Turbo Technologies part I

Εικόνα burnout
Burn Out Team 19 Φεβ 2013

90 ολόκληρα χρόνια έχουν περάσει από την ημέρα που πρωτοεμφανίστηκαν οι υπερσυμπιεστές, αρχικά στους αγώνες και έπειτα στα αυτοκίνητα παραγωγής. Σήμερα, αρκετές δεκαετίες αργότερα, οι turbo κινητήρες είναι η βασική γραμμή των αυτοκινητοβιομηχανιών! Οι συνθήκες επιβάλουν “κινητήρες μικρού κυβισμού, με turbo”, επομένως είναι καλό να εναρμονιστούμε, έχοντας μάθει όλες τις πληροφορίες για αυτή την παλαιά, αλλά τόσο επίκαιρη τεχνολογία.

 

 

Όλοι γνωρίζουμε τι μπορεί να κάνει η υπερτροφοδότηση στον κινητήρα, αλλά όλα τα τούρμπο δεν είναι ίδια. Υπάρχουν αμέτρητες παραλλαγές, όλες με διαφορετικά χαρακτηριστικά που ταιριάζουν σε διαφορετικούς τύπους κινητήρων. Σε αυτό το αφιέρωμα θα εξετάσουμε τι κάνει ένα τούρμπο και πώς λειτουργούν τα εξαρτήματά του, τους διαφορετικούς τύπους τουρμπινών και την επιρροή τους στην απόδοση του μοτέρ – επίσης θα μιλήσουμε και για νέες τεχνολογίες. Συνέχισε να διαβάζεις και θα καταλάβεις καλύτερα τον κόσμο των βελτιωμένων υπερτροφοδοτούμενων αυτοκινήτων...

Τι είναι το τούρμπο?

Τα τούρμπο, ή συμπιεστές εξάτμισης, είναι συσκευές υπερτροφοδότησης αέρα. Τροφοδοτούν δηλαδή τον κινητήρα με πεπιεσμένο αέρα, αντί να τον αφήνουν να χρησιμοποιεί τον αέρα σε ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό δίνει την δυνατότητα στον κινητήρα να αυξήσει πολύ την απόδοσή του. Τα τούρμπο καταφέρνουν να συμπιέζουν τον αέρα χρησιμοποιώντας μια φτερωτή συμπίεσης αέρα, που περιστρέφεται γρήγορα – κάποιες φορές με πάνω από 100.000 rpm. Η φτερωτή συμπίεσης παίρνει κίνηση από την ροή καυσαερίων που περιστρέφει μια δεύτερη φτερωτή που είναι συνδεδεμένη με τον συμπιεστή μέσω ενός σταθερού άξονα.

Ακούγεται απλό, και θεωρητικά είναι. Το να κάνεις όμως ένα τούρμπο να λειτουργεί αποτελεσματικά, πρέπει να ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά του κινητήρα και με την χρήση που γίνεται. Και αυτό σημαίνει αμέτρητες επιλογές και μεταβλητές που πρέπει να ληφθούν υπόψιν.

Γιατί τούρμπο?

Γιατί λοιπόν να χρησιμοποιήσεις συμπιεστή εξάτμισης αντί για μηχανικό συμπιεστή ή νίτρο? Όλοι οι τύποι αύξησης της ιπποδύναμης έχουν τα πλεονεκτήματά τους, αλλά συνολικά, ιδιαίτερα στον χώρο της βελτίωσης, το τούρμπο είναι ο βασιλιάς.

Οι ατμοσφαιρικοί κινητήρες έχουν, σε σχέση με τα τούρμπο, πλεονεκτήματα λόγω της απλούστερης λειτουργίας τους και της καλής απόκρισης. Ωστόσο είναι πιο δύσκολο να τους βελτιώσεις σε ισχύ και ροπή σε σύγκριση με τους κινητήρες με τούρμπο.

Τα μοτέρ με μηχανικό συμπιεστή (κομπρέσσορα) έχουν παρόμοια απόκριση με τα ατμοσφαιρικά και καλή απόδοση σε όλες τις στροφές, αλλά παράγουν λιγότερη δύναμη συνολικά από εκείνα με συμπιεστή εξάτμισης, είναι λιγότερο αποτελεσματικά και από πλευράς βελτίωσης είναι δυσκολότερα στην τοποθέτηση και την τροποποίηση.

