c: Nadpunjenje SUS motora

*****IMENA STUDENATA*****

k

Nadpunjenje SUS motora (Turbo-punjenje)UvodSvrha nadpunjenja je povecanje punjenja sveim vazduhom kod motora iznad onog za usisnemotore , a time i povecanje snage . Nadpunjenja se definie kao predsabijanje dela ili itavog punjenja izvan cilindra motora . Na taj nain punjenje motora se komprimuje izvan i unutar cilindra.Vec poetkom ovog veka konstruktori motora su se poeli baviti problemom povecanja snagemotora sus , koji su u to vreme bili izrazito sporohodi , toplotno i mehaniki vrlo malooptereceni , te samim tim i vrlo neekonomini . Jedan od pravaca povecanja snage motora jesvakako nadpunjenja , gde su se uporedo javljale razliite ideje od tzv . mehanikog nadpunjenja do turbokompresorskog nadpunjenja.Prvi znaajni impulsi nadpunjenja javljaju se tokom prvog svetskog rata kod avionskih motora , gde su se nastojale popraviti karakteristike brzina i visina leta aviona . Jedan od fenomena , gubitak snage motora sa visinom leta aviona , koji je bio vrlo negativan , pokuao se reiti uvoenjem nadpunjenja motora primenom razliitih pogodnih sistema nadpunjenja.Intenzivan razvoj nadpunjenja motora sus bio je tek posle drugog svjetskog rata kada su bila razvijena odgovarajuca prihvatljiva sredstva za nadpunjenja ( u prvom redu turbokompresori ) . Dananji stepen razvoja nadpunjenja je dostigao takav nivo da praktino ne postoji niti jedna fabrika motora u svetu koja ne proizvodi nadpunjene motore.Ili tanije reeno danas se usisni motori proizvode jo samo za putnika vozila , ai tu je trend porasta nadpunjenih motora intenzivan , to je praceno odgovarajucim razvojem sistema za nadpunjenje . Kao ilustracija odnosa nadpunjenih i usisnih motora , na sl 1 daje se prikaz promene procenta nadpunjenih motora u odnosu na usisne za period 1940-1990 god . , Za razliite prenike klipa (Dk) . Ova slika najbolje pokazuje trend porasta nadpunjenja kod motora sus .

Sl. 1Odnos nadpunjenihi usisnihmotora po godinamaIstorija

Ukoliko se pitate ko je napravio prvi turbo kompresor, odgovor je Gotlib Dajmler (da, da, Dajmler Benz ili u skorije vreme Dajmler Krajsler). Ovaj Nemaki inenjer je patentirao pumpu koja je omoguavala poveanu kompresiju smese unutar komore cilindara. Taj sistem nije nazvao turbo punja, ali ono to je opisao u dokumentu je opis roenja prvog automobilskog turbo kompresora. Gotlib je svoj automobilski turbo kompresor dizajnirao po ugledu na dvo-rotorni industrijski pomera vazduha koji je izmiljen i patentiran 40 godina ranije od strane Frensisa Rutsa iz Indijane, SAD 1860. godine., a odmah zatim je i Nemaki inenjer Krigar izimislio pumpu za vazduh koja se i danas koristi u tzv. Lysholm kompresorima. sl 2. Gotlib DajmlerManje je poznato da je znaajniji razvojturbo punjaazapoeo njihovom primenom u industriji avio motora, kako bi se reio nedostatak snage pri letovima na veoj visini. Naime, zbog razreenosti vazduha dolazilo je do osetnog pada snage avionskih, klipnih motora u I, a posebno II svetskom ratu.

sl 3. Turbokompresor kod avionaGodine 1925, vajcarski inenjer Alfred Buchi je prvi uspesno uspeo da iskoristi izduvne gasove za turbo punjenje, i postigao povecanje snage za vie od 40%. To je bio poetak postepenog uvoenja turbo punjenje u automobilskoj industriji.

