Turbo

Przedmioty:

Operacja
Turbo dziura
Podwójna turbina
Tri-turbo
Turbosprężarka twin-scroll
Turbo o zmiennej geometrii
Zawór spustowy
wastegate
Intercooler
Charakterystyka sprężarki (przepięciowa i dławikowa)
Połączenie turbosprężarki i kompresora
Elektroniczna turbosprężarka

Operacja:
Spaliny wydobywające się z cylindrów kierowane są z kolektora wydechowego do turbosprężarki. Ciśnienie gazów spalinowych powoduje obrót koła turbiny (gazy czerwone). Następnie gazy spalinowe opuszczają turbosprężarkę przez to samo koło turbiny do układu wydechowego. Koło sprężarki napędzane jest za pomocą wału (gazy błękitne). Koło kompresora zasysa powietrze z boku (w miejscu, gdzie pokazano filtr powietrza) i dostarcza je pod ciśnieniem (poprzez niebieską strzałkę) przez wąż turbo do intercooler. Intercooler chłodzi sprężone powietrze (silnik pracuje lepiej przy chłodniejszym powietrzu). Następnie powietrze dostaje się do kolektora dolotowego.

W przypadku zastosowania turbosprężarki podczas suwu ssania do cylindrów dostaje się więcej powietrza niż w przypadku silnika wolnossącego, które jest zasysane jedynie w wyniku ruchu tłoka w dół. Dostarczając w ten sposób więcej powietrza do cylindrów i dodając więcej paliwa, dostępna będzie większa moc.

Ciśnienie turbo mierzy się za pomocą tzw czujnik ciśnienia ładowania. Ciśnienie turbo jest regulowane na podstawie sygnału wysyłanego przez ten czujnik do ECU.

Turbosprężarkę montuje się jak najbliżej kolektora wydechowego. Czasami kolektor i turbosprężarka są projektowane jako jedna całość. Turbosprężarkę należy zamontować jak najbliżej głowicy cylindrów, ponieważ prędkość spalin spada w jak najmniejszym stopniu i następuje jak najmniej strat ciśnienia.

Opóźnienie turbo:
Starsze turbosprężarki często cierpią z powodu niesławnego opóźnienia turbosprężarki. Turbo działa na spaliny wydobywające się z silnika. Jeśli za jednym razem wciśniesz pedał gazu do samego końca, silnik będzie potrzebował dużo powietrza przy niskich obrotach, ale w tym momencie turbosprężarka nadal musi uruchamiać się z wydzielających się gazów spalinowych. Turbo nie zapewnia jeszcze wystarczającego ciśnienia. Dopiero gdy silnik osiągnie wyższą prędkość, turbosprężarka uruchamia się prawidłowo. Dzieje się to zwykle w okolicach 2000 obr/min i jest zauważalne, ponieważ samochód mocniej przyspiesza.
To turbo-lag jest postrzegane jako główna wada. W rezultacie wiele osób opowiada się za jednym sprężarka mechaniczna. Działa to stale, ponieważ napędzane jest bezpośrednio przez wał korbowy, a zatem zawsze z tą samą prędkością obrotową silnika. Po przyspieszeniu sprężarka natychmiast zapewni ciśnienie z biegu jałowego. Turbosprężarki montowane obecnie w samochodach są na to mniej podatne, częściowo dzięki zmiennej turbosprężarce.

Podwójna turbina:
Dodatek „twin-turbo” wskazuje na obecność dwóch turbosprężarek. Te 2 turbosprężarki mogą być umieszczone obok siebie w 1 rzędzie cylindrów lub 1 turbosprężarka w rzędzie cylindrów. Daje to kierowcy korzyść w postaci większego momentu obrotowego przy niskich prędkościach, lepszych osiągów w wysokim zakresie prędkości i płynniejszej pracy silnika. Przy niskich prędkościach powietrze jest następnie dostarczane do silnika przez małą turbosprężarkę, a przy wyższych prędkościach zaczyna działać większa turbosprężarka. Większa turbosprężarka ma większe opóźnienie turbosprężarki, ponieważ potrzebuje więcej powietrza do uruchomienia, ale jest ono następnie niwelowane przez małą turbosprężarkę.