Από πλευράς απόδοσης καθαρά, το νίτρο είναι το απόλυτο όπλο. Ωστόσο, αν το χρησιμοποιείς συνέχεια κοστίζει αρκετά, και το να το χρησιμοποιείς σε κάποιο σύστημα που να σου επιτρέπει να το δουλεύεις αποτελεσματικά ακόμα και όταν πατάς προοδευτικά το γκάζι – όχι μόνο με τέρμα γκάζι δηλαδή – κοστίζει ένα σωρό λεφτά.

Συνολικά λοιπόν, παρότι υστερούν σε απόκριση σε σχέση με τις άλλες επιλογές, τα τούρμπο προσφέρουν τεράστια κέρδη σε απόδοση με συγκριτική ευκολία, αξιοπιστία και χαμηλότερο κόστος.

Η ιστορία των τούρμπο

Θα σου κάνει εντύπωση όταν μάθεις ότι το τούρμπο εφευρέθηκε πάνω από 100 χρόνια πριν, το 1905, και ότι το 1917 δοκιμαζόταν ήδη σε αεροπλάνα.

Τα πρώτα τούρμπο χρησιμοποιούντο σχεδόν αποκλειστικά σε πετρελαιοκινητήρες και η πρώτη τους χρήση σε τροχήλατο όχημα έγινε το 1938. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες των καυσαερίων των βενζινοκινητήρων έκαναν τα τούρμπο να χαλάνε εύκολα, αλλά η εταιρεία από τις ΗΠΑ, General Electric, επέμενε και χρησιμοποίησε επιτυχημένα τα τούρμπο σε βενζινοκίνητα αεροπλάνα του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου.

Το πρώτο αγωνιστικό αυτοκίνητο τούρμπο εμφανίστηκε στο Indy 500 το 1952 και είχε κινητήρα πετρελαίου. Τον ίδιο καιρό διατίθεντο και τα πρώτα αυτοκίνητα παραγωγής, κάποια μεγάλα φορτηγά, με κινητήρες τούρμπο.

Η υπερτροφοδότηση σύντομα άνθισε και μέσα σε δέκα χρόνια τα αγωνιστικά αυτοκίνητα με τούρμπο ήταν κοινός τόπος, ενώ τα πρώτα επιβατηγά αυτοκίνητα με τούρμπο ουσιαστικά έκαναν αισθητή την παρουσία τους την δεκαετία του 1960.

Στα τέλη της δεκαετίας του ’70 υπήρχαν αγωνιστικά αυτοκίνητα με τούρμπο που ξεπερνούσαν τα 1.000 άλογα, και τα αυτοκίνητα δρόμου με τούρμπο άρχισαν να γίνονται σύνηθες θέαμα.

Βασικά εξαρτήματα τούρμπο

Κέλυφος συμπιεστή

Εδώ μέσα βρίσκεται ο συμπιεστής του αέρα, και είναι η αλουμινένια συσκευή με σχήμα σαλιγκαριού που όλοι συνδέουν με το τούρμπο. Είναι σφραγισμένο, με μια εισαγωγή στο κέντρο (αναρρόφηση) και μια εξαγωγή στο άκρο του σπιράλ. Το κέλυφος του συμπιεστή καθαυτό, όπως και η εισαγωγή και η εξαγωγή του, μπορεί να διαφέρει τρομερά σε μέγεθος, ανάλογα με το μέγεθος του συμπιεστή και την χρήση για την οποία προορίζεται.

Κέλυφος τουρμπίνας

Το κέλυφος της τουρμπίνας, ή αλλιώς μαντέμι (για να αντέχει τις υψηλές θερμοκρασίες των καυσαερίων), έχει παρόμοιο, σαλιγκαροειδές σχήμα με το κέλυφος του συμπιεστή. Είναι τοποθετημένο μεταξύ της πολλαπλής εξαγωγής και του συστήματος εξάτμισης και στεγάζει την τουρμπίνα. Η ροή καυσαερίων κινείται αντίθετα με την ροή αέρα στον συμπιεστή, με τα καυσαέρια να εισέρχονται από το άνοιγμα στο άκρο του σαλιγκαριού και να εξέρχονται μέσω της τρύπας στο κέντρο.

