Administrator
Turbo punjaci su jedan od nekoliko sistema za dodatno unosenje zraka u motor tj. one kompresiraju (smanjuju zapreminu) zraka koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine zraka koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljava motoru da ima vise zraka u cilindru, a samim tim vise goriva treba da bi se napravila odgovarajuca smjesa. Samim time, dobije se vise snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbo punjacem po definiciji proizvodi vise snage od motora koji nema turbo punjac, a to znacajno poboljsava odnos snaga / tezina motora.
a bi turbo punjaci postigli odgovarajucu kompresiju, turbo punjac koristi ispusne plinove motora da bi zavrtio svoju turbinu koja opet ubrzava unos zraka. Turbina turbo punjaca se obicno vrti od 100 do 150 tisuca okretaja u minuti, a kako je direktno povezana na ispusnu granu motora temperature na kojima turbina radi su vrlo visoke.
Osnove:
Najlaksi način da dobijete vise snage iz motora je da povećate količinu zraka i goriva koje motor može sagorjeti. Jedan od načina je da se poveća zapremina bilo povećanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj način nije moguć ili isplativ, turbo punjač je jednostavnije i kompaktnije resenje.
Turbo punjači omogučavaju motoru da sagori vise goriva i zraka tako sto u postojeću zapreminu motora sabijanjem ubacuje vise goriva i zraka. Mjera za sabijenost je u barima (metrički sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom inču).
1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar.
Tipičan pritisak turbina je obično oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar sto znači da se u motor ubacuje 50% vise zraka (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomoću turba dobijate 1,5 bar tj. 50% povećanja pritiska). Za očekivati je da će i snaga skočiti za 50%, međutim sistem nije 100% efikasan tako da su povećanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od konstrukcije. Dio neefikasnosti potiče od toga sto zrak koji pokreće turbinu nije „besplatan“, tj. zrak koji turbina pozajmljuje iz iispusne grane motora ima svoju cjenu. Cjena je da motor mora uložiti vise energije da izbaci zrak s obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj ispusni plin mora savladati.
Uploaded with ImageShack.us
Turbine na visini
Turbo punjači pomažu na velikim visinama gdje je zrak dodatno razrijeđen. Normalni motori će na takvom razređenom zraku imati manje snage na raspolaganju zato sto će manje zraka biti u cilindru, dok se kod motora sa turbo punjačem ta razlika daleko smanjuje (i dalje postoji pad snage, samo je manji) zato sto će turbina iako je zrak rjeđi ugurati daleko vise tog rjeđeg zraka zato sto je on laksi pa će time malo kompenzirati gubitak gustoće zraka.
Stariji automobili sa karburatorom automatski povećavaju dotok goriva da bi parirali većem dotoku zraka u motor, dok moderni automobili sa elektronskim ubrizgavanjem goriva također to rade, ali će to povećanje dotoka goriva biti srazmjerno podatku koji salje protokomer zraka (maf senzor) koji mjeri kao sto mu i ime kaže koliko je zraka uslo u motor pa će odnos zraka i goriva kod takvih motora biti uvijek vrlo blizu idealnom. Ukoliko turbina radi na visokom pritisku i elektronsko ubrizgavanje nema dovoljno jaku pumpu koja može dopremiti potrebnu količinu goriva u cilindre ili softver koji upravlja ubrizgavanjem goriva neće dozvoliti toliku količinu goriva ili brizgaljke za unos goriva u cilindar nemaju dovoljno veliku protočnu moć; motor neće moći maksimalno iskoristiti turbo punjač pa će ostali dijelovi sistema za ubrizgavanje goriva morati dodatno se modificirati da iskoriste pun potencijal turbo punjača.
Način funkcioniranja turbo punjača:
Turbo punjač je pričvrsćen na ispusnu granu motora, a ti ispusni plinovi okreću turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi između filtera za zrak i usisne grane motora i taj kompresor sabija zrak koji se ubacuje u cilindre. Ispuh iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okreću samu turbinu i sto vise zraka prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okreće. Sa druge strane osovine na koju je prikačena turbina nalazi se kompresor koji pumpa zrak u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlači zrak u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okreće. Da bi izdržala 150000 okretaja u minuti osovina turbine mora biti pričvrsćena veoma pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja vjerovatno eksplodirala pa tako turbo punjači koriste fluid (ulje) koje je u vrlo tankom sloju između ležajeva i osovine i pomoću koga se kuglagerima po kojima se osovina kreće samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge dijelove turbo punjača.
Turbopunjači i kompresori
Turbo? Ovaj termin se pored automobilizma i energetike koristi i u ostalim područjima i često se koristi kao sinonim za nesto sto je bolje, kvalitetnije, brže. U ovom tekstu objasnjavamo ta dva pristupa povećanju snage i objasnjavamo pomoćne agregate kod oba sistema.
Turbo kompresori i mehanički kompresori
Uvod
Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila spomen pojma "turbo" ih u toku proteklih desetak godina uglavnom asocira na dizel motore. Takozvana "turbo" era zavrsila je krajem 90-tih godina i od tada pa sve do danas turbo je stvarno ono sto u velikoj većini slučajeva nagovjesta da je u pitanju dizel motor.
Prvo sto moramo naglasiti u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo kompresor ( turbopunjač ) se najčesće naziva samo turbo, a u engleskom je naziv koji se koristi "turbocharger", dok se mehanički kompresor može jos nazivati i kompresor (Mercedes koristi naziv kompressor), punjač (G punjač – VW) dok se u engleskoj literaturi mehanički kompresori nazivaju "supercharger". Postoje rotacijski krilni kompresori, Rootov kompresor, Ro-kompresor, vijčani kompresor, spiralni kompresor (G-kompresor), turbo kompresor ( turbopunjač )
Turbine se koriste u energetici, avionskoj i automobilskoj industriji i ono sto ih razlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadatci različiti, ali ono sto ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko načina takozvanog "prednabijanja" tj. dodatnog sabijanja vise zraka nego sto prirodni pritisak omogućava. Motor sagorjeva mjesavinu zraka i goriva, a taj zrak ulazi u motor kroz usisnu granu motora povučen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga povećala količinom zraka koriste se načini kao sto su: turbopunjači, mehanički kompresori i tzv. "Ram Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbopunjača i turbo kompresora dok ćemo princip rada "Ram Air" sistema objasniti u narednih sljedećih rečenica.
"Ram Air"
Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trkački automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajućih filtera) izvede direktno negde na spojni dio automobila koji je okrenut smjeru kretanja i time se povećanjem brzine automobila proporcionalno povećava pritisak zraka koji ulazi u motor. Na primjer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozača, GT automobili imaju "grbe" na haubi koje direktno "ubacuju" zrak u motor automobila, a taj pritisak je direktno srazmjeran brzini kretanja automobila.
Ferrari 575M Maranello F1 - tipičan primjer GT automobila sa "Ram Air" sistemom
Kako dobiti vise snage
Četiri mogućnosti sa jednom zajedničkom osobinom
Kada se govori o načinima povećanja snage motora, zajednički cilj je, svakako, sagorjeti sto vise smjese goriva i zraka u jedinici vremena. Postoje, praktično, četiri fundamentalno različita načina da se to ostvari.
1. Napraviti efikasan motor tako da se sto je moguće vise zraka i goriva unosi u njega kroz smanjenje restrikcija usisnih i ispusnih grana, umanjujući masu koja se rotira unutar motora, povećavajući energiju koju emitira svjećica i finog podesavanja timinga rada motora. Ovo su ciljevi svih "performance" dijelova koji povećavaju snagu motora – filteri zraka, programatori paljenja, ispusni sistemi itd. Ove modifikacije su popularne zato sto dodaju snagu, izgledaju dobro i zvuče dobro. Također one se mogu raditi nezavisno sto je dobro za budžet. Problem ovakvih modifikacija je sto donose male dobitke, a često su ti dobitci u snazi beznačajni i ne mogu se osjetiti. Danasnji moderni motori su po izlasku iz tvornice prilično dobro podeseni i nisu opremljeni previse restriktivnim usisnim ili ispusnim granama koje bi umaljile potrosnju goriva. Drugim rječima, ako tražite umjerene dobitke snage, potrebno je ići dublje od ovakvih modifikacija koje za cilj imaju samo blago povećanje efikasnosti motora.
2. Motoru se može povećati snaga tako sto ćete ga ubrzati tj. motor će se okretati na većem broju okretaja. Ova tehnika je efikasna kada se inzistira na zadržavanju male mase i kompaktnosti motora, a istovremeno se traži veća snaga. Naravno svi trkački automobili imaju motore koji postižu visoke brojeve okretaja. Jedina mana ovog pristupa je da ako želite omogućiti motoru da se okreće na jako visokom broju okretaja potrebni su jako kvalitetni (i skupi) dijelovi koji će moći izdržati rad u takvim uvjetima. Povećani broj okretaja značajno povećava trosenje materijala sto umanjuje pouzdanost motora i smanjuje mu rok trajanja. Većina normalnih automobila ima crveno polje ("blokadu motora") između 6000-7000 okretaja bas iz tog razloga da se poveća rok trajanja motora. Okretanje motora brže nego sto je predviđeno je rizik za motor.
3. Jos jedan način za povećanja snage motora je veoma očigledan. Koristenje većeg motora. Veći motori mogu sagorijevati vise zraka i goriva i samim tim proizvode vise snage. Naravno, da je to tako jednostavno svi bi pod haubama imali V12 motore sa 6000 ccm. Povećanje motora se lako može izvesti razbusivanjem (povećanjem promjera) cilindara i stavljanjem većih klipova, ili povećanjem hoda klipa, ali takva povećanja motora su veoma ograničena obzirom da konstrukcija motora ne dozvoljava preveliko povećanje tih parametara. Da bi se motor značajno povećao potrebno je imati fizički veći motor sa vise cilindara, ali on donosi veće dimenzije, veću težinu i manje efikasnost potrosnje goriva.
