Zanim zaczniemy, musimy powtorzyc sobie teorie fizyki ze szkoly sredniej.
Pamietasz ? Nie za bardzo ? No to jazda :
Prawa gazow:
Krotko mowiac, temperatura, cisnienie i pojemnosc gazu sa zalezne od siebie. Scisnij gaz (zmniejsz pojemnosc) a cisnienie i temperatura podskocza do gory. Zwieksz pojemnosc, a temperatura i cisnienie opadna. Zwieksz temperature, a cisnienie i pojemnosc wzrosna. A gaz zawsze bedzie sie przemieszczal z wiekszego cisnienia do mniejszego i im wieksza roznica cisnien tym wieksza predkosc przeplywu.
Proste?
OK. W silnikach spalinowych moc uzyskuje sie dzieki rozszerzaniu sie mieszanki, ktora naciska ja na tlok w cylindrze. Oprocz tego, w tym samym czasie pod wplywem spalania rosnie temperatura, co powoduje jeszcze wiekszy wzrost cisnienia - jeszcze wiecej mocy. Szkoda, ze wiekszosc energii ciepla jest wyrzucona w wydech zanim jestesmy w stanie jakos ja odzyskac. Rozgrzana mieszanka nie jest w cylindrze wystarczajaco dlugo, aby cala energie cieplna zamienic w mechaniczna. I nie jest praktyczne zwiekrzyc skok tloka aby wykorzystac cala energie cieplna do pracy.
Wiec, co mozna by zrobic? Moze, moglibysmy skierowac rure wydechowa do tylu tak, aby stworzyc odrzut, ale szybkosc wylatujacych spalin nie jest tak szybka abysmy mogli to osiagnac.(pare lat temu w IndyCars kilku konstruktorom udalo sie uzyskac pare kilo "odrzutu", ale bylo to nie wystarczajace). A co by bylo gdybysmy zainstalowali jakies urzadzenie aby wykorzystac ta energie odrzutu w wydechu?. Silniki na pare mialy cos takiego..... I tu mozna wykorzystac turbo-sprezarke, turbinka napedzana przez wylatujace spaliny polaczona by byla za pomoca walka ze sprezarka, ktora sprezala by powietrze do silnika. Wiecej powietrza w cylindrze oznacza ze wiecej paliwa mozna spalic na jeden obrot tloka, co oznacza wieksza temperature spalania, co oznacza wieksza energie pracy na tlok - wieksze cisnienie spalin. Jest to prawie perpetum mobile, poniewaz mamy energie cieplna, ktora bylaby wydalona przez wydech i zamieniamy ja w prace bez wiekszych strat. Co mamy ? Troche bardziej skomplikowana budowe i troche wyzsze koszty produkcji i nie zyskujemy jak na razie nic poprzez dodanie turbinki. Ale, czy turbinka nie zwieksza cisnienia w ukladzie wydechowym? W czasie ladowania sprezarki, nie. Kiedy zawor wydechowy sie otworzy to cisnienie w cylindrze jest duzo wieksze niz we wlocie do turbinki. Cisnienie w cylindrze spada bardzo szybko i zaraz tlok zaczyna isc do gory i pojemnosc w cylindrze sie zmniejsza, a z prawa zachowania sie gazow wiemy, ze to oznacza, ze cisnienie w cylindrze jest ciagle wieksze niz na wlocie do turbinki. W koncu, kiedy tlok dojdzie do samej gory i cisnienie jest prawie wyrownane z tym na wlocie do turbinki, to zawor ssacy otwiera sie i cisnienie znowu rosnie w cylindrze, poniewaz sprezarka ciagle doladowuje.W porzadku.... ustalilismy, ze dzieki turbo mozna wykorzystac energie, ktora bysmy i tak stracili. Teraz o szczegolach tego zjawiska.Popularnie wszyscy mysla, ze turbinka kreci sie dzieki energi kinetycznej wydmuchiwanych spalin uderzajacych w skrzydelka wiatraka. Jest to tylko czesciowa racja. Calkiem innego rodzaju energia jest powodem, ze turbina sie kreci. Caly czas nalezy pamietac o zaleznosciach pomiedzy cieplem, pojemnoscia i cisnieniem, kiedy rozmawiamy o gazie, czyli spalinach. Energia rosnie gdy mamy duza temperature, duze cisnienie w malej pojemnosci i energia maleje ze spadkiem temperatury, cisnienia, czy zwiekszeniem pojemnosci. Wiec, nasza fala wydechu opuszcza cylinder majac duza temperature i duze cisnienie. Laczy sie z innymi falami spalin z pozostalych cylindrow i wchodzi w maly