U pocetku sistem nadpunjenja je bio ogranien na veoma velike motore, npr brodske motore. U automobilskoj industriji, turbo punjenje je poelo da se koristi na motore kamiona. Godine 1938, prvi turbo motor za kamione napravila je "Swiss Machine Works Saurer" kompanija.

Chevrolet Corvair Monza i Oldsmobile Jetfire bili su prvi putniki automobile sa turbo-punjenjem, imali su svoj debi na amerikom tritu u 1962/63. Uprkos odlicnim tehnikim reenjima njihova nepouzdanost je ucinila da brzo nestatnu sa trita.

Posle prve naftne krize 1973, turbo punjenje postaje prihvatljiviji kod komercijalnih dizel motora. Do tada, visoki investicioni trokovi kod turbo punjenja su mogli da se nadoknade samo pri utedi trokova goriva, koji su morali biti minimalni. Sve stroiji propisi emisije u kasnim 80-rezultirali su povecanjem broja turbo motora kod kamiona, tako da danas, praktino svaki motor kamion ima turbo-punjenje.

Sa ulaska turbokompresora u auto moto sportu 70-ih, , naroito u trkama Formule I, turbo motor kod putnikih automobila je postao veoma popularan. Re "turbo" postaje vrlo popularna. U to vreme, gotovo svaki proizvoa automobila je nudio bar jedan top model sa benzinskim turbo motorom. Meutim, ovaj fenomen je iezao posle par godina, iako su motori sa turbo punjenjem bili mocni, nisu bili ekonomini. Osim toga, "turbo rupe", odloene i usporene reakcije turbokompresora, bile su u to vreme jo uvek relativno velike i neprihvatljiv za vecinu kupaca.

Pravi proboj u putnikom automobilu ostvaren je 1978 sa uvoenjem prvog turbo dizel motora u putnikih automobila Mercedes-Benz 300 SD, a potom i u VW Golf Turbodiesel 1981. Pomocu turbopunjaa, efikasnost dizel motor putnikog automobila mogla je da se poveca, gotovo kao kod benzinskim motorom, a emisija je znaajno smanjena.

Danas, turbo punja benzinskih motora, se ne gleda prvenstveno sa stanovita performansi, vec se posmatra kao sredstvo za smanjenje potronje goriva i, shodno tome, zagaenja ivotne sredine na raun nie emisije ugljen-dioksida (CO2). Trenutno, osnovni razlog za turbo punjenje je upotreba energije izduvnih gasova da smanji potronju goriva i emisiju tetnih gasova.

Princip rada i komponenteKod vecini klipnih motora, usisni gasovi se uvlae u motor silaznim potezom klipa (kojim se stvara oblast niskog pritiska). Koliina vazduha koja se ustvari usisa, u poreenju sa teoretskom kolicinom u motoru ako bi motor mogao da odri atmosferski pritisak, zove se zapreminska efikasnost. Cilj Nadpunjenja je poboljanje zapreminske efikasnosti motora povecanjem gustine usisnog gasa (obino vazduha).Ovaj efekat se postize pomocu turbopunjaca.Turbo punjaje mehaniki ureaj kojim se vazduhu poveava gustina i smanjuje volumen pre ubacivanja u cilindre, tj. za krae vreme se u cilindar ubacuje vea koliina smee goriva i komprimovanog vazduha, usled ega dolazi do boljeg sagorevanja smee u cilindrima i postizanja vee snage motora. Ovako postignuto poveanje snage motora nije praeno poveanjem ukupne teine motora, to bi bio sluaj da se poveavao broj cilindara i radna zapremina motora.

