Geeft ruimte voor personele uitwisseling

In document From: Date: To: Subject: Attachments: Van: Verzonden: Aan: Onderwerp: Van: Verzonden: Onderwerp: (pagina 64-69)

5 Conclusies en aanbevelingen

5.5 aanbevelingen voor een scherper beeld van de regio .1 Kennisontwikkeling en -uitwisseling

5.5.4 Geeft ruimte voor personele uitwisseling

Během letitého vývoje v oblasti konstrukce spalovacích motorů vzniklo mnoho různých variant a typů mechanismů pro přeplňování. Nejrozšířenějšími způsoby jak pro sériová vozidla, tak pro tuning jsou přeplňování turbodmychadlem a kompresorem.

Dalším způsobem používaným například u zážehových motorů je dynamické plnění válce.

27

V dnešní době se vzhledem k trendu v konstrukci automobilových motorů získávat větší výkony s použitím motorů s nižším zdvihovým objemem (downsizing) objevují přeplňované motory ve velkém množství jak u vznětových (takřka u všech), tak i u zážehových motorů. Pro ilustraci lze uvést nabídku motorů pro současnou generaci vozu Škoda Octavia: 1,2 TSI, 1,4 TSI, 1,8 TSI, 2,0 TSI, 1,6 TDI a 2,0 TDI – všechny nabízené motory jsou vybaveny přeplňováním [11].

Cílem přeplňování je vyšší výkon a krouticí moment srovnatelný s motory poměr směsi vzduchu a paliva v blízkosti tzv. stechiometrického poměru (ozn. λ = 1, pro λ < 1 by byla směs bohatá a pro λ > 1 by se jednalo o směs chudou).

Stechiometrický poměr je poměr pro spálení 1 kg paliva a 14,7 kg vzduchu pro benzín nebo 14,5 kg vzduchu pro naftu. Převedeme-li hmotnostní poměr na objemy, ke spálení 1 litru paliva budeme potřebovat řádově 10 000 litrů vzduchu [12]. Měřením v laboratořích se dospělo k poznatku, že největšího výkonu se dosahuje při obohacení směsi palivem o 20% a největší účinnosti při ochuzení směsi o 15% [7].

3.3.1 Přeplňování turbodmychadlem

Používá se turbodmychadlo poháněné turbínou. Jedná se o dva lopatkové stroje na společném hřídeli. Turbínové lopatkové kolo je roztáčeno dynamickými účinky proudících výfukových plynů. Toto kolo přes hřídel roztáčí lopatkové kolo radiálního turbodmychadla. Dmychadlo axiálně nasává vzduch a radiálně jej vytlačuje dále po směru proudění do spirální skříně, která slouží jako difuzor. Ve spirální skříni roste průtočná plocha a tím klesá rychlost a roste tlak vzduchu proudícího do spalovacího prostoru. Nevýhodou turbodmychadel je tzv. turboefekt, který se projevuje prodlevou mezi okamžikem sešlápnutí plynového pedálu a okamžikem zvýšení výkonu motoru

28

prací turbodmychadla. Prodleva je způsobena dobou, kterou potřebují výfukové plyny k dosažení vyššího tlaku a také setrvačností rotoru.

Jelikož je turbínové kolo vystaveno vysokým teplotám výfukových plynů, a navíc pří chodu rotor koná 10 000 až 200 000 otáček za minutu v závislosti na velikosti turbodmychadla, hmotnosti rotujících částí a potřebném tlaku, je celá sestava turbodmychadla velice namáhanou částí motoru. Při vysokých otáčkách je nutné dokonalé vyvážení rotoru. Hřídel turbodmychadla je uložen ve fluidních, olejových ložiskách. Klasická kuličková ložiska by při těchto otáčkách měla velmi nízkou životnost. Olejová ložiska fungují tak, že je mezi rotujícím hřídelem a pouzdrem ložiska malá mezera vyplněná tlakovým olejem, takže se tyto části nedotýkají. Hřídel v podstatě plave na olejovém filmu. Olej se většinou bere z mazací soustavy motoru a musí být po průchodu turbodmychadlem chlazen [13].

Obrázek 8: Řez turbodmychadlem (červeně výfukové plyny, modře vzduch, zeleně olej)[41]

U vozidel s turbodmychadlem se z důvodů vysokého tepelného namáhání důrazně doporučuje po vyšším zatížení (např. rychlá jízda) nevypínat hned motor, ale klidnou jízdou nechat motor „dochladit“ (cca 2 až 5 minut). V opačném případě se lopatky turbínového kola, které byly vystaveny vysokým teplotám, při náhlém zastavení působením vlastní tíhy mírně zdeformují. Při dalším roztočení turbodmychadla se začne

29

projevovat nevývažek, který má za následek zvětšování vůle v prostředním kluzném ložisku turbodmychadla, což může vést až k jeho destrukci [8].

