Turbó tech. Haladó

Ebben a fejezetben az alábbi területeket fogjuk érinteni:
1. Tárcsa Trim
2. A turbinaház A/R és házméretezés
3. Különböző típusú kipufogó leömlők (előnyök/hátrányok)
4.Kompresszió arány a tultöltéssel (boost-tal)
5. Levegő/üzemanyag arány tuningolás (Dús vagy szegény, amiért a szegény nagyobb teljesítményt ad, de veszélyesebb)

1 Tárcsa Trim
A trim egy gyakori szakkifejezés, amikor a turbófeltöltőkről beszélünk vagy bemutatjuk ezeket.
Pl. azt halljuk, olvassuk, hogy van egy GT2871R turbófeltöltőm ami 56 trimmeres. Mi az a trim? A trim egy szakkifejezés az inducer (bemeneti"szívó"átmérő) és az exuder(kimeneti"nyomó"átmérő) közötti kapcsolat kifejezésére mind a turbina mind pedig a kompresszor tárcsánál. Pontosabban ez egy felületarány.
Az inducer átmérő az az átmérő, ahol a levegő belép a tárcsához, míg az exuder átmérő az az átmérő, ahol a levegő elhagyja a tárcsát.
Az aerodinamikára és a levegő belépési pályákra alapozva az inducer a kisebb átmérő egy kompresszor tárcsa esetén. A turbina tárcsák esetében az inducer a nagyobb átmérő.
 

Fresh air-friss levegő
Compressor Wheel-Kompresszor tácsa
Turbine Wheel-Turbina tárcsa
Exhaust Gas-Kipufogógáz

A kompresszor és turbina tárcsák inducer és exducer átmérőjének ábrázolása.
1.példa: A GT2871R turbófeltöltőnek (Garrett száma 743347-5002S) az alábbi méretű kompresszor tárcsája van. Mekkora a kompresszor tárcsa trimje?
Inducer átmérő=53,1mm
Exducer átmérő=71,0mm

2.példa: A GT2871R turbófeltöltőnek (Garrett száma 743347-5002S) egy 71,0mm átmérőjű exduceres kompresszor tárcsája van, a trim 48. Mekkora a kompresszor tárcsa inducer átmérője?
Exducer átmérő=71,0mm
Trim=48
Inducer=?

Egy tárcsa trim-je akár kompresszor, akár turbina, befolyásolja a teljesítményt az áramlási kapacitások megváltoztatásával. Minden más tényezőt állandónak tartva, egy nagyobb trimmes tárcsa többet áramoltat, mint egy kisebb trimmes tárcsa. Fontos megjegyezni, hogy nagyon gyakran az összes többi tényezőt nem tartjuk állandónak, azaz változtatjuk. Ez azért van, mert egy nagyobb trimmeres tárcsa nem szükségszerüen jelenti azt, hogy több levegőt fog áramoltatni.

2. A házméretezés, mi az A/R?
Az A/R (felület/sugár) arány leírja minden kompresszor és turbina ház geometriai jellemzőjét. Műszakilag ez a következőképpen határozható meg:
A bemeneti nyílás (kompresszoházak esetén kiürítési) keresztmetszeti felülete osztva a turbinaház középvonalától a keresztmetszeti felület közepéig húzott sugárral.

 Az A/R értelmező kompresszorház ábrázolása.

Az A/R paramétereinek különböző hatásai vannak a kompresszor és a turbina teljesítményeire, az alábbiakban körvonalazottak szerint.
Kompresszor A/R: A kompresszor teljesítmény viszonylagosan érzéketlen az A/R változásokra. A nagyobb A/R házakat néha a kis túltöltések optimalizálására, a kisebb A/R-eket pedig a nagy tultöltésekhez használják. Egyébként, mivel az A/R hatása a kompresszor teljesítményére jelentéktelen, nem állnak rendelkezésre A/R választási lehetőségek a kompresszorházak esetében.
A turbina A/R: A turbina teljesítményét nagyban befolyásolja a turbinaház A/R arányának megváltoztatása, mivel ezt használják a turbina áramlási kapacitásának a beállítására. Kisebb A/R esetén meg fog növekedni a kipufogógáz sebessége a turbina tárcsánál. Ez megnövelt turbina teljesítményt biztosít kisebb motor fordulatszámnál, egy gyorsabb tultöltést eredményezve. Egyébként egy kicsi A/R arány miatt a tárcsához belépő áramlás tangenciálisabb,(érintő irányú erő)ami lecsökkenti a turbina tárcsa végső áramlási kapacitását. Ennek következtében megnövekedik a motor kiürítési ellennyomása, ami csökkenti a motor "légzését" nagy fordulatszámon, így csökken a motor csúcsteljesítménye. Egy nagyobb A/R viszont le fogja csökkenteni a kipufogógáz sebességét, és késleltetni fogja a tultöltést. Az áramlás egy nagyobb A/R arányú házban a tárcsához nagyobb sugáron lép be, megnövelve a tárcsa effektív áramlási kapacitását, ami kisebb ellnnyomást és nagyobb motor fordulatszámoknál jobb teljesítményt eredményez.
Amikor választunk az A/R lehetőségek között, legyünk realisztikusak a szándékolt jármű használattal kapcsolatban és az A/R-t, a teljesítmény eltolásához használjuk a kivánt teljesítménysáv jelleemzői felé.
A különböző A/R alkalmazások meghatározzák a jármű különböző használhatóságát. Képzeljünk el kettő 3,5L motort, mindkettő GT30R turbófeltöltőt használ. A különbség csupán a két motor között a különböző turbinaház A/R. Motor 1. Turbinaház A/R: 0.63
Motor 2. Turbinaház A/R: 1.06

