Az elsőszámú teljesítményfokozó

Száz évnél is hosszabb múltra tekint vissza a turbófeltöltő, ám az autóipari alkalmazása sokkal később kezdődött el. Abban viszont biztosak lehetünk, hogy amíg a belső égésű motorok jelen lesznek a piacon, addig a turbóval is fogunk találkozni. Ez a fogalom összenőtt az autózással nem csak a közúton, hanem a versenysportban is.

Ebben a cikkben részletesen bemutatjuk, mire is való ez az alkatrész – és miért tett szert ekkora népszerűségre.

Definíció

A belső égésű motorokban a turbófeltöltő egy kényszerhajtású eszköz, amelyet a kipufogógázok áramlása mozgat. Ezt az energiát használja fel a beszívott gáz összenyomására, több levegőt kényszerítve a motorba, hogy nagyobb teljesítményt termeljen egy adott lökettérfogathoz.

A jelenlegi kategorizálás szerint a turbófeltöltőt a kipufogógázok mozgási energiája hajtja, míg a kompresszort, mint feltöltőt mechanikusan (általában a motor főtengelyéről származó szíj segítségével) hajtják meg. Azonban egészen a 20. század közepéig a turbófeltöltőt “turbófeltöltőnek” nevezték, és a feltöltők egyik típusának tekintették.

A kompresszorról mint feltöltőről külön cikkezünk majd.

Története

A turbófeltöltő feltalálása előtt a kényszerindukció csak mechanikus hajtású feltöltők használatával volt lehetséges.

Alfred Büchi, a Sulzernél dolgozó svájci mérnök 1905-ös szabadalmát gyakran tartják a turbófeltöltő születésének. Ez a szabadalom egy összetett radiálmotorra vonatkozott, kipufogógáz-hajtású axiális áramlású turbinával és közös tengelyre szerelt kompresszorral.

Az első prototípus 1915-ben készült el azzal a céllal, hogy leküzdje a repülőgép-hajtóművek teljesítményveszteségét a levegő sűrűsége csökkenése miatt a nagy magasságokban. A prototípus azonban nem volt megbízható, és nem érte el a gyártási fázist.

A turbófeltöltők egy másik korai szabadalmát 1916-ban kérelmezte a francia gőzturbinák feltalálója, Auguste Rateau, a francia vadászrepülőgépek által használt Renault-motorokon való felhasználás céljából.

A turbófeltöltő első kereskedelmi alkalmazása 1925-ben volt, amikor Alfred Büchi sikeresen telepítette a turbófeltöltőket tízhengeres dízelmotorokba, így a teljesítmény 1300-ról 1860 kilowattra (1750-ről 2500 LE-re) nőtt. Ezt a motort a német közlekedési minisztérium két nagy személyszállító hajóhoz használta, a Preussen és a Hansestadt Danzig néven. A tervezést több gyártó engedélyezte, és a turbófeltöltőket elkezdték használni tengeri, vasúti és nagyméretű, helyhez kötött alkalmazásokban.

A turbófeltöltőket számos repülőgép hajtóművéhez használták a második világháború alatt, kezdve az 1938-as Boeing B-17 Flying Fortress-től, amely a General Electric által gyártott turbófeltöltőket használta.

A teherautók első gyakorlati alkalmazását a svájci Saurer teherautógyártó cég valósította meg az 1930-as években.

Az autógyártók az 1950-es években kezdték el a turbófeltöltős motorok kutatását, azonban a “turbólyuk” és a turbófeltöltő terjedelmes mérete akkoriban megakadályozta a könnyű testreszabhatóságot.

Az első turbófeltöltős autók a rövid élettartamú Chevrolet Corvair Monza és az Oldsmobile Jetfire voltak, mindkettőt 1962-ben mutatták be. A turbófeltöltés szélesebb körű alkalmazása a személygépkocsikban az 1980-as években kezdődött csak el, melyre nagy hatással voltak a korabeli motorsport fejlesztések.

Működése

A szerkezet célja az, hogy a belső égésű motor teljesítményét azonos hengerűrtartalom mellett növeljük, vagy hatásfokát a kipufogó gázok energiájának további felhasználásával növeljük. A teljesítménynövelés egyik legegyszerűbb módja ez, mindemellett alkalmazásával változik a motorkarakterisztika, csökkenhet a motor élettartama, a fogyasztás pedig gázállás arányában nő, ha kihasználjuk a keletkezett teljesítménynövelési lehetőséget.