Cztery poniższe obrazy opisują sytuacje, w których działają obie turbosprężarki lub gdy działa tylko jedna z nich. Cztery okręgi to cylindry, czerwone i niebieskie części to spaliny i powietrze dolotowe. Intercooler jest oznaczony „IC”.

Niska prędkość obrotowa silnika i małe obciążenie silnika:
Przy prędkościach obrotowych poniżej 1800 obr./min występuje niewielki strumień objętości spalin. Mała objętość umożliwia wykorzystanie małej turbosprężarki. Zawór pomiędzy kolektorem wydechowym a dużą turbosprężarką jest zamknięty. Dlatego spaliny są przenoszone tylko z małej do dużej turbosprężarki. Duże turbo jest już podkręcane. Jest to połączenie szeregowe, ponieważ używane są obie turbosprężarki.

Średnie obroty silnika i umiarkowane obciążenie:
Pomiędzy 1800 a 3000 obr/min otwiera się zawór pomiędzy kolektorem wydechowym a dużą turbosprężarką. Obecnie obie turbosprężarki napędzane są bezpośrednio spalinami z silnika. Jest to również połączenie szeregowe, ponieważ używane są obie turbosprężarki.

Wysoka prędkość obrotowa silnika i duże obciążenie:
Powyżej 3000 obr/min przepływ spalin staje się zbyt duży dla małej turbosprężarki. Turbo jest wyłączone, aby nie przekroczyć tzw. „chokeline” (patrz rozdział dotyczący charakterystyki sprężarki w dalszej części strony). Przepustnica małej turbosprężarki jest otwarta, tak że wszystkie gazy spalinowe doprowadzane do turbosprężarki są kierowane obok turbosprężarki. Spaliny nie docierają wówczas do koła sprężarki.
Duża turbosprężarka jest w pełni zasilana spalinami. Zawór pozostaje otwarty, dzięki czemu duża turbosprężarka może osiągnąć dużą prędkość i w ten sposób przenieść dużą ilość powietrza dolotowego do kolektora dolotowego.

Tri-turbo:
Obecnie produkowane są również silniki „tri-turbo”. W silnikach tych zamontowane są trzy turbosprężarki, dzięki czemu można osiągnąć maksymalny poziom napełnienia w każdym zakresie prędkości obrotowych. BMW wykorzystuje technologię tri-turbo m.in. w M550d. Dwie małe turbosprężarki wykorzystują zmienną geometrię, dzięki czemu nadają się zarówno do niskich, jak i wysokich prędkości. W zależności od prędkości turbosprężarka jest dostosowywana w celu zapewnienia lepszej reakcji. Duża turbosprężarka wykorzystuje przepustnicę.
Poniżej opisano dwie sytuacje, wskazujące, która turbosprężarka pracuje i o której godzinie.

Niska prędkość obrotowa silnika i małe obciążenie:
Napędzana jest tylko jedna z dwóch małych turbosprężarek. Ze względu na wielkość turbosprężarki jest ona szybko nawijana. Mała turbosprężarka przekazuje spaliny do dużej turbosprężarki. To już uruchomi dużą turbosprężarkę.

Średnie i wysokie obroty oraz obciążenie silnika:
Obie małe turbosprężarki są napędzane. Dwie małe turbosprężarki napędzają dużą turbosprężarkę. Pozwala to osiągnąć maksymalne ciśnienie doładowania przy wszystkich średnich i wysokich prędkościach.

