VISOKA TEHNI KA KOLA STRUKOVNIH STUDIJA KRAGUJEVAC

SEMINARSKI RAD

TURBO- PUNJA I

PROFESOR :dr Milovan Radosavljevi

STUDENTI :Marko Ili 007/2009 Viktorija Vlatkovi 255/2009 Kragujevac, 2011.

Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila pomen pojma "turbo" ih u tokom proteklih desetak godina uglavnom asocira na dizel motore. Takozvana "turbo" era se zavr ila krajem 90-tih godina i od tada pa sve do sada njih dana turbo je stvarno ono to u velikoj ve ini slu ajeva dobar nagove taj da je u pitanju dizel motor. Prvo to moramo da naglasimo u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo punja se naj e ce naziva samo turbo, a u engleskom je naziv koji se koristi "turbocharger", dok se turbo kompresor mo e jo nazivati i kompresor (Mercedes koristi ovaj naziv, npr.), punja (G punja VW) dok se u engleskoj literaturi turbo kompresori nazivaju "supercharger". Turbine se koriste u energetici, avio i auto industriji i ono to ih razlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadatci razliciti, ali ono to ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko nacina takozvanog "prehranjivanja" (termin koji se koristi u ud benicima na eg Ma inskog Fakulteta) tj. dodatnog sabijanja vi e vazduha nego to prirodni pritisak omogucava. Motor sagoreva me avinu vazduha i goriva, a taj vazduh ulazi u motor kroz usisnu granu motora povu en iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga pove ala koli ina vazduha koriste se ve ta ki na ini kao to su: turbo punja i, mahani ki kompresori i tzv. "Ram Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbo punja a i turbo kompresora dok emo princip rada "Ram Air" sistema objasniti u narednih nekoliko re enica.

"Ram Air"Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trka ki automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovaraju ih filtera) izvede direktno negde na spoljni deo automobila koji je okrenut smeru kretanja i time se pove anjem brzine automobila proporcionalno pove ava pritisak vazduha koji ulazi u motor. Na primer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozaca, GT automobili imaju "grbe" na haubi koje direktno ubacuju vazduh u motor automobila, a1

taj pritisak je direktno srazmeran brzini kretanja automobila.

Slika 1: Ferrari Maranello 575 tipi an primer GT automobila sa Ram Air sistemom

Zlatna "turbo" eraTurbo punja i su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putni kim automobilu ranih 1960-tih godina. Model je bio Chevrolet Corvair kojeg je proizvodio General Motors - GM. Automobil je imao lo u reputaciju zbog toga to je imao jako lo e performanse pri malim brzinama, a ogroman turbo lag je te nu vo nju inio u ovom automobilu prakti no nemogu om. Turbo lag je ono to je automobilskoj industriji pravilo veliki problem i spre avalo da se automobili koji su u to doba koristili turbo punja proglase prakti nima. Turbo punja i su se u to doba obilato koristili u auto sportu po ev i od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do "endurans" trka i na2

kraju same Formule 1, medutim voza i trka kih automobila su uspevali da se izbore sa prili no neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo re enje za svakodnevnu vo nju i normalnog voza a. Turbine iz tog doba su bile veoma velike i te ke pa su samim time bile veoma inertne. Takve turbine se nisu mogle zavrteti ispod 3500 obrtaja, pa je opseg rada motora do 3500 obrtaja bio veoma slab obzirom da je u doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi se izbeglo pregrevanje glave cilindara. Por e je pionir kada se govori o relativno prakticnim turbo automobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji je koristio re enje do koga su do li Pore ovi in enjeri. Mehanizam se zasnivao da se koriste takozvane recirkuli uca creva koja su omogu aval turbini da se zavrti pre po etka rada pa se time umanjivao lag. Model iz 1978. Por e 911 Turbo 3.3 koji je nasledio model 3.0 turbo je uneo jo jedan novitet interkuler koji je dodatno umanjio lag i doprineo pove anju snage motora. Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbo punja a je evoluirala u pravcu kultivisanijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbo punja ima koristi jo jedan sistem umanjenja turbo laga elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbo punja i su koristili primitivna mehani ka re enja sa "vejst gejt" ventilom kako bi izbegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i po etkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogu ena fina kontrola pritiska turbine pa tim sistemom omogu eno da, na primer, turbo isporu uje 1,4 bar ispod 3000 obrtaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 obrtaja, a 1,8 bar iznad 4500 obrtaja. Tako finom kontrolom je postugnut linearan rast snage to je doprinelo ta nom ose aju u vo nji.

