Turbolader
En turbolader eller også kaldet en turbo er et overladningssystem , der bruger en centrifugalturbine til at drive, gennem en koaksial aksel med den, et kompressorhjul til at komprimere gasser . Denne type system bruges normalt i alternative forbrændingsmotorer , både i diesel- og benzinmotorer.
I nogle lande afhænger afgiftsbyrden på biler af motorkapaciteten . Da en turboladet motor har en højere spidseffekt end en anden med samme slagvolumen, ville en turboladet model betale mindre afgift end en ikke-turboladet motor med samme effekt. [ citat nødvendig ] .
Kronologi
- I 1902, den 17. december, patenterede Louis Renault Turboladeren.
- I 1936 grundlagde Cliff Garrett The Garrett Corporation i Californien , USA . [ 1 ]
- I 1940 blev turboteknologien anvendt til marine-, industri- og lokomotivinstallationer .
- I 1953 tester Caterpillar den første turbolader udviklet af firmaet Garrett.
- I 1962 var den første amerikansk fremstillede masseproduktionsbil med en fabriksturbolader (Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket ).
- I 1966 blev turboladede motorer brugt for første gang i Indianapolis 500 .
- I 1977 blev turboladede motorer brugt for første gang i F1 , dem, der blev introduceret af Renault -teamet . Den første sejr for en turbomotor var to år senere. De blev forbudt ved forordning i 1989 og genindført i 2014.
- I 2003 lancerede Ford Focus RS-benzinmotoren med turboladet motor. Caterpillar bruger Garrett-turboer i serier til sine lastbiler med ACERT-motorer. [ 2 ]
Operation
I motorer, der overlades af dette system, består turboladeren af en turbine drevet af udstødningsgasserne fra forbrændingsmotoren , på hvis akse er fastgjort en centrifugalkompressor , der tager luft ved atmosfærisk tryk efter at have passeret gennem luftfilteret og komprimeret for at indføre den i cylindrene ved højere tryk end atmosfærisk .
Udstødningsgasserne støder radialt ind på turbinen og kommer ud aksialt efter at have overført en stor del af deres indre energi (mekanisk + termisk) til den.
Luften kommer aksialt ind i kompressoren og kommer radialt ud med den negative sekundære effekt af en mere eller mindre betydelig temperaturstigning. Denne effekt modvirkes stort set af en intercooler .
Denne trykstigning formår at indføre en større mængde ilt (masse) i cylinderen end den normale masse, som cylinderen ville suge ved atmosfærisk tryk, hvilket opnår mere drejningsmoment i hvert nyttigt slag (ekspansionsslag) og derfor mere kraft end et naturligt aspireret tryk. motor med samme slagvolumen, og med en stigning i forbruget proportional med stigningen i luftmassen i benzinmotoren. I dieselmotorer er luftmassen ikke proportional med brændstofstrømmen, overskydende luft kommer altid ind, da brændstoftilførslen til cylinderen sker ved indsprøjtning, af denne grund er det i denne type motor, hvor dens maksimale anvendelse er fundet ( turbodieselmotor ) .
De mindste og laveste boost-tryk turboladere udøver et maksimalt tryk på 0,25 bar (3,625 PSI), mens de største når 1,5 bar (21,75 PSI). I konkurrencemotorer nås tryk på 3 og 8 bar afhængig af om motoren er benzin eller diesel .
Da energien, der bruges til at komprimere indsugningsluften, kommer fra udstødningsgasserne, som ville være spildt i en naturligt aspireret motor, forringer den ikke motorens effekt, når turboladeren arbejder, og den forårsager heller ikke tab uden for turboens arbejdsområde. i modsætning til andre indsugningskompressorer, såsom systemer med en mekanisk (volumetrisk) kompressor, hvor kompressoren drives af en remskive forbundet til krumtapakslen . [ 3 ]
Drift på forskellige typer motorer
Diesel
I dieselmotorer er turboladeren mere udbredt, fordi en dieselmotor arbejder med overskydende luft, da der på den ene side ikke er gasspjæld; Det betyder, at for samme enhedsvolumen og samme motorhastighed (3.000 o/min til 5.000 o/min), kommer der meget mere luft ind i en dieselcylinder.