Φτερωτή συμπιεστή

Πρόκειται για μια φτερωτή που, μέσω της περιστροφής του, ρουφά τον αέρα μέσα στο κέλυφος του συμπιεστή και τον στέλνει στο κινητήρα.

Είναι συνδεδεμένος με σταθερό άξονα - που διαπερνά κάθετα το κέλυφος - με την φτερωτή της τουρμπίνας και επομένως, όταν τα καυσαέρια περιστρέφουν την τουρμπίνα, εκείνη με την σειρά της περιστρέφει τον συμπιεστή.

Φτερωτή τουρμπίνας

Η τουρμπίνα είναι μια φτερωτή παρόμοιου σχεδίου με τον συμπιεστή. Τα καυσαέρια που ρέουν μέσα στο μαντέμι την περιστρέφουν, και εκείνη περιστρέφει τον άξονα του συμπιεστή - και επομένως τον ίδιο τον συμπιεστή.

Κεντρικό σώμα

Το σώμα βρίσκεται στο κέντρο του τούρμπο, μεταξύ του συμπιεστή και της τουρμπίνας, και μέσα του συμβαίνουν αρκετά που διατηρούν εν ζωή το τούρμπο.

Στην κορυφή του εισέρχεται από τον κινητήρα λάδι υπό πίεση, που ψύχει και λιπαίνει τον άξονα και τα ρουλεμάν, που βρίσκονται τοποθετημένα στο κέντρο του. Μέσα στο σώμα κυκλοφορεί επίσης νερό, για ενίσχυση της ψύξης.

Άξονας τουρμπίνας

Ο άξονας αυτός συνδέει την τουρμπίνα με τον συμπιεστή. Μέσα στο σώμα, ο άξονας υποστηρίζεται από δύο ρουλεμάν ή δαχτυλίδια.

Τύποι ρουλεμάν τούρμπο

Πλεούμενου τύπου

Τέτοιου τύπου εξαρτήματα χρησιμοποιεί η συντριπτική πλειονότητα των εργοστασιακών αυτοκινήτων με τούρμπο, και λειτουργούν παρόμοια με τα ρουλεμάν στον κινητήρα. Αυτά τα δαχτυλίδια που αγκαλιάζουν τον άξονα είναι συνήθως κατασκευασμένα από μέταλλο και «πατάνε» πάνω σε μια λεπτή στρώση πεπιεσμένου λαδιού.

Στα συμβατικά τούρμπο υπάρχουν συνήθως τρία ρουλεμάν μέσα στο σώμα: δύο στενά με μεγάλο πάχος σε κάθε πλευρά του άξονα, που τον συγκρατούν από την επίδραση των δυνάμεων περιστροφής και ένα φαρδύ και λεπτό, που λέγεται θρος, και αναλαμβάνει να συγκρατεί τα διαμήκη φορτία στον άξονα.

Ένσφαιρα ρουλεμάν (ρουλεμανάτες τουρμπίνες)

Αυτός ο τύπος ρουλεμάν γίνεται όλο και διασημότερος στον χώρο της βελτίωσης.

Παρότι θεωρείται “νέος” τύπος ρουλεμάν, είναι ουσιαστικά το ίδιο στυλ που χρησιμοποιείτο συνήθως μέχρι την δεκαετία του ’50. Ωστόσο, τότε δεν υπήρχε η κατάλληλη τεχνολογία για να αποδώσει κατάλληλα. Το κεντρικό τμήμα του ρουλεμάν καλύπτει τον άξονα της τουρμπίνας και στις άκρες του περιέχει δύο ένσφαιρους τριβείς, που συγκρατούν τα φορτία που τείνουν να προκαλέσουν περιστροφική και αξονική κίνηση στον άξονα, εκμηδενίζοντας την ανάγκη για χρήση δύο διαφορετικών ρουλεμάν για κάθε είδος φορτίου.