przekroj wlotu turbiny. W tym momencie mamy spaliny o wysokiej temperaturze i duzym cisnieniu, czyli to bardzo duza energia. Spaliny przechodza przez wlot do turbiny czyli czesci o malym przekroju do czesci gdzie jest wiatrak, czyli komory o duzej pojemnosci. Odpowiednio, wiec sie rozszerzaja, zwalniaja i temperatura ich spada czyli oddaja cala ta energie na wiatrak, ktory odpowiednio usytulowany zaczyna sie krecic.No tak. Odzyskalismy czesc pracy z energi cieplnej, ktora i tak by uciekla przez uklad wydechowy. Mozna to latwo zmierzyc: Nalezy podlaczyc termometr do mierzenia temperatury spalin na wejsciu i wyjsciu spalin w celu wylapania roznicy ciepla. Raczej zjawisko niemierzalne (J.Sz)
Czyli inaczej mowiac, o czym to swiadczy?. Zakladajac, ze nic innego sie nie zmienia, sila z jaka turbinka sie kreci zalezy od roznicy cisnienia miedzy wlotem a wylotem spalin. Zeby zwiekszyc moc nalezaloby zwiekszyc cisnienie na wejsciu i zmniejszyc cisnienie na wyjsciu spalin z turbiny. Ale, cisnienie to temperatura, temperatura to cisnienie. Zwiekszenie cisnienia na wlocie jest teoretycznie mozliwe, ale trudne w wykonaniu. Zmniejszenie cisnienia ukladu wydechwego za turbo jest latwe. Nalezy zalozyc uklad wydechowy o wiekrzej srednicy. Slyszalem komentarze od innych ludzi ktorzy zalozyli sobie wieksze uklady, ze "turbo kreci sie teraz duzo szybciej".To dlatego, ze obnizajac cisnienie spalin po turbo, wzrosla roznica cisnien przed i po turbo, wiec spaliny maja teraz lepsza energie. Wtedy bedzie mniejszy spadek cisnienia doladowania przy maksymalnych obrotach, poniewaz kazdy uklad wydechowy ma swoj limit przepustowosci i kiedy przekroczy sie ten limit to wieksze cisnienie spalin tylko podnosi cisnienie na wyjsciu z turbo. Wieksze cisnienie na wyjsciu, czyli mniejsza roznica cisnienia przed i po turbinie, czyli slabsza praca, czyli mniejsze cisnienie doladowania.
Wyjasnilismy do tej pory, co to jest turbo, jak czesc, przez ktora przechodza spaliny pracuje. Wiec teraz jest czas na czesc kompresora w turbinie. Udalo nam sie zamienic energie spalin na prace dzieki turbince, wiec logiczne jest, ze wykorzystujac obroty turbinki mozemy polaczyc je z czescia kompresora i zwiekszyc cisnienie mieszanki. Inaczej mowiac, kompresor to turbinka pracujaca odwrotnie. Te same prawa fizyki tylko, ze dzialajace w odwrotna strone. Male cisnieniei mala temperatura mieszanki scisnieta przez czesc kompresora i otrzymamy duze cisnienie i duza temperature. Ta wysoka temperatura jest nam nie potrzebna i powroce do tego pozniej wtekscie. Czesc turbiny od strony spalin jest w zasadzie tak samo zbudowana jak czesc kompresora, ale nie sa identyczne. Powodem jest roznica miedzy zachowaniem sie mieszanki w czasie sprezania w stosunku do spalin. Dana ilosc powietrza spali sie w danej ilosci paliwa w stosunku 14:1.Po spaleniu mieszanki, objetosciowo bedzie duzo wiecej spalin niz powietrza, ktore sie spalilo, co powoduje duzo wieksze cisnienie spalin od cisnienia mieszanki, w zwiazku z tym budowa wiatrakow i ich obudowy jest inna. To nas wprowadza do tematu roznicy w budowie miedzy czescia turbiny i czescia kompresora.Turbiny sa wspanialymi urzadzeniami. Sa bardzo lekkie i produkuja duzo pracy, ale problemem jest ograniczona ilosc obrotow. To znaczy, wszystko pracuje jak najlepiej przy pewnych obrotach, gdzie przepustowosc jest najlepsza, ale gdy tylko obroty sie zmienia to wydajnosc spadnie. Gdy turbinka zakreci sie za szybko to skrzydelka w wiatraczku przestana areodynamicznie pracowac (beda sie krecily w prozni) i cisnienie spadnie.(180 .000 orb/min.)Zmniejszmy obroty i skrzydelka nie przepchna powietrza i cisnienie tez spadnie.
