MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2013
MILAN BUDÍN
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Přeplňování pístových spalovacích motorů Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Milan Budín
Brno 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Přeplňování pístových spalovacích motorů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis bakaláře …..………………………
PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za pomoc a odborné vedení při psaní bakalářské práce, za ochotu spolupracovat a za čas strávený na konzultačních hodinách.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce na téma přeplňování pístových spalovacích motorů je zaměřena na zvyšování výkonu motoru pomocí přeplňování. V úvodu je popsána historie turbodmychadel. Další část je zaměřena na termodynamiku oběhů spalovacích motorů, princip přeplňování a problematiku jednotlivých systémů přeplňování. Největší část této bakalářské práce je věnována turbodmychadlům, jejich konstrukci, principu a možnostem regulace. Dále je uveden příklad moderního přeplňování na dvou konkrétních automobilech. V bakalářské práci jsou také uvedeny nejčastější druhy poruch turbodmychadel, jejich oprava a diagnostika. Klíčová slova: přeplňování, spalovací motor, turbodmychadlo, mechanické dmychadlo
ABSTRACT This bachelor thesis on supercharging of reciprocating internal combustion engines is focused on increasing of the engine power by means of supercharging. The introduction describes the history of turbochargers. The next part is concerned with thermodynamics of circulations of internal combustion engines, a principle of supercharging and problems of particular systems of supercharging. The largest part of this thesis is devoted to turbochargers, their construction, a principle and possibilities of regulation. Below there is an example of a modern supercharging on two specific cars. In the thesis the most common failures of turbochargers, their repair and diagnostics are also listed. Key words: turbochargering, combustion engines, turbocharger, mechanical aspiration
OBSAH 1
Úvod ................................................................................................................... 9
2
Cíl práce ........................................................................................................... 11
3
Termodynamika oběhů spalovacích motorů .................................................... 12 3.1
4
Teoretické oběhy spalovacích motorů ...................................................... 12
3.1.1
Teoretický p-V diagram nepřeplňovaného zážehového motoru........ 13
3.1.2
Teoretický p-V diagram nepřeplňovaného vznětového motoru ........ 14
3.1.3
Teoretický p-V diagram přeplňovaného motoru turbodmychadlem . 15
Způsoby přeplňování ........................................................................................ 17 4.1
Princip přeplňování motoru ...................................................................... 17
4.2
Přeplňování pomocí turbodmychadla ....................................................... 18
4.2.1
Princip činnosti turbodmychadla ....................................................... 19
4.2.2
Konstrukce turbodmychadel .............................................................. 20
4.2.3
Příklady výkonů turbodmychadel...................................................... 22
4.2.4
Mapa kompresoru .............................................................................. 22
4.3
Regulace turbodmychadel......................................................................... 24
4.3.1
Regulace odpouštěním výfukových plynů před turbínou .................. 24
4.3.2
Regulace změnou geometrie turbíny ................................................. 26
4.3.3
Kombinovaná regulace plnicího tlaku ............................................... 28
4.3.4
Dvoustupňové regulované přeplňování ............................................. 29
4.4
Dynamické přeplňování ............................................................................ 29
4.4.1
Pulzační přeplňování ......................................................................... 30
4.4.2
Rezonanční přeplňování .................................................................... 31
4.4.3
Přeplňování tlakovzdušným výměníkem (Comprex) ........................ 32
4.5
Přeplňování mechanicky poháněným dmychadlem ................................. 33
4.5.1
Rootsovo dmychadlo ......................................................................... 35
4.5.2
Lysholmovo dmychadlo .................................................................... 36
4.5.3 5
6
Radiální odstředivé dmychadlo ......................................................... 36
Nové trendy ...................................................................................................... 38 5.1
BMW Twin power turbo........................................................................... 38
5.2
Audi 4,0 V8 TFSI ..................................................................................... 39
Nejčastější poruchy turbodmychadel a jejich příčiny ...................................... 41 6.1
Poškození cizím předmětem ..................................................................... 41
6.2
Nečistoty v motorovém oleji..................................................................... 41
6.3
Nedokonalé mazání turbodmychadla........................................................ 42
6.4
Přehřátí turbodmychadla ........................................................................... 43
6.5
Diagnostika a opravy turbodmychadel ..................................................... 44
7
Závěr ................................................................................................................ 46
8
Seznam použité literatury ................................................................................. 48
9
Seznam obrázků ............................................................................................... 50
1
ÚVOD V souladu se setrvalým pokrokem v oblasti technických věd je patrné i zvýšené
úsilí konstruktérů plnit nároky nejen uživatelů, ale zejména vyhovět velmi přísným legislativním restrikcím v produkci škodlivých polutantů. Upouští se od snahy zvyšovat zdvihový objem a množství vstřikovaného paliva ve smyslu výrazného obohacení v oblasti velkého zatížení motoru, protože je to nejen neekonomické, ale i nežádoucí z hlediska emisí, negativního dopadu na životní prostředí a snižování životnosti motoru. Ideálem by byl motor lehký, s malým zdvihovým objemem, vysokým výkonem a točivým momentem, vhodnou charakteristikou, nízkou měrnou spotřebou paliva a emisemi. Jeden ze způsobů, jak se k těmto vlastnostem přiblížit je použitím přeplňování motoru. Přeplňování motoru lze bez pochyby považovat za nejpoužívanější metodu ve snaze zvýšit výkon. U přeplňovaného motoru, ať už mechanickým kompresorem, nebo turbodmychadlem, se zvýší objem vzduchu a množství dodaného paliva do spalovacího prostoru, čímž se sníží měrná spotřeba paliva, emise a zároveň se dosáhne vyššího točivého momentu, výkonu a účinnosti motoru. Historie spalovacích motorů a přeplňování se dá zařadit do přibližně stejné věkové kategorie. Přelomem 19. a 20. Století Gottlieb Daimler a Rudolf Diesel zvětšovali výkon motoru tím, že se pokoušeli stlačovat vzduch nasávaný do motoru. První patent na sestrojení spalovacího motoru s turbínou získal Dr. Alfred Büchi v roce 1905 ve Švýcarsku, kde o několik let později nastala pokusná výroba.
Obr. 1 Alfred Büchi (www.dewielersite.net)
9
Ve 20. letech 19. století se úspěšně používají dieselové motory na dvou německých lodích. S ohlasem velkého úspěchu žádají o licence celé řady výrobců v Evropě, Japonsku a USA. Ve 30. letech se turbodmychadla využívají v železniční i námořní dopravě. Válečná období přinesla také rychlý rozvoj leteckých technologií plynových turbín. V 50. letech 20. století začínají výrobci Cummins, Scania a Volvo experimentovat s motory s turbodmychadly u nákladních automobilů za použití turbodmychadel od společnosti Elliot and Eberspächer. V roce 1954 už je od Cumminse nabízena celá řada motorů s turbodmychadlem. Prvními osobními automobily s turbodmychadly se staly automobily Chevrolet Corvair Monza a Oldsmobile Jetifire a na přelomu let 1962 a 1963 se poprvé objevily na americkém trhu. Z důvodu jejich nedostatečné spolehlivosti však z trhu rychle zmizely. Roku 1973 dostávají turbodmychadla lepší postavení pro naftové motory. a)
b)
Obr. 2 a) Chevrolet Corvair Monza (www.gomotors.net), b) Oldsmobile Jetifire (www.rearviewed.com)
V 70. letech se staly přeplňované motory velmi populární především v oblasti závodů Formule 1. Téměř každý výrobce tehdejších automobilů nabízel alespoň jeden automobil vybavený zážehovým motorem s turbodmychadlem. Od toho se však brzy odstoupilo z ekonomických důvodů. Rok 1978 se stal průlomovým v oblasti přeplňovaných motorů, kdy se na trh dostal automobil se vznětovým motorem Mercedes Benz 300 SD. Hned po něm následoval VW Golf turbodiesel v roce 1981. V dnešní době je přeplňováním motoru vybavován téměř každý vznětový motor. (www.turbocar.cz, 2013)
10
2
CÍL PRÁCE Cílem mé bakalářské práce je popsat problematiku přeplňování pístových
spalovacích motorů. Na začátku se práce zabývá historií přeplňování, dále je zaměřena na p-V diagramy spalovacích motorů. V další části jsou uvedeny druhy přeplňování včetně konstrukce turbodmychadel, mechanického kompresoru a nově používaných způsobů přeplňování u moderních motorů. V poslední části se práce věnuje nejčastějším druhům poruch a oprav turbodmychadel.