På den anden side, og det er det vigtigste, er de tryk, der opnås ved slutningen af kompressionsslaget og især under arbejdsslaget, meget højere (40 til 80 bar) end i Otto- motoren (benzinmotoren) (15 -25 bar). Dette høje tryk, der er nødvendigt for at nå den høje temperatur, der kræves til selvantændelse eller selvantændelse af diesel , er årsagen til, at kraften af udstødningsgasserne, ved samme hastighed, enhedsforskydning og belastning, der kræves for motoren, er meget større i diesel end i benzin.
Benzin
I nyere tid er superladning i benzinmotorer blevet mere udbredt som en teknik til at drage fordel af motorer med lille slagvolumen. Dette for ikke at reducere ydelsen som følge af kravene om lavere forbrug. Driften ligner næsten altid den for dieselmotorer, men her spiller overladning en meget vigtig rolle, fordi den skal udføres præcist med nøjagtige mængder med fejlmarginer på +/- 0,50 cm/3, i dette tilfælde, da der er en butterfly i luftindsugningsmanifolden, skal andelen af luft og brændstof i indsprøjtningssystemet reguleres, samt beregne værdien af kompressionsforholdet for at maksimere ydeevnen og forbedre forbruget. Indirekte kan disse motorer fungere i større højder uden væsentligt tab af effekt.
Ligeledes er det nødvendigt at kalibrere tidspunktet for turbokompressorens aktivering på grund af dens forsinkelse (turbo-lag). Generelt sker dette, fordi dens ydeevne afhænger af den hastighed, hvormed udstødningsgasserne udstødes, som igen afhænger af omdrejningstallet for den samme motor, næsten altid vil den have optimal ydeevne i mellemintervaller (fra 3000 til 5000 o/min), i drejning afhænger dette også af dets blæsetryk, som i almindelige biler næsten altid er kalibreret i et par barer eller psi, mens de i konkurrencebiler altid vil være afhængige af flere PSI eller Bars på grund af højere krav, som kan variere. For eksempel skal rallybiler nogle gange være afhængige af begrænserplader på selve turboen for at opretholde en ensartet kraftfigur , samt specielle mekanismer, der holder den samme turbo i gang uanset tomgang eller gashåndtag, for at den har den nødvendige kraft både i HK og i drejningsmoment (drejningsmoment), hvilket igen forårsager de slående flammer og eksplosioner af de samme køretøjer samt deres karakteristiske motortone.
Dens drift opfattes med en skarp fløjt, der angiver, at den samme hoveddel roterer i overensstemmelse med udstødningsgassens hastighed, til gengæld kan der i nogle motorer, når man accelererer, skelne et sus svarende til luftbremserne. lastbil, hvilket indikerer, at turboen vender tilbage til en langsom rotation i henhold til motorens tomgang.
Blandt de første mærker, der oftere implementerede turboladere i motorer med lille slagvolumen i begyndelsen af det 21. århundrede , var dem, der tilhørte Volkswagen Group, senere udviklede de systemer, der ville implementere kombinationen af den lagdelte ladning af brændstof og igen en kombination af turbolader og supercharger, der Det giver mulighed for at opnå en relativt høj effekt uden at ofre brændstofforbruget, da den anden kan fungere i begyndelsen, da den drives af den samme motor.
Efterfølgende kom flere bilmærker med i konceptet, heriblandt Ford, der udviklede til de fleste af deres motorer, både store og små, og i næsten alle deres modeller, de såkaldte Ecoboost Engines, dette med samme formål at opnå mere kraft uden at bruge penge. mere brændstof end nødvendigt og samtidig reducere emissionerne.
Intercooler
Luften, der bliver komprimeret, opvarmes og mister tæthed ; det vil sige, at vi i samme volumen har mindre luftmasse, så den er i stand til at forbrænde mindre brændstof og følgelig genereres der mindre strøm. Derudover, når indsugningstemperaturen stiger, øges faren for detonation, bankning eller selvantændelse, og levetiden for mange komponenter reduceres på grund af for høj temperatur og overanstrengelse af den termiske gruppe.
For at mindske dette problem placeres en "varmeveksler" eller "intercooler" mellem turboladeren og indsugningen. Dette system reducerer luftens temperatur og øger derved dens tæthed, som indføres i forbrændingskammeret.