Τα ένσφαιρα ρουλεμάν αντέχουν περισσότερες πιέσεις από τα συμβατικά δαχτυλίδια και μειώνουν επίσης την ανάγκη για λίπανση χάρη στην έμφυτα μικρή τριβή που δημιουργείται από την επαφή των μεταλλικών σφαιρών στον άξονα. Το πιο διάσημο πλεονέκτημα των ρουλεμάν τέτοιου τύπου είναι το γρηγορότερο «γέμισμα» του τούρμπο λόγω μικρότερης αντίστασης και η μικρότερη υστέρηση λόγω της μικρότερης ανάγκης για λίπανση. Στην πραγματικότητα η διαφορά δεν είναι μεγάλη αν χρησιμοποιήσεις τέτοια ρουλεμάν, αλλά πρόκειται για μια πολύ χρήσιμη προσθήκη σε οποιοδήποτε τούρμπο.

Πώς επηρεάζουν την απόδοση τα εξαρτήματα του τούρμπο

Διάμετρος inducer

Ο inducer είναι το πρώτο νοητό επίπεδο των λεπίδων του συμπιεστή, και το μέγεθός του δίνει μια σχετικά ακριβή ένδειξη για την ισχύ που μπορεί να παράγει ένας συμπιεστής συγκεκριμένης διαμέτρου. Όσο μεγαλύτερη η διάμετρος του inducer τόσο μεγαλύτερη η ροή και επομένως η παραγόμενη ισχύς.

Διάμετρος exducer

Πρόκειται για το εξωτερικό άκρο του συμπιεστή, όπου “βρίσκει” ο αέρας πριν βγει από το τούρμπο. Το μέγεθός του σε σχέση με την διάμετρο του inducer είναι σημαντικός παράγοντας στον καθορισμό της μέγιστης πίεσης που αντέχει να χρησιμοποιήσει ένας συμπιεστής. Όσο μεγαλύτερος exducer, τόσο μεγαλύτερη και η πίεση που μπορεί να παραχθεί.

Wheel trim συμπιεστή

Το wheel trim είναι ο όρος για την διαφορά μεταξύ του μεγέθους του inducer και του exducer – και αυτή η διαφορά στο μέγεθος προκαλεί αρκετά πράγματα να συμβούν. Όπως ανέφερα νωρίτερα, όσο μεγαλύτερο το inducer του συμπιεστή, τόσο μεγαλύτερη η ροή που μπορεί να διαχειριστεί ο συμπιεστής. Όμως, όσο μεγαλύτερο το inducer σε σχέση με το exducer (που αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο αριθμό wheel trim, αν και δεν θα σε κάνω να βαρεθείς με υπολογισμούς), τόσο πιο αργή η απόκριση του τούρμπο, αλλά και τόσο μεγαλύτερες οι πιθανότητες να συμβεί το compressor surge, δηλαδή να βγει η τουρμπίνα εκτός χάρτη λειτουργίας και να ρουφάει κενό αντί για αέρα με καταστροφικές συνέπειες για αυτήν. Από την άλλη, αν αυξήσεις το μέγεθος του exducer χωρίς να αυξήσεις το inducer (δηλαδή, χαμηλότερος αριθμός wheel trim), το τούρμπο θα υστερεί λιγότερο και θα είναι λιγότερο επιρρεπές στο compressor surge. Στην πραγματικότητα όλα τα τούρμπο πρέπει να διαθέτουν την κατάλληλη αναλογία μεταξύ των μεγεθών inducer και exducer, και η αλλαγή του wheel trim συνήθως χρησιμοποιείται για μικρορυθμίσεις όμοιων τούρμπο για κάποια συγκεκριμένη χρήση – κάτι ανάλογο με την αλλαγή της αναλογίας A/R στην πλευρά της τουρμπίνας.