11
3
TERMODYNAMIKA OBĚHŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ Hlavním termodynamickým procesem v pístovém spalovacím motoru je přívod
tepla do oběhu, realizovaný hořením směsi paliva a vzduchu ve válci pístového spalovacího motoru. Ve válci pístového spalovacího motoru se tento děj uskutečňuje v podmínkách rychle se měnících teplot i tlaků směsi. Pracovní oběh pístového spalovacího motoru je složen z několika na sebe postupně navazujících termodynamických jevů a procesů. Je vytvořen jako kombinace objemových změn náplně válce, přívodu tepla náplni ve válci motoru (spalováním hořlaviny v náplni válce) a výměny náplně válce spojené s odvodem tepla z oběhu. Jednotlivé děje probíhají ve válci v rychlém časovém sledu a s částečným překryvem pochodů a změn v takovém uspořádání, aby se přeměna tepelné energie (uvolněné hořením paliva) na mechanickou práci uskutečňovala s vysokou energetickou účinností. Významnými termodynamickými ději v pístovém spalovacím motoru jsou přestupy tepla mezi pracovní náplní válce a vnitřními stěnami (válce, pístu, sacího a výfukového potrubí, u přeplňovaných motorů v turbíně, turbodmychadle apod.). Termodynamika těchto dějů ovlivňuje teplotní namáhání dílů ve válcové jednotce a působí i na účinnost přeměny tepelné energie náplně válce na mechanickou práci pístu a na koncentraci škodlivin ve výfukových plynech. (www.kvm.tul.cz, 2004)
3.1 Teoretické oběhy spalovacích motorů U pístových spalovacích motorů dochází ke spalování, přívodu tepla přímo hořením paliva ve spalovacím prostoru motoru. U zážehových motorů je do spalovacího prostoru nasávána směs vzduchu a par paliva, která je na konci komprese zažehnuta elektrickou jiskrou. U moderních zážehových motorů je palivo vstřikováno do vzduchu v sacím řádu motoru nebo je vstřikováno přímo do spalovacího prostoru motoru podobně, jako u vznětových motorů. Hoření má charakter explozivní a proto je považováno za hoření při konstantním objemu. Teplota směsi nesmí být na konci komprese vyšší, nežli je zápalná teplota směsi. Jedná se o Ottův cyklus, který se jinak nazývá také cyklem izochorickým. U vznětových motorů je stlačován čistý vzduch, do kterého se pod vysokým tlakem vstřikuje nafta, která se zapálí kompresním teplem. Teplota na konci stlačení musí být vyšší, než je zápalná teplota směsi paliva a vzduchu. Hoření probíhá teoreticky za konstantního tlaku. (Groda B., Vítěz T., TERMOMECHANIKA I, 2008) 12
Teoretické oběhy jsou takové diagramy, které předpokládají určitá zjednodušení vzhledem k realitě. Uvažujeme, že pracovní látka se nevyměňuje, oběh je uzavřený, spalování je nahrazeno přívodem tepla a výfuk naopak odvodem tepla, všechny změny pracovní látky (ideální dvouatomový plyn) jsou vratné a platí pro ně stavová rovnice. (Hlavňa & kolektiv., 2003)
3.1.1
Teoretický p-V diagram nepřeplňovaného zážehového motoru
Tento typ vratného pracovního cyklu nejlépe popisuje činnost zážehového spalovacího motoru.
Obr. 3 Teoretický p-V diagram nepřeplňovaného zážehového motoru (Hlavňa & kolektiv., 2003)
Uvedený oběh se skládá z těchto stavových změn: 1,6-2 adiabatická komprese 2-3,4 izochorický přívod tepla (spalování) 3,4-5 adiabatická expanze 5-1,6 izochorický odvod tepla (výfuk) Termickou účinnost cyklu můžeme na základě známých stavových veličin (tlak, objem, teplota) v bodě 1,6 určit ze vztahu:
η =1
(1)
ε
13
při definovaném konstrukčním kompresním poměru spalovacího zážehového motoru daného vztahem: ν
Ԑ= =
(2)
ν
Kde značí: v objem na začátku komprese, v objem na konci komprese, V zdvihový objem válce, V objem komprese (objem spalovacího prostoru) (Hlavňa & kolektiv., 2003)
3.1.2
Teoretický p-V diagram nepřeplňovaného vznětového motoru
Pro vznětové motory se v současné době používá smíšený typ vratného pracovního cyklu. Jeho tvar je patrný z následujícího diagramu.
Obr. 4 Teoretický p-V diagram vznětového motoru (Hlavňa & kolektiv., 2003)
Uvedený oběh se skládá z těchto stavových změn 1,6-2 adiabatická komprese 2-3 izochorický přívod tepla (spalování) 3-4 izobarický přívod tepla (spalování)
14
4-5 adiabatická expanze 5-1,6 izochorický odvod tepla (výfuk) Termickou účinnost cyklu můžeme na základě známých stavových veličin v bodě 1,6 určit ze vztahu:
η =1
εκ
∙
δ∙β κ δ
κ∙δ∙ β
,
(3)
při součiniteli zvýšení tlaku izochorickým přívodem tepla daného vztahem:
δ
,
(4)
a při součiniteli zvětšení objemu izobarickým přívodem tepla:
β
,
(5)
(Hlavňa & kolektiv., 2003)
3.1.3
Teoretický p-V diagram přeplňovaného motoru turbodmychadlem
Na obrázku je znázorněný rovnotlaký způsob přeplňování. Předpokládá se stálá hodnota tlaku výfukových plynů před spalovací turbínou, rovnající se tlaku plnícího vzduchu p .