Mire tudunk következtetni a mindkét motorhoz illeszkedő turbófeltöltőből?
Motor 1. A motornak egy kisebb A/R arányú turbinaháza(0.63)van, így jobban el van tolva az alsó forgatónyomaték határhoz és a gyorsabb tultöltési reakcióhoz. A hétköznapi vezetési szokásoknak kedvez hiszen, minimális folytószelep nyitásra is erőteljesen reagál. Egyébként nagyobb fordulatszámoknál ez a kis A/R ház nagy ellnnyomást fog eredményezni, ami a végteljesítményben veszteséget okozhat. Ez a motorteljesítmény karakter kívánatos az utcai használatra, ahol a kis motorfordulatszámnál gyors tultöltési reakció és a tranzines állapotok sokkal fontosabbak mint a végteljesítmény.
Motor 2. A motornak egy nagyobb A/R arányú turbinaháza(1.06)van és a maximális lórő felé van eltolva, miközben feláldozza a tranzines reakciót és a forgatónyomatékot nagyon alacsony motor fordulatszámoknál. A nagyobb A/R turbinaház tovább minimalizálja az ellnnyomást nagy fordulatszámnál a motor csúcsteljesítményének kihasználásához. Másfelől ez növelni fogja a motor fordulatszámot ill. növelhető, aminél a turbófeltöltő még mindíg elegendő tultöltést biztosít, megnövelve a tultöltés idejét. Ez a motorteljesítmény kivánatosabb a pálya versenyzéshez, mint az 1. motoré, amikor a motor az idő nagy részében magas fordulatszámon fog működni.
 3. Különböző típusú kipufogó leömlők (előnyök/hátrányok)
Alapvetően két különböző típusú kipufogó leömlő csőrendszer létezik:
öntötvas rönkforma
hegesztett csőforma

Öntötvas rönkforma leömlő

Hegesztett csőforma

A kipufogó leömlők tervezésénél több ttényezőt kell figyelembe venni és optimalizálni.
Általános tervezési tippek a legátfogóbb teljesítményhez:
A hajlatok sugarának maximalizálása, ami segíti a kipufogási ütemet az impulzusenergia kezelésében
A leömlő csöveket készítsük egyenlő hosszúságura, hogykiegyenlítse a kiürítési visszaáramlást az összes hengerben.
Kerüljük a hirtelen felület változásokat a turbinához vezető szakaszon az impulzusenergia fentartása végett.
A gyűjtőbe kis szögben vezesük a leömlő csöveket, hogy minimalizáljuk a gázok forgását a turbinaház bemenetnél.
A jobb túltöltés reakció miatt, minimalizáljuk a kiürítési térfogatot a hengerfej és a turbinaház között.
Az öntötvas leömlőrendszerek megtalálhatók a mindennapos OEM álkalmazásoknál, míg a hegesztett leömlőrendszereket majdnam kizárólag utólagosan és verseny célokra alkalmazzák. Mindkét rendszernek megvannak az előnyeik és hátrányaik. Az öntötvas rendszerek általában nagyon tartósak és rendszerint egy alkalmazásra vannak tervezve. Speciális szerszámozást igényel az öntés és a leömlő tulajdonságainak elkészítéséhez.
A hegesztett cső alakú rendszerek lehetnek rendelésre készültek egyéni alkalmazáshoz speciális szerszámozási követelmények nélkül. A gyártó a típusnak megfelelően levágja az előhajlított acél U-alaku csőhajlatokat a kívánt méretre, majd összehegeszti ezeket. A hegesztett cső alakú rendszer nagyon hatásos megoldás a tuningolás esetén. A hegesztett kötések azonban, a vékonyabb fal részek és a csökkentett merevség miatt gyakran hajlamosak a repedésre, ami a hőtágulásnak/hőzsugorodásnak és rezgéseknek köszönhető. A megfelelően megszerkeztett cső alakú rendszerek viszont hosszú életüek lehetnek. Továbbá a cső alakú rendszereknek lehet egy lényeges teljesítmény előnyük a rönktípusú rendszerekhez képest.
Mindkét rendszer készülhet osztott leömlőként-DIVIDED MANIFOLD melyeket jellemzően az osztott turbinaházakhoz alkalmazunk (twin-scroll turbine housings).