sl 4. Princip rada turbopunjaa

Turbo punja je privren na izduvnu granu motora, a ti izduvni gasovi okreu turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi izmeu filtera za vazduh i usisne grane motora. Kompresor sabija vazduh koji se ubacuje u cilindre. Izduv iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okreu samu turbinu i to vie vazduha prolazi kroz lopatice, to se turbina bre okree. Sa druge strane osovine na koju je prikaena turbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre. Kompresor je tzv.Centrifugalna pumpa- uvlai vazduh u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okree. Da bi izdrala 150.000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti privrena veoma paljivo. Veina leaja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala, pa tako turbo punjai koriste fluid (ulje) koji je u veoma tankom sloju izmeu lagera i osovine i pomou koga se kuglagerima, po kojima se osovina kree, smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punjaa. Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne je turbina koja pomou izduvnih gasova pokree kompresor pomou osovine koja ih povezuje.Smanjena gustina usisnog vazduha se esto dogadja sa gubitkom gustine atmosferskog sto se vidi na povienim visinama. Dakle, prirodna upotreba nadpunjenja je za avionske motore., Pritisak okolnog vazduha brzo pada povecanjem visine. Na 5.486 metara vazduh je na pola pritisak nego na nivou mora, to znai da ce motor proizvoditi manje od polovine snage na ovoj visini .Cilj turbo punja je da se smanji veliina I poboljsa izlazna efikasnost motora reavanjem jednog od njegovih kardinalnih ogranienja. Automobilski motor koristi samo silazni potez klipa da stvori oblast niskog pritiska kako bi se doveo vazduh u cilindar preko usisnih ventila. Poto pritisak u atmosferi nije veci od 1 bara (oko 14,7 psi), to ce biti ogranienje pritiska na usisnom ventilu, a smim time i koliina protoka vazduha koji ulazi u komoru za sagorevanje. Sposobnost vazduha da popuni cilindar sa je njegov volumetrijska efikasnost. Zato turbopunja povecava pritisak na mestu gde vazduh ulazi u cilindar, veca masa vazduha (kiseonika) ce biti primiorana da udje u cilindar kao se povecava pritisak. Dodatni kiseonik omogucava da dodate vie goriva, sto znaci povecanje snage i obrtnog momenta na izlazu motora.Kada se vazduh sabija njegova temperatura raste. Deo temperature vazduh dobija i od samog turbo punjaa u kome se ona javlja kao posledica trenja obrtnih delova. Vazduh koji izlazi iz turbo punjaa moe biti zagrajan do 90C, to nikako nije dobro za izotermike procese umotoru. On se pre ulaska u cilindre motora mora ohladiti u meuhladnjaku, takozvanom interkuleru", to je naroito vano kod benzinskih motora, da ne bi dolo do nepravilnog (detonativnog) sagorevanja smee i preteranog termikog optereenja klipova.

Sistem za turbo punjenje ima tri glavne komponente: turbina, koja je gotovo uvek radijalna prilivna turbine kompresor, koji je gotovo uvek centrifugalni kompresor centralno kuite

TurbinaTurbina, se sastoji od propelera i kucita turbine, konvertuje Izduvni gas u mehaniku energiju I koristi je za pogon kompresora. Gas, ciji je protok ogranien poprenim presekom turbine , za posledicu ima pad pritiska i temperature izmeu ulaza i izlaza. Ovaj pad pritiska se pretvara u kinetiku energiju koja pokrece propeler turbine.Postoje dva osnovna tipa turbine sa : aksijalnim protokom radijalnim protokom Kod Aksijalnog tipa, protok gasa je samo u smeru ose propelera. Kod radijalne turbine protok gasa je centripetalna, odnosno u radijalnom pravcu od spolja ka unutra. Do prenika propelera oko 160 mm, koriste se samo radijalne turbine. To odgovara motorima snage od oko 1000 kw. Od 300 mm pa nadalje, koriste se samo aksijalne turbine. Izmeu ove dve vrednosti, obe varijante su moguce.

sl 5. Turbina

KompresorKompresor koji se koriste kod nadpunjenja sus motora su uglavnom centrifugalni kompresor se sastoje od tri osnovne komponente: toka kompresora, difuzora, i kucita.