Przyklad:
Czolg marki M1A1 Abrams wazy okolo 55 ton i wiekszosc z tego to opancezenie.
(Zelazo i odszlachetniony uran). Ma turbine gazowa, ktora produkuje 1800 KM na kolach.. aaa....
gasiennicach, co wystarczy aby jechal z szybkoscia okolo 115 km/h. Silnik turbinowy jest strasznie maly i jezeli dobrze pamietam to wazy okolo 137 - 227 kg. Porownujac do ciezaru czolgu to jest nic. Oczywiscie, silnik ten jest tak zbudowany, aby najlepiej pracowal przy max. otwartej przepustnicy. Przy max. otwartej przepustnicy, silnik turbinowy spala mniej niz silnik diesla o podobnej mocy, ale kiedy obroty opadna to zuzycie na minute na wolnych obrotach jest wiekrze niz przy MOP (Maksymalnie Otwarta Przepustnica). Silniki turbinowe nadaja sie tam gdzie moga pracowac na stalych obrotach tak jak w czolgach, czy lodziach, samolotach czy w wyscigach Indy....W samochodach, gdzie obroty silnika sie zmieniaja, to silniki turbinowe sie nie nadaja (chyba, ze ktos wymysli skrzynie z nieograniczona iloscia przelozen). Wracajac do turboladowarek, to o czym to swiadczy?. Turbo jest wspanialym cackiem. Silnik musi dac wystarczajaca ilosc spalin aby turbo dalo najlepsze cisnienie przy MOP i sa urzadzenia limitujace sprezanie aby utrzymac turbo w stalych obrotach, wiec jezeli wiemy ile chcemy uzyskac cisnienia przy MOP i wiemy ile powietrza spalamy przy MOP na max. mocy, to mozemy wybrac turboktore da nam najlepsza prace w tym momencie.Hmmm.... wiec, co mozna zrobic?Mozemy wziasc mniejsze turbo. To jest bardzo wskazane, poniewaz mniejsze turbo ma mniejszy moment bezwladnosciowy i szybciej sie wkreci na obroty (i odpowiednie cisnienie)
Roznica miedzy otwarciem przepustnicy, a uzyskaniem cisnienia przez kompresor, popularnie nazywa sie ..... "turbolag" i jest nie lubiana przez wiekszosc urzytkownikow.Czy wiecie dlaczego turbo w 2G jest takie male?. Poniewaz, jest dopasowane do ilosci potrzebnego powietrza, aby przecietny Kowalski mogl spokojnie jezdzic, nie krecac silnika na 4500 obr/min. Zmniejszenie ["lag"] ma jeszcze jeden wazny efekt. Ktoregos dnia, jeden z naszych "fachowcow od silnikow" dostanie maszyne dynamometryczna i do mierzenia przelotow powietrza i wtedy zmierzymy pobranie powietrza przy ustalonym punkcie cisnienia i dopasujemy budoweturbo w tym punkcie ( jak to dokladnie zrobimy to tu nie ma na to miejsca, ale krotko porownamy mapki cisnienia) i bedziemy bardzo szybcy. Niestety, prawa fizyki sa nieublagane i poprzez scisniecie powietrza rowniez podniosla sie temperatura. Nie tylko.
Przez to, ze zmniejsza sie pojemnosc to zwiekrza sie prawdopodobienstwo detonacji.
Pamietajmy, ze mozliwosc detonacji czesto ogranicza moc jaka silnik moze wyprodukowac a podwyzszona temperatura (mierzona na zaworze ssacym) zwieksza ta mozliwosc. Musimy wiec ochlodzic powietrze tak, aby nie stracic cisnienia. To zadanie przypada chlodnicy intercooler'a. To jakby chlodnica powietrza usytuowana pomiedzy czescia kompresora a kolektorem ssacym. Tu nic w zasadzie nie mozna dodac, tylko ze:
1) im bardziej ochlodzi sie powietrze tym lepiej.Normalnie oznacza to, ze im wieksza chlodnica tym lepiej. Sa jednak chlodnice mniejsze z lepsza przepustowoscia niz niektore wieksze/tansze, wiec rozmiar nie zawsze swiadczy o efektywnosci.
