| |
Ότι θέλατε να μάθετε για Υπερ-συμπιεστές και Στροβιλο-συμπιεστές και δεν τολμούσατε να ρωτήσετε!
Συστήματα υπερπλήρωσης κινητήρων
Οι τεχνικές για την παραγωγή παραπάνω δύναμης από ένα κινητήρα,
έχουν κατευθυνθεί στην προσπάθεια για αύξηση της κατανάλωσης αέρα
έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί παραπάνω καύσιμο.
Ένας ατμοσφαιρικός κινητήρας, σε περίπτωση που δεν γνωρίζετε την
έννοια, είναι ένας κινητήρας που γεμίζει τους κυλίνδρους του με αέρα
ο οποίος είναι - στην καλύτερη περίπτωση - σε κανονική πίεση
ατμόσφαιρας.
Αν με κάποιο τρόπο, παραπάνω αέρας πιέζεται στην μηχανή, τότε έχουμε
την κατάσταση «υπερπλήρωσης».
Για να υπερπληρωθεί ένας κινητήρας, χρειάζεται ένας συμπιεστής
κάποιου είδους. Αυτός μπορεί να πάρει ορισμένες μορφές, όπως ένας
μηχανικός συμπιεστής (υπερσυμπιεστής) ή ένας συμπιεστής ο οποίος
ενεργοποιείται από τα καυσαέρια της μηχανής (στροβιλοσυμπιεστής),
πιο γνωστός και σαν turbo.
Συμπυκνώνοντας αέρα στους κυλίνδρους του κινητήρα, τον πιέζουμε να
καταναλώσει παραπάνω ποσότητα αέρα. Αυτός, σε συνδυασμό με την
απαραίτητη ποσότητα καυσίμου παράγει παραπάνω δύναμη.
Σε ένα υπερπληρωμένο κινητήρα, η
παραπανίσια δύναμη εμφανίζεται σαν αύξηση σε ροπή.
Ο λόγος γι' αυτό δεν είναι πολύ δύσκολο να γίνει κατανοητός. Αν
σκεφτούμε ότι ένας συμπιεστής δίνοντας πίεση 7.5 psi (αυτό είναι
περίπου μίση ατμόσφαιρα πάνω από την κανονική πίεση αέρα) οδηγεί τον
κινητήτα ώστε να χρησιμοποιήσει 50% παραπάνω αέρα του κανονικού.
Αυτό σημαίνει ότι η πίεση που δημιουργείται στον κύλινδρο κατά την
καύση θα είναι 50% παραπάνω και γι' αυτό και η ροπή θα είναι 50%
υψηλότερη και σαν αποτέλεσμα θα έχουμε 50% παραπάνω δύναμη σε
οποιαδήποτε σημείο των στροφών.
Τουλάχιστον έτσι θα ήταν τα πράγματα αν όλα ακολουθούσαν την
θεωρία. Φυσικά στην πραγματικότητα δεν μπορούμε να τα
θέλουμε όλα δικά μας!
Στροβιλοσυμπιεστές &
υπερσυμπιεστές: Οι διαφορές
Οι τύποι των υπερσυμπιεστών που έχουν χρησιμοποιηθεί σε
μηχανές ή τουλάχιστον αυτοί που είναι πρακτικά χρησιμοποιήσιμοι,
είναι αυτοί που οδηγούνται με ιμάντα. Οι περισσότεροι είναι της
κατηγορίας «positive displacement», δηλαδή αν ο
υπερσυμπιεστής γυρίσει μια φορά, μεταφέρει ένα ορισμένο ποσό αέρα
από την μία μεριά του στροβίλου στην άλλη και μέσα στην μηχανή,
αγνοώντας τις απώλειες.
Αν είχαμε ένα υπερσυμπιεστή που όταν γύριζε μία φορά μετέφερε 1000
κ.ε. αέρα και συμπίεζε αυτόν σε ένα κύλινδρο 500 κ.ε. τότε αυτός ο
κύλινδρος θα υπερπληρωνόταν κατά 2 ατμόσφαιρες.
Γενικά η ποσότητα της πίεσης που δίνεται από έναν μηχανικό συμπιεστή
«positive displacement» εξαρτάται από την σχέση οδήγησης
μεταξύ της τροχαλίας στροφάλου και του συμπιεστή. Όσο πιο γρήγορα
ένας υπερσυμπιεστής γυρίζει σε σχέση με την μηχανή, τόσο πιο υψηλή
είναι η πίεση.
Παρόλο που είναι συμπιεστής, ο στροβιλοσυμπιεστής (turbo) δεν είναι «positive
displacement» συμπιεστής. Πρόκειται για έναν φυγοκεντρικό
συμπιεστή.