Turbo z podwójnym przewijaniem:
Kiedy w kolektorze wydechowym gromadzi się wiele gazów spalinowych, mogą pojawić się problemy z zakłóceniami; fale ciśnienia utrudniają się sobie nawzajem. W przypadku turbosprężarki Twin-Sroll gazy spalinowe są oddzielane od siebie i kierowane do turbosprężarki dwoma kanałami. Spaliny z cylindrów 1 i 2 nie gromadzą się w kolektorze dolotowym, lecz niezależnie od siebie uderzają w koło turbiny. Zastosowanie turbosprężarki Twin-Sroll zapewnia szybszą reakcję przepustnicy i wyższą wydajność. Poniższy obrazek pokazuje, że spaliny z cylindrów 1 i 4 łączą się, a spaliny z cylindrów 2 i 3 razem.

W konwencjonalnej turbosprężarce gazy spalinowe stykają się ze sobą w kolektorze wydechowym. Nazywamy to „interferencją”. Poniższy obrazek przedstawia impulsy ciśnienia powstałe w kolektorze wydechowym jednego cylindra.

Ponieważ mamy do czynienia z nakładaniem się zaworów (zawór dolotowy i wydechowy są otwarte podczas zmiany suwu wydechu na suw dolotu), powstają także podciśnienia (niższe od ciśnienia atmosferycznego). W przypadku zachodzenia na siebie zaworów spaliny pomagają zasysać świeże powietrze do komory spalania i usuwać pozostałe spaliny. Dzięki temu grzebień spalania otrzymuje więcej tlenu, co zwiększa wydajność objętościową.

Kiedy patrzymy na ciśnienia w kolektorze wydechowym czterocylindrowego silnika, widzimy dużo zakłóceń. Każdy dodatni impuls staje się mniej wysoki ze względu na podciśnienie wynikające z nakładania się zaworów. Jest to wada turbo opóźnienia (czas reakcji na nawijanie)

Zastosowanie turbosprężarki typu twin-scroll poprawia czas reakcji, ponieważ spaliny z cylindrów 1+4 i 2+3 są oddzielone. Impulsy są znacznie silniejsze, ponieważ w tym momencie nie mają na nie wpływu impulsy ujemne. Producent może zatem również wydłużyć czas nakładania się zaworów, aby osiągnąć jeszcze wyższą wydajność objętościową.

Turbo o zmiennej geometrii:
Turbosprężarka z przepustnicą cierpi na opóźnienie turbo; Dopiero gdy silnik wykona określoną liczbę obrotów, turbosprężarka jest zaopatrywana w wystarczającą ilość gazów spalinowych, aby mogła zacząć działać. Turbo o zmiennej geometrii nie ma przepustnicy, ale ma regulowane łopatki w kanale wydechowym. Te ostrza można regulować, obracając pierścień regulacyjny. Ten pierścień regulacyjny jest obracany za pomocą podciśnienia. Wymaganą ilość podciśnienia zapewnia zawór elektromagnetyczny (zawór elektromagnetyczny) w zależności od obciążenia silnika i prędkości obrotowej silnika, którymi steruje ECU.
Regulując kierownice, można ukierunkować przepływ powietrza. Ze względu na zmianę przepływu powietrza turbosprężarka może pracować na wyższych obrotach już przy niskich obrotach silnika, w tym przy niższym ciśnieniu spalin. Położenie łopatek ogranicza ilość gazów spalinowych, które mogą dopływać do wnętrza. Aby móc pracować z większymi prędkościami, przy wyższych obrotach silnika łopatki zostaną przesunięte do wewnątrz. Wysokie ciśnienie napełniania można osiągnąć zarówno przy niskich, jak i wysokich prędkościach. Zapewnia to optymalne działanie turbosprężarki w szerokim zakresie prędkości obrotowych, ponieważ przy niskiej prędkości obrotowej silnik otrzymuje takie samo ciśnienie doładowania, jak przy wyższej prędkości.

