvou turb. Tato 2 turba mohou být umístěna vedle sebe na 1 řadě válců, nebo 1 turbo na řadu válců. Řidič tak získá výhodu většího točivého momentu při nízkých otáčkách, lepšího výkonu ve vysokých otáčkách a hladšího charakteru motoru. V nízkých otáčkách je pak vzduch do motoru přiváděn malým turbem a ve vyšších otáčkách se větší turbo stává funkčním. Větší turbo má větší prodlevu turba, protože potřebuje více vzduchu na rozjezd, ale to se pak ruší malým turbem.
Čtyři obrázky níže popisují situace, ve kterých fungují obě turba, nebo kdy funguje pouze jedno z těchto dvou. Čtyři kruhy jsou válce, červená a modrá část jsou výfukové plyny a nasávaný vzduch. Intercooler je označen „IC“.
Nízké otáčky motoru a nízké zatížení motoru:
Při otáčkách pod 1800 ot./min dochází k malému objemovému průtoku výfukových plynů. Malý objem umožňuje použití malého turba. Ventil mezi výfukovým potrubím a velkým turbem je uzavřen. Výfukové plyny se tedy převádějí pouze z malého do velkého turba. Velké turbo se už rozjíždí. Jedná se o sériové zapojení, protože jsou použita obě turba.
Střední otáčky motoru a střední zatížení:
Mezi 1800 a 3000 ot./min se otevírá ventil mezi výfukovým potrubím a velkým turbem. V současnosti jsou obě turba poháněna přímo výfukovými plyny z motoru. I zde se jedná o sériové zapojení, protože jsou použita obě turba.
Vysoké otáčky motoru a vysoké zatížení:
Nad 3000 ot./min se objemový průtok výfukových plynů stává příliš velkým pro malé turbo. Turbo je vypnuto, aby nepřekročilo tzv. „sytič“ (viz kapitola Charakteristika kompresoru dále na stránce). Wastegate malého turba se otevře, takže všechny výfukové plyny, které jsou přiváděny do turba, jsou vedeny kolem turba. Výfukové plyny se pak nedostanou ke kolu kompresoru.
Velké turbo je plně zásobeno výfukovými plyny. Ventil zůstává otevřený, takže velké turbo může dosáhnout vysokých otáček a přesunout tak hodně nasávaného vzduchu do sacího potrubí.
Tri-turbo:
V současné době se vyrábí i motory „tri-turbo“. Na těchto motorech jsou namontována tři turba, takže lze dosáhnout maximální úrovně plnění v každém rozsahu otáček. BMW využívá technologii tri-turbo mimo jiné u modelu M550d. Dvě malá turba využívají variabilní geometrii, takže jsou vhodná pro nízké i vysoké otáčky. V závislosti na otáčkách se turbo upravuje pro lepší odezvu. Velké turbo používá wastegate.
Níže jsou popsány dvě situace, které udávají, které turbo je v kterou dobu v provozu.
Nízké otáčky motoru a nízké zatížení:
Poháněno je pouze jedno ze dvou malých turb. Vzhledem k velikosti turba se rychle namotává. Malé turbo předává výfukové plyny velkému turbu. To už nastartuje velké turbo.
Střední a vysoké otáčky motoru a zatížení:
Poháněna jsou obě malá turba. Dvě malá turba pohánějí velké turbo. Tím je dosaženo maximálního plnicího tlaku při všech středních a vysokých otáčkách.
Twin scroll turbo:
Když se ve výfukovém potrubí sejde více výfukových plynů, mohou nastat problémy s rušením; tlakové vlny se vzájemně brání. U turba Twin-scroll jsou výfukové plyny od sebe odděleny a vedeny do turba ve dvou kanálech. Výfukové plyny z válců 1 a 2 se neshromažďují v sacím potrubí, ale narážejí nezávisle na sobě na kolo turbíny. Použití turba Twin-scroll má za následek rychlejší odezvu plynu a vyšší účinnost. Obrázek níže ukazuje, že výfukové plyny z válců 1 a 4 se spojují a výfukové plyny z válců 2 a 3 se spojují.