3

Turbo punja turbo

Slika 2: Turbo punja turbo

Turbo punja i su jedan od nekoliko sistema za dodatno uno enje vazduha u motor tj. one kompresuju (smanjuju zapreminu) vazduha koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine vazduha koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljava motoru da ima vi e vazduha u cilindru, a samim tim vi e goriva treba da bi se napravila odgovaraju a smje a. Samim time, dobija se vi e snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbo punja em po definiciji proizvodi vi e snage od motora koji nema turbo punja , a to zna ajno pobolj ava odnos snaga / te ina motora. Da bi turbo punja i postigli odgovarajucu kompresiju, turbo punja koristi izduvne gasove motora da bi zavrtijo svoju turbinu koja opet ubrzava unos4

vazduha. Turbina turbo punja a se obi no vrti od 100 do 150 hiljada obrtaja u minuti, a kako je direktno povezana na izduvnu granu motora temperature na kojima turbina radi su veoma visoke.

Slika 3: Upro ena ema motora sa turbo punja em Air filter filter vazduha, Turbocharger turbo punja , Intake usisna grana, Exaust izduvna grana

Osnove:Najlak i na in da dobijete vi e snage iz motora je da pove ate koli inu vazduha i goriva koje motor mo e da sagori. Jedan od na ina je da se pove a zapremina bilo pove anjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj na in nije mogu ili isplativ, turbo punja je jednostavnije i kompaktnije re enje. Turbo punja i omogu avaju motoru da sagori vi e goriva i vazduha tako to u postoje u zapreminu motora sabijanjem ubacuje vi e goriva i vazduha. Mera za sabijenost je u barima (metricki sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom incu). 1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar. Tipi an pritisak turbina je obicno oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar to zna i da se u motor ubacuje 50% vi e vazduha (1 bar je normalan pritisak, a kada5

dodate 0,5 bar pritiska pomo u turba dobijate 1,5 bar tj. 50% pove anja pritiska). Za o ekivati je da e i snaga sko iti za 50%, medutim sistem nije 100% efikasan tako da su pove anja snage u okviru 30 40% u zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti poti e od toga to vazduh koji pokre e turbinu nije besplatan, tj. vazduh koji turbina pozajmljuje iz izduvne grane motora ima svoju cenu. Cena je da motor mora da ulo i vi e energije da izbaci vazduh obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj izdvuni gas mora da savlada.

Na in funkcionisanja turbo punja a:Turbo punja je pri vr en na izduvnu granu motora, a ti izduvni gasovi okre u turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi izme u filtera za vazduh i usisne grane motora i taj kompresor sabija vazduh koji se ubacuje u cilindre. Izduv iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okre u samu turbinu i to vi e vazduha prolazi kroz lopatice, to se turbina br e okre e. Sa druge strane osovine na koju je prika ena turbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa uvla i vazduh u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okre e. Da bi izdr ala 150000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pri vr ena veoma pa ljivo. Ve ina le aja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punja i koriste fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju izmedu lagera i osovine i pomo u koga se kuglagerima po kojima se osovina kre e samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punja a. Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne strane je turbina koja pomo u izduvnih gasova pokre e kompresor pomo u osovine koja ih povezuje.