Zawór zrzutowy:
Zawór zrzutowy nazywany jest także „zaworem wydmuchowym”. Zawór spustowy jest zamontowany na wężu turbosprężarki, którym powietrze jest doprowadzane z turbosprężarki do strony dolotowej silnika. Podczas przyspieszania turbosprężarka samochodu osobowego może osiągnąć 200.000 XNUMX obrotów na minutę. Przy tej prędkości osiągane jest maksymalne ciśnienie ładowania. Gdy pedał przyspieszenia zostanie zwolniony całkowicie na raz, po stronie dolotowej silnika panuje duże ciśnienie powietrza, ale przepustnica jest zamknięta.

Bez zaworu zrzutowego w kierunku turbosprężarki wytwarza się przeciwciśnienie, powodując, że dostarczane powietrze doładowujące szybko zmniejsza prędkość turbosprężarki. Po ponownym przyspieszeniu turbosprężarka potrzebuje dużo czasu, aby ponownie osiągnąć prędkość. Zawór spustowy zapobiega temu. Po uwolnieniu gazu wydmuchana zostanie pewna ilość dostarczonego powietrza. Nadmiar powietrza zniknął wówczas z układu dolotowego. Łopatki turbosprężarki nie są spowalniane i dlatego zaczną działać szybciej, gdy ponownie dodamy gazu. Zawór spustowy zamyka się natychmiast po wydmuchaniu dostarczanego powietrza. Wbrew temu, co myśli wiele osób, zawór zrzutowy nie zapewnia większej mocy.
Zawór spustowy powoduje typowy odgłos przedmuchu podczas upuszczania gazu podczas przyspieszania w samochodzie z turbosprężarką.

Wastegate:
W każdej turbosprężarce bez zmiennych łopatek zamontowana jest przepustnica. Wastegate dba o to, aby ciśnienie w obudowie turbiny (tj. po stronie wydechowej) nie było zbyt duże. Gdy turbosprężarka pracuje i wzrasta ciśnienie, przepustnica jest zamykana. Całe powietrze opuszczające cylindry podczas suwu wydechu jest w rzeczywistości wykorzystywane do napędzania koła turbiny. Osiąga to maksymalne ciśnienie napełniania.
Jednakże na biegu jałowym nie jest wymagane ciśnienie doładowania. W tym momencie otwiera się wastegate. Część gazów spalinowych kierowana jest do układu wydechowego; może płynąć bezpośrednio do układu wydechowego. Wastegate to w zasadzie zawór pomiędzy kolektorem wydechowym a wydechem silnika; całe powietrze przepływające przez wastegate nie przechodzi przez turbosprężarkę. Zatem w zasadzie dostępna energia nie jest wykorzystywana. Można zatem wyjaśnić również nazwę wastegate; „Waste” to po angielsku „strata”.
Wastegate otwiera się również po osiągnięciu określonej prędkości; Podczas przyspieszania turbosprężarka musi szybko przyspieszyć, ale gdy turbina wraz z kołem sprężarki osiągnie określoną prędkość, prędkość tę należy utrzymać na stałym poziomie. Otwierając przepustnicę przy tej prędkości, nadmiar spalin można skierować bezpośrednio do układu wydechowego. Prędkość turbosprężarki można regulować regulując kąt otwarcia przepustnicy. ECU reguluje na podstawie danych z czujnik ciśnienia ładowania stopień, w jakim wastegate jest kontrolowany.

Chłodnica międzystopniowa:
Temperatura sprężonego powietrza może być bardzo wysoka (ponad 60 stopni Celsjusza). Dla lepszego spalania powietrze musi się ochłodzić. Intercooler się tym zajmuje. Intercooler jest osobną częścią i dlatego jest szczegółowo opisany na innej stronie; zobacz stronę intercooler.

