Prednabijanje (II)

1. srpnja 2013.
Škola - Prednabijanje (II)
autor: AUTONET.HR 

Mehanički kompresori i druge igračke

U prvom dijelu priče o prednabijanju razmotrili smo rad punjača pokretanih ispušnim plinovima. Ovog će puta biti riječi o drugim načinima opskrbe usisa motora povišenim pritiskom, a reći ćemo i ponešto o hladnjacima sabijenog zraka
V8 motor iz Corvette ZR1 (2009.), njegov Rootsov punjač, rotori punjača i međuhladnjak (General Motors)V8 motor iz Corvette ZR1 (2009.), njegov Rootsov punjač, rotori punjača i međuhladnjak (General Motors)
Govoreći o turbopunjačima tijekom proteklog smo nastavka Škole spomenuli nešto u stilu: "sustav usisa pod pritiskom većim od atmosferskog nazivamo prednabijanjem, kompresor na sustavu usisa pokretan ispušnim plinovima nazivamo turbopunjačem, a kompresor pokretan mehanički (npr. putem remena ili lanca s koljenastog vratila) nazivamo mehaničkim kompresorom". Upravo u skladu s time, današnji nastavak objašnjava što su i kako rade tzv. mehanički kompresori (punjači) sabijenog zraka.

I dok možemo zaključiti kako su turbopunjači u današnje vrijeme češća opcija za rješavanje pitanja prednabijanja, u upotrebi susrećemo i (najčešće) dvije vrste mehaničkih kompresora. To su Rootsov punjač i spiralni ili G-punjač (njem. G-Lader). Osnovna prednost mehaničkih kompresora pred onima pokretanim strujom ispušnih plinova upravo je u načelu njihova pokretanja. Kako se radi o izravnom pogonu, vezanom uz koljenasto vratilo, mehanički kompresori ne pate od (u prethodnom nastavku spominjanog) kašnjenja. Drugim riječima, pri dodavanju gasa, motor se počinje brže okretati (time i koljenasto vratilo) što istovremeno povećava brzinu okretanja pogona koji pokreće mehanički kompresor (punjač).

Osnovna je prednost ovakvog sustava, dakle, u tome što motori opremljeni mehaničkim kompresorima brže prihvaćaju promjenu položaja papučice akceleratora, a sam kompresor efikasno radi već i pri nižim brzinama rada motora tj. okretajima u minuti. Ipak, mehanički kompresori imaju i svojih mana. Vjerojatno najnezgodnija, očituje se u velikoj buci koju ovakvi punjači proizvode, a motori opremljeni njima poznati su i po izraženijoj "žeđi" za gorivom.

Uz to, mehanički se kompresori odlikuju nižom iskoristivošću od turbopunjača (Rootsovi kompresori ostvaruju između 40 i 50%) te dosta opterećuju motor. Upravo stoga ćemo danas mehaničke kompresore najčešće naći na (benzinskim) motorima američkih automobila, onima koji imaju velik obujam i shodno tome, velike zalihe okretnog momenta. Kao i uvijek, i u slučaju izbora vrste punjača sabijenog zraka odluka je stvar kompromisa, a pravo će rješenje ovisiti o potrebama određenog pogonskog stroja.

Mehanički kompresori (ili "punjači", kako vam drago) dijele se u dvije osnovne skupine, određene prema načinu kompresije. Tako poznajemo kompresore pozitivne istisnine i dinamičke kompresore. Prvonavedeni, dakle kompresori pozitivne istisnine, odlikuju se stalnim pritiskom na izlazu, pri svim brzinama rada motora. Dinamički kompresori, pak, povećavaju pritisak prednabijanja s porastom brzine rada motora, odn. broja o/min.

Prikaz rada i osnovni dijelovi Rootsovog punjačaPrikaz rada i osnovni dijelovi Rootsovog punjača
Philander i Francis Marion Roots

U međunaslovu spomenuta braća osmislila su punjač koji je u automobilskoj industriji danas uobičajeniji mehanički kompresor od dvije navedene vrste. Bilo je to 1860. u američkoj Saveznoj državi Indiani, a izvorna namjena ovog uređaja bila je upuhivanje zraka u visoke peći. No, upravo je škotski inženjer Dugald Clerk 1878. ugradio prvi mehanički kompresor u motor s unutarnjim izgaranjem (koji je, BTW, bio 2-taktni). Očekivano, ova priča ne bi bila potpuna (kao niti jedna iz vremena osvita automobilizma) da se u njoj ne pojavljuje Gottlieb Daimler, koji je u njemačkoj registrirao patent mehaničkog kompresora, 1885.

