Aiheet:
- toiminta
- Turbo-viive
- Twin turbo
- Tri-turbo
- Twin-scroll-turbo
- Vaihtuvageometrinen turbo
- Tyhjennysventtiili
- Wastegate
- välijäähdyttimen
- Kompressorin ominaisuus (ylijännite & kuristin)
- Turbo ja kompressori yhdistelmä
- Elektroninen turbo
Operaatio:
Sylintereistä tulevat pakokaasut syötetään pakosarjasta turboon. Pakokaasun paine saa turbiinin pyörän pyörimään (punaiset kaasut). Pakokaasut poistuvat sitten turbosta saman turbiinipyörän kautta pakoputkeen. Kompressorin pyörää käytetään akselin avulla (siniset kaasut). Kompressoripyörä imee ilmaa sivulta (jossa ilmansuodatin on esitetty) ja syöttää sen paineen alaisena (sinisen nuolen kautta) turboletkun kautta välijäähdyttimen. Välijäähdytin jäähdyttää paineilmaa (moottori toimii paremmin viileämmällä ilmalla). Sitten ilma tulee imusarjaan.
Turboa käytettäessä sylintereihin tulee imutahdin aikana enemmän ilmaa kuin vapaasti hengittävässä moottorissa, joka vedetään sisään vain, koska mäntä liikkuu alaspäin. Lisäämällä ilmaa sylintereihin tällä tavalla ja lisäämällä enemmän polttoainetta saadaan suurempi teho.
Turbon paine mitataan latauspaineanturi. Turbon paine säädetään signaalin perusteella, jonka tämä anturi lähettää ECU:lle.
Turbo asennetaan mahdollisimman lähelle pakosarjan jälkeen. Joskus jakotukki ja turbo on suunniteltu yhdeksi kokonaisuudeksi. Turbo tulee asentaa mahdollisimman lähelle sylinterinkantta, koska pakokaasujen nopeus laskee mahdollisimman vähän ja painetta häviää mahdollisimman vähän.
Turbon viive:
Vanhemmat turbot kärsivät usein surullisen turbon viiveestä. Turbo toimii moottorin pakokaasuilla. Jos kaasupoljin painetaan kerralla pohjaan asti, moottori tarvitsee paljon ilmaa alhaisella nopeudella, mutta sillä hetkellä turbon on vielä lähdettävä käyntiin vapautuvista pakokaasuista. Turbo ei vielä tuota tarpeeksi painetta. Vasta kun moottori on saavuttanut suuremman nopeuden, turbo käynnistyy kunnolla. Tämä tapahtuu yleensä noin 2000 rpm ja on havaittavissa, koska auto kiihtyy kovemmin.
Tätä turbon viivettä pidetään suurena haittana. Tämän seurauksena monet ihmiset kannattavat yhtä mekaaninen kompressori. Tämä toimii jatkuvasti, koska sitä käyttää suoraan kampiakseli ja siksi aina samalla nopeudella kuin moottori pyörii. Kompressori tuottaa välittömästi painetta joutokäynnistä, kun kiihdytät. Nykyään autoihin rakennettuihin turboihin tämä vaikuttaa vähemmän, osittain muuttuvan turbon ansiosta.
Twin turbo:
Lisäys "twin-turbo" osoittaa kahden turbon olemassaolon. Nämä 2 turboa voidaan sijoittaa vierekkäin 1 sylinteririville tai 1 turbo per sylinteririvi. Tämä antaa kuljettajalle paremman vääntömomentin pienillä nopeuksilla, paremman suorituskyvyn suurilla nopeuksilla ja pehmeämmän moottorin luonteen. Alhaisilla nopeuksilla ilma syötetään moottoriin pienellä turbolla ja suuremmilla nopeuksilla suurempi turbo toimii. Suuremmalla turbolla on suurempi turbon viive, koska se tarvitsee enemmän ilmaa aloittaakseen, mutta pieni turbo kumoaa tämän.
Alla olevat neljä kuvaa kuvaavat tilanteita, joissa molemmat turbot toimivat tai kun vain toinen niistä toimii. Neljä ympyrää ovat sylintereitä, punainen ja sininen osa ovat pakokaasuja ja imuilmaa. Välijäähdyttimessä on merkintä "IC".
