Az írás eredetileg régi Skoda motorhoz illesztett turbo feltöltőről szól ill. a megvalósítás buktatóiról. Érdemes elolvasni a téma iránt érdeklődőnek, ugyanis a szerző - ecoracer - nem a levegőbe beszél, jó háttér ismerettel rendelezik a témában.

 

 

Értekezés benzinmotorok turbófeltöltéséről

 

 

A Skodaklub.hu tagjai részére készítette: Ecoracer

 

Bevezetés:

Időnként felmerül, hogy egyszerű utcai autónkat turbóssá alakítsuk. Engem is évek óta foglalkoztat a gondolat, de eddig nem fogtam hozzá. A feltöltés nagyon csábító lehetőség arra, hogy komoly teljesítménytöbbletet érjünk el. Látszólag nincs is nagy különbség egy Renault 5 Turbó és a Skodánk között. De ez a szerkezet jelentős átalakítást igényel. Engem az utcán nap mint nap használható, megbízható és gazdaságos motor érdekel, a témát ebből a szempontból vizsgáltam.

 

1. Fejezet: a feltöltött motorok alapjairól röviden

 

A feltöltött motor teljesítménye:

A motor teljesítményét elsősorban a motorba kerülő töltet nagyobb sűrűsége okozza. További teljesítménynövekedést jelent, hogy a töltetcsere veszteségei csökkennek.

Ha a töltet hőmérséklete megegyezne a szívó motoréval és nyomása x-szeres lenne, akkor a mennyisége is x-szeres. Változatlan sűrítéssel a kompresszió végnyomás x-szeres, a hőmérséklet nem változik. Az égés utáni hőmérséklet sem változik, a nyomás x-szeres, a teljesítmény x-szeres.

Eddig nagyon szép, de: Az égési csúcsnyomás nem lehet akármilyen nagy, és a töltet hőfoka is mindenképpen magasabb.

 

A feltöltött benzinmotor égésfolyamatáról:

A feltöltés az égésfolyamat két összetevőjét befolyásolja:

1.      A lángfront haladási sebességére a nagyobb nyomásszint alig van hatással.

2.      A még el nem égett keverékben lejátszódó folyamatok nagymértékben függnek a feltöltéstől. A nagyobb nyomás és hőmérsékletszint nagymértékben növeli a kopogási hajlamot. A gyárilag készült feltöltéses motoroknál ez korlátozza a feltöltés mértékét, és a teljesítményt.

 

 

A feltöltés mértékének gyakorlati korlátai:

 

A feltöltés mértékét általában a termikus igénybevétel, az alkatrészek mechanikai igénybevétele, és gazdaságossági szempontok korlátozzák. Elsősorban a kopogási határ, illetve a kitolására tett intézkedések „mellékhatásai” a korlátozó tényezők.

 

A kopogás:

 

A fontosabb tényezők hatása a kopogási határra:

 

1.      A töltőlevegő nyomása és hőmérséklete:

   Az alábbi ábrán látszik, hogy hogyan alakul a kopogási határ. Különösen érdekes, hogy a benzol adalékok, amik a mostani benzinekben vannak, sokkal érzékenyebbek a hőmérsékletre.

 

 

 

Kis kitérő a benzinek oktánszámával kapcsolatban. Az oktánszám meghatározására két mérési módszer terjedt el: A kísérleti (ROZ) és a motormódszer (MOZ). A ROZ inkább a kis fordulaton, kis hőterhelés melletti kopogást jellemzi, amit néha elinduláskor hallhatunk. A MOZ pedig a nagy hőterhelés mellettit, ami erősen gyorsítva, vagy emelkedőn jöhet elő. A két érték között jelentős különbség van, pl. az AB91 nevű benzinünknél ROZ: 91, MOZ: 82,5. Az ólmozott benzineknél ez a különbség kisebb volt. Így fordul elő, hogy az az autó, ami vígan ment 92-es benzinnel, az minden gyorsításkor csöröghet 91-essel. Az ólommentes benzint ez a tulajdonsága kedvezőtlenné teszi a feltöltött motorok számára, és a töltőlevegő hűtésére nagyobb hangsúlyt kell fektetni.

 

2.      Az előgyújtás:

  A kopogási határ az előgyújtástól nagymértékben függ. A töltőnyomás növelésével az előgyújtást csökkenteni kell. Ez azonban csökkenti a motor hatásfokát, és növeli a kipufogógáz hőmérsékletét, ezzel a kipufogószelep igénybevételét.

 

3.      A sűrítés:

 A megvalósítható sűrítési arány elsősorban a tüzelőanyag kompressziótűrésétől függ. A sűrítési arány növelésével a kompresszió véghőmérséklete és a végnyomás is nagymértékben nő, aminek kopogási hajlam a következménye. Annak a meghatározása, hogy egy adott motor sűrítését az adott töltőnyomáshoz mennyivel csökkentsük, csak kísérletileg határozható meg igazán, mert túl sok tényező befolyásolja.