På den negative side forårsager varmevekslere et trykfald og reducerer dermed luftens tæthed, selvom det i mange tilfælde er nødvendigt at installere en for at forhindre detonation eller selvantændelse.
- Der er tre typer intercoolere:
- Luft/luft: i disse udveksler trykluften sin varme med ekstern luft.
- Luft/vand: Trykluft udveksler sin varme med en væske , der kan køles af en radiator eller, i nogle applikationer, med is i en tank placeret inde i bilen .
- Kryogen: blandingen afkøles ved fordampning af en gas på en luft/luftveksler.
Turbo responstid ( turbolag )
Turboladede motorer lider af en forsinkelse i turbo-responstid (i daglig tale kendt som " turbolag "), der er større ved levering af effekt på 50 % end atmosfæriske motorer (NA-Naturally Aspirated eller Natural Aspiration) eller med en mekanisk kompressor, fordi ydeevnen af turboladeren afhænger af det tryk, den udøver. Denne forsinkelse er påvirket af gruppens inerti (dens diameter og vægt) og volumenet af opsamleren mellem turbinen og cylinderens udstødningsgasudløb.
En turbolader fungerer ikke på samme måde ved forskellige motorhastigheder. Ved lave omdrejninger påfører turboladeren ikke tryk, da den lille mængde gas ikke skubber hårdt nok til at generere en betydelig mængde inerti, der tæller som turboladerrespons. En mindre turbolader undgår forsinkelse i responsen, men udøver mindre kraft ved høje omdrejninger. Forskellige motorproducenter har udtænkt løsninger på dette problem.
- En " twin turbo ": er et system med to turboladere i forskellige størrelser. Ved lave omdrejninger virker kun den lille på grund af sin hurtigere reaktion, og den store virker kun ved høje omdrejninger, da den udøver mere tryk.
- En " parallel twin turbo " - er et system med to små turboladere af samme størrelse. Da de er mindre som en enkelt turbolader, har de mindre rotationsinerti, så de begynder at opbygge tryk ved lavere omdrejninger, og responsforsinkelsen mindskes.
- En " asymmetrisk turbolader " består i at sætte en enkelt lille turbolader på den ene side (den forreste på den tværgående V6-motor) og efterlade den anden fri. Tanken er ikke at få en stor kraft, men at responsen er hurtig. Dette system blev opfundet af den svenske producent Saab og brugt i Saab 9-5 V6.
- En " sekventiel twin- turbo " – består af to identiske turboladere. Når der er lille volumen af udstødningsgasser, sendes hele denne volumen til en turbolader, og når denne volumen stiger, fordeles den mellem de to turboladere for at opnå større effekt og mindre responstid. Dette system bruges i Mazda RX-7 Wankel-motoren .
- En " turbolader med variabel geometri " ( VTG ): består af en turbolader, der har en mekanisme af "finner" kaldet bevægelige vinger , der åbner og lukker ved at variere hastigheden af udstødningsgasserne, når de kommer ind i turbinen. Ved en lavere strøm af udstødningsgasser (lave omdrejninger) lukkes passagen mellem vingerne , hvilket får gasserne til at øge deres hastighed, når de kommer ind i turbinen; ved højere flow (høje omdrejninger) har vi brug for mere passage og disse åbner. Dette giver os mulighed for at have et meget lineært arbejdstryk gennem hele turboladerens arbejdsregime. I dieselmotorer er det meget almindeligt, men i benzinmotorer har kun Porsche udviklet en turbo, der understøtter mere end 1000 °C i Porsche 911 turbomodellen (2007).
Også Mazda, har en prototype elektrisk turbo. [ 4 ] Bilens elektriske system kan ikke give nok flow til motoren ved høje omdrejninger, men det kan ved lave; Således komplementerer begge hinanden. Ved lav belastning og omdrejninger tillader den elektriske assist en hurtig trykopbygning, og så kan turbinen levere fuld kraft til at komprimere luften. Dette system sparer meget mere energi end at kombinere det med en motordrevet mekanisk kompressor.
Fiat Auto, SPA, tidligere Fiat Group Automobiles (FGA) skabte og udviklede det mekaniske turbo + kompressorsystem i løbet af 1980'erne. Køretøjet, det blev udviklet og implementeret i, var Lancia Delta (MKI), der blev fremstillet mellem 1985 og 1990. At nå sin maksimale eksponentielle og udvikling i Lancia Delta Integrale WRC.
