Współpraca turbosprężarki z silnikiem

współpraca turbosprężarki z silnikiem jest zagadnieniem bardzo skomplikowa­rnym. Silnik samochodowy pracuje w zmiennych warunkach (przyspieszanie, hamowanie, jazda pod górę, hamowanie silnikiem, jazda przy malej prędkości obrotowej silnika, jazda przy maksymalnej prędkości obrotowej silnika). We wszystkich stanach pracy współpraca turbosprężarki z silnikiem musi być poprawna. To, co dalej zostanie powiedziane o współpracy silnika z turbosprężarką będzie jedynie wskazaniem podstawowych zasad pracy zespołu. Nad działaniem tego zespołu prowadzą pracę zakłady konstrukcyjne wielkich firm samochodowych oraz wielkie instytuty badawcze i - jak 'widać z przykładów rozwiązań.

w rozdziale poświęconym budowie - dochodzą do różnych rozwiązań, które są reklamowane jako najlepsze. Z reklam wynika, że różne konkurencyjne roz­wiązania są jednocześnie najlepsze, co oczywiście nie może być prawdą.

Układ konstrukcyjny silnika turbodoładowanego w podstawowej wersji kon­strukcyjnej przedstawiono na rys. 4.27 a. W układzie tym sprężone w sprężarce wirnikowej powietrze jest kierowane wprost do silnika. Ciśnienie doładowania - to znaczy ciśnienie powietrza w przestrzeni między sprężarką a zaworem cylindra - wynika z równowagi polegającej na tym, że tyle powietrza, ile spręż:

sprężarka, pobierze silnik. Innymi słowy ciśnienie doładowania jest zależne od wydajności sprężarki i prędkości obrotowej silnika. Jak pokazano w opisie działania sprężarki wirnikowej, sprężaniu powietrza towarzyszy wzrost temperatu­ry. Ze względu na ten przyrost temperatury ciśnienie doładowania jest wyższe niż byłoby w przypadku, gdyby temperatura sprężonego powietrza była równa tem­peraturze otoczenia. Wynika to wprost z równania stanu gazu:

Jeżeli wzrasta temperatura gazu, to jego ciśnienie w określonej objętości (nr. w przestrzeni między sprężarką a zaworami cylindrów V_s-z gdzie dzięki równo­wadze wydajności sprężarki i pobierania powietrza przez cylindry znajduje się gaz o stałych parametrach). Wysoka temperatura i wysokie ciśnienie doładowania mają wady, a mianowicie:

• ze wzrostem ciśnienia doładowania spada sprawność sprężarki wirnikowej i w efekcie coraz więcej energii przekazywanej od turbiny do sprężarki, a następnie do pompowanego powietrza, jest tracona na ogrzewanie powietrza na skutek strat tarcia;

• wysoka początkowa temperatura ładunku cylindra ogranicza ilość spalanego w nim paliwa ze względu na to, że maksymalne temperatury i ciśnienia, jakie można osiągnąć w cylindrze są ograniczone przez wzrastające wraz z tem­peraturą zanieczyszczenie spalin;

• ze względu na wzrost ciśnienia na początku sprężania zwiększa się praca­ sprężania ładunku w cylindrze silnika (rys. 4.28).

Z tych względów stosuje się chłodnicę powietrza doładowującego. Układ konstrukcyjny silnika turbodoładowanego z chłodnicą przedstawiono na rys 4.27b. Zastosowanie chłodnicy zmniejsza temperaturę sprężonego powietrz;. i w konsekwencji zmniejsza ciśnienie doładowania, na skutek czego wzrasta sprawność pracy sprężarki i poprzez to wzrasta ilość czynnika w cylindrach.

Podstawowe problemy współpracy turbosprężarki z silnikiem występują w dwóch stanach działania:

• przy pracy w warunkach ekstremalnych (pełna moc - bieg luzem, maksymalna

prędkość obrotowa - mała prędkość obrotowa),

• podczas zmiany obciążenia (przyspieszanie - opóźnianie).

Omówienie tych zagadnień wykracza daleko poza zakres tego podręcznika. Dlatego podsumowane zostaną one jedynie konkluzjami wynikającymi z badań firm motoryzacyjnych.

W stanach nieustalonej pracy turbosprężarka "nadąża" za pracą silnika w następujący sposób:

• wpierw muszą powstać spaliny o zmodyfikowanych przez zmianę warunków pracy silnika parametrach (np. po "dodaniu gazu") - i dopiero ich wpływ do turbiny zmienia działanie turbosprężarki;

•czas, po którym spaliny o zmodyfikowanych parametrach wpłyną do turbiny zależy od pojemności układu wylotowego pomiędzy silnikiem a turbiną V_s-w (rys. 4.27);

• zatem silnik jest tym bardziej "leniwy" (tym wolniej nadąża za sygnałem :kładu sterowania - tym wolniej zwiększa moc po naciśnięciu pedału gazu), im większa jest pojemność układu wylotowego między silnikiem a turbiną.

W efekcie w silnikach samochodowych turbodoładowarka jest mocowana jak najbliżej głowicy - na ogół na kołnierzu wylotowym kolektora wylotowego. Przy różnych prędkościach obrotowych silnika wydatek spalin zmienia się dużym stopniu, na skutek czego turbina ma warunki pracy tak różne, że nie pracuje dobrze w całym zakresie; rozwiązaniem problemu jest stosowanie:

- regulowanej kierownicy turbiny (zmienne ustawianie łopatek kierownicy)

w celu optymalizacji jej pracy dla dużego zakresu wydajności spalin,

- ograniczanie przepływu spalin przez turbinę za pomocą kanałów obejścio­wych,

- ograniczenie przepływu powietrza przez sprężarkę za pomocą kanałów obejściowych,

- praca turbosprężarki tylko w niektórych warunkach pracy silnika (podczas wyłączenia turbosprężarki za

pomocą kanałów obejściowych).

Niektóre z tych rozwiązań zostaną pokazane w rozdziale nt. budowy turbosprężarki.

---