Turbo

Viðfangsefni:

Aðgerð
Turbo gat
Tvíbura túrbó
Þrí-túrbó
Twin scroll túrbó
Túrbó með breytilegri rúmfræði
Losunarventill
Wastegate
Intercooler
Þjöppueiginleikar (bylgja og chokeline)
Sambland túrbó og þjöppu
Rafræn túrbó

Aðgerð:
Útblástursloftið sem kemur út úr strokkunum er flutt frá útblástursgreininni til túrbósins. Útblástursþrýstingurinn veldur því að túrbínuhjólið snýst (rauðu lofttegundirnar). Útblástursloftin fara síðan úr túrbónum um sama túrbínuhjól til útblástursins. Þjöppuhjólið er knúið áfram með skafti (bláu lofttegundirnar). Þjöppuhjólið sogar loftið frá hliðinni (þar sem loftsían er sýnd) og veitir því undir þrýstingi (í gegnum bláu örina) um túrbóslönguna til millikælir. Millikælirinn kælir þjappað loftið (vélin skilar sér betur með kaldara lofti). Loftið fer svo inn í inntaksgreinina.

Þegar túrbó er notað kemur meira loft inn í strokkana við inntaksslag en með náttúrulegri innsogsvél sem er aðeins dregin inn vegna þess að stimpillinn færist niður á við. Með því að veita meira lofti í strokkana á þennan hátt og bæta við meira eldsneyti verður meiri kraftur í boði.

Túrbóþrýstingurinn er mældur með hleðsluþrýstingsnemi. Túrbóþrýstingurinn er stilltur út frá merkinu sem þessi skynjari sendir til ECU.

Turbo er festur eins nálægt útblástursgreininni og hægt er. Stundum eru dreifiskipan og túrbó hönnuð sem ein heild. Túrbó skal festa eins nálægt strokkhausnum og hægt er, því hraði útblástursloftanna minnkar eins lítið og mögulegt er og sem minnstur þrýstingur tapast.

Turbo töf:
Eldri túrbó þjást oft af hinni alræmdu túrbótöf. Túrbó vinnur á útblásturslofti frá vélinni. Ef bensíngjöfinni er þrýst alla leið í botn í einu lagi þarf vélin mikið loft á lágum snúningi en á því augnabliki þarf túrbó enn að fara í gang frá útblástursloftunum sem losna. Túrbó gefur enn ekki nægan þrýsting. Aðeins þegar vélin hefur náð meiri hraða fer túrbó almennilega í gang. Þetta gerist venjulega um 2000 snúninga á mínútu og er áberandi vegna þess að bíllinn hraðar sér meira.
Litið er á þessa túrbótöf sem stóran ókost. Þess vegna eru margir hlynntir slíku vélræn þjöppu. Þetta virkar stöðugt, því það er knúið beint af sveifarásnum og því alltaf á sama hraða og vélin snýst. Þjöppu mun strax veita þrýsting frá lausagangi þegar þú flýtir þér. Þeir túrbó sem eru innbyggðir í bílum í dag verða minna fyrir áhrifum af þessu, meðal annars þökk sé breytilegum túrbó.

Tvíbura túrbó:
Viðbótin „twin-turbo“ gefur til kynna að tveir túrbó séu til staðar. Þessir 2 túrbó geta verið staðsettir við hliðina á hvor öðrum í 1 strokka röð, eða 1 túrbó í hverri strokka röð. Þetta gefur ökumanni ávinning af meira tog á lágum hraða, betri afköstum á háhraðasviðinu og mýkri vélareiginleika. Á lágum hraða er loftinu síðan veitt til vélarinnar með litlum túrbó og á meiri hraða verður stærri túrbó virkur. Stærri túrbó hefur meiri túrbó töf, því hann þarf meira loft til að komast af stað, en það er síðan hætt við litla túrbó.

Myndirnar fjórar hér að neðan lýsa þeim aðstæðum þar sem báðir túrbóarnir virka, eða þegar aðeins önnur af tveimur virkar. Hringirnir fjórir eru strokkarnir, rauði og blái hlutinn eru útblástursloft og inntaksloft. Millikælirinn er merktur „IC“.