Obr. 5 Teoretický p-V diagram přeplňovaného motoru turbodmychadlem (Hlavňa & kolektiv., 2003)
15
Práci motoru vykonanou při expanzním zdvihu udává plocha ohraničená čarami mezi body 1,6-2-3-4-5-1,6 a práci plnícího kompresoru plocha ohraničená mezi body 91, 6-7-8-9. Práce spalovací turbíny na výfukové plyny je dána plochou, kterou ohraničují spojnice bodů 10-11-12-13-10. I v tomto případě jejich práci znázorňují cykly pro pístové stroje. Teplo odvedené z pracovního cyklu výfukovými plyny q , se přemění na technickou práci jejich adiabatickou expanzí po vstupu do turbíny v bodě 10. Tento bod ovšem neodpovídá průsečíku expanze adiabaty ve válci spalovacího motoru s čárou úrovně tlaku plnícího vzduchu 10´. Je tomu tak proto, že teplo dané plochou 5-1, 6-10´-5 se nepřeměnilo na mechanickou práci při expanzi ve válci motoru. Z hlediska směru toku energie musí platit rovnost mezi prací získanou v turbíně a prací plnícího kompresoru. (Hlavňa & kolektiv., 2003)
16
4
ZPŮSOBY PŘEPLŇOVÁNÍ
4.1 Princip přeplňování motoru Přeplňování je velkým přínosem pro ekonomické zvyšování výkonu spalovacího motoru. Výkon každého motoru závisí na teplu dodaném palivem do pracovního válce a na účinnosti přeměny tepla v mechanickou práci. Platí známý vztah pro výkon motoru:
P" =Q$ % ∙ η" =H( ∙ m$% ∙ η"
(6)
Kde značí: P" - užitečný výkon motoru [ kW] Q$ % - přiváděný tepelný tok paliva do pracovního válce [kJ·*
]
ηe- užitečná účinnost motoru [ l ] H( - spodní výhřevnost paliva [kJ·kg
]
m$% -hmotnost paliva přivedeného do pracovního válce [kg·s
]
Je nutno dodržet úměrnou hmotnost spáleného paliva a hmotnost vzduchu v pracovním válci. Vztah obou hmotností je patrný z následujícího vzorce:
m
%$.$/
(7)
0∙12
Kde značí: m$3 - hmotnost vzduchu zůstávajícího v pracovním válci motoru [kg·s
]
λ - součinitel přebytku vzduchu ve válci [l] L - hmotnost vzduchu teoreticky potřebná pro spálení 1 kg paliva [kg· kg
]
Při vyjádření hmotnostního průtoku vzduchu zůstávajícího v pracovním válci motoru, parametry motoru, dostaneme vztah:
m$3 =V ∙
56 78·:
∙ ρ3 · ɳ%< · 17
Ԑ
> Ԑ
(8)
Kde značí: V - zdvihový objem všech válců motoru [m? ] nA - otáčky motoru [min ] ρ3 - hustota vzduchu v sání motoru [kg·m ? ] ɳ%< - plnící účinnost [l] i- počet otáček motoru na jeden pracovní oběh (i=1 dvoudobý motor, i=2 čtyřdobý motor) Ԑ- kompresní poměr [l] α- součinitel propláchnutí spalovacího prostoru (0 až 1, 0-nevypláchnutý, 1-plně vypláchnutý spalovací prostor) Součinitel propláchnutí spalovacího prostoru α u motorů s proplachováním spalovacího prostoru je možno uvažovat α=1 a u motorů bez proplachování α=0. Výraz je možno dále upravit na:
P" =V ∙
56
∙
CD
78·: 0·12
∙ ρ3 ∙ η%< ∙ η" ∙
F F
(9)
Z této rovnice jsou již zřetelné veličiny, které přímo ovlivňují velikost výkonu motoru. Hlavní vliv na změnu výkonu motoru má hustota vzduchu ρ3 , plnící (ɳ%< ) a užitečná (ɳ" ) účinnost a součinitel přebytku vzduchu λ. Princip přeplňování je patrný z dodání větší hmotnosti vzduchu do válce motoru. Zvětšování hustoty vzduchu ρ3 umožní dopravit do válce větší množství paliva. To znamená, že se úměrně zvýší výkon motoru při zachování přibližně stejného součinitele přebytku vzduchu, užitečné a plnící účinnosti. (Macek, 2001)
4.2 Přeplňování pomocí turbodmychadla Výkon spalovacího motoru je úměrný množství vzduchu a paliva, které se dostane do válců motoru. Jak už jsme si popsali výše, hlavním cílem zvýšení výkonu motoru je přivést více vzduchu do válce. Při použití turbodmychadla se výkon a točivý moment
18
motoru dramaticky zvýší. Princip činnosti turbodmychadla vychází z níže uvedeného obrázku. (www.turbobygarrett.com, 2012)
Obr. 6 Schéma spalovacího motoru s přeplňováním (www.turbobygarrett.com)
1- Vstup vzduchu do kompresoru 2-Výstup stlačeného vzduchu 3-Mezichladič plnícího vzduchu (intercooler) 4-Sací potrubí 5-Výstup výfukových plynů z válce motoru 6-Vstup výfukových plynů do turbínové části turbodmychadla 7-Výstup výfukových plynů (www.turbobygarrett.com, 2012) 4.2.1
Princip činnosti turbodmychadla
Turbína převádí kinetickou energii výfukových plynů, která by jinak bez využití unikla výfukovým potrubím, na otáčivý pohyb a tím pohání dmychadlo. Dmychadlo
19
nasává čerstvý vzduch a stlačený jej dodává do jednotlivých válců motoru. Tím se může zvýšit i dávka paliva a dojde ke zvýšení výkonu a točivého momentu motoru. Přeplňované motory můžeme podle zvýšení točivého momentu a velikosti plnícího přetlaku rozdělit na: -
S nízkotlakým přeplňováním-Plnící přetlak 20 kPa až 50 kPa a zvýšení točivého momentu asi o 25 %.
-
Se středotlakým přeplňováním-Plnící přetlak 50 kPa až 100 kPa a zvýšení točivého momentu o více, než 25%
-
S vysokotlakým přeplňováním-Plnící přetlak je větší, než 100 kPa a zvýšení točivého momentu o více, než 50% Stlačením v dmychadle se vzduch zahřeje až na 130 °C. Aby se zvýšila hustota
vzduchu a tím zlepšilo plnění válců, je jeho teplota snížena na 70 °C v chladiči plnícího vzduchu. (Jan, 2004)
Obr. 7 Schéma motoru s turbodmychadlem poháněným výfukovými plyny (Gscheidle a kol., 2002)
4.2.2
Konstrukce turbodmychadel
Konstrukce turbodmychadla sestává z lopatkového turbínového kola a lopatkového kola dmychadla. Obě lopatková kola mají společný hřídel, takže i stejné otáčky. Podle režimu práce a druhu se otáčky hřídele mohou pohybovat v rozmezí 20 000 min
až
160 000 min . Díky velmi vysokým otáčkám jsou kladeny také vysoké nároky na 20
přesnost výroby, jakost povrchu, mazání a vyvážení hřídele s oběma lopatkovými koly. Hřídel bývá uložen v plovoucích kluzných pouzdrech, nebo v jehlových ložiskách. Plovoucí kluzná ložiska se otáčejí v otvorech olejem mazané skříně ložisek ve stejném smyslu, jako hřídel. Mazání ložisek je provedeno napojením na tlakový mazací systém motoru. Turbínové kolo je nejčastěji vyrobeno z žáropevné niklové slitiny, která je vhodná i pro extrémní teploty výfukových plynů motoru. Zhotovuje se přesným litím a s hřídelem z ušlechtilé oceli je spojeno metodou třecího svařování. Kolo dmychadla se zhotovuje z hliníkové litiny rovněž přesným litím. Spolu s těsnící podložkou, ložiskem a distanční podložkou je pevně uchyceno na hřídeli. Mezi skříň turbíny, vyrobenou jako odlitek ze šedé litiny a litinovou skříň ložisek je vložena tepelně izolační vložka. Tato vložka omezuje přestup tepla z turbíny do dmychadla. Skříň turbíny může být také vyrobena jako součást výfukového potrubí. Skříň dmychadla se vyrábí z hliníkové slitiny. (Jan, 2004)
Obr. 8 Konstrukce turbodmychadla (www.tiscali.cz)
21
4.2.3
Příklady výkonů turbodmychadel
a)
b)
c)
Obr. 9 a) GT 12, b) GT 45, c) GT 67 (Special turbo a.s., firemní prezentace) Tab. 1 Charakteristiky turbodmychadel (Special turbo a.s., firemní prezentace)
Průtok [kg·s ] Stlačení (T-T) Účinnost (T-T) [%] Otáčky rotoru [min-1] Výkon [kW] 4.2.4
GT 12 1,08 2,4 69 240,000 9,8
GT45 1,53 2,8 78 94,000 69,4
GT67 1,21 3,6 78 58,000 205
Mapa kompresoru
Obecná mapa kompresoru je graf popisující charakteristiky výkonu konkrétního kompresoru, jeho účinnost, rozsah průtoku, schopnost zvýšení tlaku a rychlost proudění. Provozní chování kompresoru se popisuje mapami zobrazujícími vztah mezi tlakovým poměrem a hmotnostním, nebo objemovým průtokem. Níže uvedený graf popisuje jednotlivé aspekty kompresoru Účinnost (Efficiency Islands) je vyjádřena soustřednými plochami, které představují účinnost kompresoru v libovolném místě grafu. Nejmenší ploška u středu grafu značí nejvyšší účinnost. Prstence se postupně vzdalují od středu, což značí, že účinnost klesá o vyznačenou hodnotu, dokud nejsou dosaženy maximální limity. Přesycení (Surge line) je linie na levé straně grafu. Linie představují stavy nestability průtoku. Tato situace je charakteristická projevy od mírných vibrací až po nepředvídatelné kolísání tlaku a hluku kompresoru. Dlouhodobější setrvávání v tomto stavu může vést k předčasnému selhání turbodmychadla kvůli silné kumulaci tahu. K přesycení nejčastěji dochází, když nastává přesycení pod tlakem. To může svědčit o tom, že je kompresor příliš výkonný. K přesycení také dochází, když je přívod paliva 22