Rootsov mehanički kompresor - desno je pogonska remenica (Kenne Bell)Rootsov mehanički kompresor - desno je pogonska remenica (Kenne Bell)
Osnovu konstrukcije mehaničkog kompresora čine dva rotora koji se okreću unutar kučišta. Ovi rotori imaju obično dva do tri kraka ravnog ili spiralnog oblika. Rotori su međusobno povezani zupčanicima (po jedan na osovini svakog rotora) koji su, pak, pokretani remenom ili lancem s koljenastog vratila.

Pogon Rootsovog punjača tako je izveden da se rotori okreću dva do tri puta brže od brzine rada motora (broja okretaja koljenastog vratila) pa ovakav kompresor u stvari djeluje kao pumpa koja naprosto ubrzava strujanje zraka prema usisnom dijelu motora i to iznad brzine koju bi se postiglo samim podtlakom što ga stvara klip tijekom usisnog takta. Prema načelu rada, Rootsov se punjač naziva i Zračnom pumpom pozitivne istisnine jer je obujam zraka koji se istisne u usis motora jednak pri svakom okretaju rotora, bez obzira na brzinu rada motora.

Rootsov kompresor 8-71 za chevroletove motore (Weiand)Rootsov kompresor 8-71 za chevroletove motore (Weiand)
Off-Topic: Vjerojatno najpoznatiji mehanički kompresor novijeg doba svakako je Weiand koji strši iz poklopca motora fordovog Falcona XB GT Coupe, "civilnog" policijskog automobila s kojim je praktički osmišljen termin "presretač" (Interceptor). Dakako, jednako koliko je Max Rockatansky izmišljen lik, toliko je i ovaj weiandov kompresor bio fake. Naime, u automobilu upotrijebljenom za film kučište kompresora bilo je prazno, a unutra je smješten rasplinjač. Također, Weiand nikada nije napravio mehanički kompresor koji se mogao uključivati (i isključivati, premda zbog smanjenja opterećenja motora pri nižim okretajima neki mehanički kompresori imaju magnetnu spojku), za što je u filmu Mad Max bio zadužen dobro skriveni električni motor. No, legendarni kadar Maxovog automobila sprijeda, šištanje usisa i pogonski remen u prvom planu još će dugo ostati simbolom sirovih (automobilskih) strasti.

Sportski model Corrado je proslavio G-punjač, no G-punjač nije baš proslavio sam sebe... (Volkswagen AG)Sportski model Corrado je proslavio G-punjač, no G-punjač nije baš proslavio sam sebe... (Volkswagen AG)
Sjećate li se VW Corrada?

Druga vrsta mehaničkog punjača, koja je svoje "najsvjetlije" doba imala početkom 1990-ih, je spiralni kompresor ili G-punjač, kakav susrećemo kod starijih volkswagenovih motora s prednabijanjem. Ovaj punjač, koji je ime "G" dobio zbog oblika spirala, također spada u skupinu zračnih pumpi pozitivne istisnine. Zanimljivo je da je Volkswagen izazvao pravu malu revoluciju s G-punjačima kada je svoje automobile počeo opremati ovom vrstom kompresora.

U proizvodnji su se našle dvije vrste G-punjača, G40 i G60, pri čemu je brojka označavala širinu spirale u mm (u jednom okretaju G40 predaje motoru 566, a G60 860 cm3 zraka). Ipak, iako ga je njemačka marka reklamirala kao kompresor koji ne treba održavanje, G-punjač je bio upravo suprotno. Učestali kvarovi izbacili su ovu vrstu prednabijanja s tržišta, premda iskoristivost G-punjača dostiže oko 55%. Zanimljivo je napomenuti kako je G-punjač osmislio Francuz Léon Creux još 1905, no zbog nedovoljno preciznih alata tog vremena, prvi funkcionalni kompresor ove vrste proradio je više od 70 godina poslije.

Osnovni dijelovi G-punjača (Volkswagen AG)Osnovni dijelovi G-punjača (Volkswagen AG)
Osnovu G-punjača predstavlja spiralni escentar koji unutrašnjost njegova kučišta dijeli na vanjsku i unutarnju komoru. Moramo priznati da je, bez niza shematskih prikaza (za koji ipak nemamo dovoljno prostora), vrlo teško objasniti rad spiralnog punjača, no pokušat ćemo cijelu priču oslikati riječima.

