12. fejezet - Teljesítmény növelési módszerek és azok menedzsmentje

A motortól függő mechanikai feltöltés esetén a töltőt közvetlenül a motorról ékszíjjal, lánccal vagy fogaskerékkel hajtják. Ez a megoldás egyszerű, viszonylag olcsó, főleg kis motorokhoz alkalmazzák. (lásd 12.1. ábra)

A feltöltők lehetnek térfogat kiszorításos vagy áramlástechnikai elven működő feltöltők. Azonban többnyire térfogat kiszorításos (forgódugattyús, Roots-fúvó) alkalmaznak, mivel azok szállítási mennyisége a fordulatszámmal arányosan változik, kis fordulatszámon is működnek és közel független az ellennyomástól, így jól illeszkedik a motorokhoz (lásd 12.2. ábra). A fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás különösen részterhelés esetén jobb, mint hasonló méretű szívómotorok esetén. A térfogat kiszorításos mechanikus töltő és motor együttműködése a (12.3. ábra) ábrán látható.

Az áramlástechnikai elven működő mechanikus feltöltők esetén úgynevezett centrifugál kompresszorokat alkalmaznak. Ennek felépítése a (12.4. ábra) ábrán látható. A kompresszorok két részből áll, első rész a forgó rész majd az álló rész. A belépő előperdítés nélküli esetben axiális c₁ sebességű közeg, a forgó részbe kerülve kialakul a w₁ relatív sebesség, forgó részben az áramlás irány megváltozik és a radiális abszolút c₂ sebességgel lép ki (12.5. ábra). A hagyományos kompresszoroknál radiális kilépést alkalmaztak, azonban ma általános az úgynevezett hátrahajló lapátozatot alkalmaznak a jobb hatásfok érdekében. Ezután a közeg a lapát nélküli diffúzoron keresztül az állórészbe kerül a ahol a felgyorsított közeg lefékeződik és megnövekszik a nyomása. Általában a szélesebb működési tartomány miatt az állórészben nincsenek lapátok.

A kompresszor teljesítmény igénye a meghatározható a sebességi háromszögből kompresszor teljesítmény felvétele:

Ez nem részletezett levezetések után valóságos (veszteséges) esetet feltételezve fékezés miatt nyomás növekedésre fordítódik:

A kompresszorok működési tulajdonságait az úgynevezett karakterisztikával adjuk meg (lásd 12.6. ábra) Ezekben a diagramokban a térfogatáram függvényében különböző fordulatszámokon ábrázoljuk a kialakuló nyomás viszonyt. Általában a környezeti paraméterekre (nyomás, hőmérséklet) érzékenyek a kompresszorok, ennek kompenzálására vagy dimenziótalan vagy normált paramétereket ábrázolnak. A karakterisztikát a leválási határ választja szét a stabil működési tartománytól, ezen a határon túl leválik az áramlás a lapátokról, instabil és erőszajjal járó lüktető áramlás alakul ki.

A centrifugál kompresszoros töltő és motor együttműködése a (12.7. ábra) ábrán látható.

Turbófeltöltés esetén a motor kipufogó gázai nem áramlanak közvetlenül a szabadba, hanem energiájuk egy részét előzőleg leadják egy (kipufogó) turbinában. Ez a turbina a vele egy tengelyen elhelyezett kompresszort hajtja. A kompresszor a friss töltetet beszívja és túlnyomással a hengerbe juttatatja.(lásd 12.8. ábra). A turbina és kompresszor szerkezeti egységét röviden turbótöltőnek nevezzük.