Λόγος A/R

Ο λόγος A/R είναι βασικά ένα νούμερο που δείχνει το μέγεθος του κελύφους της τουρμπίνας. Το Α είναι το εμβαδόν της διατομής του κελύφους και το R είναι η ακτίνα – δηλαδή η απόσταση μεταξύ του κέντρου περιστροφής του άξονα του τούρμπο και του κέντρου της διατομής. Οι τιμές A/R εκφράζονται ως ,63, 85, 1,15 κ.λπ.: όσο μεγαλύτερη η τιμή A/R, τόσο μεγαλύτερη η χωρητικότητα του κελύφους. Το μεγαλύτερο A/R σημαίνει ότι η ροή καυσαερίων στην τουρμπίνα είναι μεγαλύτερη – και επομένως η παραγόμενη δύναμη περισσότερη, αλλά εις βάρος της απόκρισης. Ο υπερβολικά μεγάλος A/R θα αυξήσει τρομερά την υστέρηση, αλλά και υπερβολικά μικρή τιμή A/R μειώνει την απόδοση στις ψηλές στροφές. Με παρόμοιο τρόπο με το wheel trim του συμπιεστή, τα περισσότερα τούρμπο μπορούν να... οικειοποιηθούν τρεις ή τέσσερις τιμές Α/R για να ρυθμιστούν κατάλληλα για την εκάστοτε χρήση τους. Και τα κελύφη των συμπιεστών διαθέτουν τιμές A/R: αγνόησέ τις. Ο λόγος A/R επηρεάζει ελάχιστα την πλευρά της συμπίεσης.

Σχήμα λεπίδων συμπιεστή

Άλλο ένα πράγμα που διαφέρει από τούρμπο σε τούρμπο, ακόμα και μεταξύ εκείνων με ίδια διάμετρο φτερωτής και wheel trim, είναι το σχήμα των λεπίδων της φτερωτής. Παρότι είναι ένα θέμα πολύ σύνθετο για να εξηγηθεί με λεπτομέρεια, αυτές οι λεπίδες διαθέτουν καμπύλες διαφόρων ακτίνων και γωνίες διαφόρων μοιρών, σχεδιασμένες ώστε να ταιριάζουν στην χρήση κάθε τούρμπο.

Κομμένες λεπίδες

Συχνά ακούς τον όρο κομμένες λεπίδες (ή λεπίδες cut back) που χρησιμοποιείται όταν η συζήτηση αναφέρεται σε υβριδικά τούρμπο για βελτιωμένα αυτοκίνητα. Αυτό που εννοεί ο όρος είναι ότι οι λεπίδες της τουρμπίνας είναι “ψαλιδισμένες”, κάνοντας ουσιαστικά μικρότερη την φτερωτή της τουρμπίνας, πράγμα που αυξάνει την ροή στο μαντέμι και πιθανώς και την ισχύ. Δυστυχώς, μειώνει την αποτελεσματικότητα (μήπως θέλει να πει την αντοχή Νίκο?) του τούρμπο και αυξάνει την υστέρησή του – γενικά, δεν συνιστάται για σύγχρονα τούρμπο.

Τρυπημένο κέλυφος συμπιεστή

Κοιτώντας την αναρρόφηση στον συμπιεστή, το τρυπημένο κέλυφος συμπιεστή είναι οι θύρες τριγύρω από την αναρρόφηση του συμπιεστή. Αυτές οι θύρες είναι τοποθετημένες σε ύψος μεταξύ του ορίου της εισαγωγής αέρα και της εξωτερικής διαμέτρου του συμπιεστή και είναι σχεδιασμένες ώστε να εμποδίζουν το compressor surge.

Χωρισμένη διατομή τουρμπίνας

Για να χρησιμοποιήσεις τουρμπίνα με την διατομή του κελύφους του μαντεμιού χωρισμένη σε δύο τομείς, πρέπει και να την συνδυάσεις και με χωρισμένη στα δύο πολλαπλή εξαγωγής. Το χώρισμα στα δύο είναι χρήσιμο επειδή, διαχωρίζοντας την ροή των καυσαερίων, “ταΐζεις” την τουρμπίνα με πιο διακριτούς παλμούς καυσαερίων, αντί να της παρέχεις ένα μεγάλο κύμα καυσαερίων – και αυτό βοηθά το τούρμπο να γεμίζει πιο εύκολα, ιδιαίτερα στις χαμηλές στροφές. Το δεύτερο πλεονέκτημα της χωρισμένης διατομής και πολλαπλής εξαγωγής είναι ότι αυξάνει την ισχύ, διατηρώντας χωριστά την ροή καυσαερίων που προέρχεται από κάθε κύλινδρο.