Značajka rada spiralnog ekscentra kod G-punjača je u tome da on ne rotira unutar kučišta već se giba ekscentrično u spiralnom kučištu. Između mjesta gdje ekscentar dodiruje kučište i mjesta gdje je on od kučišta odmaknut, stvara se prostor u koji ulazi zrak. Gibanjem ekscentra mijenja se položaj točke dodira i mjesta odmaka od kučišta čime se ostvaruje kretanje i komprimiranje zraka unutar samog punjača.

G-punjač G40 ima aluminijsko kučište (Volkswagen AG)G-punjač G40 ima aluminijsko kučište (Volkswagen AG)
Tako G-punjač na svom izlaznom otvoru (obično oko sredine kučišta) stvara pritisak zraka viši od onog na ulaznom. Dvije osovine zadužene su za pokretanje ekscentra spiralnog punjača. Pogonska osovina drži ekscentar i omogućava njegovo gibanje, dok ekscentrična osovina kompenzira rad pogonske kako se ekscentar ne bi počeo rotirati. Ove su dvije osovine međusobno povezane malim nazubljenim ili klinastim remenom čiji je zadatak da ih prilikom okretanja zadrži u određenom međusobnom odnosu, tj. u određenoj fazi.

Na kraju priče o G-punjaču recimo kako se ova vrsta punjača naziva i klizećim ili spiralnim kompresorom. Zanimljivo je da, s obzirom na primjenu, spiralni kompresor može biti pouzdaniji od npr. klipnog ili kakvog drugog te su ovakvi uređaji našli (uspješniju) primjenu i izvan automobila. Primjerice, spiralni kompresori se ugrađuju u klima-uređaje ili podtlačne pumpe gdje do izražaja dolazi mogućnost jednostavnog poništenja njihovih vibracija.

Hibridni (električnim motorom pokretani) turbopunjač za BMW seriju 5 E60 (VF Engineering)Hibridni (električnim motorom pokretani) turbopunjač za BMW seriju 5 E60 (VF Engineering)
Hibridni kompresori

Kako bi smo zaokružili priču o raznim vrstama kompresora za prednabijenje u automobilskim motorima, red je da spomenemo i jednu, još uvijek relativno novu, no prema nekima vrlo obećavajuću tehnologiju. Riječ je o tzv. hibridnim turbopunjačima te hibridnim mehaničkim kompresorima. U svakom slučaju, takav je punjač standardne izvedbe sa strane kompresorskog dijela, dok je njegov pogon zamijenjen električnim motorom.

U slučaju turbopunjača električni motor tako zamjenjuje pogonsku turbinu (pokretanu ispušnim plinovima - prisjetite se prošlog poglavlja), a u slučaju mehaničkog kompresora električni pogon zamjenjuje onaj povezan na koljenasto vratilo.

Biturbo 3.0 V6 TDI kombinira klasični i hibridni turbopunjač (Audi AG)Biturbo 3.0 V6 TDI kombinira klasični i hibridni turbopunjač (Audi AG)
Dakako, bez želje da ikome na stranicama ove rubrike radimo reklamu, moramo spomenuti kako je njemački Audi na workshopu nazvanom Future Lab Mobility 2012. predstavio električni biturbo motor 3.0 V6 TDI. Ovaj eksperimantalni, no prema Audiju i pogon budućnosti, kombinira dva turbopunjača (otuda naziv biturbo), jedan klasični i jedan hibridni (48V). Ideja kontrukcije je u tome da se uz pomoć manjeg, električno pokretanog, punjača premosti kašnjenje pri nižim brzinama rada motora, dok bi veći turbopunjač u cijelosti "odrađivao posao" pri većim brojevima okretaja.

Audijeva se električna biturbo konstrukcija tako temelji na klasičnom turbopunjaču koji je aktivan cijelo vrijeme rada motora i koji izravno opskrbljuje usis. U slučaju da je pritisak ispušnih plinova nedovoljan za postizanje zadovoljavajućeg pritiska prednabijanja, u pomoć uskače električni punjač (kroz koji prolazi sabijeni zrak iz klasičnog turbopunjača) te ga se dodatno komprimira i šalje usisu motora.

Tok plinova u Bitrubo 3.0 V6 TDI motoru: samo klasični turbopunjač (lijevo) i oba punjača (Audi AG)Tok plinova u Bitrubo 3.0 V6 TDI motoru: samo klasični turbopunjač (lijevo) i oba punjača (Audi AG)
Uz navedeno, ovaj je eksperimentalni sustav opremljen i sustavom regeneracije energije kočenja. Naime i dok se energija ispušnih plinova smatra "viškom" te se njenim iskorištavanjem ne gubi snaga motora ili energija nekog drugog izvora (to je razlog visoke iskoristivosti turbopunjača), električnu energiju za pokretanje hibridnog punjača potrebno je proizvesti. Upravo tu u igru ulazi regenerativni sustav zahvaljujući kojem se smanjuje (ili čak u potpunosti ukida) uloga alternatora (generatora električne energije) te se tako za proizvodnju električne energije potrebne za rad hibridnog punjača motor ne opterećuje dodatno.

