Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Motor technika 6

2007.12.20
Feltöltés I. rész
 
A gázok útja turbo feltöltés során Ami a belső égésű motorok építését és azok teljesítményét illeti, már ősidők óta halljuk az alábbi állítást: "a lökettérfogat nem helyettesíthető semmivel". Ez a tézis alapjában korlátlanul érvényes, hiszen a lökettérfogat a motor fordulatszámával és a közepes gáznyomással együtt a belső égésű motorok alapját képezik. A motor teljesítményének növelésére a tervezőknek három lehetőségük van: a hengerek lökettérfogatának növelése, a fordulatszám növelése és a közepes gáznyomás növelése. Az egyes megoldások különböző következményekkel járnak. Egy lökettérfogat-növelés általában nagyobb és nehezebb motorokat eredményez, a fordulatszám növelése kiterjedt mechanikai fejlesztéseket igényel - mindkét eljárás negatív következményekkel jár, melyek vagy a gyártó részére az előállítási költségben vagy a későbbi felhasználó részére a fenntartási költségekben jelentkezik. Maradt a harmadik lehetőség: azonos fordulatszám-tartományon belül a keverék középnyomásának növelése. Ezt egy viszonylag egyszerű módon érhetjük el, mégpedig a hengerek feltöltésével, mely jobb telítést eredményez. A feltöltés segítségével tehát egy motor azonos lökettérfogattal és fordulatszámszinten jelentősen nagyobb teljesítményt képes leadni. Egy szívómotor a fordulatszám-tartományán belül különböző töltési fokokat (töltési fok = beszívott frissgáz mennyisége) és így különböző teljesítményfokozatokat érhet el. Általában a motornak normál üzemben nem sikerül a hengert az elméletileg kiszámított frissgáz-mennyiséggel ténylegesen feltöltenie. Ezért a növekvő fordulatszámmal együtt csökken a töltési fok. Vélhetően a rövidebb szelepnyitási időknek köszönhetően, a gázoszlop tehetetlenségi nyomatéka és a szelepek zárása miatt a frissgáz áramlása a másodperc töredékére megszakad. A szívási folyamat során, azaz az újra nyitott szelepnél a gázt újra fel kell gyorsítani, amihez a növekvő fordulatszámmal egyre kevesebb idő áll rendelkezésre. A töltési fok romlása és ezzel a gáz középnyomásának csökkenése magas fordulatszámon általában minden belső égésű motor esetén leolvasható az eső nyomatékgörbén.

A feltöltő-rendszerek már majdnem olyan idősek, mint maguk a belső égésű motorok. Sok éven át a feltöltés csupán az azonos lökettérfogat melletti motorteljesítmény-növelést szolgálta. A modern motor-elektronikának köszönhetően a tervezők előtt új lehetőségek nyíltak, például a motor fogyasztási- és gázkibocsátás-értékeinek optimalizálása a modern feltöltő rendszerek segítségével. Az új jelszó a "downsizing", ami leegyszerűsítve azt jelenti, hogy a nagy lökettérfogatú motorokat kis méretű, feltöltött motorokkal helyettesítjük az üzemanyag-fogyasztás csökkentésére. Napjainkban alapvetően két feltöltési felépítést különböztetünk meg: a mechanikus hajtású töltőt (kompresszor) és a kipufogógáz-feltöltőt (turbo). A feltöltő biztosítja a henger túltöltését, azaz a frissgázt túlnyomással nyomja a hengerbe. A nagyobb frissgáz-mennyiség biztosítja a gáz magasabb középnyomását, mivel a nagyobb gáztérfogat tovább ég és így nagyobb munkát képes végezni hosszabb időn keresztül a dugattyún. A feltöltött motoroknál a mechanikai sűrítési arányt általában csökkentik (15 - 20 százalékkal), mivel egyébként az üzemanyag sűrítési határa és a hengerfejtömítés terhelése kritikussá válna. Ebből következően az elősűrített szívólevegőt, amely a sűrítés során jelentősen felmelegszik, speciális töltőlevegő-hűtőben le kell hűteni, mivel egyébként a hatásfok ismét csökkenne. A különböző feltöltő rendszereknek speciális előnyei és hátrányai vannak, melyeket a tervező a különböző alkalmazási területeken hasznosítani tud.