U běžného turba se výfukové plyny dostávají do vzájemného kontaktu ve výfukovém potrubí. Říkáme tomu „interference“. Obrázek níže ukazuje tlakové pulsy vytvořené ve výfukovém potrubí jednoho válce.
Protože máme co do činění s překrytím ventilů (sací i výfukový ventil jsou při změně z výfukového zdvihu na sací zdvih otevřeny), vznikají také podtlaky (nižší než atmosférický tlak). Při překrytí ventilů pomáhají výfukové plyny nasávat čerstvý vzduch do spalovací komory a odhánět zbývající výfukové plyny. Tím se spalovací hřeben dodává více kyslíku, takže se zvyšuje objemová účinnost.
Když se podíváme na tlaky ve výfukovém potrubí čtyřválcového motoru, vidíme hodně rušení. Každý kladný puls se snižuje v důsledku podtlaku v důsledku překrytí ventilu. To je nevýhoda zpoždění turba (reakční doba na navinutí)
Použití turba twin-scroll zlepšuje dobu odezvy, protože výfukové plyny z válců 1+4 a 2+3 jsou odděleny. Pulsy jsou mnohem silnější, protože nejsou v tu chvíli ovlivněny negativními pulzy. Výrobce tedy může také prodloužit dobu, po kterou dojde k překrytí ventilů, aby bylo dosaženo ještě vyšší objemové účinnosti.
Turbo s variabilní geometrií:
Turbo s wastegate trpí zpožděním turba; Teprve když motor točí určitý počet otáček, je turbo zásobeno dostatečnými výfukovými plyny, aby se dostalo do provozu. Turbo s proměnnou geometrií nemá wastegate, ale má nastavitelné lopatky ve výfukovém kanálu. Tyto nože lze nastavit otáčením nastavovacího kroužku. Tento nastavovací kroužek se otáčí pomocí vakua. Potřebné množství podtlaku zajišťuje solenoidový ventil (elektromagnetický ventil) na základě zatížení motoru a otáček motoru, který je řízen ECU.
Nastavením lopatek lze směrovat proudění vzduchu. Díky změně proudění vzduchu může turbo běžet ve vyšších otáčkách již při nízkých otáčkách motoru, včetně nižších tlaků výfukových plynů. Poloha lopatek omezuje množství výfukových plynů, které mohou proudit dovnitř. Aby bylo možné běžet při vyšších otáčkách, budou nože při vyšších otáčkách motoru nastaveny směrem dovnitř. Vysokého plnicího tlaku lze dosáhnout při nízkých i vysokých rychlostech. Tím je zajištěno, že turbo funguje optimálně v širokém rozsahu otáček, protože motor dostane stejný plnicí tlak v nízkých otáčkách jako ve vyšších.
Vypouštěcí ventil:
Vypouštěcí ventil se také nazývá „vypouštěcí ventil“. Vypouštěcí ventil je namontován na hadici turba, kde je vzduch přiváděn z turba na sací stranu motoru. Při akceleraci může turbo osobního vozu dosáhnout 200.000 XNUMX otáček za minutu. Při této rychlosti je dosaženo maximálního plnicího tlaku. Když je plynový pedál uvolněn najednou, je na sací straně motoru velký tlak vzduchu, ale škrticí klapka je zavřená.
Bez vypouštěcího ventilu se vytváří zpětný tlak směrem k turbu, což způsobí, že přiváděný plnicí vzduch rychle sníží otáčky turba. Když znovu zrychlíte, trvá dlouho, než se turbo dostane zpět na otáčky. Vypouštěcí ventil tomu brání. Po uvolnění plynu vyfoukne určité množství přiváděného vzduchu. Přebytečný vzduch pak ze sacího systému zmizel. Lopatky turba nejsou zpomalené, a proto se při opětovném sešlápnutí plynu rozjedou rychleji. Vypouštěcí ventil se okamžitě uzavře po vyfouknutí přiváděného vzduchu. Na rozdíl od toho, co si mnoho lidí myslí, vypouštěcí ventil neposkytuje větší výkon.
Vypouštěcí ventil způsobuje typický zvuk odfouknutí při uvolnění plynu při akceleraci v autě s turbem.