zastaven těsně po výraznějším zvýšení tlaku. K tomu dochází proto, že se průtok drasticky sníží, když se škrtící klapka zavře, ale turbodmychadlo stále pracuje a generuje tah. To okamžitě přesouvá operační bod na grafu vlevo, za bod přesycení. Přesycení vyprchá, když se rychlost turbodmychadla sníží natolik, že se podle grafu stav vrátí zpátky do stabilních hodnot. Toho se často dociluje využítím přetlakových blow off ventilů (BOV), nebo přemosťovacích trysek. BOV snižují vnitřní tlak postupně vypouštěním natlakovaného vzduchu do atmosféry tak, aby se kompresor vyhnul přesycení. V případě přemosťovacích trysek se natlakovaný vzduch vrátí zpět do nasávací oblasti. (www.turbobygarrett.com, 2012)
Obr. 10 Obecná mapa kompresoru (www.turbobygarrett.com)
Opakem Surge Line je Choke Line, neboli linie „udušení“ na pravé straně grafu. Pro grafy firmy Garrett je to stav, kdy účinnost klesá pod 58 %. Kromě rychlého poklesu účinnosti kompresoru se blíží k limitu „udušení“, nebo je pod ním. Pokud
23
nastává tato situace a vede to ke stavu za touto hranicí, je potřeba větší kompresor. (www.turbobygarrett.com, 2012)
4.3 Regulace turbodmychadel Regulací turbíny turbodmychadla lze dosáhnout maxima točivého momentu již při nízkých otáčkách motoru. Je to velmi výhodné, neboť se tím razantně zvýší schopnost akcelerace. To ale není tak snadné, protože zde jsou omezující faktory z hlediska maximálních tlaků a teplot. Teploty spalin před turbínou a u zážehových motorů také detonační spalování. Turbodmychadlo lze regulovat: a) odpuštěním výfukových plynů před turbínou b) změnou geometrie turbíny: A) natáčením lopatek statoru turbíny B) změnou šířky statoru turbíny c) kombinovaná regulace plnícího tlaku (www.kvm.tul.cz, 2004) 4.3.1
Regulace odpouštěním výfukových plynů před turbínou
Pro regulaci odpouštěním výfukových plynů před turbínou musí být navržena malá turbína, která již při otáčkách počátku regulace motoru, což mohou být otáčky maximálního točivého momentu, má při plném hmotnostním toku otáčky, při nichž kompresor dává maximální stlačení plnícího vzduchu. (www.kvm.tul.cz, 2004)
Obr. 11 Řídící ventil plnícího tlaku (Gscheidle a kol., 2002)
24
Snížení výkonu turbíny se dosahuje vedením části výfukových plynů obtokem kolem turbíny do výfukového potrubí (bypass). Obtok řídí regulační ventil, který je ovládán plnícím tlakem dmychadla. Plnící tlak působí na membránu tlakového snímače proti síle pružiny. Jakmile dojde k předepnutí pružiny pomocí plnícího tlaku, tak se ventil otevře a část výfukových plynů vypustí do obtoku. (www.kvm.tul.cz, 2004)
Obr. 12 Regulace plnícího tlaku obtokovou klapkou (Gscheidle a kol., 2002)
Regulační ventil plnícího tlaku může být umístěn na libovolném místě výfukového systému před turbínou výfukových plynů. Místo ventilu se může použít obtoková klapka. Klapka otevírající a zavírající obtokové vedení je spojena se snímačem tlaku, umístěným většinou ve skříni dmychadla. Dostatečnou vzdáleností snímače tlaku od horkých částí turbodmychadla s regulační klapkou není tepelné zatížení plastové membrány velké. Celé regulační zařízení je provozně spolehlivé. (www.kvm.tul.cz, 2004)
25 Obr. 13 Obtokový ventil (Gscheidle a kol., 2002)
4.3.2
Regulace změnou geometrie turbíny
A) natáčením lopatek statoru turbíny (VNT) Při tomto způsobu regulace protéká turbínou stále plný hmotnostní tok, daný hltností motoru a hmotnostní spotřebou paliva. Regulace se provádí úpravou rychlostního trojúhelníku na vstupu do rotoru turbíny. Oběžné kolo kompresoru a turbíny jsou na společném hřídeli, takže mají i stejné otáčky a v poměru průměrů oběžných kol i obvodové rychlosti. Tlak za kompresorem je dán obvodovou rychlostí kompresorového kola, tím je dána i obvodová rychlost turbínového kola, která se musí v každém okamžiku zajistit změnou úhlu a velikostí absolutní rychlosti proudu, tedy úhlem nastavení lopatek statoru. Při regulaci natáčením rozváděcích lopatek statoru turbíny jsou mnohem nižší tlaky a teploty výfukových plynů před turbínou, než při jejich odpouštění. (www.kvm.tul.cz, 2004)
Obr. 14 Regulace plnícího tlaku (Gscheidle a kol., 2002)
Točivý moment musí být vysoký již při nízkých otáčkách motoru, proto musí být vysoký i plnící tlak. Toho se dosáhne tím, že se rozváděcí lopatky turbíny nastaví tak, aby byl vstupní průřez malý. Zmenšení způsobí to, že se zvýší rychlost proudění výfukových plynů. Otáčky turbíny se zvětší a tím se zvýší i plnící tlak. (www.kvm.tul.cz, 2004)
26
Obr. 15 Nastavení lopatek (Gscheidle a kol., 2002)
Rozváděcí lopatky turbíny uvolní velký vstupní průřez, aby bylo možno zachytit velké množství výfukových plynů i při vysokých otáčkách. Tím se dosáhne požadovaného tlaku plnění, ale nepřekročí se. Proud výfukových plynů působí na střední část lopatek turbíny. Mechanismus ovládání je tvořen ovládacím táhlem, jehož vodící čep zapadá do stavěcího prstence a tím se může stavěcí prstenec pootáčet. Pohyb je vodícími čepy a hřídelkami přenášen na rozváděcí lopatky. Všechny rozváděcí lopatky uložené v nosném kroužku se otáčejí současně a stejnoměrně do požadované polohy. Rozváděcí lopatky jsou ovládány elektropneumaticky. (Gscheidle a kol., 2002) B) Změnou šířky statoru turbíny (VGT) Změna šířky rozváděcího kola turbíny se začala používat od roku 1998 anglickou firmou Holset. Jde o zdánlivě nejjednodušší způsob změny geometrie turbíny a vyplývá z jeho principu. Celé rozváděcí kolo s lopatkami je nutno rovnoměrně po celém obvodě axiálně posouvat v turbínové skříni při teplotách až 800°C a přitom lopatky zasouvat do prstence v druhé stěně, která má vytvořené otvory s profilem zasouvaných lopatek. Pro ovládání se používá pístové jednotky ovládané tlakem z brzdového systému vozidla. Pro indikaci regulovaného plnícího tlaku se využívá otáček rotoru turbodmychadla, které se snímají uprostřed rotoru v ložiskové skříni bezdotykovým magnetickým snímačem. Je to originální řešení z hlediska parametrů, protože proti jiným způsobům regulace zde protéká celý hmotnostní tok turbínou při optimálním úhlu náběhu proudu do oběžného kola a turbína tak má stále vysokou vnitřní účinnost. Zvýšenými třecími
27
ztrátami ve statoru a náhlým rozšířením v rotoru turbíny je způsobeno zvětšení ztrát. (www.kvm.tul.cz, 2004)
Obr. 16 Turbodmychadlo s měnitelnou šířkou statoru (www.cumminsengines.com)
4.3.3
Kombinovaná regulace plnicího tlaku
Firma Garrett vyvinula při snaze snížit teploty a tlaky výfukových plynů turbodmychadlo s použitím bezlopatkové rozváděcí skříně, která má odpouštět klapku (b) doplněnou směrovou klapkou (a) pro úpravu víru v rozváděcí skříni a tím i rychlostního trojúhelníku na vstupu do rotoru turbíny. (www.kvm.tul.cz, 2004)
Obr. 17 Turbodmychadlo Garrett VAT 25 (Hofmann, 2000)
V poloze (d) směrová klapka vytváří podmínky normální turbínové skříně s regulací jen odpouštěním a v poloze (c) zvětšuje obvodovou složku rychlosti v bezlopatkové 28
rozváděcí skříni. Tím se dosáhne v menší míře efektu, jako při natáčení rozváděcích lopatek, avšak v kombinaci s odpouštěním se vytváří při této regulaci výhodnější stavy plynu před turbínou, než při odpouštění výfukových plynů. (www.kvm.tul.cz, 2004) Dvoustupňové regulované přeplňování
4.3.4
Firma Kühnel, Kopp & Kausch vyvinula dvoustupňové přeplňování s regulací vysokotlaké turbíny odpouštěním výfukových plynů. Dvoustupňové přeplňování je realizováno jedním větším nízkotlakým turbodmychadlem a menším vysokotlakým turbodmychadlem, kde vysokotlaká turbína T je opatřena bypassem s elektronicky řízeným regulačním ventilem RV. Regulačním ventilem s bypassem hmotnostního
je
možné
toku
část
výfukových
plynů odvést vysokotlaké turbíně, která
ovšem
vyexpanduje
v nízkotlaké turbíně T . Nárůst tlaků a teplot při regulaci je Obr. 18 Dvoustupňové přeplňování s regulací firmy KKK (Hofmann, 2000)
podstatně mírnější, než je tomu u jednostupňové
regulace.