Lágur vélarhraði og lítið vélarálag:
Við hraða undir 1800 snúningum á mínútu er lítið rúmmálsflæði útblástursloftsins. Lítið rúmmál gerir það mögulegt að nota litla túrbó. Lokinn á milli útblástursgreinarinnar og stóra túrbósins er lokaður. Útblástursloftið flyst því aðeins úr litlum túrbónum yfir í stóra. Nú þegar er verið að endurnýja stóra túrbó. Þetta er raðtenging, því báðir túrbóarnir eru notaðir.

Meðalhraði vélarinnar og miðlungs álag:
Á milli 1800 og 3000 snúninga á mínútu opnast lokinn á milli útblástursgreinarinnar og stóra túrbósins. Eins og er eru báðir túrbóarnir knúnir beint af útblásturslofti frá vélinni. Þetta er líka raðtenging, því báðir túrbóarnir eru notaðir.

Hár vélarhraði og mikið álag:
Yfir 3000rpm verður rúmmálsflæði útblástursloftsins of mikið fyrir litla túrbó. Slökkt er á túrbónum til að fara ekki yfir svokallaða „chokeline“ (sjá kaflann um eiginleika þjöppunnar neðar á síðunni). Affallshlíf litla túrbósins er opnuð þannig að allt útblástursgas sem fært er til túrbósins er leitt framhjá túrbónum. Útblástursloftið nær þá ekki að þjöppuhjólinu.
Stóri túrbóinn er að fullu með útblástursgasi. Lokinn er áfram opinn þannig að stóri túrbóninn getur náð miklum hraða og þannig flutt mikið af inntakslofti í inntaksgreinina.

Þrí-túrbó:
Nú á dögum eru „tri-turbo“ vélar líka gerðar. Þrír túrbóar eru settir á þessar vélar, þannig að hægt er að ná hámarksfyllingu á hverju hraðasviði. BMW notar tri-turbo tæknina meðal annars með M550d. Litlu túrbónarnir tveir nota breytilega rúmfræði, þannig að þeir henta bæði fyrir lágan og mikinn hraða. Fer eftir hraðanum er túrbó stillt til að fá betri viðbrögð. Stóri túrbóinn notar wastegate.
Hér að neðan er lýst tveimur aðstæðum sem gefa til kynna hvaða túrbó er í gangi á hvaða tíma.

Lágur vélarhraði og lítið álag:
Aðeins annar af tveimur litlu túrbónum er ekinn. Vegna stærðar túrbósins spólast hann hratt upp. Litli túrbóninn ber útblástursloftið yfir í stóra túrbóann. Þetta mun þegar ræsa stóra túrbó.

Meðal og hár vélarhraði og álag:
Báðir litlu túrbóarnir eru knúnir. Litlu túrbónarnir tveir knýja stóra túrbóna áfram. Þetta nær hámarks aukaþrýstingi á öllum meðal- og háhraða.

Twin scroll turbo:
Þegar margar útblásturslofttegundir koma saman í útblástursgreininni geta komið upp truflunarvandamál; þrýstibylgjurnar hindra hver aðra. Með Twin-scroll túrbó eru útblásturslofttegundirnar aðskildar hver frá annarri og leiddar inn í túrbóann í tveimur rásum. Útblásturslofttegundir frá strokkum 1 og 2 koma ekki saman í inntaksgreininni heldur lenda í túrbínuhjólinu óháð hvort öðru. Notkun Twin-scroll túrbó leiðir til hraðari inngjafarsvörunar og meiri skilvirkni. Myndin hér að neðan sýnir að útblásturslofttegundir frá strokkum 1 og 4 koma saman og þær frá 2 og 3 koma saman.

Með hefðbundnum túrbó komast útblástursloftin í snertingu við hvert annað í útblástursgreininni. Við köllum þetta „truflun“. Myndin hér að neðan sýnir þrýstipúlsana sem myndast í útblástursgrein eins strokks.

Vegna þess að við erum að fást við lokaskörun (inntaks- og útblásturslokar eru báðir opnir við breytingu frá útblástursslagi yfir í inntaksslag) myndast einnig neikvæður þrýstingur (lægri en andrúmsloftsþrýstingur). Með skörun ventils hjálpa útblástursloftið að draga ferskt loft inn í brunahólfið og reka burt afgangsloftið sem eftir er. Þetta gefur brennslukambunni meira súrefni, þannig að rúmmálsnýtni eykst.