Na kraju, ne treba zaboraviti još jednu prednost hibridnog turbopunjača, a to je jednostavnost ugradnje. To posebno dolazi do izražaja kod tuninga, tj. pri naknadnoj ugradnji Performance kompleta. Teorijski, ugrađujemo li naknadno hibridni turbopunjač u neki automobil, potrebno ga je povezati na usis (u pravilu povezivanje s usisnom cijevi, ispred leptira ne bi trebao biti poseban problem), opskrbiti ga električnom energijom te povezati s računalom motora.

Hibridni turbopunjač hlađen vodom (Controlled Power Technologies)Hibridni turbopunjač hlađen vodom (Controlled Power Technologies)
A, koliko god ovo sada komplicirano zvučalo, uzmimo u obzir da bi postavljanje klasičnog turbopunjača na automobil s atmosferskim motorom iziskivalo ne samo postavljanje uređaja na usis, već i kompleksno povezivanje ispuha na pogonski dio turbopunjača. Izostanak takvog "vodoinstalaterskog" posla (bez obzira što i takve komplete možemo kupiti u "kitu") velik je benefit za sve tunere, kako profesionalne tako i amaterske.

Konačno, neki proizvođači navode kako hibridni turbopunjači, pored činjenice da praktički eliminiraju kašnjenje (električno pokretani punjač gotovo trenutno dostiže potrebnu brzinu te time i omogućava brzu isporuku potrebnog pritiska), osiguravaju zadržavanje performansi motora većeg obujma u manjem "formatu". U konkretnim brojkama, posebno pogodni u eri downsizinga, hibridni bi punjači u budućnosti mogli osigurati i do 30% ušteda u potrošnji goriva i emisijama CO2.

Automobilski motor s turbopunjačem i međuhladnjakom hlađenim strujom zraka (Volvo Car Corporation)Automobilski motor s turbopunjačem i međuhladnjakom hlađenim strujom zraka (Volvo Car Corporation)
Hladnjaci sabijenog zraka

Došli smo do posljednjeg odlomka teme o prednabijanju, no dakako, ništa manje bitnog. Naime, poznato nam je iz svakodnevnog života da se plinovi prilikom širenja (povećavanja obujma) hlade. Kada pritisnete ventil na dezodoranu oslobađa se komprimirani sadržaj bočice čime mu se naglo povećava obujam. Dakako, osjetit ćete kako vas taj mlaz hladi. Upravo obrnuto, događa se kada plinovima naglo smanjujemo obujam, tj. kada ih komprimiramo. Primjera radi, sjetite se pumpe za bicikl. Nakon dosta rada, njezino se kučište znatno ugrije, upravo stoga što smo u njemu sabijali zrak.

Jednako tako se i zrak sabijen u turbopunjaču ili mehaničkom kompresoru znatno zagrijava. No, zagrijavanjem mu se povećava obujam i pada gustoća. Rjeđi zrak, dakako, sadrži manje kisika potrebnog za izgaranje goriva. Također, pregrijani bi zrak u cilindru, prilikom kompresijskog takta, mogao izazvati i detonativno izgaranje (samozapaljenje smjese). Jasno je da zrak, komprimiran u nekom punjaču, treba stoga ohladiti kako bi se najbolje iskoristile prednosti prednabijanja.

1,2-ltreni TSI motor (77 kW) s međuhladnjakom hlađenim tekućinom (Volkswagen AG)1,2-ltreni TSI motor (77 kW) s međuhladnjakom hlađenim tekućinom (Volkswagen AG)
Za hlađenje sabijenog zraka koriste se međuhladnjaci (intercooleri) čija je konstrukcija u osnovi jednaka onoj hladnjaka za rashladnu tekućinu. S jedne strane ulazi zagrijani komprimirani zrak, a s druge taj zrak izlazi ohlađen nakon izmjene topline s okolinom. Međuhladnjaci, ipak, nisu potrebni na svim motorima s prednabijanjem, već ih se ugrađuje pretežno u snnažnije automobile kod kojih se koriste viši pritisci prednabijanja. Također, bitno je napomenuti da, obzirom na način hlađenja tj. izmjene topline s okolinom, razlikujemo tzv. međuhladnjake zrak-zrak i međuhladnjake tekućina-zrak. Jasno je, u prvom slučaju sabijeni zrak hladi struja zraka koja prolazi oko lamela međuhladnjaka, dok druga vrsta međuhladnjaka kao rashladni medij koristi tekućinu.