C20LET motor turbo feltöltője Manapság a kipufogógáz-feltöltőt alkalmazzák gyakrabban. A mechanikus meghajtású feltöltők inkább kivételt képeznek. A mechanikus meghajtású feltöltő mellett döntött néhány éve a DaimlerChrysler a Mercedes SLK modellben, amelyet Roots-elven működő töltővel szereltek fel, ami a mechanikus feltöltés újraéledését eredményezte. A 30-as évekig csak mechanikus feltöltők (kompresszorok) léteztek, melyeket a főtengely hajtott fogaskerekek vagy szíjhajtás segítségével. A svájci Büchl használta elsőként a kipufogógázt a feltöltő meghajtására, ami nagyon magas áramlási sebességgel lép ki a hengerből, így nem használt fel energiát a motor teljesítményéből saját üzemeltetésére. A mechanikus feltöltők ezzel szemben igényelték a képzett motorteljesítmény egy részét munkájukhoz, ami a hasznos motorteljesítményt csökkenti, így hatásfokuk legtöbbször jelentősen gyengébb, mint a kipufogógáz-feltöltőké. Másrészt a turbó-feltöltőnek az a problémája, hogy igénybevételi reakciója a gázoszlop tehetetlenségi nyomatéka miatt csak költséges szabályozó-berendezésekkel irányítható bizonyos fokig és csak így csökkenthető az úgynevezett "turbólyuk" (egy rövid pillanat a gyorsítási folyamat során, mikor a szükséges töltőnyomás még nem épült fel). Így sokáig a kipufogógáz-feltöltő csak a dízel- és nagymotoroknál volt jellemző, melyek természetüknél fogva jelentősen alacsonyabb fordulatszám-tartományokon dolgoznak és melyek gyorsulási folyamata terhelésváltásnál lassabb lefutású. A feltöltési fok napjainkban a szériaautóknál - attól függetlenül, hogy mechanikai feltöltő vagy kipufogógáz-feltöltő, benzin- vagy dízelmotor- kb. 0,6 - 0,8 bar. A sport- és versenyautók akár 2,5 bar-ig is tölthetnek. Ezeknél a motoroknál általában kézzel szabályozható a feltöltési fok. Minden feltöltő-rendszernél találunk un. "pop-off" (lefújó) szelepeket, melyek mechanikailag megakadályozzák, hogy a töltési nyomás meghaladjon egy meghatározott maximum értéket, így védve a motort egy esetleges túlterhelés esetén bekövetkező károsodástól. Mivel az elősűrítés során a feltöltőben a szívólevegő a sűrítési foknak megfelelő mértékben melegszik, a feltöltő-rendszerek mindig töltőlevegő-hűtést igényelnek. A szívórendszer a felhevült, elősűrített levegőt egy hűtőn vezeti keresztül, amelyben a felmelegedett szívólevegő vagy a menetszél vagy ventillátorok segítségével lehűl. Minél hidegebben tudja tartani a szívólevegőt, annál jobb lesz a hatásfok.
A Mercedes-en kívül mostanában már BMW (Mini) motorokat is szériában mechanikus feltöltőkkel forgalmaznak. Mik is valójában az előnyei és hátrányai ennek a két feltöltő-rendszernek? A kompresszort a motor hajtja mechanikusan. Ez legtöbbször egy fogasszíj- vagy fogaskerék-meghajtással történik. A kompresszor ezért közvetlenül a motor fordulatszámától függően dolgozik. Ha növekszik a fordulatszám, rögtön emelkedik a töltési nyomás. A kompresszor elvileg késésmentesen és a kipufogógáz-áramlástól függetlenül dolgozik. Ezért a méretezésénél nem kell figyelembe venni a feltöltéshez szükséges kipufogógáz-nyomást. Ebből következően a kompresszor a motor "hideg oldalán" dolgozik, miáltal az elősűrített szívólevegő kevésbé melegszik, mint egy turbófeltöltő esetén, így a töltőlevegő-hűtők lehetnek kisebb méretűek. Magasabb fordulatszámon általában leesik a kompresszorok hatásfoka, mivel a töltő fordulatszáma és a felépítés nagysága, ami személygépjárműveknél kerül szóba, korlátozza a rendelkezésre álló levegőmennyiséget. Összefoglalva a kompresszor mellett az alsó és középső fordulatszám-tartományokban mutatott jó hatásfok, előnyös terhelési reakció és a töltőlevegő kisebb mértékű előmelegedése, valamint összességében a töltő viszonylag alacsony mechanikai terhelése szól. A kompresszor segítségével elérhető lehetséges teljesítménynövelés átlagosan 15 - 20 százalék között mozog a motor költséges átépítése nélkül.