Při
způsobu této způsobu regulace použitím dvou chladičů plnícího vzduchu CH a CH se docílí takřka konstantního středního efektivního tlaku p" v rozsáhlém rozmezí otáček 900 až
1400 min
Při maximálním zatížení se v převážné části charakteristiky
dosáhne poměrně vysoké hodnoty minimálního spalovacího přebytku vzduchu λJ =1,9 a také minimální kouřivosti motoru. (www.kvm.tul.cz, 2004)
4.4 Dynamické přeplňování Plyny proudící v sacím potrubí mají určitou kinetickou energii. Otevřením sacího ventilu se vyvolá zpětná tlaková vlna pohybující se proudem plynů zpět rychlostí zvuku. Tato tlaková vlna naráží na konci sacího potrubí na klidné prostředí. Zde míří tlaková vlna odražením zpět k sacímu ventilu. Zasáhne-li otevřený sací ventil, má to za následek zlepšení plnění válce a tím vzniká přeplňování. Frekvence kmitání je závislá na délce sacího potrubí a rychlosti proudění v potrubí, které je dáno otáčkami motoru. (Gscheidle a kol., 2002) 29
4.4.1
Pulzační přeplňování
Změnou délky sacího potrubí vzniká pulzační přeplňování. Vzduch se v sacím potrubí rozkmitá a kmitání postupuje směrem k válci. Každý válec má samostatné potrubí o stejné délce. Rozkmitání sloupce proudícího plynu vyvolává sání pohybem pístu. Při vhodné volbě délky sacího potrubí se kmity ovlivňují tak, aby se tlaková vlna pohybovala otevřeným sacím ventilem dovnitř motoru a tím způsobovala lepší naplnění válce. V úvahu se musí brát také vliv časování rozvodu. Dlouhé potrubí s malým průřezem je výhodnější v dolní oblasti otáček. Krátké potrubí s velkým průřezem je naopak výhodné v horní oblasti otáček. Rozlišují se dva systémy pulzačního sacího potrubí: Přepínání sacího potrubí, plynule regulovaný sací systém. (Gscheidle a kol., 2002)
Obr. 19 Vztah mezi délkou pulzačního sacího potrubí a počtem otáček motoru (Gscheidle a kol., 2002)
Přepínání sacího potrubí: Kombinují se krátká a dlouhá sací potrubí. V dolní oblasti otáček proudí vzduch dlouhým tenkým sacím potrubím. Zkrácené větve potrubí jsou uzavírány rotačním šoupátkem, nebo klapkami. V horní oblasti otáček se klapky či šoupátka elektricky, nebo elektropneumaticky otevřou a všechny válce nasávají přímo krátkým, širokým sacím potrubím. Ve spodní oblasti otáček se u motoru s přepínáním sacího potrubí dosahuje vyššího točivého momentu s vyšším výkonem.
Obr. 20 Přepínání pulzačního sacího potrubí (Gscheidle a kol., 2002)
30
Plynule regulovaný sací systém: Prstenec rotoru mění polohu otvoru sběrače. Otáčí se v závislosti na počtu otáček a tím se počtu otáček přizpůsobí i účinná délka sacího potrubí. Otáčení je provedeno krokovým motorem. (Gscheidle a kol., 2002) 4.4.2
Rezonanční přeplňování
Rezonance je zesílené vlastní kmitání kmitajícího systému. K rezonanci dochází, pokud se kmitočet otvírání ventilů ovlivňuje s kmitočtem kmitajícího sloupce plynu. Vlastní kmitání systému závisí na velikosti jeho kmitající hmoty. Velká hmota vytváří dlouhá kmitání s nízkým kmitočtem, malá hmota vyvolává krátké kmitání s vysokým kmitočtem. Jestliže se ke kmitajícímu sloupci plynu v sacím potrubí přidá další hmota otevřením rezonanční klapky, tak se zvětší jeho kmitající hmota a klesne kmitočet. Při nízkém počtu otáček to vyvolá rezonančním kmitáním přeplňování a tím zlepší plnění. Využívá se efekt přeplňování obou hlavních systémů dynamického přeplňování a kombinují se rezonanční systémy přeplňování a jednodušší systémy s dynamickým sacím potrubím. Rezonančním přeplňováním se zlepší plnění např. v dolní až střední oblasti otáček, v horní oblasti otáček se využije pulzačního přeplňování. V systému sacího potrubí se elektropneumaticky, nebo elektricky podle počtu otáček otevře, nebo zavře klapka. Rezonanční přeplňování v dolní až střední oblasti otáček, přepínací klapka uzavřena. Nasává-li 2. válec, působí prostor supiny válců 4, 5, 6 jako další rezonanční prostor. Dojde ke snížení kmitočtu kmitající hmoty a přizpůsobí se kmitočtu otvírání ventilů. (Gscheidle a kol., 2002)
Obr. 21 Soustava rezonančního potrubí a pulzačního potrubí (Gscheidle a kol., 2002)
31
4.4.3
Přeplňování tlakovzdušným výměníkem (Comprex)
Kromě turbodmychadel jde použít kinetické energie výfukových plynů přímo v tlakovém výměníku comprex. Tento systém využívá přímé výměny tlakových pulzů mezi vzduchem a proudy spalin. Na obrázku 21 jde vidět konstrukční řešení. Rotor výměníku je poháněn od klikové hřídele motoru. Na jedné straně jsou na čele skříně připojeny potrubí nasávaného vzduchu a plnícího potrubí, kterým je stlačený vzduch dopravován do válce motoru. Z druhé strany je připojeno výfukové potrubí přivádějící z válce motoru spaliny do rotoru výměníku a potrubí odvádějící spaliny do katalyzačního tlumiče výfukového systému. (Rauscher, 2005) a)
b)
Obr. 22 a) Systém Comprex (www.modified.com), b) Princip práce systému Comprex (Rauscher, 2005)
1-tlakový výměník, 2-sání, 3-plnící potrubí, 4-výfukové potrubí, 5-výfuk
Princip je zřejmý z obr. 22. Spaliny ze sběrného výfukového potrubí vstupují otvorem na čele statoru výměníku do kanálků rotoru a vytlačují vzduch do sběrného potrubí motoru. Stlačený vzduch po otevření sacího ventilu plní válec motoru. Otáčením rotoru narazí tento proud na čelo statoru a odrazí se. Směr proudění se otočí a spaliny odcházejí z kanálků rotoru do výfukového potrubí. Současně vzniká v kanálku rotoru podtlak, který nasává čerstvý vzduch ze sacího potrubí. Při dalším pootočení rotoru je kanálek naplněn vzduchem. Část vzduchu, která se smísila se spalinami musí být odstraněna. Proudění pokračuje směrem nasávání čerstvého vzduchu a výplachový vzduch je odváděn do výfukového potrubí. Dalším pootočením je kanálek rotoru 32
naplněný čerstvým vzduchem uzavřen čelem statoru a proudění je zastaveno. Následujícím pootočením je opět vzduch vytlačován spalinami do plnícího potrubí. (Rauscher, 2005) Tento systém přeplňování motoru byl úspěšně využit ve vozidle Mazda 626. Dosahované parametry jsou srovnatelné s přeplňováním turbodmychadel. Systém rychleji reaguje na změny provozních režimů, bohužel je rozměrnější, což může komplikovat zástavbu ve vozidle. (Gscheidle a kol., 2002)
4.5 Přeplňování mechanicky poháněným dmychadlem Mechanický kompresor se používá k přeplňování motoru podobně, jako turbodmychadlo, někdy i v kombinaci s turbodmychadlem. Mechanický kompresor je poháněn od motoru mechanicky, příkon pro pohon dmychadla je odebírán z klikového hřídele motoru. Tento pohon dmychadla od klikového hřídele motoru je zajišťován buď ozubenými koly, ozubenými řemeny, nebo u malých dmychadel klínovými řemeny. (Rauscher, 2005)