Alhainen moottorin nopeus ja alhainen moottorin kuormitus:
Alle 1800 rpm:n nopeuksilla pakokaasun tilavuusvirta on pieni. Pieni tilavuus mahdollistaa pienen turbon käytön. Pakosarjan ja suuren turbon välinen venttiili on kiinni. Pakokaasut siirtyvät siis vain pienestä suureen turboon. Isoa turboa nostetaan jo. Tämä on sarjaliitäntä, koska molempia turboja käytetään.
Moottorin keskinopeus ja kohtalainen kuormitus:
1800 ja 3000 rpm välillä pakosarjan ja suuren turbon välinen venttiili aukeaa. Tällä hetkellä molempia turboja ohjataan suoraan moottorin pakokaasuista. Tämä on myös sarjaliitäntä, koska molempia turboja käytetään.
Suuri moottorin nopeus ja suuri kuormitus:
Yli 3000 rpm:n pakokaasun tilavuusvirta tulee liian suureksi pienelle turbolle. Turbo kytketään pois päältä, jotta se ei ylitä ns. "chokeline" -rajaa (katso kompressorin ominaisuuksia koskeva luku alempana sivulla). Pienen turbon hukkaluukku avataan, jolloin kaikki turboon syötettävä pakokaasu ohjataan turbon ohi. Pakokaasu ei silloin saavuta kompressorin pyörää.
Suuri turbo toimitetaan täysin pakokaasulla. Venttiili pysyy auki, jotta iso turbo voi saavuttaa suuren nopeuden ja siirtää siten paljon imuilmaa imusarjaan.
Tri-turbo:
Nykyään valmistetaan myös "tri-turbo" -moottoreita. Näihin moottoreihin on asennettu kolme turboa, jotta maksimaalinen täyttötaso voidaan saavuttaa kaikilla nopeusalueilla. BMW käyttää tri-turbo-tekniikkaa muun muassa M550d:ssä. Kaksi pientä turboa käyttävät muuttuvaa geometriaa, joten ne sopivat sekä pienille että suurille nopeuksille. Nopeudesta riippuen turboa säädetään paremman vasteen saamiseksi. Iso turbo käyttää hukkaporttia.
Alla on kuvattu kaksi tilannetta, jotka osoittavat, mikä turbo on toiminnassa mihin aikaan.
Alhainen moottorin nopeus ja alhainen kuormitus:
Vain toinen kahdesta pienestä turbosta on ajettu. Turbon koosta johtuen se kelataan nopeasti. Pieni turbo ohjaa pakokaasut suureen turboon. Tämä käynnistää jo suuren turbon.
Keski- ja korkea moottorin nopeus ja kuormitus:
Molemmat pienet turbot ajettavat. Kaksi pientä turboa ohjaavat suurta turboa. Tällä saavutetaan suurin ahtopaine kaikilla keskisuurilla ja suurilla nopeuksilla.
Twin scroll turbo:
Kun useita pakokaasuja kokoontuu pakosarjaan, voi syntyä häiriöitä; paineaallot estävät toisiaan. Twin-scroll-turbolla pakokaasut erotetaan toisistaan ja ohjataan turboon kahdessa kanavassa. Pakokaasut sylintereistä 1 ja 2 eivät tule yhteen imusarjassa, vaan osuvat turbiinin pyörään toisistaan riippumatta. Twin-scroll-turbon käyttö johtaa nopeampaan kaasuvasteeseen ja parempaan hyötysuhteeseen. Alla olevasta kuvasta näkyy, että sylintereiden 1 ja 4 pakokaasut yhdistyvät ja sylintereiden 2 ja 3 pakokaasut tulevat yhteen.
Perinteisessä turbossa pakokaasut joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa pakosarjassa. Kutsumme tätä "häiriöksi". Alla olevassa kuvassa näkyvät yhden sylinterin pakosarjassa syntyneet painepulssit.
Koska kyseessä on venttiilien päällekkäisyys (tulo- ja pakoventtiilit ovat molemmat auki vaihdettaessa pakotahdista imutahtiin), syntyy myös alipaineita (ilmakehän painetta alempia). Venttiilien päällekkäisyydessä pakokaasut auttavat imemään raitista ilmaa palotilaan ja poistamaan jäljelle jääneen pakokaasun. Tämä antaa polttokampaan enemmän happea, jolloin tilavuushyötysuhde kasvaa.
Kun tarkastelemme nelisylinterisen moottorin pakosarjan paineita, näemme paljon häiriöitä. Jokaisesta positiivisesta pulssista tulee vähemmän korkea venttiilin päällekkäisyydestä johtuvan alipaineen vuoksi. Tämä on turbon viiveen (reaktioaika kelaamiseen) haittapuoli.