Þegar við skoðum þrýstinginn í útblástursgrein fjögurra strokka vélar sjáum við miklar truflanir. Hver jákvæður púls verður minna hár vegna neikvæðs þrýstings vegna skörunar ventilsins. Þetta er ókostur við túrbótöfina (viðbragðstími til að spóla upp)

Notkun tveggja scroll túrbósins bætir viðbragðstímann, vegna þess að útblásturslofttegundir frá strokkum 1+4 og 2+3 eru aðskildar. Púlsarnir eru mun sterkari vegna þess að þeir verða ekki fyrir áhrifum af neikvæðum púlsum á því augnabliki. Framleiðandinn getur því einnig aukið þann tíma sem lokaskörun á sér stað til að ná enn meiri rúmmálsnýtni.

Túrbó með breytilegri rúmfræði:
Turbo með wastegate þjáist af turbo töf; Aðeins þegar vélin snýst ákveðinn snúningsfjölda er túrbóinn búinn nægilega miklu útblásturslofti til að koma í notkun. Túrbó með breytilegri rúmfræði er ekki með afgangi, en hefur stillanleg blöð í útblástursrásinni. Hægt er að stilla þessi blöð með því að snúa stillihring. Þessum stillingahring er snúið með lofttæmi. Nauðsynlegt magn af lofttæmi er veitt af segulloka (segulloka loki) byggt á álagi hreyfilsins og snúningshraða vélarinnar, sem er stjórnað af ECU.
Með því að stilla blöðin er hægt að beina loftstreyminu. Vegna breytts loftflæðis getur túrbó nú þegar keyrt á meiri hraða við lágan snúningshraða vélarinnar, þar með talið lægri útblástursþrýsting. Staða blaðanna takmarkar magn útblásturslofts sem getur streymt inn. Til að geta keyrt á meiri hraða verða blöðin stillt inn á við með meiri vélarhraða. Háum áfyllingarþrýstingi er hægt að ná bæði á lágum og miklum hraða. Þetta tryggir að túrbó virki sem best yfir breitt hraðasvið, því vélin fær sama aukaþrýsting á lágum hraða og hún fær á meiri hraða.

Losunarventill:
Affallsventillinn er einnig kallaður „útblástursventill“. Losunarventillinn er festur á túrbóslöngu þar sem loftið er flutt frá túrbónum að inntakshlið vélarinnar. Við hröðun getur túrbó fólksbíls náð 200.000 snúningum á mínútu. Á þeim hraða er hámarks hleðsluþrýstingi náð. Þegar gaspedalnum er sleppt í einu er mikill loftþrýstingur á inntakshlið vélarinnar, en inngjöfarventillinn er lokaður.

Án losunarventils myndast bakþrýstingur í átt að túrbónum sem veldur því að hleðsluloftið sem fylgir dregur hratt úr hraða túrbósins. Þegar aftur er hraðað tekur það langan tíma fyrir túrbó að ná aftur hraða. Losunarventillinn kemur í veg fyrir þetta. Þegar gasinu er sleppt mun það blása ákveðnu magni af innfluttu lofti frá sér. Umframloftið hefur þá horfið úr inntakskerfinu. Ekki er hægt að hægja á túrbóblöðunum og fara því hraðar í gang þegar inngjöfinni er hraðað aftur. Fráfallsventillinn lokar strax þegar innblásið loft hefur verið blásið af. Öfugt við það sem margir halda, veitir losunarventill ekki meira afl.
Fráfallsventillinn veldur dæmigerðu blásturshljóði þegar gasinu er losað við hröðun í bíl með túrbó.