Öntöttvas leömlő osztott turbinaház bemenettel.

Hegesztett cső alakú leömlő rendszer osztott turbinaház bemenettel.

Az elérendő cél a hengerek, melyeknek a kipufogási ciklusai egymással ütköznek, egymástól elkülönítsük, hogy a legjobban hasznosítsuk a motor kipufogási impulzusenergiáját. PL. egy 4-hengeres motornál 1-3-4-2 gyujtási sorrendnél, az 1 henger befejezi a munkaütemet és menyítja a kipufogó szelepet mialatt a 2. hengernél szelep összenyítás van tehát a kipufogó szelep éppen zárás előtt. Egy osztatlan leömlő rendszernél az 1henger erőteljes kipufogási impulzusa valószínű beszennyezi a 2.henger öblítési ciklusát. Ez nemcsak az öblítést károsítja, hanem ez az impulzusenergia jobban hasznosítható lehetett volna a turbinaházban. A megfelelő csoportosítás ennél a motornál az 1-4 hengerek valamint a 2-3 hengerek közös kiömlő csatornába való egyesítése.

Turbine Housig - Turbinaház
Divider - Osztó
Az osztott turbinaház.

A kipufogó impulzusenergia jobb hasznosítása miatt, a turbina teljesítménye jobb és a túltöltés gyorsabban növekszik.
Kompresszió arány és tultöltés.
Mielőtt megvizsgálnánk a komresszió arányt és a tultöltést, fontos a motor kopogásának megismerése.
A kopogás veszélyes állapot, amit a levegő/üzemanyag keverék szabálytalan égése okoz. Ez az abnormális égés hirtelen impulzuscsúcsokat okoz a henger nyomásban, ami a motor károsodását eredményezi.
Három elsődleges tényező, amely befolyásolja a motor kopogását:
1. A motor kopogási ellenállásának jellemzői(kopogási határ): Mivel minden motor nagyban különbözik a kopogási ellenállásban, nincs egységes vállasz, hogy mennyire. A tervezési jellemzők, mint az égéstér geometria, gyertya helye, furatméret és kompresszió arány, mind befolyásolják egy motor kopogási jellemzőit.
2. Környezeti levegő állapotok: A turbófeltöltés esetében mind a környezeti levegő állapotok, mind pedig a motor szívási állapotai befolyásolják a maximális túltöltést. A forró levegő és a nagy hengernyomás megnöveli az esélyt a kopogásra. Amikor egy motor túltöltött, a hengerbe jutatott levegő hőmérséklete megnő, így megnöveli az esélyt a kopogásra. A töltőlevegő hűtő (intercooler) közbeiktatásával ezt a veszélyt csökkenteni tudjuk.
3. Az üzemanyag oktánszáma: az oktánszám az üzemanyag kopogási ellenállás képességének a mértéke.
Az oktánszám a benzinszivattyú esetében 95 és 99 közötti, míg a verseny üzemanyag jóval 100 felett lesz.
Minél nagyobb az üzemanyag oktánszáma, annál nagyobb a kopogási ellenállása. Mivel a kopogás káros a motorra, fontos, hogy megfelelő oktánszámú üzemanyagot használjunk. Általánosan fogalmazva, minél több a túltöltés, annál magasabb az oktánszám követelmény. Ezekután vegyük sorra mit tehetünk a kopogás valószínűségének lecsökkentéséhez. A kompresszió arány a következőképpen van definiálva.