Sa rotacionom brizinom toka, vazduh se uvlai aksijalno, ubrzava se na velikoj brzini, a potom izbacuje u radijalnom pravcu.Difuzor usporava veliku brzinu vazduha, uglavnom bez gubitaka, tako da pritisak i temperature rastu. Difuzor je formirana od strane zadnje ploe kompresora i ulegnuca kucite, koje sakuplja vazduh i dalje ga usporava pre nego to stigne do izlaza.

sl 6. Kompresor

Vrste turbo punjaa

Turbo punjace mozemo podeliti u tri grupe u odnosu na tip kompresora koje koriste:

Roots" kompresor - duva" Kompresor sa "dva vijka" Centrifugalni kompresor

Roots" kompresor - duva"

Roots kompresorje inicijalno zamiljen kao ureaj za ventilaciju u industrijskim zgradama. Sastoji se od dve lopatice koje se okreu u suprotnom pravcu i prkatino zgru" vazduh sa ulaza i izbacuju ga na izlaz. Ovaj kompresor je fiksne zapremine" tj. pokree fiksnu koliinu vazduha u jedinici vremena, pa je nezavistan od broja obrtaja motora. Veoma je dobar za korienje na malom i srednjem broju obrtaja, to ga ini idealnim u primeni na kamionskim i teretnim sl 7. Roots" kompresor

vozilima. Ovakvi kompresori su i samo-podmazujui, a uz to su i najjednostavniji konstrukcijski, pa im je cena umerena i veoma su pouzdani. Iz tog razloga ga koriste GM, Ford, Mercedes i Toyota. Jedina mana ovog tipa kompresora je to generie velike koliine toplote. Jedan od razloga je jer parktino samo ubrzava vazduh, ali se sama kompresija odigrava u usisnoj grani motora tj. van kompresora.

Kompresor sa "dva vijka"

Na prvi pogled ne ralikuje previe od "roots" kako spolja tako i iznutra. Ova dva pristupa jesu slina, ali postoje i znaajne razlike. Centralni deo kompresora su dva rotora tj. "vijka" koji se okreu jedan ka drugom i tako uvlae vazduh sa ulaza u kompresor sl 8.kompresor sa dva vijkauvlae vazduh sa ulaza u kompresor, a okretanjem vijaka se vazduh pomera ka njegovom izlazu i istovremeno se kompresuje. U ovom sluaju, kompresija vazduha se odigrava unutar samog kompresora pa ovakav dizajn generie manje toplote od roots dizajna. Jo bolje funkcionie na malom i srednjem broju obrtaja, pa se i ovaj kompresor koristi kod kamionskih i drugih teretnih vozila. Za razliku od roots kompresora, gde se lopatice dodiruju, kod ovog tipa nema fizikog kontakta izmeu delova tj. vijaka pa je samim tim i neposotjee troenje bilo kog elementa. Pouzdanost je veoma velika. Jedina mana ovog dizajna je to radi uvek (i kretanje na leru ili koenje) pa u tim trenucima praktino koristi snagu motora i umanjuje je da bi vazduh, koji je kompresovan, bio izbaen pomou ventila koji zaobilazi usisnu granu.

Centrifugalni kompresor

Iako je ovaj tip zasnovan na mnogo novijoj tehnologiji nego prethodna dva, ovo je prvi uspeno primenjenkompresoru automobilskoj industriji. Nasuprot prethodnim kompresorima ovaj nema "fiksnu zapreminu" tj. ne pokree istu koliinu vazduha u jedinici vremena. Funkcionie kao veoma brzi propeler tj. impeler (propeler koji ima obratnu sl 9.Centrifugalni kompresor funkciju) usisavajui vazduh u sredinu kompresora, a izbacujui ga po obodu impelera koji se okree na velikim brzinama (preko 40.000 obrtaja u minuti). Vazduh pod centrifugalnom silom se kree po obodu elisa impelera sve do oboda gde se taj vazduh usmerava ka izlazu, a pri tome pomou venturija se kompresuje vazduh. On se dalje kree ka izlazu du levka koji se suava i time smanjuje brzinu, a dodatno poveeva pritisak. Ovaj dizajn ima nekoliko veoma bitnih osobina. Veoma je jednostavan i samim tim pouzdan, proizvodi jako malo toplote zato to se kompresija odigrava unutar kompresora, a istovremeno je veoma kompaktan i svestran poto se moe "otkaiti" i time dozvoliti da motor direktno kroz kompresor usisava vazduh bez rada kompresora. Termalno je efikasan, tj. proizvodi kompresovan vazduh koji ima najniu temperaturu od sva tri predstavljena dizajna. Jedina mana je to je potrebna velika brzina impelera da bi kompresor poeo sa proizvodnjom dovoljno kompresovanog vazduha, pa je veoma neefikasan na malom broju obrtaja. Efikasnost mu raste sa brojem obrtaja. Ovakvi kompresori nisu samo-podmazjui ve je potrebno da se prikljue na sistem za protok ulja iz motora. Ipak, neki proizvoai ih prave tako da imaju mogunost samo-podmazivanja.