Overboost
Det er kendt som Overboost [ 5 ] den periode, hvor systemet producerer et overladningstryk, der er højere end normalt ved fuld belastning, med det formål at øge motorens drejningsmoment .
I øjeblikket kan dette system, med den passende elektroniske kontrol, tage hensyn til forskellige applikationer.
Udviklingen af turboladeren
Filosofien med at anvende turboladere har ændret sig: fra at prioritere kraft ved høje omdrejninger til at prioritere, at bilen reagerer godt under hele rotationsregimet for brug.
Den såkaldte waste-gate- ventil forhindrer for store tryk, der beskadiger motoren. Affaldsventilen eller afgangsventilen er den, der regulerer mængden af udstødningsgasser, der siver fra turboudstødningssneglen direkte til køretøjets udstødning ved at åbne ventilen, på denne måde, jo flere gasser der lækker, jo mindre tryk på turbo, med ventil lukket, nås turboens maksimale tryk, da alle udstødningsgasserne passerer gennem sneglen.
Afgangsventilen (også kaldet " dump valve " eller " blow off " på engelsk) åbner en lækage i indsugningskanalen, når accelerationen stoppes, så trykket, der genereres af turboens enorme inerti , ikke mætter disse kanaler, hvilket forhindrer samme gang turbinens pludselige deceleration, hvilket forlænger dens brugstid.
I øjeblikket har vi flere supercharge systemer.
- Monoturbosystemer med fast geometri, monoturbosystemer med variabel geometri (styret af en vakuum eller elektronisk aktuator).
- Biturbo-systemer, sekventielle (en stor og en lille).
- Twin turbosystemer i parallel (begge samme størrelse).
- Triturbo systemer, med forskellige konfigurationer.
- Audi 3.0 TDI og BMW 3.0 dieselmotorer.
- tetra turbo systemer. Den er i øjeblikket samlet af BMW i sine M50D 3000 cc dieselmodeller med 400 CV.
Det er også bemærkelsesværdigt, at hybridturbosystemet øger køretøjets kraft uden behov for tilpasninger. Disse er internt opgraderede turboer over lagerhuset for at få bedre ydeevne end lagerturboen. Det er et produkt patenteret af ATC i Spanien siden 2015 og fås til praktisk talt alle køretøjer med en kompressormotor.
Køling
Normalt køles turboladeren normalt med sit eget oliesystem , der cirkulerer, mens motoren kører. Hvis motoren slukkes brat efter intensiv brug, og turboladeren er meget varm, bliver olien, der køler turboladerens lejer , stillestående, og dens temperatur stiger, hvilket kan begynde at carbonisere, hvilket reducerer dens smøreevne og forkorter turboladerens levetid. turbolader liv.
Turbotimeren er et system, der holder olien cirkulerende i turboladeren i en periode, efter at motoren er blevet slukket. Nogle modeller arbejder med sensorer, der registrerer intensiteten i brugen af turboladeren for at tillade tvungen smøring af samme i rimelig tid efter, at motoren er blevet slukket.
Fordele ved at bruge en turbolader
- Det giver mulighed for at øge en motors effekt med 50 %, uden at det er nødvendigt at foretage større ændringer.
- Det bidrager til genvinding af energi, da det bruger motorens udstødningsgasser som et fremdriftsmedium.
- Det tilføjer lidt bulk og vægt til motoren, hvilket gør det muligt at montere den på et eksisterende køretøj uden større udvendige ændringer.
- Fordi det afhænger af trykket mellem udstødningsgasserne og miljøet , justerer det sig selv i enhver højde over havets overflade.
- Det gør det muligt at reducere forbruget af brugt brændstof (dette opnår mere energi pr. liter brændstof).
Referencer
- ^ "Vores historie" .
- ^ "Turboladerens historie" . dele blogs/nyheder . 2020.
- ^ Gomez, Jose Luis (2020). «Turbolader: Hvordan virker det, og hvilke komponenter har det?» . Motor Journal .
- ↑ 2010 Mazda RX-7 anmeldelse og priser .
- ↑ Overboost .