4. Posljednji način za povećanje snage je unosenje veće količine smjese goriva i zraka prije njenog sagorjevanja, a rezultat je snaga koja je adekvatna klasičnom motoru sa većom zapreminom. Problem sa ovom tehnikom je da nije dovoljno reći da motor treba "usisati" vise smjese, pritisak je uvjetovan atmosferskim pritiskom od 1 bar na 0m nadmorske visine. Kako se visina povećava zrak postaje sve rjeđi i time motor ima sve manje snage. Tu na scenu stupaju turbo kompresori ili turbopunjači. Kompresor, kao sto mu ime kaže, kompresira (stlačuje/zbija) zrak i gorivo u prostor cilindra pod pritiskom većim od atmosferskog i time praktično dobva efekt povećanja snage kao da je motor veće zapremine nego sto je. Drugo mali motor zadržava sve svoje osobine – lagan, kompaktan, efikasno trosi gorivo, a opet uz pomoć kompresora daje veću snagu. Dodatno se može kontrolirati kada kompresor radi tako da, ukoliko ne pritisćete pedalu gasa do poda, motor radi sa svojim normalnim performansama i sto je jos važnije trosi jako malo goriva.
Realno postoji daleko vise od gore navedenih četiri načina povećanja snage, ali ovi načini su najkonvencionalniji. Možete, na primjer, koristiti kaloričnije gorivo sto je ideja vodilja sistema koji koriste Nitro Oksid – poznatiji kao NOS ili drugih Top Fuel sistema
Zlatna turbo era
Turbopunjač izumio je svicarac Alfred Buchi 1920 godine, a prve aplikacije koristile su se u vlakovima te nesto kasnije u avionima.
Turbopunjači su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putničkim automobilima ranih 1960-tih godina. Model je bio Chevrolet Corvair kojeg je proizvodio General Motors - GM. Automobil je imao losu reputaciju zbog toga sto je imao jako lose performanse pri malim brzinama, a ogroman turbo lag je onemogućavao normalnu vožnju.
Turbo lag je ono sto je automobilskoj industriji radilo velike probleme i sprječavalo da se automobili koji su u to doba koristili turbopunjač proglase praktičnima. Turbopunjači su se u to doba obilato koristili u auto sportu - počevsi od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do "endurance" utrka i na kraju same Formule 1. Međutim vozači trkačkih automobila su uspjevali su se izboriti sa prilično neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo rjesenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozača. Turbine iz tog doba su bile vrlo velike i teske pa su samim time bile veoma inertne (trome). Takve turbine se nisu mogle zavrtjeti ispod 3500 okretaja, pa je opseg rada motora do 3500 okretaja bio vrlo slab obzirom da je u to doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi se izbjeglo pregrjevanje glave cilindara.
Porsche je pionir kada se govori o relativno praktičnim turbo automobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji je koristio rjesenje do kojega su dosli Porscheovi inženjeri. Mehanizam se zasnivao na tome da se koriste takozvana "recilkulirajuća" crijeva koja su omogućavala turbini da se zavrti prije početka rada pa se time smanjivao lag. Model iz 1978. Porsche 911 Turbo 3.3 koji je nasljedio model 3.0 turbo je unio jos jedan novitet – intercooler (hladnjak stlačenog zraka) koji je dodatno umanjio lag i doprinjeo povećanju snage motora.
Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbopunjača je evoluirala u pravcu kultiviranijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbopunjačima koristi jos jedan sistem smanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbopunjači koristili su primitivna mehanička rjesenja sa wastegate ventilom kako bi izbjegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i početkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogućena fina kontrola pritiska turbine pa je s tim sistemom omogućeno da, na primjer, turbo isporučuje 1,4 bar ispod 3000 okretaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 okretaja, a 1,8 bar iznad 4500 okretaja. Takvom finom kontrolom je postignut linearan rast snage sto je doprinjelo normalnom osjećaju u vožnji automobila sa turbopunjačem.
Pera impelera (elisa) na turbini
Problemi koji se javljaju kod turbopunjača...
1.Previse pritiska
Kada se zrak tlači u cilindre pod pritiskom koji radi turbopunjač koje zatim klip dodatno tlači, postoji povećana opasnost od samozapaljivanja smjese. Samozapaljivanje smjese se pojavljuje kada se pomijesani zrak i gorivo stlače preko kritične točke čime dolazi do detonacije u cilindru iako svjećica nije zapalila smjesu sto može ostetiti motor. Automobili sa turbopunjačima obično koriste visoko oktanska goriva (koja imaju veću otpornost samozapaljenju) da bi izbjegli ovaj problem. Problem se također može rijesiti smanjenjem kompresije motora sto naravno dovodi i do smanjenja snage motora.
2. Turbo Lag
Jedan od najlakse uočljivih problema turbopunjača je da oni ne rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, nego je potrebno da motor osigura odgovarajuću količinu plinova, a onda je potrebno jos nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi počela sa radom, a rezultat je da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritisku na pedalu gasa. Jedan od načina za smanjenje ovog efekta (lag = zadrska) je da se smanji inertnost pokretnih dijelova, tj. smanjenje njihove težine. Ovo omogućava turbini i kompresoru zraka da se brzo zavrte i počnu ranije sa povećanjem snage motora.
3. Mali ili veliki turbopunjač?
Siguran način za smanjenje inertnosti turbine i kompresora zraka je da se turbopunjač napravi sto manji. Mali turbopunjač će daleko brže osigurati pritisak i na manjem broju okretaja motora, ali neće biti sposoban da osigura dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike količine zraka da bi zadržao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da se mala turbina na visokom broju okretaja motora može prebrzo okretati sto može dovesti do njenog ostećenja.
Veliki turbopunjač može osigurati visoki pritisak na visokom broju okretaja motora, ali je on težak i inertan te mu je potrebno vise vremena da ubrza svoju tesku turbinu i kompresor zraka.
... i njihova rjesenja
1. Ventil za ispustanje viska zraka (wastegate)
Velika većina automobilskih turbopunjača imaju ventil za ispustanje viska zraka koji omogućava manjim turbopunjačima da se ne vrte previse brzo na visokom broju okretaja, a istovremeno time sto su mali smanjuju lag. Ventil za ispustanje viska zraka omogućava ispusnim plinovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil "osjeća" promjenu pritiska i ako pritisak prijeđe određenu granicu to je indikator da se turbina okreće prebrzo i tada ventil ispusta dio ispusnih plinova tako da ne prelaze preko turbine i time omogućava turbini da uspori okretaje.
Wastegate ventil
"Performance" wastegate ventil
2. Ventil za ispustanje viska zraka (Blowoff valve/ BOV, ponegdje i hooter valve, dump valve)
Služi da bi ispustio pritisak u usisnoj grani, te da ne zaustavi (do kraja) vrtnju turbine nakon otpustanja gasa. S obzirom sa se turbina ne moze u trenu zaustaviti kada se otpustio pedala gasa, ona nastavlja nabijati (doduse slabije) zrak i tada se taj isti odbija od zatvorenog leptira i puse u ispusne lopatice turbine, sto ih naglo usporava. Događaju se dvije stvari:
1. "Krepa" turbina jer se doslovce odlomi komadic lopatice ili cak krepa lager (uljna karika).
2. Uspori se vrtnja pa kad ponovno pritisnete pedalu gasa, cekate određeno vrijeme da se opet nabije tlak. To pogotovo ima utjecaja kod većih turbina.
Postoji vise vrsta blowoff ventila, od potpuno otvorenih, do recilkulirajućih, a najbolji su recilkulirajući jer se masa zraka ne ispusta van već se vrti u krug kroz turbinu i drzi je u okretajima do slijedećeg prebacivanja brzine.
Blowoff ventil
Ležajevi
Neki turbopunjači koriste bolje ležajeve umjesto ležajeva u tekućini kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obični ležajevi, to super precizno napravljeni ležajevi, a materijali od kojih se proizvode su posebne legure koje mogu izdržati velike brzine i temperature koje proizvodi turbina. Oni omogućavaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoć korisćenja tekućina umesto ležaja koji se koriste u većini turbopunjača. Oni također omogućavaju koristenje manjih i laksih osovina sto opet pomaže turbopunjaču da se brže pokrene i time dodatno smanji turbo lag.
Ležajevi
Keramičke lopatice na turbinama
Keramičke lopatice na turbinama su lakse nego one od čelika koje se najčesće koriste na turbopunjačima. Naravno ovo opet omogućava brži start turbine sto opet smanjuje lag. Lopatice od keramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitsubishi Lanceru EVO.
Intercooleri (hladnjaci stlačenog zraka)
Kada je zrak sabijen (po zakonima termodinamike) on se grije, a kada se zrak grije on se siri. Tako jedan dio od povećanja pritiska turbopunjača je rezultat zagrijavanja zraka prije nego sto uđe u motor. Da bi se povećala snaga motora, cilj je povećati broj molekula zraka u motoru, a ne neophodno povećati pritisak zraka. Intercooler je dodatna komponenta sistema koja nalikuje na hladnjak, samo sto zrak prolazi kako kroz intercooler tako i oko njega. Zrak koji treba ući u motor prolazi kroz intercooler i time se hladi, dok se vanjski zrak pomoću ventilatora "puse" preko intercoolera. Intercooler povećava snagu automobila tako sto hladi zrak pod pritiskom koji izlazi iz turbine prije nego sto uđe u motor. To znači da turbopunjač koji radi na 0,5 bar pritiska uz pomoć interkulera ubacuje hladan zrak na 0,5 koji sadrži daleko vise molekula zraka obzirom da hladniji zrak je gusći nego topliji.
Intercooler
Dvostruki (Twin) Turbo – Paralelni ili sekvencijalni?
Koristenje duplih turbopunjača je pitanje željene efikasnosti i mogućnosti da se oni negdje fizički i postave. Za veće motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbopunjača umjesto jednog velikog – kao sto je to Porsche radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora također je poželjno koristiti dupli turbo zato sto jedan turbo opslužuje jednu stranu motora i time se skraćuje dužina crijeva turbopunjača sto umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turbo imaju takav sistem koji ispusne plinove sa jedne turbine vode prema drugoj turbini i to je takozvani koncept “povratne povezanosti” koja osigurava balansirani dovod snage u obje strane motora. Motori koji imaju paralelni dupli turbo su motori koji imaju po jednu turbinu za svaku stranu motora. S druge strane sekvencijalni dupli turbo je dizajniran da ubrza odgovor turbine i dodatno umanji lag. Takav sistem radi kako mu samo ime govori, sekvencijalno tj. na malom broju okretaja radi mala turbina, a veća nije aktivna i time se postiže brz odgovor na srednjem broju okretaja. Kada se količina ispusnih plinova dovoljno poveća uključuje se i druga turbina koja dodatno povećava pritisak. Ono sto je mana kod sekvencijalnih duplih turbopunjača je velika količina crijeva koja je potrebna da bi sistem radio (ispusni plinovi moraju doći do obje turbine posebno kao sto i izlazi iz obje turbine moraju doći do usisnih grana motora) i samim tim je u posljednje vrijeme napustena ta vrsta prednabijanja od strane proizvođača automobila, osim inovativnog BMW-a koji u novom BMW-u 335i to koristi. Automobili koji koriste ovakav sistem turbina su Porsche 959, Mazda RX-7 treće generacije, Toyota Supra, Nissan Skyline GT-R, Subaru Legacy, Mitsubishi 3000GT i jos neki.