Protože je turbodmychadlo běžně nastaveno tak, aby dodávalo optimální množství vzduchu při nižších otáčkách (z důvodů nižší měrné spotřeby motoru), je nutné při vyšších otáčkách práci turbodmychadla regulovat. Při plném zatížení motor produkuje velké množství spalin a při průtoku turbínovou sekcí navrženou pro částečné zatížení by docházelo ke škrcení průtoku. Nejčastěji se tento jev řeší pomocí obtokového ventilu, tzv. wastegate. Při překročení určité úrovně tlaku se ventil otevírá a spaliny proudí do výfukového potrubí za turbínou. Otevírání ventilu může být zajištěno mechanicky (pružinou) nebo řízeno elektronicky. Dalším způsobem regulace pracovního režimu turbodmychadla je použití lopatkového rozváděcího ústrojí v turbínové skříni. Princip spočívá v natáčení vodících lopatek v závislosti na otáčkách motoru. Při nízkých otáčkách je klapkami zúžen vstupní průřez a tím dojde ke zvýšení rychlosti spalin a tudíž i k zvýšení otáček turbínového kola. Tak se dosáhne tohoto vzduchu by se zvyšoval a způsoboval by brzdění oběžného kola dmychadla, což by vedlo ke snížení tlaku plnicího vzduchu. V tomto případě je přepouštěcí ventil otevřen a stlačený vzduch je přes obtokový kanál veden zpět na stranu sání turbodmychadla nebo ven do atmosféry.

3.3.2 Přeplňování kompresorem

Výkon sloužící k pohonu kompresoru je odebírán z klikového hřídele motoru, což oproti turbodmychadlům představuje jejich hlavní nevýhodu. Tato nevýhoda z hlediska odběru výkonu je ovšem výhodou z hlediska snazší montáže na nepřeplňovaný motor. Z tohoto důvodu je možné v nabídce prodejců najít sady pro montáž kompresoru na atmosférický motor. Postup montáže je mnohem jednodušší než při montáži turbodmychadla. Výhodou proti turbodmychadlu je rychlá odezva na změnu polohy plynového pedálu. Použití kompresorů k přeplňování je v současnosti méně používané, než přeplňování turbodmychadly. V současné době jsou u zážehových motorů v malé míře používána spirální a šroubová dmychadla.

30

Nejpoužívanějším typem je Rootsovo dmychadlo, které patří do skupiny kompresorů s vnější kompresí. Dmychadlo má dva rotory nejčastěji se dvěma nebo třemi zuby umístěné ne společné skříni. Ke stlačení vzduchu nedochází v pracovním prostoru dmychadla (v zubových mezerách) ale až za ním.

Obrázek 9: Rootsovo dmychadlo [42]

Lysholmovo dmychadlo je podobné Rootsovu, ale jeho rotory bývají více zakroucené. Patří mezi dmychadla s vnitřní kompresí a proto na rozdíl od Rootlsova dmychadla je efektivnější pro vysokotlaké přeplňování, nevýhodou jsou vyšší ztráty při běhu naprázdno. Rootsovo dmychadlo může být vybaveno obtokovým kanálem pro přepouštění vzduchu při nízkém zatížení a jedinou zátěží bude mechanický pohyb rotorů. Naproti tomu v Lysholmově dmychadle bude docházet ke stlačování vzduchu, dokud bude poháněno.

Obrázek 10: Lysholmovo dmychadlo[44]

31

Dalším používaným typem je G dmychadlo, které patří mezi spirální dmychadla.

Pracuje na principu dvou excentricky uložených spirál, které se po sobě odvalují a tlačí tak vzduch ze sacích otvorů do otvorů výstupních. Objem vzduchu se postupně snižuje, takže jde o kompresor s vnitřní kompresí. Mezi výhody patří nízká úroveň vydávaného hluku a nízká hmotnost, nevýhodou problémy s těsněním mezi spirálami a skříní a vysoké výrobní náklady.

K automobilovým výrobcům, kteří v současné době používají ve svých vozech mechanická dmychadla, patří např. Mercedes a Jaguar. Motor vybavený Rootsovým dmychadlem můžeme najít i v některých vozech koncernu Volkswagen s motorem TSI, například u motoru 1,4 TSI s dvojitým přeplňováním ve Fabii RS druhé generace.