Charakterystyka sprężarki (przepięciowa i dławikowa)
Projektując silnik, należy wziąć pod uwagę wielkość turbosprężarki. Dopasowanie wielkości turbosprężarki do silnika nazywa się „dopasowaniem”. Jeśli turbosprężarka jest zbyt duża, pojawi się duża „przerwa turbo”. Turbo uruchomi się wolniej, ponieważ obudowa turbiny jest zbyt duża dla małej ilości spalin. Dopiero przy wyższych prędkościach turbosprężarka będzie w stanie przyspieszyć i wytworzyć wysokie ciśnienie. Jeśli turbo jest za małe, opóźnienie turbo będzie prawie nieistniejące. Wirnik turbiny szybko uruchomi się przy niewielkiej ilości spalin. Wysokie ciśnienie turbo osiąga się już przy niskich prędkościach. Wadą jest to, że przy większych prędkościach ilość spalin jest zbyt duża dla tej małej turbosprężarki. Jest więcej spalin, niż może zmieścić się w turbosprężarce; w takim przypadku przepustnica musi otwierać się wcześniej i odprowadzać większość spalin. Odpady to tłumaczenie słowa „strata”, które również ma tu zastosowanie; spaliny przepływające przez przepustnicę nie przyczyniły się do napędzania turbosprężarki.
Rozmiar turbosprężarki jest zatem bardzo ważny dla konstrukcji silnika. Podczas projektowania każdej turbosprężarce nadano charakterystykę sprężarki. Charakterystykę sprężarki można wykorzystać do określenia, czy jest ona odpowiednia dla konkretnego silnika. Poniższy rysunek przedstawia przykładową charakterystykę sprężarki.

Stosunek ciśnień P2/P1 (na osi Y) to stosunek pomiędzy wlotem (P1) a wylotem turbosprężarki (P2). Ciśnienie za kołem turbiny jest zawsze niższe niż wcześniej. (Bezwymiarowy) stosunek ciśnień wynoszący 2,0 oznacza, że ciśnienie przed kołem turbiny jest dwukrotnie wyższe niż za kołem turbiny. Współczynnik przepływu objętościowego (na osi X) to ilość powietrza przepływającego przez turbosprężarkę. Zakrzywione, poziome linie wskazują prędkość wału turbosprężarki.

Rysunek pokazuje, że czerwona linia to linia przepięcia, a niebieska linia to linia dławika. Linia udarowa, zwana także granicą pompy, to granica, w której prędkość koła sprężarki jest zbyt niska. Linia udaru to ograniczenie przepływu powietrza spowodowane zbyt małym kołem sprężarki. Stosunek ciśnień jest za wysoki, a przepływ objętościowy za niski. Powietrze nie jest już zasysane przez sprężarkę, więc zatrzymuje się, a później wznawia swoją prędkość. Ten niestabilny przepływ powietrza powoduje wahania ciśnienia i pulsacje w przewodzie dolotowym. Pulsowanie nazywane jest również „wzrostem” sprężarki. Stąd nazwa „surgia”. Powietrze przepływające tam i z powrotem wytwarza duże siły, które mogą przeciążyć turbosprężarkę. Łopatki koła sprężarki mogą się odłamać, a łożyska ulec przeciążeniu.
Linia dławikowa to kolejna granica, której sprężarka nie powinna przekraczać. Tutaj maksymalny przepływ objętościowy występuje przy niskim stosunku ciśnień. Średnica obudowy sprężarki określa maksymalny przepływ objętościowy. Po przekroczeniu dławika koło sprężarki jest zbyt małe, aby obsłużyć (większy) przepływ objętościowy. W rezultacie traci się dużo mocy silnika. Cholewka nazywana jest również „dławikiem overspin”.