Wastegate:
Na každém turbu bez variabilních lopatek je namontován wastegate. Wastegate zajišťuje, že tlak ve skříni turbíny (tedy na straně výfuku) nebude příliš velký. Když je turbo v provozu a tlak se zvyšuje, je wastegate uzavřen. Veškerý vzduch, který během výfukového zdvihu opouští válce, je ve skutečnosti využit k pohonu turbínového kola. Tím se dosáhne maximálního plnicího tlaku.
Při volnoběhu však není potřeba žádný plnicí tlak. V tu chvíli se otevírá brána odpadu. Některé výfukové plyny jsou odváděny do výfuku; může proudit přímo do výfuku. Wastegate je v podstatě ventil mezi výfukovým potrubím a výfukem motoru; veškerý vzduch, který proudí přes wastegate, neprojde přes turbo. Dostupná energie se tedy v zásadě nevyužívá. Název wastegate lze tedy také vysvětlit; „Waste“ je anglicky „ztráta“.
Wastegate se také otevře při dosažení určité rychlosti; Při akceleraci se musí turbo rychle zrychlit, ale když turbína včetně kompresorového kola dosáhne určitých otáček, je třeba tyto otáčky udržovat konstantní. Otevřením wastegate při této rychlosti mohou být přebytečné výfukové plyny odváděny přímo do výfuku. Rychlost turba lze ovládat nastavením úhlu otevření wastegate. ECU reguluje na základě údajů z snímač plnicího tlaku do jaké míry je řízeno wastegate.
Mezichladič:
Teplota stlačeného vzduchu může být velmi vysoká (více než 60 stupňů Celsia). Pro lepší spalování je potřeba vzduch ochladit. O to se stará mezichladič. Intercooler je samostatný díl a je proto podrobně popsán na jiné stránce; viz stránka mezichladič.
Charakteristika kompresoru (přepětí a tlumivka)
Při návrhu motoru je třeba vzít v úvahu velikost turba. Přizpůsobení velikosti turba k motoru se nazývá „přizpůsobení“. Pokud je turbo příliš velké, vznikne velká „turbo mezera“. Turbo se spustí méně rychle, protože skříň turbíny je příliš velká pro malé množství výfukových plynů. Teprve ve vyšších otáčkách se turbo rozjede a dokáže dodat vysoký tlak. Pokud je turbo příliš malé, prodleva turba nebude téměř žádná. Turbínové kolo se rychle rozběhne s malým množstvím výfukových plynů. Vysokého tlaku turba je dosaženo již v nízkých otáčkách. Nevýhodou je, že ve vyšších otáčkách je na toto malé turbo příliš velké množství výfukových plynů. Výfukových plynů je více, než se vejde do turba; v takovém případě se musí výpustný otvor otevřít dříve a odvést velké množství výfukových plynů. Odpad je v překladu „ztráta“, což platí i zde; výfukové plyny proudící přes wastegate nepřispívaly k pohonu turba.
Velikost turba je tedy pro konstrukci motoru velmi důležitá. Každé turbo dostalo při návrhu charakteristiku kompresoru. Pomocí charakteristiky kompresoru lze určit, zda je vhodný pro konkrétní motor. Obrázek níže ukazuje příklad charakteristiky kompresoru.
Tlakový poměr P2/P1 (na ose Y) je poměr mezi vstupem (P1) a výstupem turba (P2). Tlak za turbínovým kolem je vždy nižší než předtím. (bezrozměrný) tlakový poměr 2,0 znamená, že tlak před turbínovým kolem je dvakrát vyšší než za turbínovým kolem. Faktor objemového průtoku (na ose X) je množství vzduchu, které proudí turbodmychadlem. Zakřivené vodorovné čáry ukazují rychlost hřídele turba.
Obrázek ukazuje, že červená čára je čára přepětí a modrá čára je čára tlumivky. Vlnová čára, nazývaná také limit pumpy, je limit, kdy je rychlost kola kompresoru příliš nízká. Vlnová čára je omezení proudění vzduchu kvůli příliš malému kolu kompresoru. Tlakový poměr je příliš vysoký a objemový průtok příliš nízký. Vzduch již není nasáván kompresorem, takže se zastaví a později obnoví svou rychlost. Toto nestabilní proudění vzduchu způsobuje kolísání tlaku a pulzace v sacím traktu. Pulsování se také nazývá „přebuzení“ kompresoru. Odtud název „surgeline“. Vzduch proudící tam a zpět způsobuje velké síly, které mohou přetížit turbo. Lopatky kola kompresoru se mohou ulomit a ložiska se přetíží.
