Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Motor technika 7

2007.12.20
Feltöltés II. rész
 
A gázok útja turbo feltöltés során Először röviden áttekintjük a turbófeltöltők fejlődését. Az első Otto-motorhoz készült turbófeltöltők Németországban a legendás BMW 2002 turbóban jelentek meg szériaként, ezt a Saab és a Lancia követte. Hamarosan azonban nyilvánvalóvá vált, hogy a 60-as évek végén gyártott feltöltők csak korlátozottan alkalmasak mindennapos használatra, mivel azok gyakran már pár ezer kilométer futás után elromlottak és cserére vagy javításra szorultak. Így, néhány kivételtől eltekintve, a turbófeltöltők ismét eltűntek a benzinmotorok területéről. Gyorsan felismerték azonban az autósportban érdekelt emberek ennek a technológiának a potenciálját és behozták a kipufogógáz-feltöltőt az autósportba, ahol a tartós használhatóság nem elsődleges cél. A 70-es években nemsokára el is jött a Porsche sportautók legendás sikere, melyeket turbófeltöltővel szereltek fel. A Porsche ezután visszahozta a turbófeltöltőt a szériagyártásba is és napjainkig kiváló modelleket forgalmaz.
Miután a gyártók, mint pédául a KKK és Garett, a 70-es évek vége felé a turbófeltöltőt technikailag olyan szinten tökéletesítették, hogy az sok ezer kilométeren keresztül kitartson, a feltöltött motorok újraéledése volt tapasztalható a nagy szériagyártásban is. Részben az újonnan bevezetett adószabályozásoknak (luxus-adó) köszönhetően például a két liter feletti lökettérfogatú motorok esetén, a feltöltés technikai koncepciója közkedveltté vált, mivel az viszonylag kis lökettérfogat esetén is megfelelő teljesítményt biztosított. A lehetőleg alacsony üzemanyag fogyasztással az alacsony benzinárak mellett nem kellett törődni. Így a relatív magas literteljesítmény ugyancsak magas fogyasztás mellett elv volt érvényes, a bevezetett üzemanyag egy részét a motor belső hűtésére alkalmazták. Csak a 80-as években, az ébredező környezetvédelmi irányzatok miatt, melyek a takarékos motorokat propagálták, következett be a feltöltési technológia újabb eltűnése az Otto-motorok nagy szériagyártásából.

Egészen más volt azonban a kipufogógáz-feltöltők fejlődése a dízel-motorok esetén. Kezdetben csupán nagy motorok (például hajógyártás) rendelkeztek ilyen jellegű feltöltővel, hamarosan azonban a haszongépjármű-gyártók is igényelték ezt a technológiát a teherautó motoroknál jelentkező, egyre gyorsabb ütemben növekvő teljesítményigény miatt. Mivel teherautók esetén a fordulatszám jelentősen 3000 rpm alatt marad, ebből következően a dízelmotor kipufogó oldalán jelentősen alacsonyabb a hőmérséklet, ezért a gyártóknak könnyebb dolga volt a haszongépjárművek részére tartós turbófeltöltőt gyártani. A "turbolyuk" is, amely egy rövid késlekedése a teljesítmény-leadásnak gyorsítás esetén, sokkal kevésbé volt tapasztalható, mint a személygépjárművek esetén. Minden esetre a 80-as évek közepéig eltartott, mire a kipufogógáz-feltöltők megjelentek a dízel személygépjárművekben is. Mivel a dízel meghajtású személygépkocsik jelentősen takarékosabban közlekedtek benzines testvéreiknél, az ilyen jellegű járművek jól illettek a kor szelleméhez, nevezetesen az energiatakarékossághoz. Ami nem igazán passzolt, az a dízelmeghajtású személygépkocsik kényelmessége volt. Ezt ugyan elfogadták a taxik esetén, azonban a normál felhasználó inkább lendületesen közlekedett volna. A turbófeltöltő egy jelentős teljesítménynövekedést tett lehetővé a személygépkocsik dízelmotorjainál anélkül, hogy ezzel túlságosan "szomjassá" tette volna azokat. A továbbfejlődés a "turbó-dízel"-t véglegesen az eladási verseny élére helyezte a személygépjárművek piacán is, ami a direkt-befecskendezésnek és az 5000 rpm feletti fordulatszámokhoz tartozó alacsony fogyasztási értékeknek volt köszönhető.

