Feltöltött motorok - Feltöltési eljárások

Most, hogy tisztában vagyunk a feltöltés alapjaival, tekintsük át részletesen a legfontosabb feltöltési eljárásokat.

1. Turbófeltöltés

A turbófeltöltés a motor kipufogógázainak energiáját hasznosítja. A motorból a kipufogógáz-vezetéken keresztül távozó nagy sebességű égéstermékek energiáját felhasználva a turbófeltöltő turbinája hajtja a vele egy tengelyre csapágyazott kompresszort, ami a friss töltetet beszívja és túlnyomással a hengerbe tolja. Bár a feltöltő a motor forgó részeivel nincs kapcsolatban a turbina miatt, a kipufogó-vezetékben megnövekedett nyomástöbblet ellenállásként jelenkezik, és visszahat a motor működésére és teljesítményére.

Azt már tudjuk, hogy a turbót helyesen gázturbinának hívjuk, de a gázurbina, az ÁRAMLÁSTANI ELVEN MŰKÖDŐ TÖLTŐK csoportjába tartozik.

A turbófeltöltés esetén a kipufogás nem közvetlenül a szabad levegőben történik, kitoláskor a dugattyúnak többnyire munkát kell végeznie, mert a hengerből kiömlő gáz mozgási ill. hőenergiája önmagában nem elegendő ahhoz, hogy a turbina akkora teljesítményt szolgáltasson, amekkora a töltő hajtásához szükséges. Ezért a kipufogó-vezetékben nő a nyomás, ami viszont visszahat a motorra, mert a dugattyúnak az égésterméket nagyobb nyomás ellenében kell kitolnia. A szívási (töltési) ütem folyamán a feltöltő által biztosított – a környezeti nyomásnál általában nagyobb - nyomáson jut a töltet a hengerbe. A gázturbina motorhoz illesztésétől (hangolásától) és a motor üzemállapotától függően a töltetcsere lehet negatív, akkor a gázturbina működéséhez teljesítményt von el a motortól, ha pozitív, akkor a motor teljesítményét növeli.

Érdekességképpen megemlítem, hogy lehet akár elméletileg zérus is. Ilyenkor eszembe jut barátom aranyköpése, mikor is egy autó megfelelő teljesítménynövelő és pénztárcacsökkentő kúra után lefutotta a bejáratásra, kiirt időt, és forszírozott üzemmódba került, - na most meglátjuk, hogy negatív tuningot követtünk el, vagy nem csináltunk semmit, vagy az történt, amit akartunk!

Ahhoz, hogy a töltetcsere-folyamat munkája pozitív legyen a kis áramlási veszteségek mellett, a motor munkapontjának a feltöltő jellemező jó hatásfokú tartományába kell esnie. Azt hiszem, ezen információk tudatában van egy kialakult kép bennetek, hogy nem egy egyszerű, egy gyárilag szívómotornak tervezett motor turbósítása. De nem lehetetlen. Megfelelő felkészültséggel a legtöbb belsőégésű motort fel lehet tölteni üzembiztosan, és jó hatásfokkal. Hogy hogyan tudjuk megváltoztatni egy motor munkapontját azzal a későbbiekben, foglakozunk. Most nézzük meg a töltő szerkezeti felépítését:

Az gázturbina három részre osztható.

1. Beömlőcsatorna
   A beömlőcsatorna feladata a járókerékbe való leválásmentes levegőbeömlés előfeltételeinek a megteremtése.
2. Járókerék
   A járókerék feladata a levegő energiatartalmának a növelése: a járókerékkel közölt mechanikai munka növeli a levegő energiatartalmát, mozgási és nyomási energiáját.
3. Nyomótér.
   A nyomótér (vezetőlapátozás, csigaház diffúzor) feladata a járókerékből kiömlő levegő feleslegesen nagy sebességének csökkentése, ezáltal a nyomás további növelése.

2. Mechanikus feltöltés

A mechanikus feltöltéshez közvetlenül a motor főtengelyéről, többnyire megfelelő – esetenként szabályozható, vagy lekapcsolható -, áttételen keresztül nyerik a működéshez szükséges energiát. A feltöltő beszívja, majd elősűrítve továbbítja a friss töltetet a motor hengereibe. A mechanikus feltöltő nyomásviszonya (a feltöltő utáni és előtti töltetnyomások hányadosa) kisebb, mint a gázturbináé. A mechanikus feltöltő által felvett teljesítmény, a motor hasznos (effektív) teljesítményét csökkenti. A kipufogás a szabad levegőbe történik, így az égéstermékek kitolása a kipufogó oldali ellenállások leküzdéséhez szükséges nyomáson történik. Tehát a mechanikus feltöltő hatásfoka kisebb, mint a gázturbináé.

De már kis töltőnyomás is elegendő ahhoz, hogy a negatív töltetcsere eltűnjön, és pozitívvá váljon. Mivel a mechanikus feltöltő a motor főtengelyéröl kapja a meghajtást, a motor legtöbb üzemállapotára a pozitív töltetcsere-munka jellemző. Itt jelenkezik a mechanikus feltöltés előnye, miszerint már kis fordulaton is van töltőnyomás.
Itt két csoportot különböztetünk meg: belső sűrítés nélküli töltők, és a belső sűrítéssel működő töltők.