Obr. 23 Mechanicky poháněné dmychadlo (www.autorevue.cz)
Příklad porovnávacího cyklu ideálního motoru je uveden na následujícím obrázku (24). Jedná se o izochorický pracovní cyklus pro zážehové motory přeplňované mechanickým dmychadlem, s předpokladem rovnotlakého plnění. (Hlavňa & kolektiv., 2003)
33
Obr. 24 Teoretický p-V diagram ideálního motoru přeplňovaného mechanickým kompresorem (Hlavňa & kolektiv., 2003)
Práci motoru při expanzním zdvihu ohraničuje plocha čarami mezi body 1,6-2-3,45-1,6 a práci plnícího dmychadla plocha ohraničená čarami 12-1,6-8-9-12. Plnící tlak je vyšší, jak tlak atmosférický p a píst motoru koná práci i v průběhu plnícího zdvihu, čímž se práce odebraná z klikového hřídele vrací zpět. To však platí jen pro ideální motor bez mechanických ztrát. Negativní je potom jen práce potřebná na stlačení plnícího media z atmosférického tlaku p na plnící tlak p vyjádřená plochou 12-1,611-12 a práce potřebná na částečný výplach VK kompresního prostoru VL vyjádřená plochou 7-8-9-10-7. (Hlavňa & kolektiv., 2003) Mechanicky poháněná dmychadla se rozdělují na dmychadla odstředivá a rotační objemová čerpadla. Odstředivá dmychadla se dříve používala u velkých motorů a motorů leteckých. V současnosti jsou používána pouze ve spojení s turbínou v turbodmychadle. Rotační objemová dmychadla jsou využívána u motorů vozidlových, drážních a malých lodních motorů. Nejčastěji je používáno dmychadlo Rootsovo, které si popíšeme níže. V současné době jsou u zážehových spalovacích motorů používána dmychadla šroubová a spirální dmychadlo „G“. (Hlavňa & kolektiv., 2003)
34
4.5.1
Rootsovo dmychadlo
První myšlenka tohoto dmychadla pochází už z roku 1700 od Němce Pappenheima, který sestrojil první čerpadlo s komůrkovým kolem. Až roku 1867 bratři Rootsové zdokonalili tento stroj a začali jej vyrábět. Kompresor má dva rotory, nejčastěji opatřené dvěma zuby, ale známy jsou i konstrukce s rotory tří, nebo čtyřzubými. Oba rotory jsou spolu spojeny dvěma ozubenými koly se stejným počtem zubů. Plyn se stlačuje vně kompresoru, v jednom okamžiku po spojení výtlaku a pracovní komůrky rotoru. Tento kompresor pracuje jako suchý a dodává stlačený plyn bez oleje. Pro dosažení větší těsnosti i životnosti se na rotory stříkáním nanáší vrstvička laku, nebo plastu. Pro osobní automobily se z mechanických dmychadel používá nejčastěji právě Rootsovo
dmychadlo.
Instalace
mechanického
dmychadla
se
na
rozdíl
od
turbodmychadla obejde bez zásahů do výfukové soustavy. Mechanickým pohonem dmychadla se zaznamená rychlejší nárůst plnícího tlaku a tím i vyššího točivého momentu už od nízkých otáček motoru. (www.autorevue.cz, 2013)
Obr. 25 Třílopatkové Rootsovo dmychadlo (www.auto.cz)
35
4.5.2
Lysholmovo dmychadlo
První teorie Lysholmova dmychadla byla vynalezena již v roce 1878. Trvalo však až do roku 1930, než tuto myšlenku domyslel a zrealizoval Alf Lysholm. Typické Lysholmovo dmychadlo je konstruováno tak, že má každá šroubovice tři a pět závitů, nebo jsou možné kombinace mezi nimi. Hlavní šroubovice se skládá ze 2 vnějších závitů a vedlejší z 5 závitů. Tyto závity jsou velmi úzce spjaty. Rotory se proti sobě otáčejí v těsné blízkosti a tím dochází ke kompresi. Vzduch je nasáván axiálně v zadní části dmychadla. Dále prochází díky rotaci spirálových rotorů směrem do přední části. Postupně dochází ke vnitřnímu stlačení vzduchu a tím je umožněno vyššího plnícího tlaku, než u Rootsova dmychadla.
Obr. 26 Lysholmovo dmychadlo (www.autozine.org)
Kromě vysokého plnícího tlaku má Lysholmovo dmychadlo vyšší účinnost a točivý moment, což dává přednost při výběru automobilu. Na druhou stranu se jedná o dražší výrobu a vyšší cenu. Šrouby pevného celoplošného charakteru jsou náročné na výrobu a musí splňovat velmi vysokou přesnost obrábění. Lysholmovym dmychadlem jsou vybaveny například automobily Ford GT, nebo Mercedes-AMG. (www.autozine.org, 1997) 4.5.3
Radiální odstředivé dmychadlo
Radiální
odstředivé
dmychadlo
pracuje
na
podobném
principu,
jako
turbodmychadlo. Rozdíl je ten, že je poháněno mechanicky od klikové hřídele. Dmychadlo je velmi efektivní, otáčky kompresorového kola dosahují až 60 000 min . Nevýhoda však je v nízkých otáčkách, kde není potřebná obvodová rychlost oběžného kola pro ideální plnění. Velmi důležité hlavně při vysokých otáčkách je mazání, které je napojeno na olejový mazací systém motoru. Někdy je to také řešeno tak, že se přidává vlastní zásobník oleje. Kompresorové kolo je nutné chránit proti tlakovým rázům, které 36
vznikají především při uzavření škrticí klapky. Podobně, jako u turbodmychadel se tomu předchází instalací přepouštěcího ventilu mezi sání motoru a dmychadlo. (www.auto.howstuffworks.com, 2006)
Obr. 27 Radiální odstředivé dmychadlo (www.auto.howstuffworks.com)
37
5
NOVÉ TRENDY
5.1 BMW Twin power turbo BMW M5 skrývá pod kapotou vysokootáčkový benzínový osmiválcový motor přeplňovaný dvěma turbodmychadly. Jeho suverénní tah je čerpán ze spojení lineárního nástupu výkonu za extrémní podpory dvojitého turbodmychadla. Vysoký točivý moment je k dispozici v širokém spektru otáček. Motor V8 reaguje na každý pohyb plynového pedálu s vehementní dopřednou sílou a zaručuje maximální efektivitu při vysokém výkonu. (www.bmw.cz, 2010) a)
b)
Obr. 28 a) Otáčková charakteristika motoru, b) V8 Twin turbo (www.bmw.de) Tab. 2 Technická data motoru (www.bmw.de)
Motor Válce/ventily Obsah v cm? Zdvih/vrtání v mm Max. výkon kW otáčky (min Max. točivý moment v Nm při 1/min Poměr komprese : 1 Max. rychlost v km·h Zrychlení z 0 na 100 v km·h v s Kombinovaná spotřeba v l/100 km
V90 / 8 / 4 4395 88.3 / 89 412 / 6,000-7,000 680 / 1,500-5,750 10 / ROZ95-98 (ROZ98) 250 4,3 9,9
38
5.2 Audi 4,0 V8 TFSI Jedná se o výkonný čtyř-litrový, osmi-válcový motor přeplňovaný dvěma turbodmychadly. Mimo to motor 4,0 TFSI disponuje novou inovativní technologií Audi „cylinder on demand“, která v mezních případech šetří palivo a produkuje méně emisí. Tento systém zapojuje cíleně jen určité válce, vždy však dva v řadě válců a to bez povšimnutého rozdílu. Jestliže se nevyužije všech osm válců, tak systém vypne vstřikování a zapalování příslušných válců, zavře sací a výfukové ventily, což znamená, že nedochází ani k nasávání vzduchu, vstřikování paliva, ani výfuku spalin. Následkem toho se zlepší hodnoty spotřeby paliva a emisí. 4,0litrový motor V8 TFSI je také vybaven úsporným systémem Start-Stop a splňuje také emisní normu EU5. Motor pracuje s využitím systému valvelift, který generuje při nižší spotřebě vyšší točivý moment a při dosažení rychlosti 250 km·h
se motor elektronicky omezí.
