A kompresszor, ami már majdnem turbó
A belső égésű motorok feltöltésének számtalan változatával kísérleteztek a múltban, melyek közül néhányat már korábban bemutattunk. Volt olyan időszak, amikor minden nagy teljesítményigényű megoldásnál fontolóra kellett venni a mechanikus feltöltés lehetőségét, ám ma már marginális nagyságú piaccal bír, Európában a személyautók között gyakorlatilag megszűnt a gyártása – az Egyesült Államok számít valószínűleg az egyetlen igazán érdemleges piacának.
A centrifugál kompresszor, melyről az alábbi cikkben részletesen bemutatunk, figyelemreméltó számokat produkált a saját korszakában, ezért mindenképp említésre méltónak tartjuk a hagyatékát.
Általános leírás
Minden egyes kompresszor végül ugyanarra törekszik: több levegőt akar juttatni a hengerek égésterébe, mint amennyit az önmaga által képzett vákuummal képes lenne beszívni.
Ennek érdekében az összes feltöltő valamilyen módon a légköritől nagyobb nyomásra sűríti a levegőt a szívószelep tányérja előtt, hogy amikor az nyílik, egységnyi idő alatt több gáz kerüljön be a hengertérbe.
A levegő összesűrítésére rengeteg különböző ötletet valósítottak meg, és ezek közül az egyik legnépszerűbb megoldássá a centrifugál kompresszor vált.
A neve beszédes, ugyanis ez a feltöltő a centrifugális erőt használja ki a légnyomás növelésére. Jellemzően a motor elejénél rögzítik, de mindenképp olyan pozícióba, ahol a kompresszor kereke meghajtható a forgattyús tengelyről. Ez általában szíjjal történik vagy fogaskerekes meghajtással történik.
Fontos információ, hogy mind a fogaskerekes, mint a szíjas kivitel általában tartalmazhat valamilyen áttételt. Előbbinél vagy klasszikus fogaskerék-áttételt alkalmaznak, utóbbinál pedig a szíjkerekek méretét alakítják úgy, hogy az áttétel megfelelő legyen. Ugyanakkor ez nem a kompresszor végleges áttétele – erre nemsokára kitérünk.
Felépítés, működés
Külső megfigyelőként azt gondolhatnánk, hogy a centrifugál kompresszor nagymértékben hasonlít a turbófeltöltőhöz. Noha küllemre tényleg mutatnak hasonlóságot, valójában teljesen más a működésük. A legfontosabb differencia, hogy a turbófeltöltő a kipufogógáz energiáját használja ki a megfelelő töltési nyomás felépítéséhez, míg a centrifugál kompresszor energiaellátását a belső égésű motor biztosítja.
Ennek a lényeges eltérésnek köszönhetően a kompresszor néhány előnyre is szert tesz a hátrányok mellett. Mivel nem találkozik a forró kipufogógázzal, jóval kisebb a hőterhelése, aminek köszönhetően az egész egység készülhet alumíniumból, ami könnyű, és kitűnő védekezés a korrózió ellen.
A centrifugál kompresszor négy fő részből áll: a kompresszorházból, a diffúzorból, a járókerékből és a fokozatváltóból.
A járókerék a rendszer lelke: tulajdonképp ennek a forgása felelő a rendszernyomás előállításáért. Számos különböző profil ismert, teljesítményének optimalizálása érdekében előszeretettel alkalmazzák az Euler-féle szivattyú- és turbina összefüggéseket.
A fokozatváltó nem más, mint egy különböző módokon fékezhető bolygómű.
A bolygómű egy összetett fogaskerék-fogaskoszorú kapcsolat, melyen keresztül úgy lehet áttételes hajtást biztosítani, hogy valamelyik elemét (a napkereket, a koszorúkereket, vagy a bolygókerekeket) fékezzük. Az áttétel mértéke attól függően változik, hogy melyik elemet fékezzük.
Így aztán egy kellően bonyolult vagy többszörözött bolygómű segítségével rengeteg különböző fokozatot létrehozhatunk, melyek között gyakorlatilag szabadon váltogathatunk, méghozzá különösebb késlekedés nélkül.
Ennek köszönhető az is, hogy a centrifugál kompresszor szinte észrevétlenül képes eljutni egészen magas fordulatszámokig – bizonyos változatok 100 000 fordulatnál többet is képesek megtenni percenként.
A nagy teljesítmény-igény viszont megköveteli, hogy ezt a fordulatszámot hosszabb távon is elviselje a rendszer, így a megmunkálásra vonatkozó előírások szigorúak, a tűréshatárok pedig rendkívül kicsik. Fő részei a fogaskerekek, a tömítések, a csapágyak és a tengelyek.
A centrifugál feltöltő tehát a motor által előállított mozgási energiát hasznosítja. A belső égésű motor áthajt a fokozatváltóra, amely valamilyen áttétellel forgatja a járókereket.
A járókerék forgása következtében levegő kerül a kompresszorházba, és a forgásból keletkező centrifugális erő a diffúzorba küldi azt.
A diffúzornak azért van jelentősége, mert bár lelassítja a levegőt, a nyomását tovább fokozza. Így a diffúzor végén, mely gyakorlatilag a szívórendszer elejét jelenti, nagy mennyiségű és nagy nyomású levegő várakozik arra, hogy bejusson a hengertérbe. A motorral való kapcsolatnak köszönhetően a reakcióidő rendkívül alacsony, a feltöltő kompakt mérete pedig tovább javítja ezt a tulajdonságot.
Előnyök
Arról már sok alkalommal esett szó, hogy miért nem éri meg a kompresszorokat alkalmazni a turbókkal szemben – most viszont megmutatjuk ennek a változatnak az előnyeit is.
Teljesítmény tekintetében nem feltétlen kiemelkedő a kivitel a többi mechanikus feltöltő között – például alacsony fordulatszámon a Roots-fúvó jóval nyomatékosabb –, ugyanakkor termodinamikai hatásfok tekintetében a legjobbnak számít a mezőnyben. A jelentősen kisebb hőfejlődésnek köszönhetően akár intercooler nélkül is hatékonyan alkalmazható.
Szintén említésre méltó az adiabatikus hatékonysága. A felhasznált energiából ez a típus képes a legtöbbet visszaforgatni a motorba.
A hatékony energiamenedzsmenthez hozzájárul a feltöltő rugalmas pozíciója is: messzebb lehet helyezni a motortól, ezáltal még hatékonyabbá tehető termodinamikai szempontból.
Gyakorlati megvalósítások
Kompakt mérete, könnyű szerelhetősége és stabilitása, valamint a kiemelkedő teljesítménynövekedés/költség arány révén nem csak az autóipar profitált a tulajdonságaiból. Különösen akkor vált ez jelentőssé, amikor a megmunkálási technológiák elérték azt a szintet, amikor már egészen precíz módon legyárthatók voltak az egyes elemek.
A személygépkocsikon túl találkozhatunk még centrifugál kompresszorral motorkerékpárokban, motorcsónakokban és szabadidőjárművekben (UTV, azaz Utility Terrain Vehicle) is.
Mi több, nem csak a közlekedési eszközök tették magukévá a technológiát. A korábban a Roots-fúvók által teljesen uralt piacra is betört, mely
Az üzemekben gyártott a termék- vagy tárolómozgatások létesítményen belüli mozgatása, amely korábban kizárólagosan a Roots-fúvók terepe volt, szintén olyan lehetőségeket nyitott a centrifugál kompresszor előtt, mellyel élni tudott.