3.3.3 Chlazení stlačeného vzduchu

Protože při stlačování nasávaného vzduchu dochází k jeho zahřátí, což má za následek zvětšení jeho objemu oproti studenějšímu vzduchu, používá se u vyšších stupňů přeplňování chlazení stlačeného vzduchu. Podle [1] se použití mezichladiče stlačeného vzduchu doporučuje použít u přeplňovaných systémů se součinitelem stlačení plnicího vzduchu větším než 1,5. Při tomto stlačení se vzduch v kompresoru ohřívá o 43 – 50 K a poměrné zvýšení hustoty dosahuje hodnot jen kolem 1,3 podle účinnosti kompresoru.

K chlazení vzduchu se používá mezichladič stlačeného vzduchu, tzv. intercooler.

Míra ochlazení stlačeného vzduchu je závislá mimo jiné na velikosti teplosměnné plochy chladiče, druhu chladicího média (u osobních aut je téměř výhradně vzduch v mezichladiči chlazen náporem vzduchu), vstupní teplotě chladicího média, poměru hmotnostního toku stlačeného vzduchu a chladicího média.

Chlazení plnicího vzduchu se u přeplňovaného motoru projevuje zvýšením hustoty plnicího vzduchu při nepatrném snížení tlaku ztrátou v chladiči, snížením maximálních spalovacích tlaků a teplot, snížením tepelného a částečně i mechanického namáhání motoru, snížením měrné spotřeby paliva při jmenovitém výkonu, zvýšením výkonu při stejné spotřebě paliva asi o 5 – 6% v závislosti na účinnosti chlazení [1].

Dalšími možnostmi, jak ochladit vzduch na vstupu do motoru jsou systémy na vstřikování vody nebo oxidu dusného. Takovéto úpravy nejsou v běžném provozu příliš obvyklé a používají se především pro závody upravených vozidel. V případě vstřikování oxidu dusného je navíc kromě ochlazení nasávané směsi (cca o 50°C) zajištěn přísun většího množství kyslíku, protože oxid dusný se při vyšší teplotě

32

rozkládá na dusík a kyslík. Vzhledem ke značnému tepelnému zatížení motoru při vstřikování oxidu dusného lze systém použít pouze na krátký čas (cca 30 sekund) [14].

3.3.4 Možnosti zvýšení výkonu pomocí přeplňování

Při aplikaci přeplňování na atmosférický motor je jedním z požadavků plně uložený klikový hřídel (u čtyřválcového motoru pětkrát uložený). Pro čtyřválec s třikrát uloženým klikovým hřídelem se z důvodu jeho nižší tuhosti doporučuje přeplňování přetlakem maximálně 0,4 bar [7]. Dále je třeba brát v potaz, že použitím přeplňování se podstatně zvyšuje náchylnost k detonacím. Přeplňováním se zvyšuje celkový kompresní poměr, je tedy nutné, aby základní kompresní poměr motoru byl co možná nejnižší.

Pokud je kompresní poměr nevhodný, přistupuje se k jeho snížení například úběrem materiálu ze dna pístu nebo zvětšením kompresního prostoru v hlavě válců. Instalace kompresoru je v tomto případě jednodušší než instalace turbodmychadla. Pokud je použito turbodmychadlo, jedná se buď o turbodmychadlo používané na podobném motoru (shodné připojovací rozměry), nebo se dá koupit i kompletní sada k přestavbě.

Při použití turbodmychadla je dále nutno přizpůsobit mazací soustavu motoru většinou je nutné přidat chladič oleje. Instalací přeplňování se také zvýší tepelné namáhání celého motoru, proto je většinou nutno upravit chladicí soustavu.

Obrázek 11: Sada na přestavbu atmosférického motoru 2,0 MPI na přeplňovaný[45]

33

Druhá možnost se týká zvýšení výkonu u přeplňovaného motoru. Zde se většinou stávající turbodmychadlo mění za turbodmychadlo s lepšími parametry (vyšší přetlak plnicího vzduchu). Turbodmychadla s vyšším výkonovým potenciálem se používají buď ze sériových automobilů, které mají vyšší výkon než námi upravovaný vůz, nebo lze využít služeb mnoha výrobců turbodmychadel specializujících se na takovéto úpravy.

Při instalaci přeplňování na atmosférický motor nebo výměně turbodmychadla na přeplňovaném motoru za turbodmychadlo s jinými parametry je nutné upravit patřičným způsobem i řídicí jednotku motoru.

In document From: Date: To: Subject: Attachments: Van: Verzonden: Aan: Onderwerp: Van: Verzonden: Onderwerp: (pagina 64-69)