Regiszter feltöltés Az elmúlt évek során lépésről lépésre sikerült olyan technológiákat gyártani, melyek a "turbólyukat" kompenzálják. A turbófeltöltő alapelve megköveteli a feltöltők olyan elrendezését, hogy azok a lehető legközelebb legyenek a kipufogó-csatornához, mivel a kilépő forró gázoknak itt a legnagyobb az áramlási sebessége. Az elrendezés a motortérben azonban gyakran nem is olyan egyszerű, mivel ott nem sok felesleges hely van. Ez gyakran bizarr kinézetű konstrukciókat eredményez, amely azonban szükséges a lehető legjobb hatásfok eléréséhez. A boxer- vagy V-motoroknál ezért alapvetően két feltöltőt alkalmaznak, egyet-egyet a két hengerpadnak. A feltöltő elhelyezésénél érvényes elv, hogy minél távolabb helyezzük el a feltöltőt a kipufogószakasztól, annál lassabban reagál a terhelésváltozásra és annál nagyobb lesz a "turbólyuk". A feltöltő elhelyezése mellett természetesen annak geometriája is jelentős szerepet játszik. Áramlástechnikailag a probléma alapját a gázok tehetetlensége képezi. Mindig szükség van egy bizonyos időre, míg a gázoszlop egy lassítás után (például a gáz elvétele után) újra felgyorsul. Mivel a nagyobb teljesítményhez megfelelően nagyobb mennyiségű levegőt kell a motorba nyomni, a turbó(lapát)kerekeknek is nagyobb méretűeknek kell lenniük. Azonban ha a turbókerekek nagyobbak, akkor a rendszernek több időre van szüksége, hogy a megfelelő töltőnyomást elérje. Ennek a problémának korai megoldásai voltak a sorba rendezett különböző méretű feltöltők. Így a kis feltöltő már alacsony fordulatszámokon biztosította a megfelelő töltőnyomást és növekvő fordulatszám esetén felváltotta azt a nagy feltöltő. Ezt a fajta feltöltést, ahol mindkét feltöltő mindig üzemben van, regiszter-feltöltésnek nevezzük. A különböző nagyságú feltöltők kombinációja meghatározza a gyorsítási folyamat közbeni funkcionalitást. Versenyautóknál a különböző versenypályákhoz különböző feltöltő-kombinációkat alkalmaztak az eltérő pályakarakterisztikáknak megfelelően. A következő lépést a változtatható geometriájú feltöltők jelentették. A különböző terhelési tartományokhoz állíthatták a turbinalapátok vagy a turbinaház geometriáját (térfogatát). Az anyagtechnológiában és a vezérlőelektronikában elért előrelépésnek köszönhetően időközben elérkeztünk a teljesen variábilis twin-turbó technikához, amelyet a BMW és Opel személygépkocsikban is alkalmaznak.

Az új twin-turbó technológiával az Opel 2003-ban megtette a következő nagy lépést a modern személygépjármű turbódízel-motorok továbbfejlesztésében. Az Opel mérnökeinek sikerült egy személygépkocsi dízel-aggregátját kétlépcsős turbófeltöltővel sikeresen alkalmazni. A 2003 novemberében megrendezett esseni MotorShow-n elsőként bemutatott, mindennapos használatra alkalmas Vectra OPC tanulmányautóban egy 1,9 literes CDTI twin-turbó hajtómű dolgozik 156 kW (212 lóerő) teljesítménnyel. A 82 kW-os (112 lóerő) specifikus liter-teljesítmény a dízel személygépkocsik teljesítmény szerinti legelső helyét jelenti. A twin-turbó technológia magját a motor két feltöltőn keresztüli feltöltése képezi, melyek a biturbó technikával ellentétben nem párhuzamosan, hanem sorosan dolgoznak. Itt egy kisebb, gyorsan terhelhető turbófeltöltő felelős az alsó fordulatszám-tartományért; egy második, nagy, magas teljesítményekre kialakított feltöltő emelkedő fordulatszám esetén kapcsol be.

A kisebb, de nagynyomású turbófeltöltő már alacsony fordulatszámokon is biztosítja a motor spontán igénybevételi reakcióját, kezdeti gyengeség vagy úgynevezett "turbólyuk" nélkül. 1800 rpm-ig egyedül dolgozik ez a nagynyomású turbófeltöltő és a beszívott levegőt 3,2 bar nyomásig sűríti. 1800 és 3000 rpm között egy nagyobb, de alacsonyabb nyomású turbófeltöltő kapcsol be - minkét turbina egyszerre fut ebben a fordulatszám-tartományban. 3000 rpm felett csak a nagyobb (alacsony nyomású) turbófeltöltő nyomja a nagy mértékben összesűrített levegőt a hengerbe. A két feltöltő teljes vezérlése terhelés- és fordulatszám szabályozott kipufogógáz csappantyúkkal történik a motor kipufogószakaszában. Az Opel twin-turbó motor potenciálja nagyon jól leolvasható a középnyomás-értékekről. Mialatt a hagyományos turbódízelek 17 és 19 bar közötti középnyomás értékekig jutnak, addig az 1,9 literes twin-turbó 26 bar középnyomás értéket produkál. A twin-turbó elgondolás széria alkalmazásának azonban egy különösen robosztus motorblokk a feltétele, amely a roppant nagy nyomást tartós használat esetén is károsodás nélkül átvészeli.
A mindenkori fejlesztési cél szerint a twin-turbó elgondolás kialakítható a csúcsteljesítmény vagy a fogyasztási hatékonyság irányába. Így egy hagyományos feltöltésű dízelmotorral szemben lehetséges egy 50 százalékos teljesítménynövelés többletfogyasztás nélkül vagy változatlan teljesítmény mellett a fogyasztás akár negyedrésszel történő csökkentése. A kétlépcsős turbófeltöltés, kombinálva a legmodernebb Common-Rail-technikával, variábilis többszörös direktbefecskendezéssel (Multi-Injection) és dupla töltőlevegő-hűtéssel, biztosítja a teljesítménytöbbletet és a 400 Nm-es maximális nyomatékot, ami egy széles, 1400 rpm-től 3600 rpm-ig terjedő fordulatszám-tartományban áll rendelkezésre. A takarékos, 100 km-en 6 literes fogyasztással az európai ellenőrzőciklusban a Vectra OPC tanulmány a twin-turbó motorral ugyanazon az alacsony szinten van, mint a Vectra 1.9 CDTI nagyszériás motor (110 kW/150 lóerő, 5,8 liter dízel 100 km-en). A kipofogógáz-emissziók nagy teljesítményen is megfelelnek az Euro 4-es normának.