Twin-scroll-turbon käyttö parantaa vasteaikaa, koska sylintereiden 1+4 ja 2+3 pakokaasut erotetaan toisistaan. Pulssit ovat paljon voimakkaampia, koska negatiiviset pulssit eivät vaikuta niihin sillä hetkellä. Valmistaja voi siksi myös pidentää venttiilien päällekkäisyyttä saavuttaakseen vielä suuremman tilavuushyötysuhteen.
Vaihtuvageometrinen turbo:
Turbo, jossa on hukkaportti, kärsii turbon viiveestä; Vain kun moottori pyörii tietyn kierrosluvun, turbo saa riittävästi pakokaasuja, jotta se käynnistyy. Muuttuvan geometrian turbossa ei ole hukkaporttia, mutta pakokanavassa on säädettävät siivet. Näitä teriä voidaan säätää kääntämällä säätörengasta. Tätä säätörengasta pyöritetään tyhjiön avulla. Tarvittava määrä tyhjiötä saadaan aikaan magneettiventtiilillä (solenoidiventtiili), joka perustuu moottorin kuormitukseen ja moottorin käyntinopeuteen ja jota ohjaa ECU.
Teriä säätämällä voidaan ilmavirtaa ohjata. Ilmavirran muutoksesta johtuen turbo voi jo käydä suuremmalla nopeudella alhaisilla moottorin kierrosnopeuksilla, myös alhaisemmilla pakokaasun paineilla. Terien asento rajoittaa sisään virtaavan pakokaasun määrää. Jotta voisi ajaa suuremmilla nopeuksilla, terät säädetään sisäänpäin suuremmalla moottorin nopeudella. Korkea täyttöpaine voidaan saavuttaa sekä pienillä että suurilla nopeuksilla. Näin varmistetaan, että turbo toimii optimaalisesti laajalla nopeusalueella, koska moottori saa saman ahtopaineen alhaisella nopeudella kuin suuremmalla nopeudella.
Tyhjennysventtiili:
Tyhjennysventtiiliä kutsutaan myös "puhallusventtiiliksi". Tyhjennysventtiili on asennettu turboletkuun, jossa ilma syötetään turbosta moottorin imupuolelle. Kiihdytettäessä henkilöauton turbo voi saavuttaa 200.000 XNUMX kierrosta minuutissa. Tällä nopeudella saavutetaan suurin latauspaine. Kun kaasupoljin vapautetaan kerralla, ilmanpainetta on runsaasti moottorin imupuolella, mutta kaasuventtiili on kiinni.
Ilman tyhjennysventtiiliä syntyy vastapainetta turboa kohti, jolloin syötetty ahtoilma laskee nopeasti turbon nopeutta. Kun kiihdytät uudelleen, kestää kauan ennen kuin turbo palautuu vauhtiin. Tyhjennysventtiili estää tämän. Kun kaasu vapautuu, se puhaltaa pois tietyn määrän syötettyä ilmaa. Ylimääräinen ilma on sitten kadonnut imujärjestelmästä. Turbon siivet eivät ole hidastuneet, joten ne käynnistyvät nopeammin, kun kaasua kiihdytetään uudelleen. Tyhjennysventtiili sulkeutuu välittömästi, kun tuloilma on puhallettu pois. Toisin kuin monet ihmiset ajattelevat, tyhjennysventtiili ei anna enemmän tehoa.
Tyhjennysventtiili aiheuttaa tyypillisen puhallusäänen, kun kaasua vapautuu kiihdytyksen aikana turbolla varustetussa autossa.
Wastegate:
Hukkaluukku on asennettu jokaiseen turboon ilman säädettäviä siipiä. Hukkaportti varmistaa, että paine turbiinin kotelossa (eli pakopuolen puolella) ei kasva liian suureksi. Kun turbo on toiminnassa ja paine kasvaa, hukkaluukku sulkeutuu. Kaikki ilma, joka poistuu sylintereistä pakotahdin aikana, käytetään itse asiassa turbiinin pyörän käyttämiseen. Tämä saavuttaa suurimman täyttöpaineen.