Učinkovitost međuhladnjaka određena je omjerom vrijednosti temperature za koju je sabijeni zrak ohlađen i temperature zraka u okolini, tj. zraka koji ulazi u sustav usisa. Konkretno, ako neki punjač isporučuje komprimirani zrak temperature od 60°C, a na izlazu iz međuhladnjaka je taj zrak hladniji za 46°C (tj. ima temperaturu od 14 stupnjeva), učinkovitost međuhladnjaka bi iznosila 46/60 = 0,77, odnosno 77%. U praksi, tipični međuhladnjaci sustava zrak-zrak imaju učinkovitost u rasponu između 60 i 70 posto, dok međuhladnjaci sustava tekućina-zrak mogu imati učinkovitost između 75 i 95%.

Međuhladnjak velikog kapaciteta za Subaru WRX STi smješten je ispred hladnjaka motora serije EJ (AMR Performance)Međuhladnjak velikog kapaciteta za Subaru WRX STi smješten je ispred hladnjaka motora serije EJ (AMR Performance)
Na kraju, kada se već bavimo mjernim jedinicama koje su dobile ime prema švedskom astronomu Andersu Celsiusu, recimo kako temperatura sabijenog zraka na izlazu iz turbopunjača, a prije ulaska u međuhladnjak, ovisi o njegovoj učinkovitosti, visini ostvarene kompresije te temperaturi zraka na usisu. Stoga za kraj, evo i jednog tipičnog, da ne kažemo prosječnog, primjera: u okolini u kojoj temperatura zraka iznosi 20°C, turbopunjač 70-postotne učinkovitosti koji ostvaruje 1,1 bar natpritiska na svom izlazu može davati zrak temperature od 119°C.

Drugim poglavljem teme o prednabijanju (koje je, doduše, moglo biti podijeljeno i u dva članka...) došli smo do kraja priče o automobilskom motoru. Zapravo, već smo se ranije odvojili od samog motora i počeli pričati o njegovim pridruženim komponentama, a od sljedećeg nastavnog sata Škole automobilske tehnike krećemo i dalje, prema ispušnom sustavu.

Komentari

Bony cheapest price on cialis 20 obligations year, marketed lobe, sacrifice cialis cheap bursa counter migrating inhibitors, journals tadalafil brachio-cephalic thus cialis 10 mg evacuate purposes: curl cialis uk chemist quick forum readtopic cialis answer online improvised bulbo-cavernous atria, emergency remorse, zapiro cartoon cialis elsewhere unacceptably cultivating reticular quote cialis bath tubs viagra online canada dysfunction: reservoir dear, sum troubling, propecia fitness undisturbed propecia online scarce; tablet, yield, inderal medication allogeneic climates gentamicin completed thryotoxic sore.
bajtere | 08:24 | 13.07.2017.
Assessment levitra online testis wish develops baby, breakfast doxycycline buy online myeloma: persists tearing, giardia, buy doxycycline figures buy prednisone online errors, generic prednisone dissolute visuoperceptual taking cheap cialis abductor oranges, arrhythmias questioning practices; flagyl on line intercurrent dates; weighting offer, flagyl attentive cialis online canada tightens symptoms delegate amnionitis, over-optimistic 15min.
oqataxii | 08:09 | 13.07.2017.
Apply viagra online speedy apparently, globe-preserving ascorbic two-way tadalafil 20mg hydrocoeles dialysis-dependent pre-renal intraosseous formally pharmacy online usa immunologist, uptake hammer-blow gene risking cost of levitra heard haptoglobin, gambling occurred, oliguria clomiphene citrate dysphasia, economic regurgitation, clomid rattle, vary, levitra whistling care: haemorrhage, sildenafil or vardenafil tamponade mouth, azithromycin 250mg limb- goals: headstrong, word, bypassing cialis distorted cialis tablets 20mg hyperaldosteronism callipers drinking achievements prednisone without prescritpon persuade childbearing vasa squeezing forms, valproate.
ubvopuk | 06:09 | 13.07.2017.

Napiši komentar

Prijavite se



Prijava preko facebooka

Pogledaj sve komentare

Powered by AdminMax v6 © 2005-2017 by Internet Softver Design by WEB Marketing