Turbo

Tárgyak:

működés
Turbo lyuk
Twin-turbó
Tri-turbó
Twin-scroll turbó
Változtatható geometriájú turbó
Leeresztő szelep
Wastegate
Közbenső hűtő
Kompresszor karakterisztikája (túlfeszültség és fojtóvonal)
Kombinált turbó és kompresszor
Elektronikus turbó

Művelet:
A hengerekből kilépő kipufogógázok a kipufogócsonkból a turbóba kerülnek. A kipufogógáz nyomása miatt a turbina kereke forog (a vörös gázok). A kipufogógázok ezután ugyanazon a turbinakeréken keresztül távoznak a turbóból a kipufogóba. A kompresszor kerekét egy tengely hajtja (a kék gázok). A kompresszorkerék oldalról szívja be a levegőt (ahol a légszűrő látható), és nyomás alatt (a kék nyílon keresztül) juttatja el a turbótömlőn keresztül a levegőszűrőhöz. intercooler. Az intercooler lehűti a sűrített levegőt (a motor jobban teljesít hidegebb levegővel). Ezután a levegő belép a szívócsonkba.

Turbó használatakor a szívólöket során több levegő jut a hengerekbe, mint egy szívómotornál, amit csak azért szívnak be, mert a dugattyú lefelé mozog. Ha így több levegőt juttatunk a hengerekbe, és több üzemanyagot adunk hozzá, nagyobb teljesítmény érhető el.

A turbónyomást a töltési nyomásérzékelő. A turbónyomás beállítása az érzékelő által az ECU-nak küldött jel alapján történik.

A turbót a lehető legközelebb kell felszerelni a kipufogócső után. Néha az elosztót és a turbót egy egészként tervezik. A turbót a lehető legközelebb kell felszerelni a hengerfejhez, mert a kipufogógázok sebessége a lehető legkisebb mértékben csökken, és a lehető legkisebb nyomásveszteség.

Turbó késés:
A régebbi turbók gyakran szenvednek a hírhedt turbó késéstől. A turbó a motor kipufogógázain dolgozik. Ha egy mozdulattal teljesen lenyomják a gázpedált, akkor alacsony fordulatszámon sok levegőre van szüksége a motornak, de abban a pillanatban a felszabaduló kipufogógázoktól még be kell indulnia a turbónak. A turbó még nem szolgáltat elegendő nyomást. Csak akkor indul el rendesen a turbó, ha a motor elérte a magasabb fordulatszámot. Ez általában 2000 ford./perc körül történik, és észrevehető, mert az autó erősebben gyorsul.
Ez a turbó késés jelentős hátránynak tekinthető. Ennek eredményeként sokan támogatják az egyiket mechanikus kompresszor. Ez folyamatosan működik, mivel közvetlenül a főtengely hajtja, és ezért mindig ugyanolyan fordulatszámon megy, ahogy a motor forog. A kompresszor azonnal nyomást ad az alapjárati fordulatszámról, amikor Ön gyorsít. A manapság az autókba épített turbókat ez kevésbé érinti, részben a változó turbónak köszönhetően.

Két turbó:
A „twin-turbo” kiegészítés két turbó jelenlétét jelzi. Ez a 2 turbó elhelyezhető egymás mellett 1 hengersoron, vagy hengersoronként 1 turbó. Ezáltal a vezető kis fordulatszámon nagyobb nyomatékot, nagy fordulatszám-tartományban jobb teljesítményt és egyenletesebb motorjelleget biztosít. Alacsony fordulatszámon a levegőt egy kis turbó szállítja a motorba, nagyobb fordulatszámon pedig a nagyobb turbó válik működőképessé. A nagyobb turbónak nagyobb a turbó késése, mert több levegő kell az induláshoz, de ezt aztán a kis turbó kioltja.

Az alábbi négy kép azokat a helyzeteket írja le, amikor mindkét turbó működik, vagy amikor csak az egyik működik. A négy kör a hengereket, a piros és kék rész a kipufogógázokat és a beszívott levegőt jelenti. Az intercooler „IC” jelzéssel van ellátva.