A turbófeltöltéses motort úgy is tekinthetjük, mint a motor és a gázturbina összekapcsolását, ahol a teljesítményt a motor tengelyén nyerjük. A nyomás a turbina előtt lehet állandó (állandó nyomású turbófeltöltés) vagy változó (lüktetéses turbófeltöltés). Állandó nyomású turbófeltöltésnél a motor kipufogó gázai először egy gyűjtő tartályba áramlanak, ott feltorlódnak, ami veszteséget jelent. Utána viszont állandó a nyomás, ami a turbina szempontjából kedvező. Lüktetéses feltöltés esetén a turbina előtt a nyomás nem állandó. Jobban kihasználódik a kipufogógáz nyomás energiája, amely különösen a kiömlés kezdetén nagy. A turbina méretezése összetettebb, mert különböző nyomásesést kell jó hatásfokkal kihasználnia. Csak annyi hengert szabad egy közös vezetékbe csatlakoztatni, hogy azok kiömlési folyamata ne zavarja egymást (általában maximum 3 henger).

Turbótöltőknél úgynevezett centripetál turbinákat alakamazunk mint erőgép (12.9. ábra). Ebben a füstgázok expanziójából tengely teljesítményt állítünk elő a kompresszor hajtására. A centripetál turbina sebességi háromszöge a (12.10. ábra) ábrán látható.

Az állandó nyomású turbófeltöltés munkafolyamatának elvi vázlata az 12.11. ábra látható.

A kompresszor munkafolyamatát 1-2-B-A terület szemlélteti. Az A, A’ és A” az átöblítéstől illetve annak mértékétől függ, ha nincsen átöblítés, akkor A” és B” területet kell figyelembe venni.

A kipufogó szelep nyitásakor a hengertérben lévő nyomás lényegesen nagyobb, mint a turbina előtti nyomás. Ennek hatására akár hangsebességgel kiáramló füstgáz mozgási energiája a fékeződés miatt elvész. Az így elvesző 3^°-3^’-C^° terület munkája viszont egyenértékű hő formájában növeli a füstgáz entalpiáját így a turbina expanziója a 3’ helyett a 3 pontból indul. Így a turbinán expandáló közeg munka területe: 3-4-A-C.

A valóságban azonban a kompresszor teljesítményfelvételét növelik a veszteségek, a turbina teljesítményét pedig csökkentik. Ezért a veszteségek – amelyek hatásfokokkal fejezhetők ki – lényegesen befolyásolják a viszonyokat. Az ábrán a töltőlevegő nyomása (p_k) nagyobb a turbina előtti nyomásnál (p_t), vagyis p_k > p_t. Öblítés csak ilyen esetben lehetséges. Ha átöblítést alkalmazunk, akkor a sűrítő munkafelvétele ugyanazon nyomásnál az öblítő levegő mennyiséggel arányosan megnő, a turbina munkája azonban nem növekszik ennek arányában a keverék kisebb hőmérséklete miatt. A kompresszor után a friss közegnek nemcsak a nyomása, hanem a hőmérséklete is növekszik, ami sűrűségcsökkenést von maga után. Így a henger kisebb tömeggel töltődik meg. Ezért, ha nagy a feltöltés, akkor a friss közeget a kompresszor után visszahűtik, mielőtt az a hengerbe áramlik. A visszahűtés történhet levegővel, vagy pedig a motor hűtővizével. A visszahűtő megnöveli ugyan a motor árát, de általa nagyobb lesz a friss töltet tömege és a kompresszió kezdetén a töltet hőmérséklete is alacsonyabb lesz. A friss töltet tömegének megnövelésével egyrészt a motor teljesítménye növelhető, másrészt a motor károsanyag-kibocsátása (NO_x emissziója) csökken.

Négyütemű Diesel-motorok turbófeltöltése mind állandó nyomású, mind lüktetéses üzemű feltöltővel megvalósítható. Megkülönböztetünk kis- és nagynyomású feltöltést (50% alatti vagy feletti teljesítménynövelés). Nagynyomású feltöltéskor a motor fokozott hő és mechanikai igénybevételnek van kitéve, ezért visszahűtő alkalmazása szükségszerű.