Sekvencijalni twin turbo - motor Mazde RX7
Paralelni twin turbo - motor Toyote Supre
Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT)
Posljednjih nekoliko godina ovo je vrlo popularan način koristenja turbina. Saab kao pionir u ovoj klasi je prvi put iskoristio LPT u masovnoj proizvodnji 1992. godine kada je prikazao, tada, novi model Saab 9000 2,3l Turbo Ecopower. Taj motor je imao samo 170KS, tj. 20KS vise u odnosu na identičan motor bez turbopunjača, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvođači željeli sto veću snagu ili okretni moment, Saab je pametno zaključio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoć malog turba motor ima solidan okretni momenat sto omogućava dobro ubrzanje, ali je daleko laksi za vožnju obzirom da je turbo lag praktično nepostojeći, a odogovor na reakciju gasa je kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krivuljee okretnog momenta produžio odnos mjenjača pa je time dodatno uspio i smanjiti potrosnju goriva i svesti je na manju od atmosferskog motora iste veličine.
U proslosti, lose vozne osobine i visoka potrosnja goriva su sprječavale da se turbopunjači koriste u automobilima koji su namenjeni sirokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend je potpuno drugačiji zbog potražnje za većim prostorom i komforom sto je dovelo do povećanja težine automobila pa da bi se perfromanse zadržale na prethodnom nivou potrebno je vise snage, a za to se ili ugrađuje veći motor ili se dodaje turbopunjač. Kada u igru uđe i cijena tj. želja za sto manjim troskovima svakog proizvođača turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja će idućih godina biti sve vise izražena. Masovno koristenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donijelo veliki broj inovacija uz istovremeno smanjenje cijene turbina, pa se proizvođači u posljednje vrijeme sve česće okreću turbo motorima. Na primjer novi Opeli ima 2.0 i 2.8 turbo motore, a u novi i 1,6 litarski turbo motor će koristiti Opell Corsa OPC. Alfa Romeo u najavi ima nekoliko motora koji koriste Turbo i Twin Turbo. VW koncern je pored 1,8 Turbo motora u gamu uvrstio i 2,0 Turbo, itd.
Također, dužni smo i da nabrojimo nekoliko većih proizvođača turbopunjača: Garrett, BorgWarner, Holset, Kühnle, Kopp & Kausch (KKK) i Ishikawajima Harima Heavy Industries (IHI) i razni drugi
Kratka povijest mehaničkih kompresora
Ukoliko se pitate tko je napravio prvi kompresor, odgovor je Gottlieb Daimler (da, da, Daimler-Benz, u novije vrijeme poznatije i kao Daimler-Chrysler). Ovaj Njemački inženjer je patentirao pumpu koja je omogućavala povećanu kompresiju smjese unutar komore cilindara. Taj sistem nije nazvao "turbopunjač", ali ono sto je opisao u dokumentu je opis rođenja prvog automobilskog kompresora. Gottlieb je svoj automobilski kompresor dizajnirao po ugledu na dvo-rotorni industrijskoj "zračnoj pumpi" koja je izmisljena i patentirana 40 godina ranije od strane Francis Roots iz Indiane, SAD 1860. godine. Isti princip koristi se i danas, a odmah zatim je i Njemački inženjer Heinrich Krigar izumio pumpu za zrak pomoću koje se i danas koristi u tzv. Lysholm kompresorima. Ubrzo nakon toga kompresori su poronasli veliku primjenu tokom I svjetskog rata u avionskim motorima, a poslije rata Mercedes 1921. godine postiže veliki uspjeh time sto počinje serijsku proizvodnju automobila koji ima motor sa mehaničkim kompresorom. Na trkačkoj sceni, automobili koji su koristili kompresore su imali mnogo uspjeha. 1924. godine kompresori su se pojavili u Indy 500, a sirom svijeta trkački automobili su masovno koristili novu tehniku povećanja snage motora. Sredinom 30-tih godina proslog tisućljeća, Robert Paxton McCulloch je osnovao McCulloch engineering koja je prva specijalizirana firma koja je proizvodila kompresore koji su se koristili na motorima u Američkim putničkim vozilima i to je trenutak u kojem turbopunjači postaju ono sto su i danas. Poslije II svjetskog rata kompresori su donjeli novu živost u sportska natjecanja sirom svijeta. Alfa Romeo i British Racing Motors (BRM) su koristili turbo kompresore na njihovim "Grand Prix" bolidima, a na kojima je nedugo zatim njihova upotreba i zabranjena, dok u Indy ligi takvog ograničenja nije bilo pa su automobili sa kompresorima osvojli veliki broj nagrada. 50-tih godina McCulloch je osnovao Paxton engineering kao posebnu firmu koja je preuzela razvoj kompresora na sebe i kao cilj je imala proizvodnju jeftinog kompresora koji bi se lako plasirao na sirokom tržistu. Poslije potrosenih 700.000$ i dvije godine testiranja, model VS57 kompresora je bio spreman da se predstavi javnosti i to 1953. godine. U početku je funkcionirao samo na Fordovim automobilma proizvedenim 1950. – 1953. godine, a 1954. su počeli sa prodajom kompleta za skoro sve komercijalne modele automobila koji su imali 6 ili 8 cilindara. Nakon velikog uspjeha tog VS57, Paxton engineering je nastavio sa proizvodnjom velikog broja novih modela.
Paxton VS 57 kompresor
Načini kompresije zraka
Roots kompresor
Roots kompresor je prvotno zamisljen kao uređaj za ventilaciju u industrijskim zgradama. Sastoji se od dvije lopatice koje se okreću u suprotnom pravcu i praktično "zgrću" zrak sa ulaza i izbacuju ga na izlaz. Ovaj kompresor je "fiksne zapremine" tj. On pokreće fiksnu količinu zraka u jedinici vremena pa je on neovisan od broja okretaja motora tj. veoma je dobar za koristenje na malom i srednjem broju okretaja sto ga čini idealnim u primjeni na kamionskim i teretnim vozilima. Ovakvi kompresori su i samo-podmazujući, a uz to su i najjednostavniji konstrukcijski pa im je cijena umjerena i vrlosu pouzdani. Iz tog razloga ovakav tip kompresora koriste GM, Ford, Mercedes i Toyota. Jedina mana ovog tipa kompresora je ta da stvara velike količine topline. Jedan od razloga je sto ovaj kompresor parktično samo ubrzava zrak, ali se sama kompresija odigrava u usisnoj grani motora tj. van kompresora.
Roots kompresor
Kompresor sa “dva vijka”
Ovakav kompresor sa na prvi pogled ne razlikuje previse od Roots kompresora, kako izvana tako i iznutra. Ova dva pristupa jesu slična, međutim postoje i značajne razlike. Centralni dio ovog kompresora su dva rotora tj. “vijka” koji se okreću jedan prema drugom i tako uvlače zrak sa ulaza u kompresor, a okretanjem vijaka se zrak pomiče pri njegovom izlazu i istovremeno se stlačuje. U ovom slučaju kompresija zraka se odigrava unutar samog kompresora pa ovakav dizajn stvara manje topline od Roots kompresora, a on jos bolje funkcionira na malom i srednjem broju okretaja pa se i ovaj kompresor koristi kod kamionskih i drugih teretnih vozila. Za razliku od Roots kompresora gdje se lopatice dodiruju kod ovog tipa kompresora nema fizičkog kontakta između dijelova tj. vijaka pa je samim tim i nepostojeće trosenje bilo kojeg elementa. Samim tim i pouzdanost ovog tipa je vrlo velika. Jedina mana ovog dizajna je da ovaj kompresor radi uvijek (i kretanje na leru ili kočenje) pa u tim trenutcima on praktično koristi snagu motora i smanjuje je da bi zrak koji je stlačen bio izbačen pomoću ventila koji zaobilazi usisnu granu.
Kompresor sa "dva vijka"
Nacin rada kompresora sa dva vijka
Centrifugalni kompresor
Turbo kompresor sa impelerom
Iako je ovaj tip kompresora zasnovan na mnogo novijoj tehnologiji nego prethodna dva, ovo je prvi uspjesno primjenjen kompresor u automobilskoj industriji. Nasuprot prethodnim kompresorima ovaj nema “fiksnu zapreminu” tj. ne pokreće istu količinu zraka u jedinici vremena. On funkcionira kao veoma brzi propeler (elisa) tj. impeler (propeler koji ima obratnu funkciju) usisavajući zrak u sredinu kompresora, a izbacujući ga po vanjskom kružnom dijelu impelera koji se okreće na velikim brzinama (preko 40000 okretaja u minuti). Zrak pod centrifugalnom silom kreće se po obodu elisa impelera sve do vanjskog kružnog dijela (oboda) gde se taj zrak usmjerava prema izlazu, a pri tome pomoću venturijeve cijevi stlačuje se zrak. Zrak se dalje kreće prema izlazu duž ljevka koji se sužava i time smanjuje brzinu zraka i dodatno povećeva pritisak. Ovaj dizajn ima nekoliko vrlo bitnih osobina. Vrlo je jednostavan i samim tim pouzdan, zatim proizvodi jako malo topline zato sto se kompresija odigrava unutar kompresora, a istovremeno je veoma kompaktan i svestran zbog toga sto se može “otkačiti” i time dozvoliti da motor direktno kroz kompresor usisava zrak bez rada kompresora. Također je vrlo termalno efikasan, tj. proizvodi kompresirani zrak koji ima najnižu temperaturu od sva tri predstavljena dizajna. Jedina mana je sto je potrebna velika brzina impelera da bi kompresor počeo sa proizvodnjom dovoljno kompresiranog zraka, pa je veoma neefikasan na malom broju okretaja, ali mu efikasnost raste sa brojem okretaja. Ovakvi kompresori nisu samo-podmazjući već je potrebno da se priključe na sistem za protok ulja iz motora, premda neki proizvođači poizvode ovakve kompresore koji imaju mogućnost samo-podmazivanja
Izgled impelera
G punjač (G-Lader) - Nastanak i razvoj
S obzirom da su Vokswagen-ovi modeli Polo G40, Golf 2 G60 kao i Corrado G60 bili veoma popularni i svojevrsne ikone sa početka 90-tih, evo kratkog opisa kako G-punjač radi.