Turbo feltoltő snittje A kipufogógáz-turbófeltöltő meghajtásához a motor által kibocsátott kipufogógázt használja. A magas hatásfok elérésére a turbófeltöltő lehetőleg a kipufogókönyök gyűjtőcsonkja mögött kell, hogy elhelyezkedjen. A töltő egy turbina és egy sűrítő részből áll. A kipufogógáz-áramot a turbinarészben a turbinakerék lapátjaira vezetik. Ez egy közös tengelyen keresztül meghajtja a sűrítőkereket. A turbina bemenete kisebb (ez tovább növeli a kipufogógáz áramlási sebességét), mint a kimenete. A forró gázok radiális irányból lépnek be a turbinába és axiális irányban lépnek ki. A szívólevegő ezzel szemben axiálisan lép be a sűrítőbe és radiálisan távozik egy nagy kimeneti keresztmetszeten, amely a levegő áramlási sebességét csökkenti. A turbófeltöltőre is vonatkoznak a gázáramok törvényei, ezért nem tud késésmentesen dolgozni. A fordulatszám növelésénél először a kipufogó-gázoszlopot kell úgy felgyorsítanunk, hogy egy megfelelő töltőnyomást kapjunk. Mivel a turbinakerekek gyakran a körülményekhez képest kicsinek bizonyulnak, egy valamelyest előnyös igénybevételi reakció elérésére a turbófeltöltők fordulatszáma elérheti a 200.000 rpm -et. Nagy teljesítményű motorok és haszonjárművek esetén a turbinaházat legtöbbször vízzel is hűtik a termikus igénybevétellel szembeni ellenállás növelésére. Minél nagyobb a motor használható fordulatszámtartománya, annál kritikusabban alakul a turbófeltöltő igénybevételi reakciója. Ez a probléma a benzinmotorok esetén természetesen jelentősebb, mint a dízeleknél, hiszen utóbbiak még mindig alacsonyabb fordulatszámokat használnak és így a feltöltőnek több reakcióidő áll rendelkezésére. A "turbólyuk" csökkentésére a töltő lapátszárnyainak méretét mindinkább csökkentették vagy két különböző méretű töltőt használnak, melyeket kaszkádszerűen helyeznek el. Ez esetben a kis töltő az alsó és középső fordulatszám-tartományokban dolgozik, a nagy pedig magas fordulatszám esetén veszi át a töltési eljárást.
Egy ideje többek között geometriailag változtatható turbinaházakkal küzdenek ez ellen a probléma ellen. A turbinaház keresztmetszete ennek során egy állító berendezés segítségével csökkenthető, miáltal alacsony fordulatszámokon nő az áramlási sebesség. Egy további lehetőséget nyújtanak az állítható vezetőlapátok, melyek a kipufogógáz-áramot különböző szögekben irányítják a turbinalapátokra. A töltőket egyrészt egy úgynevezett "Wastegate" vagy "pop-off-szelep" segítségével szabályozzák, amely egy meghatározott töltési nyomás fölött nyit, így védve a motort - a töltőnyomás így nem nőhet tovább. A töltő tulajdonképpeni szabályozása egy vákuumdózissal történik, amely egy emelőn keresztül állítja a töltőt. A szabályozás egy másik módja elektronikusan történik egy jelleggörbe-sereg segítségével. A töltő állításához ez esetben elektronikus állítómotorok szolgálnak. Az igénybevételi reakció mellett a különböző töltők a benzinmotorok kipufogógáz-tulajdonságait is javítják, valamint hozzájárulnak a fogyasztás optimalizálásához, mivel a motor terhelésváltozása esetén nem jelentkezik túltöltés. A lehetséges teljesítménynövekedés a kipufogógáz-feltöltő esetén jelentősen magasabb, mint a kompresszor esetén. Bár a turbófeltöltő a dízelmotoroknál manapság már standard, elterjedése a benzinmotorok esetén Európában az utóbbi években jelentősen visszaesett. Csak most, a "Downsizing" mottója alatt lett a turbófeltöltő ismét aktuális a benzinmotorok esetén Európában, mint a fogyasztáscsökkentés lehetséges megoldása.