Kétütemű Diesel-motorok feltöltésére elsősorban lüktetéses turbófeltöltőt alkalmaznak. A kipufogógáz energiáját a motorteljesítmény rovására a kiömlő idő előtti nyitásával megnövelik. Mivel a kétütemű motor kipufogógáz hőmérséklete kb. 350 ^°C–t ér el, ezért a motor feltöltése turbó-feltöltéssel egyedül nem járatható. A turbótöltő és a motor közé többnyire póttöltőt kell beiktatni.

Ottó-motorok turbótöltésekor a turbina és a töltő járókerekeit kis átmérővel kell kialakítani a kisebb térfogatáramok és a jobb gyorsulóképesség miatt. Így nem ritka a 130.000 ford/perc fordulatszámú járókerék. A feltöltés következtében nő a kompresszió-végnyomás és nő a kopogási veszély. Ellene a kompresszió-viszony csökkentésével védekeznek. A forgatónyomaték alakulásának javításához – kis fordulatszámnál nagy legyen a forgatónyomaték, majd a fordulatszám növekedésével csökkenjen – a töltőegységet szabályozni kell. Ottó-motoroknál általában az un. Waste-geate szelepes technikát alkalmazzák. A megengedhető legnagyobb töltési nyomás elérése után a kipufogógáz egy részét a turbina megkerülésével a kipufogórendszerbe vezetik. (lásd 12.12. ábra)

Jelenleg elsősorban Diesel-motoroknál alkalmazott technológia az úgynevezett változtatható lapát állásszögű szabályzás. Kisebb áramlási sebességek esetén a lapátok állításával csökkentik a kilépő csatornák keresztmetszetét, így növelve az áramlási sebességet az állólapát fokozat után és a nyomást a turbina előtt. Ennek segítségével nő a turbina munkája és így a töltési nyomás. Ha alacsonyabb töltési nyomásra van szükség ugyan azon térfogatáramnál a lapátok állításával növelik a kilépő csatornák keresztmetszetét, csökkentve a töltési nyomást (lásd 12.13. ábra).

Nyomáshullámmal történő feltöltéskor azt használjuk ki, hogy töltéscsere esetén a motor szívó és kipufogó vezetékeiben nyomáshullámok gerjednek. Ezeknek a hullámoknak a megfelelő kialakításával feltöltési effektus érhető el.

Négyütemű motor jó hengertöltése akkor érhető el, ha:

A vezetékhosszak és keresztmetszetek összehangolásával az előző feltételek teljesíthetők. Összehangolás csak szűk fordulatszám-tartományban lehetséges, mert a gázoszlopok sajátfrekvenciája a vezetékhosszaktól függ. Ha a sajátfrekvenciákat a motor különböző fordulatszámaihoz akarjuk illeszteni, akkor a vezetékhosszakat a motor fordulatszáma függvényében változtatni kell.

A teljesítmény növelésének a motor részéről határt szabnak a mechanikai és hőigénybevételek. A mechanikai igénybevételt a motor hengerterében előálló legnagyobb nyomással (csúcsnyomással) jellemezhetjük. A csúcsnyomás a feltöltési nyomással nő. Az előbefecskendezés (gyújtás) időpontjának csökkentésével, öblítéssel, kompresszió-viszony csökkentésével a csúcsnyomás csökkenthető ugyan, de a veszteségek növekednek. Amennyiben a forgattyús mechanizmus nem rendelkezik számottevő igénybevételi tartalékkal, úgy a feltöltés mértékét mechanikai igénybevételek korlátozzák.

A hőterhelésből adódó hőigénybevételek nem adhatók meg egyetlen jellemzővel. A motor égésteret határoló alkatrészekre: persely, dugattyú, hengerfej, szelep, külön-külön kell az igénybevételi határra jellemző értékeket megadni. Ezek a határok lehetnek:

Az Ottó-motoroknál további határt jelent a kopogás. A nyomás és a hőmérséklet növelésével ugyanis megnő a motor kopogási hajlama. Ezért a megengedhető legnagyobb töltési nyomás elérése után a töltőegységet leszabályozzák, amint ezt az előzőekben megismertük.