U vrijeme kad je u modi svih proizvođača automobila bila ugradnja turbopunjača, vodeći čovjek tadasnjeg Volkswagenovog odjela za razvoj, preuzeo je osnovnu ideju punjaču u obliku zavojnice popularno zvanu G-Lader (scroll-type supercharger) koji je izumio Franzose Léon Creux u Francuskoj 1905. godine za potrebe avio-industrije. Vidio je mogućnosti koje nudi ovakav punjač u odnosu na tadasenju alternativu - turbopunjačima. Prvi pokusaji s spiralnim punjačem obećavali su rijesenja postavljenih zahtjeva sefova iz VW-a: spontan odaziv u donjem dijelu okretaja, snaga raspoloživa duž cijelog područja okretaja, smanjena buka, idealno za masovnu proizvodnju, upotrebljivo za različite koncepte motora.
1987. godine, počinje maloserijska proizvodnja motora s G-punjačem u VW Polo GT G40 sa snagom od 115 KS. Naziv G40 je nastao od oblika i jer dužina zavojnice u "ubrzavajućem pužu" (nalik na G) ima i sirinu u radnom dijelu punjača, koja iznosi 40 mm.
1988. godine slijedi ugradnja G60 punjača sa većim "ubrzavajućim pužem" (60 mm siroko radno područje) u VW Corrado 1,8 sa 160 KS. U istoj godini je proizveden i VW Golf Rallye s G60 motorm i pogonom na sve kotače, u otprilike 5000 primjeraka, prvenstveno zbog homologacije za rally trke, ali zbog restrikcija koje su se zahtijevale na usisu, zaustavljena su službena prisustvovanja na utrkama, te je tako oslobođen prostor za Audi Quattro. 1989. godine G60 se ugrađuje u VW Passat GT Syncro, a godinu poslije i u VW Golf GTI G60.
Najsnažniji motor pogonjen G-punjačem je proizveden od strane VW Motorsporta, 1,8 16v G60 snage 210 KS i okretnim momentom od 250 Nm pri 5000 okretaja u minuti, a isporučivan je u verzijama VW Golfa II sa petorim vratima.
I u danasnje vrijeme tehnika G-punjača odolijeva zubu vremena, iako je Volkswagen već odavno prestao s njegovom proizvodnjom. Glavni razlozi za to su relativno visoki troskovi proizvodnje i ne tako zanemarujuća mogućnost kvarova (snaga vozila se često precjenjivala od strane vozača). Ono sto je jos zanimljivo je da G punjač prati prilično losa reputacija kao kvarljivog uređaja, a kako Njemačkie VW web stranice kažu krivac je lose zamisljena osovina oko koje se okreće remen za pokretanje punjača i preporučuju ugradnju druge koja rijesava doslovno sve probleme.
G punjač - Tehnički podatci
G-G60 je mehanički pogonjen punjač (kompresor) koji je ime dobio po obliku slova G, a 60 označava sirinu spiralnih propelera izraženih u milimetrima. U spiralnom kompresoru, usisani zrak iz motora prolazi kroz kučiste, nalik pužu, gdje se sabija do 0,7 bara. Ovaj kompresor, koji sam trosi i do 18 KS, pogonjen je zupčastim remenom. Velika prednost mu je snaga duž svih brojeva okretaja. A slabosti? Kada motor dosegne 5800 o/min, mala spirala u kompresoru se vrti na 11000 okr/min, te je to granično područje na kojem počinju kritične vibracije u kompresoru te to može biti kobno za cijeli motor. Inače, za G60 motore, najveći okretni moment je na 5600 okretaja u minuti. Postojao je manji G-Lader, zvan G40 i veći zvan G60.
Izgled G punjaca
Turbo kompresor i mehanički kompresor u zajedničkom radu
Da, postoji i takva varijanta, a znalcima će prvo pasti na pamet Lancia Delta S4. Mehanički kompresor radi na niskim okretajima motora, a turbo kompresor na visim. U primjeni je i kod novog Golfa V GT, a u Volkswagenu to nazivaju Twinchargerom. Iz 1.4 motora mehanički kompresor i turbo kompresor "izvlače" 170 KS i 240 Nm okretnog momenta. Omogučavajući veću snagu uz male gubitke mehanički kompresor radi na niskim okretajima motora sve do trenutka kada ispusni plinovi budu dovoljni da pokrenu turbopunjač koji proizvodi bolje rezultate na visim okretajima, dok se mehanički kompresor u tom trenutku putem elektro-magnetnog kvačila odvaja sa radilice kako ne bi proizvodio gubitke snage, a elektronski kontrolirani ventil preusmjerava sav zrak u turbopunjač. Motor ovisno o broja okretaja može snagu razvijati uz pomoć jednog ili oba uređaja. U režimu do 2400 okretaja snagu osigurava mehanički kompresor, a u sljedećem režimu se uključuje i turbopunjač, koji zajedno sa mehaničkim kompresorom radi sve do 3500 okretaja kada isključuje mehanički kompresor sa radilice, a u režimu do 7000 okretaja turbopunjač osigurava dodatni pritisak punjenja.
Prikaz rada Twinchargera
Turbo kompresor ili mehanički kompresor
To je jedno od česćih pitanja i koja, na žalost, nemaju jednostavan odgovor. Točnije odgovor je jednostavan, ali on glasi: "ovisi". Ovaj dio teksta će navesti prednosti i mane turbo kompresora i mehaničkih kompresora i pomoći Vam da sagledate u kojim slučajevima je bolje primijeniti odgovarajući sistem.
Sličnosti
I turbo kompresori i mehanički kompresori su sistemi koji omogućavaju usis zraka pod pritiskom i samim tim im je cilj isti – da sto sabiju zraka u cilindre motora u odnosu na ono sto atmosferski pritiskak normalno omogućva. Prednost je sto će motor tada moći izgoriti vise goriva u jednom ciklusu sagorijevanja, a to dovodi do povećanja snage. Iz tog razloga turbo kompresori i mehanički kompresori omogućavaju 40 – 100 % povećanja snage (u o pritisku kojim se sabija zrak) nego atmosferski motori iste zapremine.
Cijena
Cijena mehaničkih kompresora i turbo kompresora za isti motor su praktično iste pa cijena ne igra nikakvu ulogu u izboru jednog od ova dva sistema.
Lag
Nedostatak laga je jedna od najvećih prednosti mehaničkih kompresora u odnosu na turbo kompresore. Turbo kompresori su pogonjeni ispusnim plinovima pa se zbog toga pojavljuje ta zadrska dok se impeler ne zavrti do brzine koja omogućava odgovarajuću kompresiju zraka. Mehanički kompresori se pogone remenom koji je sa druge strane prikvačen na radilicu i time praktično rade od najmanjeg broja okretaja.
Efikasnost
Ovo je najveća prednost turbo kompresora. Turbo kompresori su u principu ekonomičniji zato sto se pokreću pomoću ispusnih plinova koji su da kažemo, besplatni tj. ne služe ničemu, dok mehanički kompresor koristi snagu radilice i time umanjuje snagu koja je dostupna za pokretanje automobila. Turbopunjači ipak nisu potpuno efikasni zato sto okretanje lopatica turbine proizvodi podpritisak na ispusnoj grani tako da motor ima određni otpor kada izbacuje ispusne plinove.
Toplina
Kako je turbopunjač montiran na ispusnu granu koja je uvijek vrlo topla time se samo kućiste turbine grije, a time se dodatno zrak koji turbo sabija dodatno grije sto negativno utječe na gustoću sabijenog zraka pa se često koristi intercooler kako bi se taj zrak ohladio, a time se komplicira instalacija sistema. Kod mehaničkih kompresora centrifugalni kompresor generira vrlo hladan sabijeni zrak, pa ne postoji potreba za montiranjem intercoolera za pritiske ispod 0,8 bar-a, dok u slučaju koristenja Roots kompresora sabijeni zrak ima daleko veću temperaturu pa je potrebno koristiti intercooler i pri malim pritiscima.
Udar snage
Kako turbopunjači imaju zadrsku (lag) postoji tkz. udar snage kada se wastegate otvori tj. kada turbopunjač proradi. Ovaj udar je vrlo stetan za automobil, a posebno za nosače motora, ovjes i sistem za upravljanje i može učiniti automobil tesko upravljivim.
Povratni pritisak
Turbopunjači svojom montažom na ispusnoj grani proizvode parazitski povratni pritisak u samoj grani i time motor trosi vise energije da bi izbacio ispusne plinove za onoliko koliko je potrebno da se taj parazitski pritisak savlada. Taj pritisak smanjuje efikasnost turbopunjača.
Buka
Turbopunjači su u principu tisi od mehaničkih kompresora, a položaj turbine na ispusnoj grani može samo da smanju količinu buke koju proizvodi motor i time stisavaju motor. Mehanički kompresori imaju specifičan zvuk, a pogotovo centrifugalni i mogu biti vrlo glasni (naravno većina vozača ovaj zvuk obožava).
Pouzdanost
Mehanički kompresori su, generalno, daleko pouzdaniji od turbopunjača. Kada se automobil (i motor) ugasi topli motor i ispusna grana mogu visokom temperaturom ostetiti ulje koje je unutar turbopunjača koje podmazuje ležajeve. Dodatno, veliki broj okretaja turbine (do 150000 okretaja u minuti) može dovesti do problema sa ležajevima u turbini time skratiti životni vijek turbopunjača.
Maksimalna snaga
Turbopunjači su slavu stekli zato sto imaju mogućnost da se okreću vrlo brzo i time proizvode fantastično visoke pritiske sabijanja (preko 2 bar-a) i time naravno rade daleko vise snage nego mehanički kompresori.
Mogućnost poboljsanja performansi samih turbopunjača/mehaničkih kompresora - tuning
Mehanički kompresori, nisu previse pogodni za dodatni tuning nakon ugradnje, te omogućuju samo manje "intervencije" na sistemima za ubrizgavanje goriva i paljenje, te podizanje pritiska sabijanja. Na turbopunjačima se također ne može ići u nedogled sa podizanjem pritiska sabijanja zraka, ali se proizvode tkz. hibridni turbopunjači (hybrid turbochargers). Oni omogućuju gotovo trenutnu reakciju bez lag-a, te vise pritiska na visim okretajima motora. Izvana su identični normalnim turbopunjačima, dok se promjene dovijaju iznutra, počevsi od drugačije aerodinamičke konfiguracije u dijelu kompresorskog i turbinskog kućista, do materijala koji su upotrij*ljeni u izradi te preciznosti izrade takvog turbopunjača.
c/p skodacroatia.com
a bi turbo punjaci postigli odgovarajucu kompresiju, turbo punjac koristi ispusne plinove motora da bi zavrtio svoju turbinu koja opet ubrzava unos zraka. Turbina turbo punjaca se obicno vrti od 100 do 150 tisuca okretaja u minuti, a kako je direktno povezana na ispusnu granu motora temperature na kojima turbina radi su vrlo visoke.