Tlumivka je další limit, který by kompresor neměl překročit. Zde dochází k maximálnímu objemovému průtoku při nízkém tlakovém poměru. Průměr skříně kompresoru určuje maximální objemový průtok. Při překročení hranice sytiče je kolo kompresoru příliš malé na to, aby zvládlo (větší) objemový průtok. Výsledkem je ztráta velkého výkonu motoru. Tlumivka se také nazývá „sytič přetáčení“.
Obrázek ukazuje charakteristiku kompresoru s motorem při částečném zatížení. Motor by měl mít nejnižší spotřebu paliva při částečném zatížení. Nejnižší měrné spotřeby paliva je dosaženo s nejmenším ostrůvkem. Wastegate reguluje tlak tak, aby procházel přímo prostředním ostrůvkem. Zpočátku je wastegate uzavřen, aby se zvýšil tlak turba. Systém řízení motoru otevře bránu odpadu, jak ukazuje zelená čára na obrázku. Rychlost hřídele turba se pohybuje mezi 8000 a 9000 otáčkami za minutu.
Při jízdě v horách je větší geografická nadmořská výška; vzduch je tam řidší. To má vliv na chod turba, protože řidší vzduch obsahuje méně kyslíku, což způsobuje pokles tlaku pro kompresor. Tlakový poměr, včetně otáček kompresoru, se musí zvýšit, aby se dosáhlo konečného plnicího tlaku. Tato situace je vidět na obrázku.
Zelená čára označuje situaci částečného zatížení při jízdě na úrovni moře a oranžová čára při jízdě v horách. Díky řidšímu vzduchu se otáčky kompresoru zvýší na 100000 XNUMX otáček za minutu.
Vyšší otáčky kompresoru také zvýší teplotu vstupního vzduchu přiváděného do motoru. Mezichladič proto bude muset odvádět více tepla. Nyní je rozdíl vidět i ve spotřebě paliva; V horách se spotřeba paliva zvýší díky vyššímu tlakovému poměru P2/P1 a vyšším otáčkám turba.
Kombinace turba a kompresoru:
Automobilky v dnešní době stále častěji volí vybavení motoru turbem a kompresorem. Turbo má často větší rozměr a je vybaveno odpadní bránou. Kompresor slouží k zamezení prodlevy turba; Při nízkých otáčkách motoru poskytuje kompresor plnící tlak a spouští turbo. Ve vyšších otáčkách přebírá funkci turbo.
Stlačený vzduch jde přes kompresor nebo obtokový ventil do turba a přes turbo přes mezichladič do sacího potrubí.
Kliknutím sem zobrazíte další informace o kompresoru Roots.
Elektronické turbo:
Konvenční turbo trpí prodlevou turba v nízkých otáčkách, protože výfukové plyny jsou potřeba k pohonu kola turbíny. Kompresor tím netrpí a dodává plnicí tlak z volnoběhu. Ideální se jeví kombinace obojího. Mechanický Rootsův kompresor však musí být poháněn klikovým hřídelem. Energie se v tomto procesu ztrácí. Výrobci automobilů proto experimentují s více turby na výfukové plyny nebo elektrickými turby, aby zabránili prodlevě turba výfukových plynů.
Elektrické turbo je řízeno řídicí jednotkou motoru. Za pouhých 250 milisekund dosáhne kolo kompresoru rychlosti minimálně 70.000 XNUMX otáček za minutu. Elektromotor v turbu pohání kolo kompresoru. Kolečko kompresoru přivádí nasávaný vzduch pod tlakem ke kolu kompresoru turba výfukových plynů. Při použití elektromotoru se kolo kompresoru velmi rychle roztočí wordt kontrolované.
S pomocí elektrického turba má motor rychlejší odezvu, ve vyšších otáčkách, kdy turbo výfukových plynů dokáže dodat plný plnící tlak, se elektronické turbo vypne.