Tyhjäkäynnillä ahtopainetta ei kuitenkaan tarvita. Sillä hetkellä hukkaluukku aukeaa. Osa pakokaasuista ohjataan pakokaasuun; se voi virrata suoraan pakoputkeen. Ohjausventtiili on pohjimmiltaan pakosarjan ja moottorin pakoputken välinen venttiili; kaikki hukkaportin läpi virtaava ilma ei kulje turbon läpi. Joten periaatteessa käytettävissä olevaa energiaa ei käytetä. Siten myös jäteluukun nimi voidaan selittää; "Waste" on englanninkielinen sana "loss".
Myös hukkaluukku avautuu, kun tietty nopeus saavutetaan; Kiihdytettäessä turbon on kiihdytettävä nopeasti, mutta kun turbiini kompressorin pyörä mukaan lukien saavuttaa tietyn nopeuden, tämä nopeus on pidettävä vakiona. Avaamalla hukkaportti tällä nopeudella ylimääräinen pakokaasu voidaan johtaa suoraan pakoputkeen. Turbon nopeutta voidaan säätää säätämällä hukkaportin avautumiskulmaa. ECU säätelee tietojen perusteella latauspaineanturi missä määrin hukkaluukkua valvotaan.
Välijäähdytin:
Paineilman lämpötila voi nousta erittäin lämpimäksi (yli 60 celsiusastetta). Paremman palamisen varmistamiseksi ilman tulee jäähtyä. Välijäähdytin huolehtii siitä. Välijäähdytin on erillinen osa, joten se on kuvattu yksityiskohtaisesti toisella sivulla; katso sivu välijäähdyttimen.
Kompressorin ominaisuus (ylijännite & kuristin)
Moottoria suunniteltaessa on otettava huomioon turbon koko. Turbon koon sovittamista moottoriin kutsutaan "sovitukseksi". Jos turbo on liian suuri, syntyy suuri "turboaukko". Turbo käynnistyy hitaammin, koska turbiinikotelo on liian suuri pienelle pakokaasumäärälle. Vain suuremmilla nopeuksilla turbo on vauhdissa ja pystyy tuottamaan korkeaa painetta. Jos turbo on liian pieni, turbon viive on lähes olematon. Turbiinin pyörä käynnistyy nopeasti pienellä määrällä pakokaasua. Korkea turbon paine saavutetaan jo alhaisilla nopeuksilla. Haittapuolena on, että suuremmilla nopeuksilla pakokaasun määrä on liian suuri tälle pienelle turbolle. Pakokaasua on enemmän kuin turboon mahtuu; Tällöin hukkaportin tulee avautua aikaisemmin ja ohjata paljon pakokaasuja. Waste on käännös sanalle "tappio", joka pätee myös tässä; hukkaportin läpi virtaavat pakokaasut eivät vaikuttaneet turbon käyttöön.
Turbon koko on siksi erittäin tärkeä moottorin suunnittelun kannalta. Jokainen turbo on saanut suunnittelun aikana kompressorin ominaiskäyrän. Kompressorin ominaiskäyrän avulla voidaan määrittää, sopiiko se tietylle moottorille. Alla olevassa kuvassa on esimerkki kompressorin ominaisuuksista.
Painesuhde P2/P1 (Y-akselilla) on suhde turbon sisääntulon (P1) ja ulostulon (P2) välillä. Paine turbiinipyörän jälkeen on aina pienempi kuin ennen. (Dimensioton) painesuhde 2,0 tarkoittaa, että paine ennen turbiinipyörää on kaksi kertaa korkeampi kuin turbiinin pyörän jälkeen. Tilavuusvirtaustekijä (X-akselilla) on turbon läpi virtaava ilmamäärä. Kaarevat vaakasuorat viivat osoittavat turboakselin nopeutta.
Kuvassa näkyy, että punainen viiva on ylijänniteviiva ja sininen on kuristusviiva. Surgeline, jota kutsutaan myös pumpun rajaksi, on raja, jossa kompressorin pyörän nopeus on liian alhainen. Surgeline on ilmavirran rajoitus, koska kompressorin pyörä on liian pieni. Painesuhde on liian korkea ja tilavuusvirta liian pieni. Kompressori ei enää ime ilmaa, joten se pysähtyy ja jatkaa myöhemmin nopeuttaan. Tämä epävakaa ilmavirta aiheuttaa paineen vaihteluita ja pulsaatioita imukanavassa. Pulssimista kutsutaan myös kompressorin "surging". Tästä johtuu nimi "surgeline". Eteen- ja taaksepäin virtaava ilma aiheuttaa suuria voimia, jotka voivat ylikuormittaa turboa. Kompressorin pyörien siivet voivat katketa ja laakerit ylikuormittua.