(www.audi.cz, 2013)
Obr. 29 Motor Audi 4.0 V8 TFSI (www.audi.de)
Dvě turbodmychadla a mezichladič jsou umístěny v prostoru mezi válci uloženými do „V“, namísto obvyklého umístění vně, vedle klikové skříně. Pokročilé oddělení horkých komponent, hlavně výfukového potrubí stabilizuje tepelné podmínky ve vnitřním prostoru. Hlavy válců jsou rozmístěny neobvyklým způsobem, výfuková strana je uvnitř, přívod paliva vede z vnější strany. Tento design zajišťuje kompaktní rozměry a krátké palivové přívody s minimální ztrátou průtoku. Motor ve výsledku okamžitě reaguje na plynový pedál. (www.audiworld.com, 2012)
39
a)
b)
Obr. 30 a) Otáčková charakteristika motoru, b) Motor V8 4,0 TFSI (www.audi.de) Tab. 3 Technická data motoru (www.audi.de)
Motor Válce/ventily Obsah v cm? Max. výkon kW otáčky (min Max. točivý moment v Nm při min Max. rychlost v km·h Zrychlení z 0 na 100 v km·h v s Kombinovaná spotřeba v l/100 km
8/4 3993 309 / 5500-6400 550/1400-5200 250 4,7 9,6
40
6
NEJČASTĚJŠÍ PORUCHY TURBODMYCHADEL A JEJICH PŘÍČINY Nejčastější důvody poškození turbodmychadel netkví v samotném zařízení, ale jsou
důsledkem vlivu vnějších činitelů. Je velmi důležité zjistit příčiny havárie před samotnou montáží nového turbodmychadla a tím předejít opětovnému poškození. (www.turbodmychadla.wbs.cz, 2013)
6.1 Poškození cizím předmětem Závada turbodmychadla vniknutím cizího předmětu je viditelná a rozpoznatelná na poškozených lopatkách turbínového kola. K mechanickému poškození turbínového kola dochází nejčastěji nárazem tvrdého předmětu, nacházejícího se ve spalinách. Vniknutím cizího tělesa do soustavy přívodu vzduchu bývá nejčastěji příčinou mechanického poškození lopatek kompresoru. (www.rrauto.cz, 2009)
Obr. 31 Mechanické poškození lopatek kompresoru (www.superstreetonline.com)
6.2 Nečistoty v motorovém oleji Nečistoty v motorovém oleji působí velmi negativně na všechna ložiska turbodmychadla. Hlavní vliv na nečistoty oleje má včasný interval výměny nejen motorového oleje, ale i vzduchového a olejového filtru, stejně jako výměna oleje obou filtrů při montáži nového turbodmychadla. Nejčastějším druhem příčin tohoto 41
poškození bývá poškozený, nebo ucpaný olejový filtr, nebo filtr s nižší kvalitou. Může nastat chyba také při servisní činnosti, nebo chyba výrobní. Dalšími příčinami mohou být opotřebení motoru, nebo špatná kvalita motorového oleje vedoucí k jeho karbonizaci. (www.turboservis.cz, 2005)
Obr. 32 Poškození způsobené kontaminovaným olejem - kovovými pilinami (www.turbo-tec.eu)
6.3 Nedokonalé mazání turbodmychadla Přerušení dodávek motorového oleje, které probíhá opakovaně a na krátkou dobu může způsobit poškození ložisek turbodmychadla. K nejčastějším příčinám patří především znečištění oleje průnikem paliva nebo chladicí kapaliny do soustavy mazání, montáž turbodmychadla bez předchozí kontroly mazání, odstavení vozu na velmi dlouhou dobu, nebo nižší tlak oleje způsobený závadou v mazacím systému. (www.turboservis.cz, 2005)
Obr. 33 Opotřebení vlivem nedokonalého mazání součásti (www.turbosport.cz)
42
6.4 Přehřátí turbodmychadla Nadměrná teplota ve výfukovém systému, nebo okamžité vypnutí motoru po režimu vysokého výkonu způsobí přehřátí turbínové skříně s následným zakarbonováním turbínové skříně a rotoru. Přehřátí turbodmychadla nejvíce poškozuje rotor na průměru jeho osy a na drážkách, ale také ložiska a turbínovou skříň. Může nastat dokonce k trhlinám v turbínové skříni a popraskání litinového boku. Před vypnutím motoru je doporučeno nechat běžet motor 2-3 minuty ve volnoběžných otáčkách. Mezi nejčastější příčiny poruch přehřátím turbodmychadla patří např. ucpaný čistič vzduchu, nedostatečný přívod vzduchu, náhlé vypnutí motoru po režimu vysokého zatížení, karbonizace nekvalitního motorového oleje, vadné olejové čerpadlo a další. (www.turboservis.cz, 2005)
Obr. 34 Karbonové usazeniny (www.turbolader.net)
43
6.5 Diagnostika a opravy turbodmychadel Tab. 4 Diagnostika turbodmychadel (www.dieseltechnika.com)
1. Nedostatečný výkon motoru. 2. Černý dým. 3. Vysoká spotřeba oleje. 4. Modrý dým. 5. Turbo vydává rušivé zvuky. 6. Cyklické rušivé zvuky turbodmychadla. 7. Prosakování oleje na kompresorové straně. 8. Prosakování oleje na turbínové straně. (www.dieseltechnika.com, 2012)
44
Opravy turbodmychadel jsou prováděny v souladu s procedurami obsaženými v servisních návodech výrobců turbodmychadel. Zohledňují se tolerance rozměrů spolupracujících prvků. Hlavní zásadou při každé opravě je používání výhradně originálních dílů. Proces opravy zahrnuje následující činnosti: 1. Demontáž turbodmychadla. 2. Mytí a čištění všech prvků pomocí ultrazvuku. 3. Kontrolu a hodnocení všech měřících bodů určených výrobcem. 4. Výměnu kompletu náhradních dílů. 5. Precizní vyvážení a dovážení rotujícího soustrojí pomocí dynamických elektronických vyvažovacích strojů. 6. Dokončovací montáž. 7. Kontrola a případná regulace hodnot tlaku, doplňování. (www.turbojet.pl, 2012)
45
7
ZÁVĚR V bakalářské práci na téma přeplňování pístových spalovacích motorů jsem popsal
historii turbodmychadel. Nejprve jsem poukázal na první pokusy a patenty v přeplňování. Dále následoval historický vývoj přeplňování a první přeplňované osobní automobily. V další části jsem se zabýval termodynamikou pístových spalovacích motorů včetně teoretických p-V diagramů. Následoval princip přeplňování a přeplňování pomocí turbodmychadel a popis jejich regulací. Věnoval jsem se také méně používaným metodám v přeplňování a přeplňováním pomocí mechanického dmychadla. Zajímavou částí mé bakalářské práce bylo představení dvou přeplňovaných osobních automobilů značky BMW a Audi. V poslední části jsem se věnoval nejčastějším druhům poruch turbodmychadel a jejich příčinám. Závěrem jsem se zmínil o diagnostice a opravách turbodmychadel. Turbodmychadla využívají odpadní kinetické energie výfukových plynů, což je obrovská výhoda oproti motorům atmosférickým. Další možností, jak dále využít energii, která by se jinak nevyužila je turbocompoundní systém. Turbocompound vytváří dodatečný výkon tím, že využije odpadní energii. Funguje na principu využívání energie, která by byla jinak nevyužita. Namísto odvedení nespotřebované energie výfukem je z výfukových plynů druhou výfukovou turbínou za turbodmychadlem získávána zbytková energie. Výfukové plyny o teplotě až 700 °C jsou využity k pohonu konvenčního turbodmychadla, kde je jejich energie použita ke zvýšení točivého momentu a výkonu motoru. Výfukové plyny nejsou rozptýleny v atmosféře, ale vstupují dále do turbocompoundní jednotky. Energie je využita k roztočení druhé turbíny až na 55 000 min . Tento pohyb se převádí přes převody turbíny, hydraulickou spojku a dále přes rozvodová kola na klikovou hřídel. Snížením otáček se dosahuje užitečného zvýšení točivého momentu setrvačníku. Jakmile hnací síla dosáhne klikového hřídele, jsou otáčky sníženy na cca. 1900 min . Průchodem tohoto bodu se sníží teplota plynů pod 500 °C a dále se odvedou konvenčním výfukovým systémem. (Kameš, 2010) Motory bez přeplňování se budou pravděpodobně již brzy řadit mezi rarity, přeplňování vznětových motorů je dnes takřka standardem, u zážehových motorů patří budoucnost přímému vstřikování s turbodmychadlem a proměnným časováním ventilů.