6

Slika 4 : Izgled turbo punja a Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne strane je turbina koja pomo u izduvnih gasova pokre e kompresor pomo u osovine koja ih povezuje

7

Slika 5 : Sistem rada turbo punja a

Slika 6 : Pera impelera na turbini

Problemi koji se javljaju kod turbo punja a

8

1.Previ e pritiska Kada se vazduh sabija u cilindre pod pritiskom koji pravi turbo punja koje zatim klip dodatno sabija postoji pove ana opasnost od samozapaljivanja sme e. Samozapaljivanje sme e se pojavljuje kada se sme a vazduha i goriva kompresuje preko kriti ne ta ke ime dolazi do detonacije u cilindru iako sve ica nije zapalila sme u to mo e o tetiti motor. Automobili sa turbo punja ima obi no koriste visoko oktanska goriva (koja imaju ve u otpornost ka samozapaljivanju) da bi izbegli ovaj problem. Problem se takode mo e re iti smanjenjem kompresije motora to naravno dovodi i do smanjenja snage motora. 2. Turbo Lag Jedan od najlak e uo ivih problema turbo punja a je da oni rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, ve je potrebno da motor obezbedi odgovaraju u koli inu gasova, a onda je potrebno jo nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi po ela sa radom to ima za rezultat da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritiskanju pedale gasa. Jedan od na ina za smanjenje ovog efekta (lag = zadr ka prim.prev.) je da se smanji intertnost pokretnih delova, tj. umanjenje njihove te ine. Ovo omogu ava turbini i kompresoru vazduha da se brzo zavrte i po nu ranije sa pove anjem snage motora. 3. Mali ili veliki turbo punja ? Siguran na in za smanjenje inertnosti turbine i kompresora vazduha je da se turbo punja na ini to manjim. Mali turbo punja ce daleko br e obezbediti pritisak i na manjem broju obrtaja motora, ali ne e biti sposoban da obezbedi dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike koli ine vazduha da bi zadr ao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da se mala turbina na visokom broju obrtaja motora mo e vrteti prebrzo to mo e dovesti do njenog o te enja. Veliki turbo punja mo e da obezbedi veliki pritisak na visokom broju obrtaja motora, ali je on te ak i inertan te mu je potrebno vi e vremena da ubrza svoju te ku turbinu i kompresor vazduha.9

... i njihova re enja Ventil za ispu tanje vi ka vazduha (vejst gejt eng. wastegate) Ve ina automobilskih turbo punja a imaju ventil za ispu tanje vi ka vazduha koji omogu ava manjim turbo punja ima da se ne vrte previ e brzo na visokom broju obrtaja, a istovremeno time to su mali umanjuju lag. Ventil za ispu tanje vi ka vazduha omogu ava izduvnim gasovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil oseca promenu pritiska i ako pritisak pre e odre enu granicu to je indikator da se turbina okre e prebrzo i tada ventil ispu ta deo izduvnih gasova tako da ne prelaze preko turbine i time omogu ava turbini da uspori.

Slika 7 : Wastegate ventili desno se nalazi fabrcki, levo je visoko performansni

LageriNeki turbo punja i koriste bolje lagere umesto lagera u te nosti kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obi ni lageri to super precizno napravljeni lageri, a materijali od kojih se prave su posebne legure koje mogu da izdr e velike brzine i temperature koje proizvodi turbina. Oni omogu avaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomo kori enja te nosti umesto lagera koji se koriste u ve ini turbo punja a.10

Oni takode omogu avaju kori enje manjih i lak ih osovina to opet poma e turbo punja u da se br e pokrene i time dodatno smanji turbo lag.

Slika 8 : Lageri

Kerami ke lopatice na turbinamaKerami ke lopatice na turbinama su lak e nego one od elika koje se naj e e koriste na turbo punja ima. Naravno ovo opet omogu ava br i start turbine to opet umanjuje lag. Lopatice od keramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitcubishi Lanceru EVO. Kori enje duplih turbo punja a je pitanje eljene efikasnosti i mogu nosti da se oni negde fizi ki i postave. Za ve e motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbo punja a umesto jednog velikog kao to je to Por e radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora tako e je po eljno koristiti dupli turbo zato to jedan turbo opslu uje jednu stranu motora i time se skra uje du ina creva turbo punja a to umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turbo imaju takav sistem koji izduvne gasove sa jedne turbine vode ka drugoj turbini i to je takozvani koncept povratne sprege koja obezbe uje balansirani dovod snage u obe strane11