Wastegate:
Wastegate er settur á hvern túrbó án breytilegra snjalla. Wastegate tryggir að þrýstingurinn í túrbínuhúsinu (þ.e.a.s. á útblástursmegin) verði ekki of mikill. Þegar túrbó er í gangi og þrýstingur safnast upp er wastegate lokað. Allt loftið sem fer úr strokkunum við útblásturshöggið er í raun notað til að knýja túrbínuhjólið. Þetta nær hámarks áfyllingarþrýstingi.
Hins vegar, í lausagangi, þarf ekki aukaþrýsting. Á því augnabliki opnast wastegate. Sumum útblástursloftunum er beint til útblástursins; það getur flætt beint í útblásturinn. The wastegate er í grundvallaratriðum loki á milli útblástursgreinarinnar og útblásturs vélarinnar; allt loft sem streymir í gegnum wastegate fer ekki í gegnum túrbó. Þannig að í grundvallaratriðum er tiltæk orka ekki notuð. Nafnið á wastegate má því líka skýra; „Waste“ er enska fyrir „tap“.
Wastegate opnast líka þegar ákveðnum hraða er náð; Við hröðun þarf túrbó að hraða hratt en þegar túrbínan, þar á meðal þjöppuhjólið, nær ákveðnum hraða þarf að halda þessum hraða stöðugum. Með því að opna wastegate á þessum hraða er hægt að leiða umfram útblástursloft beint í útblásturinn. Hægt er að stjórna hraða túrbósins með því að stilla opnunarhornið á wastegate. ECU stjórnar út frá gögnum frá hleðsluþrýstingsnemi að hvaða marki er stjórnað með wastegate.

Millikælir:
Hitastig þjappaðs lofts getur orðið mjög heitt (meira en 60 gráður á Celsíus). Til að brenna betur þarf loftið að kólna. Millikælirinn sér um það. Millikælirinn er sérhluti og er því lýst ítarlega á annarri síðu; sjá síðuna millikælir.

Þjöppueiginleikar (bylgja og chokeline)
Við hönnun vélar þarf að taka tillit til stærðar túrbósins. Að passa stærð túrbósins við vélina er kallað „samsvörun“. Ef túrbó er of stór mun stórt „túrbóbil“ myndast. Túrbó mun fara minna í gang vegna þess að túrbínuhúsið er of stórt fyrir lítið magn af útblásturslofti. Aðeins á meiri hraða mun túrbó vera á hraða og geta skilað háum þrýstingi. Ef túrbó er of lítill verður túrbótöfin nánast engin. Túrbínuhjólið fer fljótt í gang með lítið magn af útblásturslofti. Hár túrbóþrýstingur er þegar náð á lágum hraða. Ókosturinn er sá að á meiri hraða er magn af útblástursgasi of mikið fyrir þennan litla túrbó. Það er meira útblástursloft en kemst fyrir í túrbónum; þá verður wastegate að opna fyrr og leiða mikið af útblásturslofti. Úrgangur er þýðing á „tap“ sem á einnig við hér; útblástursloftið sem streymdi í gegnum wastegate stuðlaði ekki að því að keyra túrbó.
Stærð túrbósins skiptir því miklu máli fyrir hönnun vélarinnar. Hver túrbó hefur fengið þjöppueiginleika við hönnunina. Hægt er að nota þjöppueiginleikana til að ákvarða hvort hún henti tiltekinni vél. Myndin hér að neðan sýnir dæmi um eiginleika þjöppu.

Þrýstihlutfallið P2/P1 (á Y-ásnum) er hlutfallið á milli inntaks (P1) og úttaks túrbósins (P2). Þrýstingurinn eftir túrbínuhjólið er alltaf minni en áður. Þrýstihlutfallið (víddarlausa) 2,0 þýðir að þrýstingurinn fyrir hverflahjólið er tvöfalt hærri en eftir hverflahjólið. Rúmmálsflæðistuðullinn (á X-ásnum) er magn lofts sem streymir í gegnum túrbó. Bognar, láréttu línurnar gefa til kynna hraða túrbóskaftsins.

Myndin sýnir að rauða línan er bylgjulínan og bláa línan er köfnunarlínan. Skurðlínan, einnig kölluð dælumörkin, eru mörkin þar sem hraði þjöppuhjólsins er of lágur. Skurðlínan er takmörkun á loftflæði vegna þess að þjöppuhjólið er of lítið. Þrýstihlutfallið er of hátt og rúmmálsflæðið of lítið. Loftið sogast ekki lengur inn af þjöppunni, þannig að það hættir og fer síðar aftur á hraða. Þetta óstöðuga loftflæði veldur þrýstingssveiflum og pulsum í inntaksveginum. Púls er einnig kallað „bylgjan“ í þjöppunni. Þess vegna nafnið „súrgeline“. Loftið sem streymir fram og til baka veldur miklum krafti sem getur ofhlaðið túrbó. Þjöppuhjólblöðin geta brotnað af og legurnar verða ofhlaðnar.
The chokeline er önnur mörk sem þjöppan ætti ekki að fara yfir. Hér á sér stað hámarksmagnstreymi við lágt þrýstingshlutfall. Þvermál þjöppuhússins ákvarðar hámarksmagnstreymi. Þegar farið er yfir innsöfnunarlínuna er þjöppuhjólið of lítið til að þola (stærra) rúmmálsflæðið. Þess vegna tapast mikið vélarafl. Köfnunarlínan er einnig kölluð „overspin choke“.