46
Také se dá předpokládat ústup mechanických kompresorů, i když se technologie stále vyvíjejí. Naopak přednost dostane tzv. downsizing (snižování zdvihové objemu), u kterého dochází k zachování, někdy i dokonce ke zlepšení výkonových parametrů spalovacího motoru. Na úplný závěr bych chtěl zmínit elektricky poháněné dmychadlo, které se do budoucna jeví velmi perspektivně. Největší motivací pro tuto technologii je snižování emisí a zpřísňující se předpisy pro hospodárné využití paliva, které automobilky nutí zmenšovat zdvihový objem motorů. Nedávno získaná technologie od americké vývojářské firmy Controlled Power Technologies, se má v letech 2015 – 2016 objevit v sériově vyráběných vozidlech. (www.autoweek.cz, 2013) Automobily a jejich spalovací motory jsou v dnešním světě vyspělé civilizace nepostradatelnými společníky a celková produkce automobilů stále roste. Budoucnost spalovacího motoru je proto také hodně diskutovaným tématem a oblastí s velmi rychlým rozvojem používaných materiálů a technologií. Přeplňování prošlo od svých prvotních prototypů po dnešní dobu velkými změnami a do budoucna bude stále zdokonalováno.
47
8
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
1. GRODA B., VÍTĚZ T,. TERMOMECHANIKA I. Brno : Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2008. 2. GSCHEIDLE, Rolf. Příručka pro automechanika. 2. upr. vyd. Praha: Sobotáles, 2002, 637 s. ISBN 80-85920-83-2. 3. HLAVŇA, Vladimír. Dopravný prostriedok - jeho motor. 2. opr. vyd. V Žilině: Žilinská univerzita, 2003, 442 s. ISBN 80-8070-046-x. 4. JAN, Zdeněk a Bronislav ŽDÁNSKÝ. Automobily. 3. vyd. Brno: Avid, 2004, iv, 165 s. KAMEŠ, J.: Speciální motorová vozidla, spalovací motory. 2. Praha: Česká zemědělská univerzita, 2010, 192 s. ISBN 8021308958 5. MACEK, Jan a Vladimír KLIMENT. Spalovací turbiny, turbodmychadla a ventilátory: (přeplňování spalovacích motorů). Vyd. 3. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2001, 206 s. ISBN 80-01-02275-7. 6. RAUSCHER, J.: Spalovací motory, Studijní opory VUT v Brně, 2005 7. Special turbo a.s., firemní prezentace
INTERNETOVÉ ZDROJE 1.
Audi.cz. Motory a převodovky [online] [cit. 3. 4. 2013]. Dostupné na:
2. Audiworld.com. News. [online] [cit. 12. 4. 2013]. Dostupné na:
3. Auto. Engines. [online] [cit. 26. 3. 2013]. Dostupné na:
4. Autoweek.cz. Trendy [online] [cit. 20. 2. 2012]. Dostupné na: 5. Autozine. Technical SchoolAlutec. [online] [cit. 25. 3. 2013]. Dostupné na: 6. BMW.cz. Motory. [online] [cit. 3. 4. 2013]. Dostupné na: 7. Dieseltechnika.com. Diagnostika poruch. [online] [cit. 2. 4. 2013]. Dostupné na: 8. Garret. Turbo Tech Expert. [online] [cit. 10. 3. 2013]. Dostupné na: 9. Garret. Turbo tech. [online] [cit. 3. 3. 2013]. Dostupné na: 10. Katedra motorových vozidel. Prostředky zvyšování parametrů. [online] [cit. 20. 3. 2013]. Dostupné na: 48
11. Katedra motorových vozidel. Skripta a texty. [online] [cit. 12. 2. 2013]. Dostupné na: 12. Rrauto.cz. Druhy poškození. [online] [cit. 15. 3. 2013]. Dostupné na: 13. Rubriky. Technika. [online] [cit. 2. 4. 2013]. Dostupné na: < http://www.autorevue.cz/mechanicke-dmychadlo-silne-plice> 14. Turbo Car. Historie turbodmychadel. [online] [cit. 20. 2. 2013]. Dostupné na: 15. Turbodmychadla.wbs.cz. Příčiny-havárie. [online] [cit. 15. 3. 2013]. Dostupné na: < http://www.turbodmychadla.wbs.cz/Priciny-havarie.html/> 16. Turbojet.pl. Proces opravy. [online] [cit. 6. 4. 2013]. Dostupné na: < http://www.turbojet.pl/cze/proces.html> 17. Turboservis.cz. Nejčastější závady. [online] [cit. 16. 3. 2013]. Dostupné na:
49
9
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 1 Alfred Buchi .......................................................................................................... 9 Obr. 2 a) Chevrolet Corvair Monza, b) Oldsmobile Jetifire ........................................... 10 Obr. 3 Teoretický p-V diagram nepřeplňovaného zážehového motoru.......................... 13 Obr. 4 Teoretický p-V diagram vznětového motoru....................................................... 14 Obr. 5 Teoretický p-V diagram přeplňovaného motoru turbodmychadlem ................... 15 Obr. 6 Schéma spalovacího motoru s přeplňováním ...................................................... 19 Obr. 7 Schéma motoru s turbodmychadlem poháněným výfukovými plyny ................. 20 Obr. 8 Konstrukce turbodmychadla ................................................................................ 21 Obr. 9 a) GT 12, b) GT 45, c) GT 67 ............................................................................. 22 Obr. 10 Obecná mapa kompresoru ................................................................................. 23 Obr. 11 Řídící ventil plnícího tlaku ................................................................................ 24 Obr. 12 Regulace plnícího tlaku obtokovou klapkou ..................................................... 25 Obr. 13 Obtokový ventil ................................................................................................. 25 Obr. 14 Regulace plnícího tlaku ..................................................................................... 26 Obr. 15 Nastavení lopatek .............................................................................................. 27 Obr. 16 Turbodmychadlo s měnitelnou šířkou statoru ................................................... 28 Obr. 17 Turbodmychadlo Garrett VAT 25 ..................................................................... 28 Obr. 18 Dvoustupňové přeplňování s regulací firmy KKK ............................................ 29 Obr. 19 Vztah mezi délkou pulzačního sacího potrubí a počtem otáček motoru ........... 30 Obr. 20 Přepínání pulzačního sacího potrubí.................................................................. 30 Obr. 21 Soustava rezonančního potrubí a pulzačního potrubí ........................................ 31 Obr. 22 a) Systém Comprex, b) Princip práce systému Comprex ................................. 32 Obr. 23 Mechanicky poháněné dmychadlo .................................................................... 33 Obr. 24 Teoretický p-V diagram ideálního motoru přeplňovaného mechanickým kompresorem .................................................................................................................. 34 Obr. 25 Třílopatkové Rootsovo dmychadlo ................................................................... 35 Obr. 26 Lysholmovo dmychadlo .................................................................................... 36 Obr. 27 Radiální odstředivé dmychadlo ......................................................................... 37 Obr. 28 a) Otáčková charakteristika motoru, b) V8 Twin turbo................................... 38 Obr. 29 Motor Audi 4.0 V8 TFSI ................................................................................... 39 Obr. 30 a) Otáčková charakteristika motoru, b) Motor V8 4,0 TFSI ............................ 40 Obr. 31 Mechanické poškození lopatek kompresoru...................................................... 41
50
Obr. 32 Poškození způsobené kontaminovaným olejem - kovovými pilinami .............. 42 Obr. 33 Opotřebení vlivem nedokonalého mazání součásti ........................................... 42 Obr. 34 Karbonové usazeniny ........................................................................................ 43
51