Alacsony motorfordulatszám és alacsony motorterhelés:
1800 ford./perc alatti sebességnél a kipufogógáz kis térfogatárama van. A kis hangerő lehetővé teszi a kis turbó használatát. A kipufogócső és a nagy turbó közötti szelep zárva van. A kipufogógáz tehát csak a kicsiből a nagy turbóba kerül. A nagy turbót már felpörgetik. Ez egy soros csatlakozás, mert mindkét turbót használjuk.

Közepes motorfordulatszám és mérsékelt terhelés:
1800 és 3000 ford./perc között kinyílik a kipufogócső és a nagy turbó közötti szelep. Jelenleg mindkét turbót közvetlenül a motor kipufogógázai hajtják. Ez is soros csatlakozás, mert mindkét turbót használjuk.

Magas motorfordulatszám és nagy terhelés:
3000 ford./perc felett a kipufogógáz térfogatárama túl nagy lesz a kis turbóhoz. A turbó ki van kapcsolva, hogy ne lépje át az úgynevezett „fojtóvonalat” (lásd a kompresszor jellemzőit az oldalon lentebb). A kis turbó záróajtója nyitva van, így a turbóba betáplált összes kipufogógáz a turbó mellett kerül elvezetésre. A kipufogógáz ekkor nem éri el a kompresszor kerekét.
A nagy turbó teljesen kipufogógázzal van ellátva. A szelep nyitva marad, így a nagy turbó nagy sebességet érhet el, és így sok beszívott levegőt juttathat a szívócsőbe.

Három turbó:
Manapság „tri-turbó” motorokat is gyártanak. Ezekre a motorokra három turbó van szerelve, így minden fordulatszám-tartományban maximális feltöltési szint érhető el. A BMW a tri-turbó technológiát használja többek között az M550d-vel. A két kis turbó változó geometriát használ, így alacsony és nagy sebességre is alkalmasak. A sebességtől függően a turbót a jobb reakció érdekében állítják be. A nagy turbó egy hulladékajtót használ.
Az alábbiakban két helyzetet írunk le, jelezve, hogy melyik turbó milyen időpontban működik.

Alacsony motorfordulatszám és alacsony terhelés:
A két kis turbó közül csak az egyik van hajtva. A turbó méretéből adódóan gyorsan feltekerhető. A kis turbó továbbítja a kipufogógázt a nagy turbónak. Ezzel már beindul a nagy turbó.

Közepes és nagy motorfordulatszám és terhelés:
Mindkét kis turbó meghajtású. A két kis turbó hajtja a nagy turbót. Ezzel minden közepes és nagy sebességnél maximális töltőnyomás érhető el.

Twin scroll turbó:
Ha több kipufogógáz összegyűlik a kipufogócsonkban, zavaró problémák léphetnek fel; a nyomáshullámok akadályozzák egymást. A Twin-scroll turbónál a kipufogógázokat elválasztják egymástól, és két csatornán keresztül vezetik a turbóba. Az 1-es és 2-es henger kipufogógázai nem a szívócsőben jönnek össze, hanem egymástól függetlenül ütik a turbina kerekét. A Twin-scroll turbó alkalmazása gyorsabb gázreakciót és nagyobb hatékonyságot eredményez. Az alábbi képen látható, hogy az 1. és 4. henger kipufogógázai, a 2. és 3. henger kipufogógázai pedig összeérnek.

Hagyományos turbónál a kipufogógázok egymással érintkeznek a kipufogócsőben. Ezt nevezzük „interferenciának”. Az alábbi képen az egyik henger kipufogócsonkjában létrejövő nyomásimpulzusok láthatók.

Mivel a szelepek átfedésével van dolgunk (a szívó- és kipufogószelepek egyaránt nyitva vannak a kipufogólöketről a szívólöketre való váltáskor), negatív nyomások is keletkeznek (az atmoszférikus nyomásnál alacsonyabb). A szelepek átfedésével a kipufogógázok friss levegőt szívnak be az égéstérbe, és elvezetik a maradék kipufogógázt. Ez több oxigénnel látja el az égésfésűt, így nő a térfogati hatékonyság.

Ha megnézzük a nyomást egy négyhengeres motor kipufogócsonkjában, sok interferenciát látunk. Minden pozitív impulzus kevésbé magas a szelep átfedése miatti negatív nyomás miatt. Ez a turbó késleltetés (a felfutási reakcióidő) hátránya.