A turbótöltő lényegében egy közös munkatengelyre helyezett turbina és egy radiális lapátozású centrifugális kompresszor. Használata során a motorból érkező kipufogógáz a turbinán keresztülhaladva igen magas (100000-270000 fordulat/perc) fordulatszámot eredményez a munkatengelyen, ami meghajtja a kompresszort. A kompresszoron keresztül történik a belső égésű motor levegőszállítása, ami immáron sokkal nagyobb mennyiségben és nyomáson áll rendelkezésre.

A feltöltőben történő nyomásnövelés során a fizikai gáztörvényeknek megfelelően az azon áthaladó levegő hőfoka jelentős mértékben emelkedik, így mielőtt az még belépne az égéstérbe, sok esetben hőcserélő (intercooler) segítségével visszahűtik azt, így egységnyi térfogatban több oxigént tudnak bejuttatni az égéstérbe. Ezzel a fogyasztáscsökkentési céllal alkalmazott turbófeltöltő az eredeti motor hengertérfogatának csökkentését is lehetővé teszi (angolul downsizing).

Az alapváltozattól eltérő típusok

Twin scroll

A twin scroll turbófeltöltő két különálló kipufogógáz-bemenetet használ, hogy az egyes hengerekből kiáramló kipufogógázok impulzusait felhasználja. Egy szabványos (egyhengeres) turbófeltöltőben az összes henger kipufogógáza egyesül, és egyetlen szívónyíláson keresztül jut be a turbófeltöltőbe, aminek következtében az egyes hengerekből érkező gázimpulzusok zavarják egymást. A twin scroll turbófeltöltőnél a hengerek két csoportra vannak osztva az impulzusok maximalizálása érdekében.

A twin scroll turbófeltöltők másik közös jellemzője, hogy a két fúvóka különböző méretű: a kisebb fúvóka meredekebb szögben van beépítve, és alacsony fordulatszámra használják, míg a nagyobb fúvóka kisebb szögben van és a nagy teljesítményű időszakokra van optimalizálva. kívánt.

VGT

A változó geometriájú turbófeltöltők (más néven változó fúvókás turbófeltöltők) a turbófeltöltő effektív oldalarányának megváltoztatására szolgálnak az üzemi feltételek változása esetén. Ez a turbinaház belsejében, a bemenet és a turbina között elhelyezett állítható lapátokkal történik, amelyek befolyásolják a gázok áramlását a turbina felé.

Ha a turbina oldalaránya túl nagy, a turbó alacsony fordulatszámon nem képes lendületet létrehozni; Ha a méretarány túl kicsi, a turbó nagy fordulatszámon lefojtja a motort, ami magas kipufogócső-nyomáshoz, nagy szivattyúzási veszteségekhez és végső soron alacsonyabb teljesítményhez vezet. A turbinaház geometriájának megváltoztatásával, ahogy a motor felgyorsul, a turbó oldalaránya optimális szinten tartható. Emiatt a változó geometriájú turbófeltöltők gyakran kisebb késleltetéssel, alacsonyabb küszöbértékkel és nagyobb motorfordulatszámon nagyobb hatásfokkal rendelkeznek.

„Elektromos” turbófeltöltők

Az elektromos rásegítésű turbófeltöltő a hagyományos kipufogógáz-hajtású turbinát elektromos motorral kombinálja, hogy csökkentse a turbó késleltetését. Ez különbözik az elektromos feltöltőtől, amely kizárólag elektromos motort használ a kompresszor táplálására.

A turbólyuk

A turbólyuk kifejezés késleltetésre utal – amikor a motor fordulatszáma a turbófeltöltő működési tartományán belül van –, amely a fojtószelep lenyomása és a turbófeltöltő felfelé ívelése között jelentkezik a töltőnyomás biztosítására.

Ez a késleltetés a növekvő kipufogógáz-áramlásnak köszönhető, és időbe telik, amíg a turbina felpörgeti olyan sebességre, ahol torlónyomást termel. A turbó késleltetés hatása csökkenti a fojtószelep reakcióját, az erőleadás késleltetése formájában. A kompresszorok nem szenvednek a turbó késéstől, mivel a kompresszor mechanizmusát közvetlenül a motor hajtja.