motora. Motori koji imaju paralelni dupli turbo su motori koji imaju po jednu turbinu za svaku stranu motora. S druge strane sekvencijalni dupli turbo je dizajniran da ubrza odgovor turbine i dodatno umanji lag. Takav sistem radi kako mu ime ka e sekvencijalno tj. na malom broju obrtaja radi mala turbina, a ve a nije aktivna i time se posti e brz odgovor na srednjem broju obrtaja. Kada se koli ina izduvnih gasova dovoljno pove a uklju uje se i druga turbina koja na dodatno pove ava pritisak. Ono to je mana kod sekvencijalnih duplih turboa je velika koli ina creva koja je potrebna da bi sistem radio (izduvni gasovi moraju da dopru do obe turbine posebno kao i izlazi iz obe turbine moraju do i do usisnih grana motora) i samim tim je u poslednje vreme napu tena tehnika od strane proizvoda a. Auotomobili koji koriste ovakav sistem turbina su: Por e 959, Mazda RX7 tre e generacije, Tojota Supra i Subaru Legasi.

Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT) Poslednjih nekoliko godina je ovo veoma popularan na in kori enja turbina. Saab kao pionir u ovoj oblasti je prvi put iskoristio LPT u masovnoj proizvodnji 1992. godine kada je prikazao, tada, novi model Saab 9000 2,3l Turbo Ecopower. Taj motor je imao samo 170KS, tj. 20KS vi e u odnosu na identia an motor bez turbo punja a, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvoda i eleli to ve u cifru snage ili obrtnog momenta, Saab je pametno zakljucio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomo malog turba motor ima solidan obrtni momenat to omogu ava dobro ubrzanje, ali je daleko lak i za vo nju obzirom da je turbo lag prakti no nepostoje i, a odogovor na komandu gasa kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krive obrtnog momenta produ io odnos menja a pa je time dodatno uspeo i da umanji potro nju i svede je na manje od atmosferskog motora iste veli ine. U pro losti, lo e vozne osobine i visoka potro nja goriva su spre avale da se turbo punja i koriste u automobilima koji su namijenjeni irokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend je potpuno drugaciji zbog potra nje za ve im prostorom i komforom to je dovelo do pove anja te ine automobila pa da12

bi se perfromanse zadr ale na prethodnom nivou potrebno je vi e snage, a za to se ili ugraduje ve i motor ili se dodaje turbo punja . Kada u igru ude i cena tj. elja za to manjim tro kovima svakog proizvoda a turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja e u narednim godinama biti sve vi e izra ena. Masovno kori cenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donijelo veliki broj inovacija uz istovremeno smanjenje cijene turbina, pa se proizvoda i u poslednje vrijeme sve e e okre u turbo motorima. Na primjer novi Opel ima 2.0 Turbo motor, a u najavi je i 1,6l Turbo. Alfa Romeo u najavi ima nekoliko motora koji koriste Turbo i Twin Turbo. VW koncern je pored 1,8 Turbo motora u gamu uvrstio i 2,0 Turbo, itd. Tako e, du ni smo i da nabrojimo nekoliko ve h proizvoda a turbo punja a: Garett, KKK i IHI.

Osnovne jedna ine kod prora una turbokompresoraZa razumijevanje na ela djelovanja strojeva na strujanje kao osnova slu e tri osnovna stavka hidromehanike: Bernoullijeva jedna ina, jedna ina kontinuiteta i impulsni stavak. Bernoullijeva jedna ina za kompresibilno strujanje bez gubitaka glasi + + v P + gh = const.

gdje je postignuta brzina struje, totalni tlak na po etku a stati ki tlak na kraju promatranja, g ubrzanje sile te e i h geodetska razlika u visini. Pri promatranju strujanja kroz turbokompresor lan gh se mo e zanemariti. Jedna ina kontinuiteta glasi=

=A =

Impulsni stavak kazuje da je potrebni zakretni moment za odr avanje rotacije kola turbokompresora jednak razlici momenta impulsa (veli ine gibanja). Pri ra unanju impulsa treba uzeti samo obodne komponente ulazne i izlazne brzine i jer se samo one odupiru zakretanju kola.