A twin-scroll turbó használata javítja a reakcióidőt, mivel az 1+4-es és 2+3-as henger kipufogógázai elkülönülnek. Az impulzusok sokkal erősebbek, mert abban a pillanatban nem érintik őket a negatív impulzusok. A gyártó ezért növelheti a szelepek átfedésének idejét a még nagyobb térfogati hatékonyság elérése érdekében.

Változó geometriájú turbó:
A wastegate-vel rendelkező turbó turbó késésben szenved; A turbót csak akkor látják el elegendő kipufogógázzal, ha a motor bizonyos fordulatszámot forog, hogy működésbe lépjen. A változtatható geometriájú turbónak nincs áteresztőnyílása, de állítható lapátokkal rendelkezik a kipufogócsatornában. Ezek a pengék egy beállítógyűrű elfordításával állíthatók. Ez a beállító gyűrű vákuum segítségével forgatható. A szükséges mennyiségű vákuumot a motor terhelése és a motor fordulatszáma alapján egy mágnesszelep (mágnesszelep) biztosítja, amelyet az ECU vezérel.
A lapátok beállításával a légáramlás irányítható. A légáramlás változása miatt a turbó alacsony motorfordulatszámon már nagyobb fordulatszámon tud működni, beleértve az alacsonyabb kipufogógáz-nyomást is. A lapátok helyzete korlátozza a beáramló kipufogógáz mennyiségét. Annak érdekében, hogy nagyobb sebességgel tudjon futni, a lapátokat magasabb motorfordulatszámmal befelé kell állítani. Alacsony és nagy fordulatszámon is nagy töltési nyomás érhető el. Ez biztosítja a turbó optimális működését széles fordulatszám-tartományban, mivel a motor alacsony fordulatszámon ugyanazt a töltőnyomást kapja, mint nagyobb fordulatszámon.

Leeresztő szelep:
A leeresztő szelepet „lefúvató szelepnek” is nevezik. A leeresztő szelep egy turbótömlőre van felszerelve, ahol a levegő a turbóból a motor szívóoldalába kerül. Gyorsításkor egy személyautó turbója elérheti a percenkénti 200.000 XNUMX fordulatot. Ennél a sebességnél eléri a maximális töltési nyomást. Ha a gázpedált egyszerre engedik fel, a motor szívóoldalán nagy a légnyomás, de a fojtószelep zárva van.

Leürítő szelep nélkül ellennyomás jön létre a turbó felé, aminek következtében a szállított töltőlevegő gyorsan csökkenti a turbó sebességét. Ha újra gyorsítasz, sok időbe telik, mire a turbó újra felgyorsul. A leeresztő szelep ezt megakadályozza. Amikor a gáz felszabadul, bizonyos mennyiségű befújt levegőt lefúj. A felesleges levegő ekkor eltűnt a szívórendszerből. A turbólapátok nem lassulnak le, ezért gyorsabban indulnak, ha a gázkart újra felgyorsítják. A leeresztő szelep azonnal zár, ha a befújt levegőt kifújták. Ellentétben azzal, amit sokan gondolnak, a leeresztő szelep nem ad nagyobb teljesítményt.
A leeresztő szelep a tipikus kifúvó hangot okozza, amikor egy turbós autóban gyorsítás közben felszabadul a gáz.

Wastegate:
Változó lapátok nélkül minden turbóra van felszerelve egy záróajtó. A zárószelep gondoskodik arról, hogy a turbinaházban (azaz a kipufogóoldalon) ne legyen túl nagy nyomás. Amikor a turbó működik, és a nyomás megnövekszik, a zárófedél zárva van. Az összes levegő, amely a kipufogólöket során elhagyja a hengereket, valójában a turbinakerék meghajtására szolgál. Ezzel eléri a maximális töltési nyomást.
Alapjáraton azonban nincs szükség töltőnyomásra. Ebben a pillanatban kinyílik a hulladékajtó. A kipufogógázok egy része a kipufogóba kerül; közvetlenül a kipufogóba áramolhat. A wastegate alapvetően egy szelep a kipufogócső és a motor kipufogórendszere között; minden levegő, ami átáramlik a wastegate-n, nem jut át a turbón. Tehát elvileg a rendelkezésre álló energiát nem használják fel. A wastegate neve ezért is magyarázható; A „waste” angolul „loss”-t jelent.
Egy bizonyos sebesség elérésekor a hulladékajtó is kinyílik; Gyorsításkor a turbónak gyorsan fel kell gyorsulnia, de amikor a turbina a kompresszor kerekével együtt elér egy bizonyos fordulatszámot, akkor ezt a fordulatszámot állandóan kell tartani. Ha ezen a fordulatszámon nyitja a záróajtót, a felesleges kipufogógáz közvetlenül a kipufogóba vezethető. A turbó fordulatszáma a wastegate nyitási szögének beállításával szabályozható. Az ECU az adatok alapján szabályoz töltési nyomásérzékelő milyen mértékben szabályozzák a wastegate-t.