Chlodnica taka powinna byc zaistalowana w miejscu gdzie moze byc chlodzona swobodnie przez normalne powietrze. W takim razie oznacza to, ze do chlodnicy i z chlodnicy, beda poprowadzone rury dolotowe i wylotowe. Nie mozna zamocowac chlodnicy np. na sciance.Stad te garby w maskach aut z silnikami turbo.2) Zawsze wystepuje spadek cisnienia w chlodnicy. Jak duzy ?.To zalezy od budowy chlodnicy.Zawor upustowy (przelotowy). : Turbo jest urzadzeniem gdzie im wiecej damy cisnienia tym wiecej dostaniemy z powrotem. Im wiecej powietrza scisniemy, tym wiecej spalimy mieszanki i dostaniemy wiecej spalin, co spowoduje podwyzszenie cisnienie powietrza i... kolko sie zamknie. W takim razie potrzebujemy jakies urzadzenie, aby ograniczyc niepotrzebny wzrost cisnienia. Co potrzebujemy, aby turbina krecila sie ze stala szybkoscia obrotowa w celu uzyskania max. cisnienia - chyba pamietacie, ze turbina daje najwieksza moc tylko przy jednej szybkosci obrotowej. Poniewaz, mierzenie obrotow turbinki jest raczej trudne, a stopien sprezania jest wprost proporcjonalny do obrotow turbiny, wiec utrzymanie stalego cisnienia jest zadaniem zaworu przepustowego.
Zawor taki to nic innego jak zwykly zawor, ktory otwiera sie gdy cisnienie wzrosnie ponad ustalona wielkosc i pozwala spalinom ominac turbinke. To powoduje, ze cisnienie spalin w turbince spada, co powoduje, ze turbinka zaczyna zmniejszac obroty. Jedynym problemem jest to, aby dostarczana ilosc spalin byla w stanie"przeleciec" przez zawor, tak aby w turbince mogly spasc obroty. Jezeli nie, to powstanie powolne zwiekszenie cisnienia spalin w turbince.Bardzo nie dobrze."Blow off Valve" . Przewaznie wszyscy lubia ten zawor ze wzgledu na glos jaki wydaje w czasie
pracy. Jednak, zawor upustowy to troche "szkodliwe" urzadzenie. Bierze "ciezko zarobione" cisnienie i posyla gdzies indziej. Niedobrze.
Musimy z tym jednak jakos pogodzic.A to dlaczego:Jestes na pelnym gazie majac max. cisnienie i turbo kreci sie w idealnych obrotach, wszystko wyglada perfekt...i wtedy - zmiana biegu. To znaczy, zdejmujesz noge z gazu i przepustnica sie zamyka. Raptownie, powietrze zamiast caly czas wlatywac do silnika uderza w zamknieta przepustnice. Turbo w tym czasie caly czas pracuje i kompresor wytwarza cisnienie, co powoduje, ze powietrze nie ma gdzie ujsc i cisnienie raptownie rosnie. W zasadzie, uderzenie cisnienia odbite od przepustnicy wraca do kompresora i dziala tak jak kij wlozony miedzy szprychy w rozkreconym kole roweru. Duza czestotliwosc z jaka takie cisnienie uderza w smigielka kompresora i ulozyskowanie, dziala jak hamulec i zwalnia obroty kompresorka i znowu trzeba
by bylo "rozkrecac" go od poczatku. Zawor upustowy jest instalowany w takim razie pomiedzy przepustnica a kompresorem i kiedy wyczuje pulsacje powracajacego powietrza to "wydmuchuje"cisnienie do atmosfery lub przed kompresorek. W takim razie stracimy cisnienie, ale utrzymamy obroty turbiny.... ciezko powiedziec bez pomocy dynamometru czy to sie oplaca w silniku wyscigowym. W silniku ulicznym jest to napewno dobry pomysl, poniewaz zaoszczedzamy koszty naprawy gdyby sie turbo popsulo.
Turbina z Lancii Delta Integrale HF 16V EVO, Garrett T3
: 18 lis 2012, 15:12