Είναι η ενέργεια που προσθέτουν οι περιστρεφόμενες φτερούγες στον
αέρα, ο οποίος μετά φυγοκεντρίζεται ως την έξοδο του κουτιού, που
δημιουργούν την συμπίεση.
Σε χαμηλές στροφές ο στρόβιλος εισαγωγής (τουρμπίνα) ενός
στροβιλοσυμπιεστή δίνει πολύ λίγο ή καθόλου φαινόμενο συμπίεσης.
Όμως όσο οι στροφές της τουρμπίνας ανεβαίνουν, η πίεση ανεβαίνει με
βάση το τετράγωνο των στροφών.
Αν γυρίζαμε την τουρμπίνα με βάση της στροφές της μηχανής τότε στις
χαμηλές στροφές δεν θα είχαμε καθόλου πίεση και καθώς θα ανεβάζαμε
στροφές θα ανέβαινε και πολύ γρήγορα η πίεση. Το αποτέλεσμα θα ήταν
μια μηχανή με εντελώς παράλογη καμπύλη δύναμης.
To V16 BRM, 730kg με τελική 290km/h
Ο κινητήρας του V16 BRM: 16 Κύλινδροι, Υπερσυμπιεστής Rolls Royce,
1488cc, Διαμετρός Χ Διαδρομή. 49.5Χ48.26, 420cv@10000rpm και
είμαστε μόλις στο 1949!.
Τέτοιος ήταν και ο τύπος του συμπιεστή που χρησιμοποιήθηκε στο V16
BRM πίσω στο '50. Σίγουρα παρήγαγε ένα φανταστικό αριθμό ίππων
από την μηχανή των 1500 κ.ε. αλλά η καμπύλη απόδοσης ήταν πολύ
απότομη.
Ο μόνος εύκολος τρόπος για να αποφύγεις το πρόβλημα αυτό ήταν να
οδηγείς το συμπιεστή σε τόσο υψηλές ταχύτητες ώστε να αποδίδει
ικανοποιητική ισχύ στις μεσαίες στροφές και μετά να ελευθερώνεις την
παραπάνω πίεση.
Αυτό έχει το μειονέκτημα, ότι δύναμη από την μηχανή πρέπει να
χρησιμοποιηθεί για να συμπιέζει τον αέρα, τον οποίο θα τον
χαραμίσουμε, ελευθερώνοντας τον στην ατμόσφαιρα, χωρίς να κερδίζουμε
τίποτα από αυτό. Έτσι θα πρέπει να έχουμε πιέση στους κυλίνδρους
μεγαλύτερη απ΄ ότι πρέπει κανονικά για να παράγουμε την ίδια δύναμη.
Το άλλο πρόβλημα είναι ότι οι στροφές στις οποίες λειτουργεί ο
συμπιεστής μπορεί να είναι τόσο πολλές που θα παρουσιάζονται μεγάλες
καταπονήσεις όταν θα ανεβάζουμε τις στροφές του κινητήρα, απλά και
μόνο γιατί θα πρέπει να οδηγήσουμε το συμπιεστή 3 φορές (συχνά 8 -
10) σε σχέση με τον κινητήρα.
Η λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να οδηγήσουμε την τουρμπίνα με
τέτοιο τρόπο που να μην έχει σχέση με τη μηχανή. Μια προφανής
μέθοδος, η οποία εφαρμόσθηκε το 1903, είναι να χρησιμοποιήσουμε τα
καυσαέρια για να οδηγήσουμε μια τουρμπίνα η οποία είναι συνδεδεμένη
στον ίδιο άξονα με την τουρμπίνα εισαγωγής.
Αυτή είναι η σύλληψη του
στροβιλοσυμπιεστή (turbo).
Η ενέργεια από τα καυσαέρια χρησιμοποιείται για την λειτουργία το
συμπιεστή. Ο καλύτερος τρόπος για να κατανοήσουμε την λειτουργία του
συμπιεστή είναι αυτός: τα καυσαέρια φεύγοντας από τις θυρίδες
εξαγωγής συλλέγονται στην εξαγωγή και κατευθύνονται προς την
τουρμπίνα εξαγωγής.
Προσαρμοσμένη στον ίδιο άξονα αλλά σε διαφορετικό κουτί (house)
είναι η τουρμπίνα της εισαγωγής ή, για να χρησιμοποιήσουμε την σωστή
ορολογία, συμπιεστής. Στο ρελαντί τα καυσαέρια χτυπώντας στην
τουρμπίνα εξαγωγής θα έχουν πολλή μικρή ενέργεια, πιθανών τόσο λίγη
που δεν θα μπορούν να γυρίσουν καν την τουρμπίνα.