Prednosti i nedostaci nadpunjenja i moguca resenjaPrednosti nadpunjenja su :

Unifikacija tipova motora

Jeftinija proizvodnja

Fleksibilnija proizvodnja - manje zalihe

Fleksibilnije podeavanje zahtevima trita

Ekonominija proizvodnja i manjih serija

Smanjenje gabarita motora kV /m^3

smanjenje specifine teine kV /kg

Bolje iskoricenje energije , manja specifina potronja goriva ( cca 4 6% smanjenje spec potronje goriva )

Nia cena $ / kV, Posebno kod vecih motora

Manji friider za rashladni fluid obzirom na izlaznu snagu , jer se manje toplote gubi nego kod usisnih motora

Manja buka na izduvnoj strain

Manja emisija zagaujucih komponenti u izduvu

Manji pad snage sa smanjenjem gustine okolnog vazduha

Nedostaci nadpunjenja : povecana komplikovanost sistema nadpunjenog motora Visoka mehanika i termika opterecenja motora i sistema za nadpunjenja Loe ubrzanje Nepovoljna karakteristika obrtnog motora Komplikovaniji sistem u odnosu na ususine motore je logian jer je motoru pridodat jo jedan sistem iji rad treba da se uskladi sa radom osnovnog motora . Ovo svakako izaziva komplikovanije ozbiljnije odravanje nadpunjenih motora.Mere koje se mogu uvesti za poboljanje brzinskih karakteristika momenta I ubrzanja nadpunjenih motora su : a ) regulacija na TK agregatu pomeranje ugla lopatica turbine ( VG - turbina ) promena irine ulaznog aparata turbine isputanje dela izduvnih gasova ili vazduhab ) regulacija voenja izduvnih gasova ( npr. iz vie cevi u jedan segment turbine ili jedanuturbinu kod viestepenog nadpunjenja ) c ) podeavanje usisnih cevi ( rezonantno nadpunjenja )d ) posebni pogon kompresora ( eksterno ili preko motora ) u seriji sa TK agregatom paralelno sa TK agregatom kompresor sa zapreminskim doziranjeme ) pomocni pogon TK agregata od motora preko pomocnog kvaila od elektromotora preko pomocnog kvaila

ZakljucakOd samog poetka proizvodnje automobila, inenjeri su pokuavali da naprave to jae, bre modele. U poetku se ilo na poveanje radne zapremine motora, kao i ka to veem broju cilindara. Kako su sportski motori imali i po 12 cilindara kako bi postigli potrebnu snagu, ovaj postupak je kotao mnogo. Agregati manje radne zapremine, bez obzira koliko doraivani, nisu davali dovoljno snage, posebno na niem broju obrtaja. Najvei problem je, ipak, bio mali obrtni moment, zbog ega je motor uvek morao da radi na visokom broju obrtaja, to je neminovno dovodilo do velike radne temperature i pucanja glave motora prilikom dugotrajnog forsiranja turbo punjenje predstavlja resenje ovih problema.

Literatura

1. http://www.turbodriven.com-Turbo Development

2. NADPUNJENJEKLIPNIHMOTORASUS Ivan Filipovi Sarajevo 1998

3. http://www.superauto.rsTurbo punja

4. http://en.wikipedia.org-Turbochargers