Osnove:
Najlaksi način da dobijete vise snage iz motora je da povećate količinu zraka i goriva koje motor može sagorjeti. Jedan od načina je da se poveća zapremina bilo povećanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj način nije moguć ili isplativ, turbo punjač je jednostavnije i kompaktnije resenje.
Turbo punjači omogučavaju motoru da sagori vise goriva i zraka tako sto u postojeću zapreminu motora sabijanjem ubacuje vise goriva i zraka. Mjera za sabijenost je u barima (metrički sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom inču).
1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar.
Tipičan pritisak turbina je obično oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar sto znači da se u motor ubacuje 50% vise zraka (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomoću turba dobijate 1,5 bar tj. 50% povećanja pritiska). Za očekivati je da će i snaga skočiti za 50%, međutim sistem nije 100% efikasan tako da su povećanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od konstrukcije. Dio neefikasnosti potiče od toga sto zrak koji pokreće turbinu nije „besplatan“, tj. zrak koji turbina pozajmljuje iz iispusne grane motora ima svoju cjenu. Cjena je da motor mora uložiti vise energije da izbaci zrak s obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj ispusni plin mora savladati.
Uploaded with ImageShack.us
Turbine na visini
Turbo punjači pomažu na velikim visinama gdje je zrak dodatno razrijeđen. Normalni motori će na takvom razređenom zraku imati manje snage na raspolaganju zato sto će manje zraka biti u cilindru, dok se kod motora sa turbo punjačem ta razlika daleko smanjuje (i dalje postoji pad snage, samo je manji) zato sto će turbina iako je zrak rjeđi ugurati daleko vise tog rjeđeg zraka zato sto je on laksi pa će time malo kompenzirati gubitak gustoće zraka.
Stariji automobili sa karburatorom automatski povećavaju dotok goriva da bi parirali većem dotoku zraka u motor, dok moderni automobili sa elektronskim ubrizgavanjem goriva također to rade, ali će to povećanje dotoka goriva biti srazmjerno podatku koji salje protokomer zraka (maf senzor) koji mjeri kao sto mu i ime kaže koliko je zraka uslo u motor pa će odnos zraka i goriva kod takvih motora biti uvijek vrlo blizu idealnom. Ukoliko turbina radi na visokom pritisku i elektronsko ubrizgavanje nema dovoljno jaku pumpu koja može dopremiti potrebnu količinu goriva u cilindre ili softver koji upravlja ubrizgavanjem goriva neće dozvoliti toliku količinu goriva ili brizgaljke za unos goriva u cilindar nemaju dovoljno veliku protočnu moć; motor neće moći maksimalno iskoristiti turbo punjač pa će ostali dijelovi sistema za ubrizgavanje goriva morati dodatno se modificirati da iskoriste pun potencijal turbo punjača.
Način funkcioniranja turbo punjača:
Turbo punjač je pričvrsćen na ispusnu granu motora, a ti ispusni plinovi okreću turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi između filtera za zrak i usisne grane motora i taj kompresor sabija zrak koji se ubacuje u cilindre. Ispuh iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okreću samu turbinu i sto vise zraka prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okreće. Sa druge strane osovine na koju je prikačena turbina nalazi se kompresor koji pumpa zrak u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlači zrak u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okreće. Da bi izdržala 150000 okretaja u minuti osovina turbine mora biti pričvrsćena veoma pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja vjerovatno eksplodirala pa tako turbo punjači koriste fluid (ulje) koje je u vrlo tankom sloju između ležajeva i osovine i pomoću koga se kuglagerima po kojima se osovina kreće samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge dijelove turbo punjača.
Turbopunjači i kompresori
Turbo? Ovaj termin se pored automobilizma i energetike koristi i u ostalim područjima i često se koristi kao sinonim za nesto sto je bolje, kvalitetnije, brže. U ovom tekstu objasnjavamo ta dva pristupa povećanju snage i objasnjavamo pomoćne agregate kod oba sistema.
Turbo kompresori i mehanički kompresori
Uvod
Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila spomen pojma "turbo" ih u toku proteklih desetak godina uglavnom asocira na dizel motore. Takozvana "turbo" era zavrsila je krajem 90-tih godina i od tada pa sve do danas turbo je stvarno ono sto u velikoj većini slučajeva nagovjesta da je u pitanju dizel motor.
Prvo sto moramo naglasiti u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo kompresor ( turbopunjač ) se najčesće naziva samo turbo, a u engleskom je naziv koji se koristi "turbocharger", dok se mehanički kompresor može jos nazivati i kompresor (Mercedes koristi naziv kompressor), punjač (G punjač – VW) dok se u engleskoj literaturi mehanički kompresori nazivaju "supercharger". Postoje rotacijski krilni kompresori, Rootov kompresor, Ro-kompresor, vijčani kompresor, spiralni kompresor (G-kompresor), turbo kompresor ( turbopunjač )
Turbine se koriste u energetici, avionskoj i automobilskoj industriji i ono sto ih razlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadatci različiti, ali ono sto ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko načina takozvanog "prednabijanja" tj. dodatnog sabijanja vise zraka nego sto prirodni pritisak omogućava. Motor sagorjeva mjesavinu zraka i goriva, a taj zrak ulazi u motor kroz usisnu granu motora povučen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga povećala količinom zraka koriste se načini kao sto su: turbopunjači, mehanički kompresori i tzv. "Ram Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbopunjača i turbo kompresora dok ćemo princip rada "Ram Air" sistema objasniti u narednih sljedećih rečenica.
"Ram Air"
Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trkački automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajućih filtera) izvede direktno negde na spojni dio automobila koji je okrenut smjeru kretanja i time se povećanjem brzine automobila proporcionalno povećava pritisak zraka koji ulazi u motor. Na primjer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozača, GT automobili imaju "grbe" na haubi koje direktno "ubacuju" zrak u motor automobila, a taj pritisak je direktno srazmjeran brzini kretanja automobila.
Ferrari 575M Maranello F1 - tipičan primjer GT automobila sa "Ram Air" sistemom
Kako dobiti vise snage
Četiri mogućnosti sa jednom zajedničkom osobinom
Kada se govori o načinima povećanja snage motora, zajednički cilj je, svakako, sagorjeti sto vise smjese goriva i zraka u jedinici vremena. Postoje, praktično, četiri fundamentalno različita načina da se to ostvari.
1. Napraviti efikasan motor tako da se sto je moguće vise zraka i goriva unosi u njega kroz smanjenje restrikcija usisnih i ispusnih grana, umanjujući masu koja se rotira unutar motora, povećavajući energiju koju emitira svjećica i finog podesavanja timinga rada motora. Ovo su ciljevi svih "performance" dijelova koji povećavaju snagu motora – filteri zraka, programatori paljenja, ispusni sistemi itd. Ove modifikacije su popularne zato sto dodaju snagu, izgledaju dobro i zvuče dobro. Također one se mogu raditi nezavisno sto je dobro za budžet. Problem ovakvih modifikacija je sto donose male dobitke, a često su ti dobitci u snazi beznačajni i ne mogu se osjetiti. Danasnji moderni motori su po izlasku iz tvornice prilično dobro podeseni i nisu opremljeni previse restriktivnim usisnim ili ispusnim granama koje bi umaljile potrosnju goriva. Drugim rječima, ako tražite umjerene dobitke snage, potrebno je ići dublje od ovakvih modifikacija koje za cilj imaju samo blago povećanje efikasnosti motora.
2. Motoru se može povećati snaga tako sto ćete ga ubrzati tj. motor će se okretati na većem broju okretaja. Ova tehnika je efikasna kada se inzistira na zadržavanju male mase i kompaktnosti motora, a istovremeno se traži veća snaga. Naravno svi trkački automobili imaju motore koji postižu visoke brojeve okretaja. Jedina mana ovog pristupa je da ako želite omogućiti motoru da se okreće na jako visokom broju okretaja potrebni su jako kvalitetni (i skupi) dijelovi koji će moći izdržati rad u takvim uvjetima. Povećani broj okretaja značajno povećava trosenje materijala sto umanjuje pouzdanost motora i smanjuje mu rok trajanja. Većina normalnih automobila ima crveno polje ("blokadu motora") između 6000-7000 okretaja bas iz tog razloga da se poveća rok trajanja motora. Okretanje motora brže nego sto je predviđeno je rizik za motor.
3. Jos jedan način za povećanja snage motora je veoma očigledan. Koristenje većeg motora. Veći motori mogu sagorijevati vise zraka i goriva i samim tim proizvode vise snage. Naravno, da je to tako jednostavno svi bi pod haubama imali V12 motore sa 6000 ccm. Povećanje motora se lako može izvesti razbusivanjem (povećanjem promjera) cilindara i stavljanjem većih klipova, ili povećanjem hoda klipa, ali takva povećanja motora su veoma ograničena obzirom da konstrukcija motora ne dozvoljava preveliko povećanje tih parametara. Da bi se motor značajno povećao potrebno je imati fizički veći motor sa vise cilindara, ali on donosi veće dimenzije, veću težinu i manje efikasnost potrosnje goriva.
4. Posljednji način za povećanje snage je unosenje veće količine smjese goriva i zraka prije njenog sagorjevanja, a rezultat je snaga koja je adekvatna klasičnom motoru sa većom zapreminom. Problem sa ovom tehnikom je da nije dovoljno reći da motor treba "usisati" vise smjese, pritisak je uvjetovan atmosferskim pritiskom od 1 bar na 0m nadmorske visine. Kako se visina povećava zrak postaje sve rjeđi i time motor ima sve manje snage. Tu na scenu stupaju turbo kompresori ili turbopunjači. Kompresor, kao sto mu ime kaže, kompresira (stlačuje/zbija) zrak i gorivo u prostor cilindra pod pritiskom većim od atmosferskog i time praktično dobva efekt povećanja snage kao da je motor veće zapremine nego sto je. Drugo mali motor zadržava sve svoje osobine – lagan, kompaktan, efikasno trosi gorivo, a opet uz pomoć kompresora daje veću snagu. Dodatno se može kontrolirati kada kompresor radi tako da, ukoliko ne pritisćete pedalu gasa do poda, motor radi sa svojim normalnim performansama i sto je jos važnije trosi jako malo goriva.