13

Moment impulsa proto ne mase njega iznosi = i = kola = = ( = =

na ulazu u kolo rotora i na izlazu iz , pa je potrebni zakretni moment ).Uvr tenjem izraza za kutnu brzinu

u prethodnu j-nu dobija senakon sre ivanja izraza za snagu

potrebnu za pogon turbo-kompresora :

=

=

(

-

).

Zaklju akVe odavno je turbokompresor prakti an i jednostavan na in za pove anje snage motora, s tim to u pro losti ekonomi nost benzinskih motora sa turbo-punja em nije bila ba sjajna. Danas su se stvari promenile i savremeni turbo-punja i predstavljaju most koji spaja kulturu vo nje i tedljivost. Turbo-pun ja i turbo-kompresor imaju istu ulogu (da pove aju snagu motora), jedina im je razlika to to je turbo-kompreso je povezan sa kolenastim vratilom a turbo-punja se nalazi na usisnoj grani. Savrameni automobile koriste turbo-punja . Torbo-punja je mehani ki ure aj kojim se vazduhu pove ava gustina i smanjuje volume pre ubacivanja u cilindre, to jest za kra e vreme se u cilindar ubacuje ve a koli ina sme e goriva i kombinovanog vazduha,uslad ega dolazi do boljeg sagorevanja sme e u cilindrima i postizanja ve e snage motora. Ovako postignuto pove anje snage motora nije pra eno pove anjem ukupne te ine motora, to bi bio slu aj da se pove ao broj cilindara i radne zapremine motora. Turbo punja i omogu avaju motoru da sagori vi e goriva i vazduha tako to u postoje u zapreminu motora sabijanjem ubacuje vi e goriva i vazduha. Mera za sabijenost se izra ava u barima (metri ki sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom in u). 1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar. Za o ekivati je da e i snaga sko iti za 50%, medutim sistem nije 100% efikasan tako da su pove anja snage u okviru 30 40% u zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti poti e od toga to vazduh koji pokre e turbinu nije besplatan , tj. vazduh koji turbina pozajmljuje iz izduvne14

grane motora ima svoju cenu. Cena je da motor mora da ulo i vi e energije da izbaci vazduh obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koja na taj na in izdvuni gas mora da savlada. Stariji automobili sa karburatorom automatski pove avaju dotok goriva da bi parirali ve em dotoku vazduha u motor, dok moderni automobili sa elektronskim ubrizgavanjem goriva takode to rade, ali e to pove anje dotoka goriva biti srazmerno podatku koji alje protokomer vazduha koji meri kao to mu i ime ka e koliko je vazduha u lo u motor pa e odnos vazduha i goriva kod takvih motora biti uvek veoma blizu idealnom. Ukoliko turbina radi na visokom pritisku i elektronsko ubrizgavanje nema dovoljno jaku pumpu koja mo e da dopremi potrebnu koli inu goriva u cilindre ili softver koji upravlja ubrizgavanjem goriva ne e da dozvoli toliku koli inu goriva ili brizgaljke za unos goriva u cilindar nemaju dovoljno veliku proto nu mo motor ne e mo i da maksimalno iskoristi turbo punja pa e ostali delovi sistema za ubrizgavanje goriva morati dodatno da se modifikuju da iskoriste pun potencijal turbo punja a.Turbo punja i poma u na velikim visinama gde je vazduh dodatno razre en. Normalni motori e na takvom razre enom vazduhu imati manje snage na raspolaganju zato to e manje vazduha biti u cilindru, dok se kod motora sa turbo punja em ta razlika daleko smanjuje (i dalje postoji pad snage, samo je manji) zato to e turbina iako je vazduh re i ugurati daleko vi e tog re eg vazduha zato to je lak i pa e time malo kompenzovati gubitak gustine vazduha. Da bi izdr ala 150 000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pri vr ena veoma pa ljivo. Ve ina le aja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punja i koriste fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju izmedu lagera i osovine i pomo u koga se kuglagerima po kojima se osovina kre e samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punja a.

15

ZAHVALJUJEMO SE ASISTENTU NENADU VITO EVI U ( DR I VE BE IZ MOTORA SUS I ), TO NAM JE IZA AO U SUSRET U VEZI LITERATURE !

16

17

18

19