Υπάρχει αρκετός χώρος γύρω από τις φτερωτές ώστε να διαφύγουν τα
καυσαέρια. Μέσα στην εξαγωγή δεν υπάρχει αυτή την στιγμή καμία πίεση
επιστροφής (back pressure). Φαντασθείτε ότι το αυτοκίνητο κυκλοφορεί
τώρα στο δρόμο και η πεταλούδα εισαγωγής είναι πιο ανοικτή οπότε και
περνάει παραπάνω αέρας στην μηχανή, όχι συμπιεσμένος, απλώς
απορροφώμενος, όπως ακριβώς και σε ένα ατμοσφαιρικό κινητήρα.
Αυτός ο παραπάνω αέρας παράγει μεγαλύτερο όγκο καυσαερίων.
Υποθέτουμε τώρα ότι υπάρχει αρκετή ταχύτητα καυσαερίων έτσι ώστε να
κινήσουν την τουρμπίνα, αλλά όχι τόσο ώστε να δημιουργηθεί πίεση
εισαγωγής. Σε αυτό το σημείο το πετάλι του γκαζιού πατιέται τελείως,
οι πεταλούδες εισαγωγής ανοίγουν και η μηχανή έχει την δυνατότητα
για απορρόφηση μεγάλης ποσότητας αέρα, περίπου της ίδιας ποσότητας
που θα απορροφούσε η μηχανή αν ήταν ατμοσφαιρική στις ίδιες στροφές.
Αυτό προκαλεί την αύξηση των καυσαερίων τα οποία με την σειρά τους
κτυπούν στην φτερωτή εξαγωγής ανεβάζοντάς της την ταχύτητα
περιστροφής. Παράλληλα, γυρνώντας και η τουρμπίνα εισαγωγής, αρχίζει
να παρέχει αέρα σε λίγο μεγαλύτερη ποσότητα από τι θα απορροφούσε
από μόνος του ο κινητήρας.
Με άλλα λόγια η πίεση εισαγωγής άρχισε μόλις να ανεβαίνει.
Ο κύλινδρος γεμίζει τώρα με περισσότερο αέρα, κατά την διάρκεια
εισαγωγής και όταν αυτός καίγεται, παρέα με καύσιμο, παράγει
μεγαλύτερη ποσότητα καυσαερίων. Αυτά με τη σειρά τους γυρίζουν την
τουρμπίνα εξαγωγής με μεγαλύτερη ταχύτητα και κατά συνέπεια το ίδιο
θα κάνει και η τουρμπίνα εισαγωγής. Σαν αποτέλεσμα ο κύκλος θα
συνεχιστή παράγοντας ακόμα μεγαλύτερη πίεση.
Στην πραγματικότητα οι απώλειες των βαλβίδων, η αναποτελεσματικότητα
των θυρίδων κλπ θα νικήσουν στο τέλος τον στροβιλοσυμπιεστή και η
πίεση δεν θα μπορεί να ανέβει άλλο. Όσο η πίεση που παράγεται δεν
είναι παραπάνω από την απαραίτητη όλα πάνε καλά. Παραταύτα όσο πιο
πολλές στροφές ανεβάζει η μηχανή τόσο περισσότερα καυσαέρια παράγει
και τόσο αυξάνουν οι πιθανότητες η πίεση να ανεβεί πολύ ψηλά.
Μάλιστα πάνω από ένα όριο στροφών, αναλόγως τα εξαρτήματα που έχουν
επιλεχθεί και τα χαρακτηριστικά της μηχανής, η πίεση θα διάλυση τον
κινητήρα σε κομματάκια. Γι' αυτό και πρέπει να ελέγχουμε τη πίεση
και αυτό μπορεί να γίνει με κάποιες μεθόδους. Σίγουρα η πιο απλή
μέθοδος για να γίνει αυτό είναι να χρησιμοποιήσουμε μια βαλβίδα
ανακούφισης απορρίπτοντας την παραπάνω πίεση.
Πραγματικά απλό, δεν είναι όμως απαραίτητα και ο καλύτερος τρόπος
μια και πάλι καταναλώνουμε δύναμη για να συμπιέσουμε αέρα τον οποίο
και είναι απώλεια απλώς τον χαραμίσουμε. Η δεύτερη μέθοδος είναι να
βάλουμε έναν περιοριστή στην εισαγωγή ή την εξαγωγή και έτσι να
μειώσουμε την πίεση.