Intercooler:
A sűrített levegő hőmérséklete nagyon felmelegedhet (több mint 60 Celsius fok). A jobb égés érdekében a levegőnek le kell hűlnie. Az intercooler gondoskodik erről. Az intercooler egy különálló alkatrész, ezért részletes leírása egy másik oldalon található; lásd az oldalt intercooler.

Kompresszor karakterisztikája (túlfeszültség és fojtóvonal)
A motor tervezésénél figyelembe kell venni a turbó méretét. A turbó méretének a motorhoz való hozzáigazítását „illesztésnek” nevezik. Ha a turbó túl nagy, nagy „turbórés” keletkezik. A turbó kevésbé gyorsan indul be, mert a turbinaház túl nagy a kis mennyiségű kipufogógázhoz. A turbó csak nagyobb fordulatszámon lesz képes felgyorsulni és nagy nyomást leadni. Ha túl kicsi a turbó, akkor a turbó lag szinte nem lesz. A turbinakerék gyorsan beindul kis mennyiségű kipufogógáz hatására. A magas turbónyomás már alacsony fordulatszámon is elérhető. Hátránya, hogy nagyobb sebességnél a kipufogógáz mennyisége túl nagy ehhez a kis turbóhoz. Több kipufogógáz van, mint amennyi befér a turbóba; ebben az esetben a tolózárnak korábban ki kell nyílnia, és sok kipufogógázt el kell vezetnie. A hulladék a „veszteség” szó fordítása, ami itt is érvényes; a tolóajtón átáramló kipufogógázok nem járultak hozzá a turbó hajtásához.
A turbó mérete ezért nagyon fontos a motor kialakítása szempontjából. Mindegyik turbó kompresszor karakterisztikát kapott a tervezés során. A kompresszor karakterisztikája alapján megállapítható, hogy alkalmas-e egy adott motorhoz. Az alábbi képen látható egy példa a kompresszor jellemzőire.

A P2/P1 nyomásviszony (az Y tengelyen) a turbó bemenete (P1) és kimenete (P2) közötti arány. A turbinakerék utáni nyomás mindig alacsonyabb, mint korábban. A 2,0-s (méretnélküli) nyomásviszony azt jelenti, hogy a turbinakerék előtti nyomás kétszer akkora, mint a turbinakerék után. A térfogatáram tényező (az X tengelyen) a turbón átáramló levegő mennyisége. Az ívelt, vízszintes vonalak a turbótengely fordulatszámát jelzik.

Az ábrán látható, hogy a piros vonal a túlfeszültség-vonal, a kék vonal pedig a fojtóvonal. A szivattyú határértékének is nevezett sebvonal az a határ, ahol a kompresszor kerék fordulatszáma túl alacsony. A műtéti vonal a légáramlás korlátozása, mivel a kompresszor kerék túl kicsi. A nyomásarány túl magas és a térfogatáram túl kicsi. A levegőt a kompresszor már nem szívja be, ezért leáll, és később újra felveszi a sebességét. Ez az instabil légáramlás nyomásingadozást és pulzációt okoz a szívócsatornában. A pulzálást a kompresszor „lökésnek” is nevezik. Innen a „surgeline” elnevezés. Az oda-vissza áramló levegő nagy erőket okoz, amelyek túlterhelhetik a turbót. A kompresszor keréklapátjai letörhetnek, és a csapágyak túlterhelődnek.
A fojtóvonal egy másik határ, amelyet a kompresszornak nem szabad túllépnie. Itt a maximális térfogatáram alacsony nyomásviszony mellett következik be. A kompresszorház átmérője határozza meg a maximális térfogatáramot. A fojtóvonal túllépése esetén a kompresszorkerék túl kicsi a (nagyobb) térfogatáram kezelésére. Ennek eredményeként sok motorteljesítmény vész el. A fojtóvonalat „túlpörgési fojtónak” is nevezik.