 

 

 

A hőterhelés:

 Gyárilag készített motoroknál a kopogás mellett a hőterhelés jelenti a fő korlátot. Miközben ő maga is jelentős mértékben befolyásolja a kopogási hajlamot. Erről szól a következő ábra:

 

 

A leginkább kritikus alkatrészek a dugattyú és a szelepek. Ezekre az alkatrészekre jellemző, hogy közvetlenül érintkeznek az égésgázokkal, de hűtésük különösen nehéz. Nem érintkeznek hűtővízzel, csak közvetve lehet a hőt elvezetni. A dugattyúnál a hő legnagyobb része a gyűrűkön keresztül, illetve a paláston adódik át kismértékben az olaj is szállít el hőt. Szívómotoroknál ennyi elég is. A dugattyú tervezésénél a hőelvezető képesség és a kis tömeg egymással ellentétes szempontok, és a gyártó nem tervez vastagabb dugattyútetőt, vagy hosszabb, vastagabb palástot a szükségesnél.

 

 Ha növeljük a dugattyú hőterhelését, a következőkre számíthatunk:

1.      A tető közepének hőfoka jóval nagyobb lesz, ami egyrészt kopogást vagy öngyulladást okozhat, másrészt az ötvözet csökkenő szilárdságának hatására átszakadhat

2.      A növekvő hőtágulás miatt a dugattyú besülhet.

3.      A forró dugattyún levő olaj gyantásodik, és a motor kenése veszélybe kerülhet.

 

 Gyári motoroknál van megoldás: vastagabb falú, „erősebb” dugattyú, hűtés olajsugárral, növelt illesztési hézag, szélesebb vagy több gyűrű.

 

Ha növeljük a kipufogó szelepek hőterhelését:

1.      A fészek és a tányér melegebb lesz, erősebb korróziós igénybevétel éri.

2.      A gázok nyomása és hőfoka magasabb, ezért az apró tömítetlenségeken a kifúvás mértéke nő, az elégés veszélye nagyobb lesz.

3.      Nő a hőáram, az egész szelep és a szár melegebb lesz, a szár besülhet a vezetőbe.

 A megoldás: nátriummal töltött szár, hőállóbb ötvözet, hosszabb szelepvezető.

 

Ha növeljük a szívószelepek hőterhelését:

 A nagyobb hőmérsékletingadozás miatt hajlamosabb lesz a beverődésre.

 A megoldás: más ötvözet, esetleg módosított szögben kimunkált szelepfészek.

 

A mechanikai igénybevétel:

 

A motor mechanikai igénybevétele a nyomásokkal arányosan nő. Az égési nyomásból származó erő fokozottan terheli a forgattyús hajtómű minden csapágyát, növeli az alkatrészek deformációját. Járulékos igénybevételt jelent a nehezebb dugattyú (esetleg hajtórúd) által keltett nagyobb tömegerő is.

 A megoldás: a motor csapágyait és főtengelyét erősebbre készítik.

 

2.      Fejezet: A feltöltő és a motor együttműködése

 

1.      A legfontosabb most kimarad. Ez a töltő méretezése lenne, de egyrészt nagyon bonyolult, másrészt pedig nehezen rendelhető meg az az egyetlen darab turbó, amit megálmodtunk.

 

2.      A töltőlevegő hűtése: A töltőben a levegő felmelegszik, főleg nagyobb nyomások esetén, de turbónál jelentős lehet a turbina felől átvezetett hőmennyiség is. Ez két szempontból káros. Az egyik, hogy azonos nyomáson a meleg levegő sűrűsége kisebb, ezáltal kisebb tömegű levegő kerül a motorba. A másik, hogy növeli a motor hőterhelését és kopogási hajlamát. Sajnos ez sem csodaszer, hátrányai is vannak. Növeli a rendszer fojtását, valamint a töltő és a motor közötti térfogatot.

 

3.      A feltöltött motor gyorsulása: Hirtelen gázadáskor a turbó nem azonnal éri el az új terhelési állapotnak megfelelő fordulatszámot. Ezt a jelenséget szokták turbólyuknak nevezni. Mértékét több tényező befolyásolja.

 

a.       A kezdeti állapot: kisebb terhelésről és fordulatszámról kezdve a gyorsulást, növekszik

b.      A töltő tehetetlenségi nyomatéka: ez egyértelmű.

c.       A turbina előtti kipufogócsövek térfogata és kialakítása: kis motoroknál szinte mindig közvetlenül a torokra szerelik.

d.      A sűrítő és a motor közötti térfogat: ez is egyértelmű.