Downsizing

A 2008-tól megkövetelt kipufogógáz irányértékek miatt - mint például az üzemanyag fogyasztástól közvetlenül függő átlagos széndioxid kibocsátás - az Otto-motor gyártói és fejlesztői különösen nagy kihívással néznek szembe. Más lehetőségek, például a motor üzemanyag fogyasztásának csökkentése mellett (direkt-befecskendezés, variábilis szelepemelkedés vagy hengerlekapcsolás), egy új trend mutatkozik a fejlesztésben, melyet "Downsizing"-nak neveznek. Ebben a koncepcióban a kisebb motorok jutnak előtérbe, melyek a kisebb lökettérfogat ellenére magas nívót biztosítanak mind a nyomaték, mind a teljesítmény terén. Általában ezeket az "új motorokat" magasabb fordulatszámokon üzemeltetik. Mechanikailag manapság a magasabb motorfordulatszám már tartós alkalmazás esetén sem jelent problémát. A "Downsizing" célja megszünteti az Otto-motorok legnagyobb hátrányát: a részleges terhelés esetén fellépő, a pillangószelepen keresztül történő gázveszteséget. Így a lökettérfogat csökkentésével a motor üzemtartományát a részterhelés tartományából (alacsony fordulatszám) a magasabb fordulatszám-tartományokba helyezik, ahol nagyobb a hatékonyság. Mivel egy kis lökettérfogatú motor esetén alapvetően magasabb fordulatszámok adódnak, a pillangószelep azonos terhelési állapot esetén nyitottabb állású, így a töltésváltozási munka alapvetően kisebb lesz. Ahhoz azonban, hogy a vezető számára ugyanazok a teljesítmények álljanak rendelkezésre, mint a manapság jellemző nagyobb lökettérfogatú hajtóművekkel, más rendszereknek és komponenseknek kell a teljesítménykiegyenlítésről gondoskodnia.

A "Downsizing" egyik előnyös variánsának tartják a feltöltés és a direkt benzin-befecskendezés kombinációját, mivel a direkt-befecskendezés takarékossági hatása önmagában jelentősen kisebb, mint azt évekkel ezelőtt remélték. A szakemberek abból indulnak ki, hogy egy 30 százalékkal csökkentett lökettérfogat esetén kereken 14 százalékos üzemanyag-megtakarítás lehetséges (azonos teljesítmény esetén) egy hagyományos szívómotorral szemben szívócső-befecskendezéssel. További intézkedésekkel a lökettérfogatok még 50 százalékukra is redukálhatók, ami egy további jelentős üzemanyag-megtakarítást eredményezne. A feltöltés jellegét illetően azonban, hogy az mechanikusan történjen-e (kompresszorral) vagy kipufogógáz-turbófeltöltővel, megoszlanak a vélemények a fejlesztőrészlegek között. Így a DaimlerChrysler-nél mechanikus kompresszor-feltöltéssel dolgoznak. Itt egy 1,8 literes direkt-befecskendezéses motorral 125 kW teljesítményt és az előző C-osztályú modellhez képest egy 19 százalékos üzemanyag-megtakarítást érnek el. A 200 CGL már csak 7,8 liter (kénmentes) SuperPlus-benzint fogyaszt. A DaimlerChrysler szerint azért választották a kompresszort, mert egy kis térfogatú motor alacsony fordulatszám esetén egy nagyon magas töltőnyomást igényel. Egy másik megoldást tart készenlétben a Bosh-fejlesztés: itt a kipufogógáz-turbófeltöltőhöz egy további, elektromos meghajtású kiegészítő-kompresszort kapcsolnak, amely alacsony fordulatszámokon ill. terhelésváltozás esetén késésmentesen biztosítja a megfelelő töltőnyomást. Egy ilyen jellegű kiegészítő-kompresszorral akár 50 százalék nyomatéknövekedés is elérhető az alsó fordulatszám-tartományban.