Myndin sýnir eiginleika þjöppunnar með vél á hluta álags. Vélin ætti að hafa minnstu eldsneytisnotkun við hlutahleðslu. Lægsta sértæka eldsneytisnotkunin næst með minnstu eyjunni. Wastegate stjórnar þrýstingnum þannig að hann liggur beint í gegnum miðeyjuna. Upphaflega er wastegate lokað þannig að túrbóþrýstingurinn eykst. Vélarstjórnunarkerfið opnar affallshlífina eins og sést með grænu línunni á myndinni. Hraði túrbóskaftsins er á milli 8000 og 9000 snúninga á mínútu.

Þegar ekið er á fjöll er meiri landfræðileg hæð; þar er loftið þynnra. Þetta hefur áhrif á virkni túrbósins því þynnra loft inniheldur minna súrefni sem veldur því að þrýstingur fyrir þjöppuna lækkar. Þrýstihlutfallið, þ.mt þjöppuhraðinn, verður að aukast til að ná endanlegum áfyllingarþrýstingi. Þetta ástand má sjá á myndinni.

Græna línan gefur til kynna stöðu hluta álags við akstur á sjávarmáli og appelsínugula línan þegar ekið er á fjöll. Vegna þynnra lofts mun þjöppuhraðinn aukast í 100000 snúninga á mínútu.
Hærri hraði þjöppunnar mun einnig auka hitastig inntaksloftsins sem kemur til vélarinnar. Millikælirinn þarf því að dreifa meiri hita. Nú má einnig sjá muninn á eldsneytisnotkun; Á fjöllum mun eldsneytisnotkun aukast vegna hærra þrýstihlutfalls P2/P1 og hærri túrbóhraða.

Sambland af túrbó og þjöppu:
Nú á dögum velja bílaframleiðendur í auknum mæli að útbúa vélina með túrbó og þjöppu. Túrbóinn er oft stærri og búinn úrgangshliði. Þjöppan þjónar til að koma í veg fyrir túrbótöf; Við lágan vélarhraða gefur þjöppan aukaþrýstinginn og ræsir túrbó. Á meiri hraða tekur túrbóið við.
Þjappað loftið fer í gegnum þjöppuna eða framhjálokuna að túrbónum og í gegnum túrbóann í gegnum millikælirinn að inntaksgreininni.

Smelltu hér til að fá frekari upplýsingar um Roots þjöppuna.

Rafræn túrbó:
Hefðbundinn túrbó þjáist af túrbótöf á lágum hraða því útblástursloft þarf til að knýja túrbínuhjólið. Þjöppu þjáist ekki af þessu og gefur hleðsluþrýstingi frá lausagangi. Sambland af þessu tvennu virðist tilvalið. Hins vegar verður vélræn Roots þjöppu að vera knúin áfram af sveifarásnum. Orka tapast í þessu ferli. Bílaframleiðendur eru því að gera tilraunir með marga útblásturstúrbó eða rafmagnstúrbó til að koma í veg fyrir túrbótöf útblásturstúrbósins.

Rafmagns túrbónum er stjórnað af vélstýringu. Á aðeins 250 millisekúndum nær þjöppuhjólið ekki minna en 70.000 snúninga á mínútu. Rafmótorinn í túrbónum knýr þjöppuhjólið. Þjöppuhjólið flytur inntaksloftið undir þrýstingi að þjöppuhjóli útblástursloftsins. Þjöppuhjólið snýst mjög hratt þegar rafmótorinn er að verða stjórnað.

Með hjálp raftúrbósins hefur mótorinn hraðari viðbragðshegðun.Við hærri hraða, þar sem útblástursgastúrbó er fær um að skila fullum aukaþrýstingi, er slökkt á rafeindatúrbónum.