Az ábra a kompresszor karakterisztikáját mutatja részterhelésű motornál. A motornak részterhelés mellett a legalacsonyabb üzemanyag-fogyasztással kell rendelkeznie. A legkisebb fajlagos üzemanyag-fogyasztás a legkisebb szigettel érhető el. A záróajtó úgy szabályozza a nyomást, hogy az egyenesen a középső szigeten haladjon keresztül. Kezdetben a hulladékajtó zárva van, így a turbónyomás nő. A motorvezérlő rendszer kinyitja a hulladékajtót, ahogy azt a képen látható zöld vonal is mutatja. A turbótengely fordulatszáma 8000 és 9000 fordulat/perc között van.

A hegyekben való vezetésnél nagyobb a földrajzi magasság; ott vékonyabb a levegő. Ez befolyásolja a turbó működését, mert a vékonyabb levegő kevesebb oxigént tartalmaz, ami miatt csökken a kompresszor nyomása. A nyomásviszonynak, beleértve a kompresszor fordulatszámát, növekednie kell, hogy elérje a végső töltési nyomást. Ez a helyzet az ábrán látható.

A zöld vonal a részterhelési helyzetet jelzi, ha tengerszinten, a narancssárga vonal pedig hegyekben halad. A vékonyabb levegő miatt a kompresszor fordulatszáma 100000 XNUMX fordulat/percre nő.
A kompresszor nagyobb fordulatszáma növeli a motorba szállított levegő hőmérsékletét is. Az intercoolernek ezért több hőt kell elvezetnie. Most már az üzemanyag-fogyasztásban is látható a különbség; A hegyekben a magasabb P2/P1 nyomásviszony és a magasabb turbófordulatszám miatt nő az üzemanyag-fogyasztás.

Turbó és kompresszor kombinációja:
Manapság az autógyártók egyre inkább úgy döntenek, hogy a motort turbóval és kompresszorral szerelik fel. A turbó gyakran nagyobb méretű és hulladékkapuval van felszerelve. A kompresszor a turbó késés megelőzésére szolgál; Alacsony motorfordulatszámon a kompresszor biztosítja a töltőnyomást és elindítja a turbót. Nagyobb sebességnél a turbó veszi át az irányítást.
A sűrített levegő a kompresszoron vagy a bypass szelepen keresztül a turbóhoz, a turbón keresztül az intercooleren keresztül a szívócsőhöz jut.

Kattintson ide további információkért a Roots kompresszorról.

Elektronikus turbó:
A hagyományos turbó alacsony fordulatszámon a turbó késését szenvedi el, mivel kipufogógázokra van szükség a turbinakerék meghajtásához. Egy kompresszor ezt nem szenvedi el, és alapjárati fordulatszámtól biztosítja a töltőnyomást. A kettő kombinációja ideálisnak tűnik. A mechanikus Roots kompresszort azonban a főtengelyről kell meghajtani. Ebben a folyamatban energia vész el. Az autógyártók ezért több kipufogógáz-turbóval vagy elektromos turbóval kísérleteznek, hogy megakadályozzák a kipufogógáz-turbó turbó késését.

Az elektromos turbót a motorvezérlő egység vezérli. Mindössze 250 ezredmásodperc alatt a kompresszorkerék percenkénti fordulatszáma nem kevesebb, mint 70.000 XNUMX. A turbóban lévő villanymotor hajtja a kompresszor kerekét. A kompresszorkerék nyomás alatt mozgatja a beszívott levegőt a kipufogógáz-turbó kompresszorkerekéhez. A kompresszor kerék nagyon gyorsan felpörög, amikor az elektromos motor válik ellenőrzött.

Az elektromos turbó segítségével a motor gyorsabban reagál, nagyobb fordulatszámon, ahol a kipufogógáz-turbó képes a teljes töltőnyomás leadására, az elektronikus turbó kikapcsol.