A belső sűrítés nélküli töltők (Roots-fúvók)

A Roots-fúvó lényegében egy különleges fogazatú fogaskerék-szivattyú. Ez a fogazat csak a közeget szállítja, a két forgódugattyút külön fogaskerékpár kapcsolja össze. A Roots-fúvó belsejében nincs sűrítés, a fogak csak áttolják a (foghézagokban lévő) közeget a nagynyomású térben, és a már előzőleg odaszállított közeg végzi a sűrítést, miközben részben visszaáramlik a töltőbe. A töltőbe periódikusan visszaáramló levegő lengésfolyamatokat hozhat létre, egyenlőtlen szállítást és jelentős zajt okoz. Maga a veszteség ott jelentkezik, hogy a dugattyúnak nem csak a szállított mennyiséget kell a nagyobb nyomás ellenében kitolnia, hanem azt a mennyiséget is, amely a szállított közeg egyidejű sűrítésekor visszaáramlott. Nagyobb fordulatoknál a Roots-fúvók teljesítményszükséglete és a szállított közeg hömérségletének növekedése kedvezőtlenül nagy.

Belső sűrítéssel működő töltők (csavarkompresszorok)

A belső sűrítéssel működő töltők sűrítik a közeget mielőtt azt a nagynyomású térbe szállítanák. Sűrítési folyamatuk miatt, az összhatásfokuk jobb a belső sűrítés nélkül működő töltőkénél. Két egymással szemben forgó dugattyújának konvex és a konkáv fogazata egymásba illeszkedik, és a levegő addig komprimálódik a csavarhornyokban, amíg el nem éri a kiömlő csonk vezérlőélét. A csavardugattyúk nem érintik sem egymást, sem a ház falát.

Forgásukat esetenként 1:1 áttételtől eltérő fogaskerékpár szinkronizálja. Jó áramlástecnikai kiképzés és megfelelően pontos gyártás esetén az elérhető fordulatszám nagyobb, mint a Roots-fúvók esetén. A Roots-fúvóknál kb. 50m/s kerületi sebesség a felső határ, csavarkompresszoroknál 100 m/s is megvalósítható jó hatásfokkal. Viszont az elméleti szállítási térfogat kb. 30% kisebb mint a Roots-fúvók esetében.


3. Nyomáshullám-feltöltés

A nyomáshullám-feltöltés azt a feltöltő hatást használja ki, ami a szívó és a kipufogórendszerben a motor szelepei által periódikusan gerjesztett gázoszlopok lengéséből ered. Hatásossága csak egy szűk fordulatszám-tartományra terjed ki (rezonancia-fordulatszám és környéke).

Ezen a problémán például üzem közben is változtatható hosszúságú szívócsővel segítenek, amelynek segítségével az a fordulatszám-tartomány, amelyben az eljárás hatásos, jelentősen kiterjesztető.
A rezonancia fordulatszám(ok)on kívüli értékeknél ez a szerkezet a motor működését nem befolyásolja, illetve rontja.

A nyomáshullám feltöltésének két módja terjedt el.

Lengőcsöves feltöltés

Lengőcsöves feltöltésnél a szívószelep nyitásakor a szívócsőben keletkezett szívóhullám a cső, vagy az elosztó tartály nyitott végétől nyomáshullámként verődik vissza. Megfelelő hosszúságú (hangolt) cső esetén, a kívánt motorfordulatszámnál a nyomáshullám akkor érkezik a szívószelephez, amikor a dugattyú szívóhatása erősen csökken (szívólöket vége), egyben a szívószelep zárása előtt – a hengerből a szívóvezetékbe történő visszaáramlást is csökkenti. A feltöltési hatást általában fokozzák a kipufogócső hangolásával, amikor is a kipufogószelep nyitásával gerjesztett nyomáshullám verődik vissza szívó (depresszió) hullámként a csőbe. Megfelelő hosszúságú (hangolt) cső esetén a kívánt motorfordulatszámnál a depresszió-hullám röviddel a kipufogószelep zárása elött alacsony ellennyomást hoz létre, így több maradékgáz távozhat a hengerből, aminek a hatására a töltési fok növekszik.

Rezonancia feltöltés

Rezonancia feltöltésnél a motor hengereinek szívóoldalára, egy önlengésre képes tartály-cső rendszert csatlakoztathatnak és ezt geometriailag, úgy alakítják ki, hogy a hengerek periodikus szívási ciklusai a tartály-cső rendszer önlengés számával (saját frekvenciájával) megegyeznek. A rendszer a rezonancia fordulatszámon a motor valamennyi hengerét tölti.


Tehát rajtatok áll, hogy melyik feltöltési eljárást választjátok, no meg a pénztárcátokon. A legolcsóbb megoldás kétség kívül a rezonancia feltöltés, amihez nem kell magát a motort megbontani, és nem befolyásolja drasztikusan a motor élettartalmát, de mivel nincs benne annyi tartalék, vagy fogalmazhatnék úgy is „fantázia” mint a turbófeltöltésben, emiatt nem is nagyon alkalmazzák tuning-berkekben.

Pedig a kihegyezett szívómotornál kötelező lépésnek tartom, nem hiába használja, pl. a BMW is az M-es motorjaiban. Maga a mechanikus feltöltés sajnos számunkra igen költségigényes, de ez a megoldás is figyelemre méltó. A lengőcsöves feltöltés, precíz és bonyolult felépítése miatt rendkívül nehéz feladat, ember legyen a talpán, aki belevág.

Tény viszont, hogy aki nagyot akar „durrantani” általában a turbófeltöltést választja.

Következő cikkünkben magáról a széria szívómotor turbómotorrá építésének korlátairól, és lehetőségeiről lesz szó.