Realno postoji daleko vise od gore navedenih četiri načina povećanja snage, ali ovi načini su najkonvencionalniji. Možete, na primjer, koristiti kaloričnije gorivo sto je ideja vodilja sistema koji koriste Nitro Oksid – poznatiji kao NOS ili drugih Top Fuel sistema
Zlatna turbo era
Turbopunjač izumio je svicarac Alfred Buchi 1920 godine, a prve aplikacije koristile su se u vlakovima te nesto kasnije u avionima.
Turbopunjači su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putničkim automobilima ranih 1960-tih godina. Model je bio Chevrolet Corvair kojeg je proizvodio General Motors - GM. Automobil je imao losu reputaciju zbog toga sto je imao jako lose performanse pri malim brzinama, a ogroman turbo lag je onemogućavao normalnu vožnju.
Turbo lag je ono sto je automobilskoj industriji radilo velike probleme i sprječavalo da se automobili koji su u to doba koristili turbopunjač proglase praktičnima. Turbopunjači su se u to doba obilato koristili u auto sportu - počevsi od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do "endurance" utrka i na kraju same Formule 1. Međutim vozači trkačkih automobila su uspjevali su se izboriti sa prilično neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo rjesenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozača. Turbine iz tog doba su bile vrlo velike i teske pa su samim time bile veoma inertne (trome). Takve turbine se nisu mogle zavrtjeti ispod 3500 okretaja, pa je opseg rada motora do 3500 okretaja bio vrlo slab obzirom da je u to doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi se izbjeglo pregrjevanje glave cilindara.
Porsche je pionir kada se govori o relativno praktičnim turbo automobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji je koristio rjesenje do kojega su dosli Porscheovi inženjeri. Mehanizam se zasnivao na tome da se koriste takozvana "recilkulirajuća" crijeva koja su omogućavala turbini da se zavrti prije početka rada pa se time smanjivao lag. Model iz 1978. Porsche 911 Turbo 3.3 koji je nasljedio model 3.0 turbo je unio jos jedan novitet – intercooler (hladnjak stlačenog zraka) koji je dodatno umanjio lag i doprinjeo povećanju snage motora.
Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbopunjača je evoluirala u pravcu kultiviranijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbopunjačima koristi jos jedan sistem smanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbopunjači koristili su primitivna mehanička rjesenja sa wastegate ventilom kako bi izbjegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i početkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogućena fina kontrola pritiska turbine pa je s tim sistemom omogućeno da, na primjer, turbo isporučuje 1,4 bar ispod 3000 okretaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 okretaja, a 1,8 bar iznad 4500 okretaja. Takvom finom kontrolom je postignut linearan rast snage sto je doprinjelo normalnom osjećaju u vožnji automobila sa turbopunjačem.
Pera impelera (elisa) na turbini
Problemi koji se javljaju kod turbopunjača...
1.Previse pritiska
Kada se zrak tlači u cilindre pod pritiskom koji radi turbopunjač koje zatim klip dodatno tlači, postoji povećana opasnost od samozapaljivanja smjese. Samozapaljivanje smjese se pojavljuje kada se pomijesani zrak i gorivo stlače preko kritične točke čime dolazi do detonacije u cilindru iako svjećica nije zapalila smjesu sto može ostetiti motor. Automobili sa turbopunjačima obično koriste visoko oktanska goriva (koja imaju veću otpornost samozapaljenju) da bi izbjegli ovaj problem. Problem se također može rijesiti smanjenjem kompresije motora sto naravno dovodi i do smanjenja snage motora.
2. Turbo Lag
Jedan od najlakse uočljivih problema turbopunjača je da oni ne rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, nego je potrebno da motor osigura odgovarajuću količinu plinova, a onda je potrebno jos nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi počela sa radom, a rezultat je da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritisku na pedalu gasa. Jedan od načina za smanjenje ovog efekta (lag = zadrska) je da se smanji inertnost pokretnih dijelova, tj. smanjenje njihove težine. Ovo omogućava turbini i kompresoru zraka da se brzo zavrte i počnu ranije sa povećanjem snage motora.
3. Mali ili veliki turbopunjač?
Siguran način za smanjenje inertnosti turbine i kompresora zraka je da se turbopunjač napravi sto manji. Mali turbopunjač će daleko brže osigurati pritisak i na manjem broju okretaja motora, ali neće biti sposoban da osigura dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike količine zraka da bi zadržao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da se mala turbina na visokom broju okretaja motora može prebrzo okretati sto može dovesti do njenog ostećenja.
Veliki turbopunjač može osigurati visoki pritisak na visokom broju okretaja motora, ali je on težak i inertan te mu je potrebno vise vremena da ubrza svoju tesku turbinu i kompresor zraka.
... i njihova rjesenja
1. Ventil za ispustanje viska zraka (wastegate)
Velika većina automobilskih turbopunjača imaju ventil za ispustanje viska zraka koji omogućava manjim turbopunjačima da se ne vrte previse brzo na visokom broju okretaja, a istovremeno time sto su mali smanjuju lag. Ventil za ispustanje viska zraka omogućava ispusnim plinovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil "osjeća" promjenu pritiska i ako pritisak prijeđe određenu granicu to je indikator da se turbina okreće prebrzo i tada ventil ispusta dio ispusnih plinova tako da ne prelaze preko turbine i time omogućava turbini da uspori okretaje.
Wastegate ventil
"Performance" wastegate ventil
2. Ventil za ispustanje viska zraka (Blowoff valve/ BOV, ponegdje i hooter valve, dump valve)
Služi da bi ispustio pritisak u usisnoj grani, te da ne zaustavi (do kraja) vrtnju turbine nakon otpustanja gasa. S obzirom sa se turbina ne moze u trenu zaustaviti kada se otpustio pedala gasa, ona nastavlja nabijati (doduse slabije) zrak i tada se taj isti odbija od zatvorenog leptira i puse u ispusne lopatice turbine, sto ih naglo usporava. Događaju se dvije stvari:
1. "Krepa" turbina jer se doslovce odlomi komadic lopatice ili cak krepa lager (uljna karika).
2. Uspori se vrtnja pa kad ponovno pritisnete pedalu gasa, cekate određeno vrijeme da se opet nabije tlak. To pogotovo ima utjecaja kod većih turbina.
Postoji vise vrsta blowoff ventila, od potpuno otvorenih, do recilkulirajućih, a najbolji su recilkulirajući jer se masa zraka ne ispusta van već se vrti u krug kroz turbinu i drzi je u okretajima do slijedećeg prebacivanja brzine.
Blowoff ventil
Ležajevi
Neki turbopunjači koriste bolje ležajeve umjesto ležajeva u tekućini kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obični ležajevi, to super precizno napravljeni ležajevi, a materijali od kojih se proizvode su posebne legure koje mogu izdržati velike brzine i temperature koje proizvodi turbina. Oni omogućavaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoć korisćenja tekućina umesto ležaja koji se koriste u većini turbopunjača. Oni također omogućavaju koristenje manjih i laksih osovina sto opet pomaže turbopunjaču da se brže pokrene i time dodatno smanji turbo lag.
Ležajevi
Keramičke lopatice na turbinama
Keramičke lopatice na turbinama su lakse nego one od čelika koje se najčesće koriste na turbopunjačima. Naravno ovo opet omogućava brži start turbine sto opet smanjuje lag. Lopatice od keramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitsubishi Lanceru EVO.
Intercooleri (hladnjaci stlačenog zraka)
Kada je zrak sabijen (po zakonima termodinamike) on se grije, a kada se zrak grije on se siri. Tako jedan dio od povećanja pritiska turbopunjača je rezultat zagrijavanja zraka prije nego sto uđe u motor. Da bi se povećala snaga motora, cilj je povećati broj molekula zraka u motoru, a ne neophodno povećati pritisak zraka. Intercooler je dodatna komponenta sistema koja nalikuje na hladnjak, samo sto zrak prolazi kako kroz intercooler tako i oko njega. Zrak koji treba ući u motor prolazi kroz intercooler i time se hladi, dok se vanjski zrak pomoću ventilatora "puse" preko intercoolera. Intercooler povećava snagu automobila tako sto hladi zrak pod pritiskom koji izlazi iz turbine prije nego sto uđe u motor. To znači da turbopunjač koji radi na 0,5 bar pritiska uz pomoć interkulera ubacuje hladan zrak na 0,5 koji sadrži daleko vise molekula zraka obzirom da hladniji zrak je gusći nego topliji.
Intercooler
Dvostruki (Twin) Turbo – Paralelni ili sekvencijalni?
Koristenje duplih turbopunjača je pitanje željene efikasnosti i mogućnosti da se oni negdje fizički i postave. Za veće motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbopunjača umjesto jednog velikog – kao sto je to Porsche radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora također je poželjno koristiti dupli turbo zato sto jedan turbo opslužuje jednu stranu motora i time se skraćuje dužina crijeva turbopunjača sto umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turbo imaju takav sistem koji ispusne plinove sa jedne turbine vode prema drugoj turbini i to je takozvani koncept “povratne povezanosti” koja osigurava balansirani dovod snage u obje strane motora. Motori koji imaju paralelni dupli turbo su motori koji imaju po jednu turbinu za svaku stranu motora. S druge strane sekvencijalni dupli turbo je dizajniran da ubrza odgovor turbine i dodatno umanji lag. Takav sistem radi kako mu samo ime govori, sekvencijalno tj. na malom broju okretaja radi mala turbina, a veća nije aktivna i time se postiže brz odgovor na srednjem broju okretaja. Kada se količina ispusnih plinova dovoljno poveća uključuje se i druga turbina koja dodatno povećava pritisak. Ono sto je mana kod sekvencijalnih duplih turbopunjača je velika količina crijeva koja je potrebna da bi sistem radio (ispusni plinovi moraju doći do obje turbine posebno kao sto i izlazi iz obje turbine moraju doći do usisnih grana motora) i samim tim je u posljednje vrijeme napustena ta vrsta prednabijanja od strane proizvođača automobila, osim inovativnog BMW-a koji u novom BMW-u 335i to koristi. Automobili koji koriste ovakav sistem turbina su Porsche 959, Mazda RX-7 treće generacije, Toyota Supra, Nissan Skyline GT-R, Subaru Legacy, Mitsubishi 3000GT i jos neki.