Η τρίτη μέθοδος είναι να τοποθετήσουμε μια βαλβίδα ανακούφισης στην
εξαγωγή. Σε αυτό το σύστημα η βαλβίδα «νιώθει» την πίεση
στην εισαγωγής και όταν αυτή φτάσει σε κάποιο προκαθορισμένο όριο,
ανοίγει και οδηγεί μέρος από τα καυσαέρια σε μια ξεχωριστή έξοδο,
αποφεύγοντας να περάσει μέσα από την τουρμπίνα. Μόλις η πίεση πέσει
κάτω από το όριο τότε αυτή ξανακλείνει και κατευθύνει όλα τα
καυσαέρια πάνω στην τουρμπίνα εξαγωγής.
Με αυτό τον τρόπο, οδηγώντας ένα φυγοκεντρικό συμπιεστή με την
βοήθεια μιας τουρμπίνας εξαγωγής φαίνεται να λύνει το πρόβλημα
παροχής πίεσης, σε όλη την κλίμακα στροφών.
Παρόλα αυτα, δεν είναι έτσι τα πράγματα. Στις χαμηλές στροφές δεν
υπάρχουν αρκετά καυσαέρια ώστε να οδηγήσουν την τουρμπίνα αρκετά
ώστε να έχουμε πίεση.
Σαν αποτέλεσμα οι κινητήρες με στροβιλοσυμπιεστή (turbo),
είναι γενικά φτωχά σε απόδοση στις χαμηλές στροφές. Γενικά τα turbo
δεν παράγουν αρκετή πίεση κάτω από τις 2500 στροφές, (μερικές φορές
έως και 3000), αν και αυτό εξαρτάται, μέχρι κάποιο όριο, από το
μέγεθος του κουτιού (house) που περιέχει την τουρμπίνα εξαγωγής. Από
την άλλη μεριά οι συμπιεστές με ιμάντα, μπορούν να παράγουν αρκετή
πίεση ακόμα και από τις χαμηλές στροφές π.χ. 1000-1500.
Αυτό θα έκανε έναν υπερσυμπιεστή «positive displacement»
να δείχνει καλύτερο από έναν συμπιεστή turbo. Ένας «positive
displacement» συμπιεστής, όμως, τείνει να μην είναι τόσο
αποδοτικός όπως ένα turbo και γι' αυτό τείνει και να θερμαίνει τον
αέρα παραπάνω από το turbo. Με άλλα λόγια η παροχή αέρα ενός turbo
μπορεί να είναι πιο αποδοτική από την παροχή ενός «positive
displacement» συμπιεστή. Δυστυχώς τα μέρη μιας μηχανής turbo
μπορούν να φτάσουν σε πολύ υψηλή θερμοκρασία, απλά λόγο της
τεραστίας θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στο house του turbo.
Έτσι, παρόλο που ένα turbo μπορεί να είναι πιο αποδοτικό από ένα
«positive displacement» συμπιεστή, στο τέλος η
θερμοκρασία εισαγωγής μπορεί να είναι πολύ υψηλότερη από την
αναμενόμενη. Ακόμα ένα μειονέκτημα του turbo είναι το ότι
υποφέρει από αυτό που λεμέ «καθυστέρηση απόκρισης»
(turbo lag). Ένας πιο ακριβής ορισμός θα ήταν «καθυστέρηση
πίεσης» (boost lag).
Σανιδώνοντας το πεντάλ δεν δίνει πίεση στον κινητήρα. Χρειάζεται
λίγος χρόνος μέχρι να δημιουργηθεί πίεση, λόγω του κύκλου που
περιγράψαμε προηγουμένως.
Απ΄ την άλλη σανιδώνοντας σε έναν «positive
displacement» συμπιεστή, παράγει άμεση πίεση, δίνοντας
ακαριαία απόκριση. Όσον αφορά την μεγαλύτερη παραγωγή δύναμης, το
turbo δείχνει να είναι λίγο καλύτερο από τον «positive
displacement» συμπιεστή.
Σε έναν «positive displacement» συμπιεστή η απόκριση στο
πεντάλ είναι άμεση και σαν αποτέλεσμα το αυτοκίνητο συμπεριφέρεται
καλύτερα στις εξόδους «σφικτών» στροφών παραγκωνίζοντας
το όποιο προβάδισμα δύναμης του turbo.
Εξαιρετικά αποτελέσματα έχουν επιτευχθεί και με τους δύο τύπους
συμπιεστών και χρειάζεται πολύ προσεκτικός υπολογισμός για το πιο
από τα δύο θα χρησιμοποιήσετε.
Κείμενο: [Σπύρος -Superspy- Κατσιμαλής]
Διαβάστε τo επόμενο: B'
Μέρος
Σχετική Βιβλιογραφία:
Alan Allard: Turbo and Supercharging
David Vizard: Tuning BL's A-Series Engine
Peter Wallage: Rebuilding and Tuning Ford's CVH Engine
More articles
|
|
| |
|