 

4.      A nyomatékrugalmasság: a konstrukcióból adódik, hogy egészen kis fordulatokon a töltőnyomás alacsony, vagy nincs is. Ennek ellenére elég jó nyomaték érhető el kisebb fordulatokon is, ha a turbó szállítása már itt is elég nagy. Ebben az esetben feltétlenül határolni kell a töltőnyomást. Benzinmotoroknál mindig alkalmaznak pump-off szelepet, ami a beállított nyomás túllépésekor a kipufogógáz egy részét elengedi a turbina mellett.

 

A gyorsulást és a rugalmasságot is befolyásolja a karburátor elhelyezése. Kedvezőbb lenne, ha a turbó elé kerülne, mert részterheléskor a kisebb nyomás alatt a feltöltő nagyobb fordulatszámon működik, és gázadáskor „lendületből” áthidalhatja azt az időt, míg a kipufogó gázok mennyisége nőni kezd. Mindezekkel szemben egyetlen, de súlyos hátrány áll: az üzemidő nagy részében uralkodó vákuum olajat szív el a turbó csapágyáról, ami komoly olajfogyasztást, és nagyon csúnya füstöt okoz. Gyakorlatilag utcai autón nem is alkalmazható.

 

3.      Fejezet: Mi lehet a Skodával

 

A problémák:

 

1.      A forgattyús hajtómű: nem visel el tartósan sokkal nagyobb nyomatékot, mert sajnos három főcsapágy van. Ezért a főtengely deformációja nagy, ami a csapágyak élenfutását, és gyors tönkremenetelét okozza. A nagyobb deformáció növeli a rezgések amplitudóját is, ami növeli a törés esélyét. Szerintem egy kiváló állapotban levő motor esetleg  40%-os túlterhelést viselhet el, elfogadható ideig.

 

2.      Az égéstér és környéke: a kompresszióviszony nem csökkenthető egyszerűen. Vastagabb tömítés beépítésével az égéstér alakja kedvezőtlenül változik a kopogás elkerülése szempontjából. A széria, 135-ös motor sűrítése 98-as benzinnel csak kb. 1,3 bar-os töltőnyomást enged meg. Esetleg vízbefecskendezéssel 1,5-öt, a 136-os még kevesebbet. Vagy égéstér marás, vagy dugattyúkészítés következik.

 

 

3.      A hőterhelés: igazi megoldást csak új dugattyú, és nátriumos kipufogószelep jelent. Kisebb feltöltésnél segíthet a dugattyú olajsugaras hűtése, és a csodaszer, a vízbefecskendezés is. Az olajsugaras hűtés megkívánja nagyobb teljesítményű olajszivattyú és olajhűtő beszerelését.

 

Összegzés:

 

 A Skoda motor nem igazán alkalmas erre, de kisebb, 1,2-1,4 bar nyomás mellett vízbefecskendezéssel működhet megbízhatóan, de a gyári teljesítménynél többel tartósan nemigen terhelhető. A nagyobb nyomáshoz szerintem kell az olajsugaras hűtés is. Jó hír, hogy ez a nyomás nem igazán követeli meg a töltőlevegő hűtését, és a hűtőrendszer is talán elboldogul ennyi hővel. Olajhűtőt felszerelnék. Ja és a vashengerfej már alapban is kritikus termikusan, szerintem a repedés csak idő kérdése.

Utcára kérdéses, hogy az elérhető 80-90 lóerő teljesítmény megér-e ekkora ráfordítást. Persze az elérhető teljesítmény határa a csillagos ég, de a motor élettartama és megbízhatósága innentől biztosan rohamosan csökken.

Nem szóltam még a tervezés és az építés szépségéről, és az autóhoz fűző szerelemről, ami minden ráfordított órát és forintot indokolttá tesz.

 

Utószó: Az itt leírtakat főképpen a dr. Dezserédi György, dr. Emőd István és dr. Finichiu Líviu által írt, Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata című könyvből merítettem, az ábrák is innen valók. Mivel az itt leírtakat nem ellenőriztem kísérletekkel, nem kezelhetők megfellebezhetetlen igazságként. Nem szántam átalakítási útmutatónak sem, csupán gondolatébresztőnek, hogy az érdeklődők kicsit belelássanak a turbómotor működésébe, a megvalósítás ellentmondásaiba, és jobban felmérhessék az építés munkaigényét, és kockázatait, vagy a reálisan elérhető célokat.  Mindenképpen szükséges lenne a már megvalósult konstrukciók elemzése, hogy ne mindent a saját kárunkon kelljen megtapasztalni.

 

 Kellemes további gondolkodást és a munkához sok sikert kívánok.

 

Ecoracer 

 

 

A bejegyzés trackback címe:

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.