Rysunek przedstawia charakterystykę sprężarki przy silniku przy częściowym obciążeniu. Silnik powinien charakteryzować się najniższym zużyciem paliwa przy częściowym obciążeniu. Najniższe jednostkowe zużycie paliwa osiąga się przy najmniejszej wyspie. Wastegate reguluje ciśnienie tak, że przepływa prosto przez środkową wyspę. Początkowo przepustnica jest zamknięta, co powoduje wzrost ciśnienia turbo. Układ zarządzania silnikiem otwiera przepustnicę, jak pokazano zieloną linią na obrazku. Prędkość wału turbosprężarki wynosi od 8000 do 9000 obrotów na minutę.

Podczas jazdy w górach występuje większa wysokość geograficzna; powietrze jest tam rzadsze. Ma to wpływ na pracę turbosprężarki, ponieważ rozrzedzone powietrze zawiera mniej tlenu, co powoduje spadek ciśnienia w sprężarce. Stosunek ciśnień, w tym prędkość sprężarki, musi wzrosnąć, aby osiągnąć końcowe ciśnienie napełniania. Sytuację tę można zobaczyć na rysunku.

Zielona linia wskazuje sytuację częściowego obciążenia podczas jazdy na poziomie morza, a pomarańczowa linia podczas jazdy w górach. Ze względu na rozrzedzone powietrze prędkość sprężarki wzrośnie do 100000 XNUMX obrotów na minutę.
Wyższa prędkość sprężarki spowoduje również wzrost temperatury powietrza wlotowego dostarczanego do silnika. Dlatego intercooler będzie musiał odprowadzić więcej ciepła. Teraz różnicę widać także w zużyciu paliwa; W górach zużycie paliwa wzrośnie ze względu na wyższy stosunek ciśnień P2/P1 i wyższą prędkość turbosprężarki.

Połączenie turbosprężarki i sprężarki:
Obecnie producenci samochodów coraz częściej decydują się na wyposażenie silnika w turbosprężarkę i sprężarkę. Turbosprężarka często ma większy rozmiar i jest wyposażona w zasuwę odpadową. Sprężarka zapobiega opóźnieniu turbo; Przy niskich prędkościach obrotowych silnika sprężarka zapewnia ciśnienie doładowania i uruchamia turbosprężarkę. Przy wyższych prędkościach turbo przejmuje kontrolę.
Sprężone powietrze przechodzi przez sprężarkę lub zawór obejściowy do turbosprężarki i poprzez turbosprężarkę przez chłodnicę międzystopniową do kolektora dolotowego.

Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji na temat kompresora Rootsa.

Elektroniczna turbosprężarka:
Konwencjonalna turbosprężarka cierpi na opóźnienie turbodoładowania przy niskich prędkościach, ponieważ do napędzania koła turbiny potrzebne są spaliny. Sprężarka nie cierpi na to i dostarcza ciśnienie ładowania od prędkości obrotowej na biegu jałowym. Połączenie tych dwóch wydaje się idealne. Jednakże mechaniczna sprężarka Rootsa musi być napędzana przez wał korbowy. W tym procesie traci się energię. Dlatego producenci samochodów eksperymentują z wieloma turbosprężarkami spalinowymi lub turbosprężarkami elektrycznymi, aby zapobiec opóźnieniu turbosprężarki turbosprężarki spalinowej.

Elektryczną turbosprężarką steruje jednostka sterująca silnika. W ciągu zaledwie 250 milisekund koło sprężarki osiąga prędkość nie mniejszą niż 70.000 XNUMX obrotów na minutę. Silnik elektryczny w turbosprężarce napędza koło sprężarki. Koło sprężarki przenosi powietrze dolotowe pod ciśnieniem do koła sprężarki turbosprężarki spalinowej. Koło sprężarki obraca się bardzo szybko, gdy silnik elektryczny wordt kontrolowane.

Dzięki elektrycznemu turbosprężarce silnik reaguje szybciej.Przy wyższych prędkościach, gdy turbosprężarka spalinowa jest w stanie zapewnić pełne ciśnienie doładowania, elektroniczne turbosprężarka wyłącza się.