vagy

Ahol: Compression Ratio - Kompresszió arány
Displacement Volume - Lökettérfogat
Clearance Volume - Égéstérfogat 
17.kép A henger, dugattyú, dugattyú hajtókar és
főtengely geometria. ahol B=furat és
L=löket
A gyári kompresszió arány különböző lesz a szívó motoroknál és a turbófeltöltéses motoroknál. Pl. Honda S2000-nek a kompresszió aránya 11,1:1-hez míg a turbófeltöltésel ellátott Subaru Impreza WRX kompresszió aránya 8,0:1-hez. Számos tényező van, amelyek befolyásolják a maximálisan megengedhető kompresszió arányt. Nincs egyszerű megfelelő válasz minden használatra. Általánosságban a kompresszió arányt olyan nagyra kell állítani, amennyire csak lehetséges anélkül, hogy kopogást tapasztalnánk maximális terhelésnél. A tul kicsi egy kissé lomha motort fog eredményezni a tultöltés nélküli üzemelésben. Ha viszont túl nagy, akkor ez súlyos kopogással kapcsolatos motor problémákhoz vezethet. A tényezők, amelyek befolyásolják a kompresszió arányt: üzemanyag kopogásgátló tulajdonsága (oktánszám), turbó nyomás, beszívott levegő hőmérséklet, égéstér geometria, gyújtási időpont, szelep vezérlés és a kiürítési ellennyomás (kipufogási). Sok modern szívó motornak nagyon jól megtervezett égéstere van, ami megfelelő tuningolással lehetővé tesz egy mérsékelt túltöltést, a kompresszió arány megváltoztatása nélkül. Nagyobb teljesítmény célok esetén, több túltöltéssel, a kompresszió arányt be kell állítani a kompenzáláshoz. Több lehetőség között lehet választani a kompresszió arány csökkentésére. A legkevésbé kívánatos a betétlemez a blokk és a hengerfej között. Ezek a betétlemezek megváltoztathatják a vezérmű tengely helyzetét (vezérlést), a megtervezett hengerfej geometriára károsan hatnak, romlik a zömítetség. A betétlemezes megoldás azonban viszonylag egyszerű és olcsó. Egy jobb választás, ha időigényesebb és drágább megoldást akarunk, kisebb kompressziójú dugattyúk használata. ezek nem változtatják meg a vezérlést, az égési folyamatra kevésbé vannak hatással, és a tömítő képesség is megmarad.

Levegő/üzemanyag arány tuningolás: Dús vagy szegény, a szegény nagyobb teljesítményt ad, de veszélyesebb.
Amikor a motor tuningolásról beszélünk a levegő/üzemanyag arány (AFR) az egyik fő szempont. A megfelelő AFR kalibráció meghatározó a teljesítményben és a motor tartósságában. Az AFR meghatározza a motor által elfogyasztott levegőmennyiséghez adott benzinmennyiséget. Egy "Sztöchiometrikus" AFR-nek megfelelő mértékű levegő és üzemanyag mennyisége van egy vegyileg tökéletes égési folyamathoz. Benzinüzemű motorok esetén a sztöchiometrikus A/F arány 14,7:1, ami 14,7 levegőt jelent 1rész üzemanyaghoz. A sztöchiometrikus AFR függ az üzemanyag típusától - alkohol esetén ez 6,4:1 dieselnél 14,5:1. Mit jelent a dús és a szegény AFR? Egy kisebb AFR szám kevesebb levegőt tartalmaz, mint a sztöchiometrikus 14,7:1 AFR, ezért ez egy dúsabb keverék. Pl.: 15,0:1=szegény
14,7:1=sztöchiometrikus
13,0=dús
A szegényebb AFR magasabb hőmérsékletet eredményez, amikor a keverék elég. Általánosságban a benzinüzemű szívó motorok maximális teljesítményt nyújtanak a sztöchiometrikustól egy kissé dúsabb keverékkel. A gyakorlatban viszont ezt 12:1 és 13:1 között tartják az eltérő üzemanyag minőség, és a kipufogógáz hőmérsékletének ellenőrizhetősége miatt. Ez egy tökéletes megbízható AFR érték egy szívó motornál, de veszélyesen szegény lehet egy nagymértékben túltöltött motornál. Vizsgáljuk meg a kérdést közelebről.
Amikor a levegő/üzemanyag keveréket a gyertya begyújtja egy lángfront terjed a gyertyától az égéstérben.

Az égő keverék megnöveli a henger nyomását és a hőmérsékletét, kicsúcsosodva egy bizonyos pontnál az égési folyamatban. A turbófeltöltő megnöveli a levegő sűrűségét, ami egy sűrűbb keveréket eredményez. A sűrűbb keverék megnöveli a henger nyomáscsúcsot, így megnöveli a kopogás valószínűségét. Ahogy az AFR gyengül, az égő gázok hőmérséklete emelkedik ami szintén megnöveli a kopogás valószínűségét. Ezért szükségszerű a dúsabb AFR egy túltöltött motornál teljes terhelésnél. Így lecsökken a kopogás valószínűsége, és a hőmérsékleteket is ellenőrzés alatt tarthatjuk. Tulajdonképpen három módja van a kopogás valószínűségének a lecsökkentésére teljes terhelésnél egy turbófeltöltéses motornál. Az AFR beállítása dúsabb keverékre, a túltöltés csökkentése, és késleltetett gyújtásvezérlés. Ezt a három paramétert együtt kell optimalizálni, hogy a legnagyobb megbízható teljesítményt érjük el.