Kuristusviiva on toinen raja, jota kompressori ei saa ylittää. Tässä suurin tilavuusvirtaus tapahtuu alhaisella painesuhteella. Kompressorin kotelon halkaisija määrittää suurimman tilavuusvirtauksen. Kun rikastusraja ylittyy, kompressorin pyörä on liian pieni käsittelemään (suurempaa) tilavuusvirtaa. Tämän seurauksena paljon moottorin tehoa menetetään. Kuristuslinjaa kutsutaan myös "overspin-kuristimeksi".
Kuvassa on kompressorin ominaiskäyrä osakuormitetulla moottorilla. Moottorin polttoaineenkulutuksen tulee olla pienin osakuormituksella. Pienin ominaiskulutus saavutetaan pienimmällä saarekkeella. Hukkaluukku säätelee painetta niin, että se kulkee suoraan keskisaarekkeen läpi. Aluksi hukkaluukku suljetaan, jotta turbon paine kasvaa. Moottorin ohjausjärjestelmä avaa hukkaluukun kuvan vihreän viivan mukaisesti. Turboakselin nopeus on 8000-9000 kierrosta minuutissa.
Vuorilla ajettaessa maantieteellinen korkeus on suurempi; siellä ilma on ohuempaa. Tämä vaikuttaa turbon toimintaan, koska ohuempi ilma sisältää vähemmän happea, jolloin kompressorin paine laskee. Painesuhteen, mukaan lukien kompressorin nopeus, on noustava, jotta saavutetaan lopullinen täyttöpaine. Tämä tilanne näkyy kuvasta.
Vihreä viiva osoittaa osakuormitustilanteen ajettaessa merenpinnan tasolla ja oranssi viiva vuoristossa ajettaessa. Ohuemman ilman ansiosta kompressorin nopeus nousee 100000 XNUMX kierrokseen minuutissa.
Kompressorin suurempi nopeus nostaa myös moottoriin syötettävän ilman lämpötilaa. Välijäähdyttimen on siksi haihdutettava enemmän lämpöä. Nyt ero näkyy myös polttoaineen kulutuksessa; Vuoristossa polttoaineenkulutus kasvaa korkeamman painesuhteen P2/P1 ja korkeamman turbon ansiosta.
Turbon ja kompressorin yhdistelmä:
Nykyään autonvalmistajat päättävät yhä useammin varustaa moottorin turbolla ja kompressorilla. Turbo on usein isompi ja varustettu jäteportilla. Kompressori estää turbon viivettä; Alhaisilla moottorin kierrosnopeuksilla kompressori antaa ahtopaineen ja käynnistää turbon. Suuremmilla nopeuksilla turbo ottaa vallan.
Paineilma menee kompressorin tai ohitusventtiilin kautta turboon ja turbon kautta välijäähdyttimen kautta imusarjaan.
Napsauta tätä saadaksesi lisätietoja Roots-kompressorista.
Elektroninen turbo:
Perinteinen turbo kärsii turbon viiveestä pienillä nopeuksilla, koska pakokaasuja tarvitaan turbiinin pyörän pyörittämiseen. Kompressori ei kärsi tästä ja antaa latauspainetta joutokäynnistä. Näiden kahden yhdistelmä vaikuttaa ihanteelliselta. Mekaanista Roots-kompressoria on kuitenkin käytettävä kampiakselilla. Energiaa menetetään tässä prosessissa. Siksi autonvalmistajat kokeilevat useita pakokaasuturboja tai sähköturboja pakokaasuturbon turbon viiveen estämiseksi.
Sähköturboa ohjaa moottorin ohjausyksikkö. Vain 250 millisekunnissa kompressorin pyörä saavuttaa vähintään 70.000 XNUMX kierrosta minuutissa. Turbon sähkömoottori käyttää kompressorin pyörää. Kompressoripyörä siirtää paineen alaisen imuilman pakokaasuturbon kompressoripyörään. Kompressorin pyörä pyörii hyvin nopeasti, kun sähkömoottori wordt valvottu.
Sähköturbon avulla moottori reagoi nopeammin. Suuremmilla nopeuksilla, joissa pakokaasuturbo pystyy toimittamaan täyden ahtopaineen, elektroninen turbo kytkeytyy pois päältä.