Εσωτερική wastegate

Οι wastegates χρησιμοποιούνται για να επιτρέπουν στα καυσαέρια να παρακάμπτουν την τουρμπίνα εμποδίζοντάς την να υπερστρέφει και συνεπώς δίνοντάς σου την δυνατότητα να ελέγχεις την πίεση. Η εσωτερική wastegate είναι ένα διάφραγμα τοποθετημένο στο κέλυφος της τουρμπίνας, που πιέζεται από ένα ελατήριο που ελέγχεται από έναν actuator, την πίεση του οποίου πρέπει να υπερνικήσει η πίεση των καυσαερίων, ώστε να ανοίξει το διάφραγμα. Οι εσωτερικές wastegates τοποθετούνται συνήθως σε μικρά τούρμπο, επειδή ο ρυθμός αποβολής των καυσαερίων που μπορούν να επιτύχουν είναι μικρότερος από ότι των εξωτερικών wastegates, που για αυτόν τον λόγο προτιμώνται σε μεγαλύτερους στροβιλοσυμπιεστές.

Εξωτερική wastegate

Οι εξωτερικές wastegates υπηρετούν τον ίδιο σκοπό με τις εσωτερικές, αλλά είναι ξεχωριστά εξαρτήματα.

Γενικά αποβάλλουν μεγαλύτερο όγκο καυσαερίων από τις εσωτερικές. Ο λόγος που χρησιμοποιούνται είναι επειδή τα μεγάλα τούρμπο χρειάζονται μεγαλύτερη παράκαμψη καυσαερίων για να μην καταστραφούν από την υπερβολική αύξηση της πίεσης (overboosting), ιδιαίτερα σε τουρμπίνες που λειτουργούν σε χαμηλές πιέσεις υπερπλήρωσης. Το δεύτερο πλεονέκτημα των εξωτερικών wastegates είναι πως, αν το σύστημα εξάτμισης είναι σχεδιασμένο καλά, παρέχουν καλύτερη ροή καυσαερίων, αυξάνοντας συνολικά την απόδοση – ιδιαίτερα όταν το τούρμπο βρίσκεται στα όριά του.

Υλικά εξαρτημάτων

Παρότι η πλειονότητα των τούρμπο αποτελείται από φτερωτές και κελύφη συμπιεστή από αλουμίνιο, ατσάλινους άξονες και σιδερένια κελύφη τουρμπίνας, υπάρχουν αμέτρητες παραλλαγές στα υλικά ανάλογα με τα θερμικά φορτία και την εκάστοτε εφαρμογή για την οποία προορίζονται.

Οι πετρελαιοκινητήρες κανονικά αρκούνται στην χρήση συμβατικών υλικών, επειδή τα καυσαέριά τους έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία από ότι των κινητήρων βενζίνης. Ωστόσο, σε βενζινοκινητήρες υψηλής απόδοσης συνήθως χρησιμοποιούνται πιο εξωτικά υλικά, που αντέχουν περισσότερη θερμότητα.

Τα κελύφη τουρμπινών υψηλής απόδοσης συνήθως αποτελούνται από ένα κράμα σιδήρου ονόματι Ni Resist, που περιέχει μεγάλο ποσοστό νικελίου για αντοχή σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, ενώ κάποια κατασκευάζονται ακόμα και από ΗΚ30, ένα πανάκριβο κράμα ατσαλιού και Inconel (που είναι και αυτό ένα κράμα που περιέχει νικέλιο).

Οι φτερωτές τουρμπινών υψηλής απόδοσης συνήθως κατασκευάζονται από Inconel, αλλά σε ακραίες καταστάσεις κατασκευάζονται από MarM247, που διαθέτει εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξης. Επίσης, κάποιες φορές κατασκευάζονται από τιτάνιο ή ακόμα και από κεραμικά υλικά για μικρότερο βάρος και καλύτερη απόκριση – αν και οι κεραμικές φτερωτές είναι αρκετά εύθραυστες σε σχέση με τις μεταλλικές.

Οι φτερωτές και τα κελύφη συμπιεστή δεν δέχονται τόσο μεγάλα θερμικά φορτία όσο η τουρμπίνα, και έτσι είναι εφικτό να κατασκευάζονται από μαγνήσιο σε ακραίες περιπτώσεις, εξοικονομώντας αρκετό βάρος συγκριτικά με τα συμβατικά κράματα.