Sekvencijalni twin turbo - motor Mazde RX7
Paralelni twin turbo - motor Toyote Supre
Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT)
Posljednjih nekoliko godina ovo je vrlo popularan način koristenja turbina. Saab kao pionir u ovoj klasi je prvi put iskoristio LPT u masovnoj proizvodnji 1992. godine kada je prikazao, tada, novi model Saab 9000 2,3l Turbo Ecopower. Taj motor je imao samo 170KS, tj. 20KS vise u odnosu na identičan motor bez turbopunjača, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvođači željeli sto veću snagu ili okretni moment, Saab je pametno zaključio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoć malog turba motor ima solidan okretni momenat sto omogućava dobro ubrzanje, ali je daleko laksi za vožnju obzirom da je turbo lag praktično nepostojeći, a odogovor na reakciju gasa je kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krivuljee okretnog momenta produžio odnos mjenjača pa je time dodatno uspio i smanjiti potrosnju goriva i svesti je na manju od atmosferskog motora iste veličine.
U proslosti, lose vozne osobine i visoka potrosnja goriva su sprječavale da se turbopunjači koriste u automobilima koji su namenjeni sirokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend je potpuno drugačiji zbog potražnje za većim prostorom i komforom sto je dovelo do povećanja težine automobila pa da bi se perfromanse zadržale na prethodnom nivou potrebno je vise snage, a za to se ili ugrađuje veći motor ili se dodaje turbopunjač. Kada u igru uđe i cijena tj. želja za sto manjim troskovima svakog proizvođača turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja će idućih godina biti sve vise izražena. Masovno koristenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donijelo veliki broj inovacija uz istovremeno smanjenje cijene turbina, pa se proizvođači u posljednje vrijeme sve česće okreću turbo motorima. Na primjer novi Opeli ima 2.0 i 2.8 turbo motore, a u novi i 1,6 litarski turbo motor će koristiti Opell Corsa OPC. Alfa Romeo u najavi ima nekoliko motora koji koriste Turbo i Twin Turbo. VW koncern je pored 1,8 Turbo motora u gamu uvrstio i 2,0 Turbo, itd.
Također, dužni smo i da nabrojimo nekoliko većih proizvođača turbopunjača: Garrett, BorgWarner, Holset, Kühnle, Kopp & Kausch (KKK) i Ishikawajima Harima Heavy Industries (IHI) i razni drugi
Kratka povijest mehaničkih kompresora
Ukoliko se pitate tko je napravio prvi kompresor, odgovor je Gottlieb Daimler (da, da, Daimler-Benz, u novije vrijeme poznatije i kao Daimler-Chrysler). Ovaj Njemački inženjer je patentirao pumpu koja je omogućavala povećanu kompresiju smjese unutar komore cilindara. Taj sistem nije nazvao "turbopunjač", ali ono sto je opisao u dokumentu je opis rođenja prvog automobilskog kompresora. Gottlieb je svoj automobilski kompresor dizajnirao po ugledu na dvo-rotorni industrijskoj "zračnoj pumpi" koja je izmisljena i patentirana 40 godina ranije od strane Francis Roots iz Indiane, SAD 1860. godine. Isti princip koristi se i danas, a odmah zatim je i Njemački inženjer Heinrich Krigar izumio pumpu za zrak pomoću koje se i danas koristi u tzv. Lysholm kompresorima. Ubrzo nakon toga kompresori su poronasli veliku primjenu tokom I svjetskog rata u avionskim motorima, a poslije rata Mercedes 1921. godine postiže veliki uspjeh time sto počinje serijsku proizvodnju automobila koji ima motor sa mehaničkim kompresorom. Na trkačkoj sceni, automobili koji su koristili kompresore su imali mnogo uspjeha. 1924. godine kompresori su se pojavili u Indy 500, a sirom svijeta trkački automobili su masovno koristili novu tehniku povećanja snage motora. Sredinom 30-tih godina proslog tisućljeća, Robert Paxton McCulloch je osnovao McCulloch engineering koja je prva specijalizirana firma koja je proizvodila kompresore koji su se koristili na motorima u Američkim putničkim vozilima i to je trenutak u kojem turbopunjači postaju ono sto su i danas. Poslije II svjetskog rata kompresori su donjeli novu živost u sportska natjecanja sirom svijeta. Alfa Romeo i British Racing Motors (BRM) su koristili turbo kompresore na njihovim "Grand Prix" bolidima, a na kojima je nedugo zatim njihova upotreba i zabranjena, dok u Indy ligi takvog ograničenja nije bilo pa su automobili sa kompresorima osvojli veliki broj nagrada. 50-tih godina McCulloch je osnovao Paxton engineering kao posebnu firmu koja je preuzela razvoj kompresora na sebe i kao cilj je imala proizvodnju jeftinog kompresora koji bi se lako plasirao na sirokom tržistu. Poslije potrosenih 700.000$ i dvije godine testiranja, model VS57 kompresora je bio spreman da se predstavi javnosti i to 1953. godine. U početku je funkcionirao samo na Fordovim automobilma proizvedenim 1950. – 1953. godine, a 1954. su počeli sa prodajom kompleta za skoro sve komercijalne modele automobila koji su imali 6 ili 8 cilindara. Nakon velikog uspjeha tog VS57, Paxton engineering je nastavio sa proizvodnjom velikog broja novih modela.
Paxton VS 57 kompresor
Načini kompresije zraka
Roots kompresor
Roots kompresor je prvotno zamisljen kao uređaj za ventilaciju u industrijskim zgradama. Sastoji se od dvije lopatice koje se okreću u suprotnom pravcu i praktično "zgrću" zrak sa ulaza i izbacuju ga na izlaz. Ovaj kompresor je "fiksne zapremine" tj. On pokreće fiksnu količinu zraka u jedinici vremena pa je on neovisan od broja okretaja motora tj. veoma je dobar za koristenje na malom i srednjem broju okretaja sto ga čini idealnim u primjeni na kamionskim i teretnim vozilima. Ovakvi kompresori su i samo-podmazujući, a uz to su i najjednostavniji konstrukcijski pa im je cijena umjerena i vrlosu pouzdani. Iz tog razloga ovakav tip kompresora koriste GM, Ford, Mercedes i Toyota. Jedina mana ovog tipa kompresora je ta da stvara velike količine topline. Jedan od razloga je sto ovaj kompresor parktično samo ubrzava zrak, ali se sama kompresija odigrava u usisnoj grani motora tj. van kompresora.
Roots kompresor
Kompresor sa “dva vijka”
Ovakav kompresor sa na prvi pogled ne razlikuje previse od Roots kompresora, kako izvana tako i iznutra. Ova dva pristupa jesu slična, međutim postoje i značajne razlike. Centralni dio ovog kompresora su dva rotora tj. “vijka” koji se okreću jedan prema drugom i tako uvlače zrak sa ulaza u kompresor, a okretanjem vijaka se zrak pomiče pri njegovom izlazu i istovremeno se stlačuje. U ovom slučaju kompresija zraka se odigrava unutar samog kompresora pa ovakav dizajn stvara manje topline od Roots kompresora, a on jos bolje funkcionira na malom i srednjem broju okretaja pa se i ovaj kompresor koristi kod kamionskih i drugih teretnih vozila. Za razliku od Roots kompresora gdje se lopatice dodiruju kod ovog tipa kompresora nema fizičkog kontakta između dijelova tj. vijaka pa je samim tim i nepostojeće trosenje bilo kojeg elementa. Samim tim i pouzdanost ovog tipa je vrlo velika. Jedina mana ovog dizajna je da ovaj kompresor radi uvijek (i kretanje na leru ili kočenje) pa u tim trenutcima on praktično koristi snagu motora i smanjuje je da bi zrak koji je stlačen bio izbačen pomoću ventila koji zaobilazi usisnu granu.
Kompresor sa "dva vijka"
Nacin rada kompresora sa dva vijka
Centrifugalni kompresor
Turbo kompresor sa impelerom
Iako je ovaj tip kompresora zasnovan na mnogo novijoj tehnologiji nego prethodna dva, ovo je prvi uspjesno primjenjen kompresor u automobilskoj industriji. Nasuprot prethodnim kompresorima ovaj nema “fiksnu zapreminu” tj. ne pokreće istu količinu zraka u jedinici vremena. On funkcionira kao veoma brzi propeler (elisa) tj. impeler (propeler koji ima obratnu funkciju) usisavajući zrak u sredinu kompresora, a izbacujući ga po vanjskom kružnom dijelu impelera koji se okreće na velikim brzinama (preko 40000 okretaja u minuti). Zrak pod centrifugalnom silom kreće se po obodu elisa impelera sve do vanjskog kružnog dijela (oboda) gde se taj zrak usmjerava prema izlazu, a pri tome pomoću venturijeve cijevi stlačuje se zrak. Zrak se dalje kreće prema izlazu duž ljevka koji se sužava i time smanjuje brzinu zraka i dodatno povećeva pritisak. Ovaj dizajn ima nekoliko vrlo bitnih osobina. Vrlo je jednostavan i samim tim pouzdan, zatim proizvodi jako malo topline zato sto se kompresija odigrava unutar kompresora, a istovremeno je veoma kompaktan i svestran zbog toga sto se može “otkačiti” i time dozvoliti da motor direktno kroz kompresor usisava zrak bez rada kompresora. Također je vrlo termalno efikasan, tj. proizvodi kompresirani zrak koji ima najnižu temperaturu od sva tri predstavljena dizajna. Jedina mana je sto je potrebna velika brzina impelera da bi kompresor počeo sa proizvodnjom dovoljno kompresiranog zraka, pa je veoma neefikasan na malom broju okretaja, ali mu efikasnost raste sa brojem okretaja. Ovakvi kompresori nisu samo-podmazjući već je potrebno da se priključe na sistem za protok ulja iz motora, premda neki proizvođači poizvode ovakve kompresore koji imaju mogućnost samo-podmazivanja
Izgled impelera
G punjač (G-Lader) - Nastanak i razvoj
S obzirom da su Vokswagen-ovi modeli Polo G40, Golf 2 G60 kao i Corrado G60 bili veoma popularni i svojevrsne ikone sa početka 90-tih, evo kratkog opisa kako G-punjač radi.
U vrijeme kad je u modi svih proizvođača automobila bila ugradnja turbopunjača, vodeći čovjek tadasnjeg Volkswagenovog odjela za razvoj, preuzeo je osnovnu ideju punjaču u obliku zavojnice popularno zvanu G-Lader (scroll-type supercharger) koji je izumio Franzose Léon Creux u Francuskoj 1905. godine za potrebe avio-industrije. Vidio je mogućnosti koje nudi ovakav punjač u odnosu na tadasenju alternativu - turbopunjačima. Prvi pokusaji s spiralnim punjačem obećavali su rijesenja postavljenih zahtjeva sefova iz VW-a: spontan odaziv u donjem dijelu okretaja, snaga raspoloživa duž cijelog područja okretaja, smanjena buka, idealno za masovnu proizvodnju, upotrebljivo za različite koncepte motora.
1987. godine, počinje maloserijska proizvodnja motora s G-punjačem u VW Polo GT G40 sa snagom od 115 KS. Naziv G40 je nastao od oblika i jer dužina zavojnice u "ubrzavajućem pužu" (nalik na G) ima i sirinu u radnom dijelu punjača, koja iznosi 40 mm.
1988. godine slijedi ugradnja G60 punjača sa većim "ubrzavajućim pužem" (60 mm siroko radno područje) u VW Corrado 1,8 sa 160 KS. U istoj godini je proizveden i VW Golf Rallye s G60 motorm i pogonom na sve kotače, u otprilike 5000 primjeraka, prvenstveno zbog homologacije za rally trke, ali zbog restrikcija koje su se zahtijevale na usisu, zaustavljena su službena prisustvovanja na utrkama, te je tako oslobođen prostor za Audi Quattro. 1989. godine G60 se ugrađuje u VW Passat GT Syncro, a godinu poslije i u VW Golf GTI G60.
Najsnažniji motor pogonjen G-punjačem je proizveden od strane VW Motorsporta, 1,8 16v G60 snage 210 KS i okretnim momentom od 250 Nm pri 5000 okretaja u minuti, a isporučivan je u verzijama VW Golfa II sa petorim vratima.
I u danasnje vrijeme tehnika G-punjača odolijeva zubu vremena, iako je Volkswagen već odavno prestao s njegovom proizvodnjom. Glavni razlozi za to su relativno visoki troskovi proizvodnje i ne tako zanemarujuća mogućnost kvarova (snaga vozila se često precjenjivala od strane vozača). Ono sto je jos zanimljivo je da G punjač prati prilično losa reputacija kao kvarljivog uređaja, a kako Njemačkie VW web stranice kažu krivac je lose zamisljena osovina oko koje se okreće remen za pokretanje punjača i preporučuju ugradnju druge koja rijesava doslovno sve probleme.
G punjač - Tehnički podatci
G-G60 je mehanički pogonjen punjač (kompresor) koji je ime dobio po obliku slova G, a 60 označava sirinu spiralnih propelera izraženih u milimetrima. U spiralnom kompresoru, usisani zrak iz motora prolazi kroz kučiste, nalik pužu, gdje se sabija do 0,7 bara. Ovaj kompresor, koji sam trosi i do 18 KS, pogonjen je zupčastim remenom. Velika prednost mu je snaga duž svih brojeva okretaja. A slabosti? Kada motor dosegne 5800 o/min, mala spirala u kompresoru se vrti na 11000 okr/min, te je to granično područje na kojem počinju kritične vibracije u kompresoru te to može biti kobno za cijeli motor. Inače, za G60 motore, najveći okretni moment je na 5600 okretaja u minuti. Postojao je manji G-Lader, zvan G40 i veći zvan G60.
Izgled G punjaca
Turbo kompresor i mehanički kompresor u zajedničkom radu
Da, postoji i takva varijanta, a znalcima će prvo pasti na pamet Lancia Delta S4. Mehanički kompresor radi na niskim okretajima motora, a turbo kompresor na visim. U primjeni je i kod novog Golfa V GT, a u Volkswagenu to nazivaju Twinchargerom. Iz 1.4 motora mehanički kompresor i turbo kompresor "izvlače" 170 KS i 240 Nm okretnog momenta. Omogučavajući veću snagu uz male gubitke mehanički kompresor radi na niskim okretajima motora sve do trenutka kada ispusni plinovi budu dovoljni da pokrenu turbopunjač koji proizvodi bolje rezultate na visim okretajima, dok se mehanički kompresor u tom trenutku putem elektro-magnetnog kvačila odvaja sa radilice kako ne bi proizvodio gubitke snage, a elektronski kontrolirani ventil preusmjerava sav zrak u turbopunjač. Motor ovisno o broja okretaja može snagu razvijati uz pomoć jednog ili oba uređaja. U režimu do 2400 okretaja snagu osigurava mehanički kompresor, a u sljedećem režimu se uključuje i turbopunjač, koji zajedno sa mehaničkim kompresorom radi sve do 3500 okretaja kada isključuje mehanički kompresor sa radilice, a u režimu do 7000 okretaja turbopunjač osigurava dodatni pritisak punjenja.
Prikaz rada Twinchargera
Turbo kompresor ili mehanički kompresor
To je jedno od česćih pitanja i koja, na žalost, nemaju jednostavan odgovor. Točnije odgovor je jednostavan, ali on glasi: "ovisi". Ovaj dio teksta će navesti prednosti i mane turbo kompresora i mehaničkih kompresora i pomoći Vam da sagledate u kojim slučajevima je bolje primijeniti odgovarajući sistem.
Sličnosti
I turbo kompresori i mehanički kompresori su sistemi koji omogućavaju usis zraka pod pritiskom i samim tim im je cilj isti – da sto sabiju zraka u cilindre motora u odnosu na ono sto atmosferski pritiskak normalno omogućva. Prednost je sto će motor tada moći izgoriti vise goriva u jednom ciklusu sagorijevanja, a to dovodi do povećanja snage. Iz tog razloga turbo kompresori i mehanički kompresori omogućavaju 40 – 100 % povećanja snage (u o pritisku kojim se sabija zrak) nego atmosferski motori iste zapremine.
Cijena
Cijena mehaničkih kompresora i turbo kompresora za isti motor su praktično iste pa cijena ne igra nikakvu ulogu u izboru jednog od ova dva sistema.
Lag
Nedostatak laga je jedna od najvećih prednosti mehaničkih kompresora u odnosu na turbo kompresore. Turbo kompresori su pogonjeni ispusnim plinovima pa se zbog toga pojavljuje ta zadrska dok se impeler ne zavrti do brzine koja omogućava odgovarajuću kompresiju zraka. Mehanički kompresori se pogone remenom koji je sa druge strane prikvačen na radilicu i time praktično rade od najmanjeg broja okretaja.
Efikasnost
Ovo je najveća prednost turbo kompresora. Turbo kompresori su u principu ekonomičniji zato sto se pokreću pomoću ispusnih plinova koji su da kažemo, besplatni tj. ne služe ničemu, dok mehanički kompresor koristi snagu radilice i time umanjuje snagu koja je dostupna za pokretanje automobila. Turbopunjači ipak nisu potpuno efikasni zato sto okretanje lopatica turbine proizvodi podpritisak na ispusnoj grani tako da motor ima određni otpor kada izbacuje ispusne plinove.
Toplina
Kako je turbopunjač montiran na ispusnu granu koja je uvijek vrlo topla time se samo kućiste turbine grije, a time se dodatno zrak koji turbo sabija dodatno grije sto negativno utječe na gustoću sabijenog zraka pa se često koristi intercooler kako bi se taj zrak ohladio, a time se komplicira instalacija sistema. Kod mehaničkih kompresora centrifugalni kompresor generira vrlo hladan sabijeni zrak, pa ne postoji potreba za montiranjem intercoolera za pritiske ispod 0,8 bar-a, dok u slučaju koristenja Roots kompresora sabijeni zrak ima daleko veću temperaturu pa je potrebno koristiti intercooler i pri malim pritiscima.
Udar snage
Kako turbopunjači imaju zadrsku (lag) postoji tkz. udar snage kada se wastegate otvori tj. kada turbopunjač proradi. Ovaj udar je vrlo stetan za automobil, a posebno za nosače motora, ovjes i sistem za upravljanje i može učiniti automobil tesko upravljivim.
Povratni pritisak
Turbopunjači svojom montažom na ispusnoj grani proizvode parazitski povratni pritisak u samoj grani i time motor trosi vise energije da bi izbacio ispusne plinove za onoliko koliko je potrebno da se taj parazitski pritisak savlada. Taj pritisak smanjuje efikasnost turbopunjača.
Buka
Turbopunjači su u principu tisi od mehaničkih kompresora, a položaj turbine na ispusnoj grani može samo da smanju količinu buke koju proizvodi motor i time stisavaju motor. Mehanički kompresori imaju specifičan zvuk, a pogotovo centrifugalni i mogu biti vrlo glasni (naravno većina vozača ovaj zvuk obožava).
Pouzdanost
Mehanički kompresori su, generalno, daleko pouzdaniji od turbopunjača. Kada se automobil (i motor) ugasi topli motor i ispusna grana mogu visokom temperaturom ostetiti ulje koje je unutar turbopunjača koje podmazuje ležajeve. Dodatno, veliki broj okretaja turbine (do 150000 okretaja u minuti) može dovesti do problema sa ležajevima u turbini time skratiti životni vijek turbopunjača.
Maksimalna snaga
Turbopunjači su slavu stekli zato sto imaju mogućnost da se okreću vrlo brzo i time proizvode fantastično visoke pritiske sabijanja (preko 2 bar-a) i time naravno rade daleko vise snage nego mehanički kompresori.
Mogućnost poboljsanja performansi samih turbopunjača/mehaničkih kompresora - tuning
Mehanički kompresori, nisu previse pogodni za dodatni tuning nakon ugradnje, te omogućuju samo manje "intervencije" na sistemima za ubrizgavanje goriva i paljenje, te podizanje pritiska sabijanja. Na turbopunjačima se također ne može ići u nedogled sa podizanjem pritiska sabijanja zraka, ali se proizvode tkz. hibridni turbopunjači (hybrid turbochargers). Oni omogućuju gotovo trenutnu reakciju bez lag-a, te vise pritiska na visim okretajima motora. Izvana su identični normalnim turbopunjačima, dok se promjene dovijaju iznutra, počevsi od drugačije aerodinamičke konfiguracije u dijelu kompresorskog i turbinskog kućista, do materijala koji su upotrij*ljeni u izradi te preciznosti izrade takvog turbopunjača.
c/p skodacroatia.com