VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING MODERNÍ TRENDY V PŘEPLŇOVÁNÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ DEVELOPMENTS IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE SUPERCHARGING BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE JIŘÍ BAZALA AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE Ing. LUBOMÍR DRÁPAL SUPERVISOR BRNO 2009
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHOINŽENÝRSTVÍ
FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING
INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
MODERNÍ TRENDY V PŘEPLŇOVÁNÍ SPALOVACÍCHMOTORŮ
DEVELOPMENTS IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE SUPERCHARGING
BAKALÁŘSKÁ PRÁCEBACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE JIŘÍ BAZALAAUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE Ing. LUBOMÍR DRÁPALSUPERVISOR
BRNO 2009
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství
Ústav automobilního a dopravního inženýrství Akademický rok: 2008/2009
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
student(ka): Jiří Bazala
který/která studuje v bakalářském studijním programu
obor: Stavba strojů a zařízení (2302R016)
Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním azkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce:
Moderní trendy v přeplňování spalovacích motorů
v anglickém jazyce:
Developments in an internal combustion engine supercharging
Stručná charakteristika problematiky úkolu:
Přehled současných způsobů přeplňování spalovacích motorů a jejich zhodnocení.
Cíle bakalářské práce:
Stručně uveďte historii a důvody, vedoucí k nasazení systémů přeplňování pístových spalovacíchmotorů. Představte moderní trendy v přeplňování z hlediska konstrukčního, koncepčního amateriálového. Proveďte vlastní zhodnocení a nastiňte další možný vývoj v této oblasti.
Seznam odborné literatury:
[1] HEISLER, H. Advanced Engine Technology. SAE International, First edition, 1995. ISBN1-56091-734-2.[2] Power Boost Technology. SAE International, 2007. ISBN Number: 978-0-7680-1906-3.[3] HOFMANN, K. Alternativní pohony. VUT v Brně, FSI, 2003.[4] MTZ: MOTORTECHNISCHE ZEITSCHRIFT. Springer Automotive Media.
Vedoucí bakalářské práce: Ing. Lubomír Drápal
Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2008/2009.
V Brně, dne 21.10.2008
L.S.
_______________________________ _______________________________prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. doc. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc.
Ředitel ústavu Děkan fakulty
Abstrakt
Tato bakalá�ská práce se zabývá problematikou p�epl�ování. Jsou zde rozebrány r�zné druhy p�epl�ování a vybrané moderní p�epl�ované motory. V jedné z kapitol lze také nalézt porovnání moderního p�epl�ovaného motoru s motorem atmosférickým nebo také n�které zajímavosti z techniky p�epl�ování.
Klí�ová slova:
P�epl�ování, turbodmychadlo, mechanické dmychadlo, spalovací motory
Abstract
This bachelor’s dissertation deals with the topic of turbocharging. It examines various types of turbocharging and a selection of turbocharged engines. In one chapter there is a comparison between a modern turbocharged engine a normally aspirated engine, and also some interesting facts about turbocharging technology.
BAZALA, J. Moderní trendy v p�epl�ování spalovacích motor�. Brno: Vysoké u�ení technické v Brn�, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 44 s. Vedoucí bakalá�ské práce Ing. Lubomír Drápal.
�estné prohlášení
Prohlašuji, že tato bakalá�ská práce je mým p�vodním dílem, kterou jsem vypracoval samostatn�, pod vedením vedoucího bakalá�ské práce pana Ing. Lubomíra Drápala a s použitím uvedené literatury.
V Brn� dne 23.5.2009 ……....………………………… Ji�í Bazala
Pod�kování
Rád bych pod�koval svým rodi��m a blízkým za neustálou podporu p�i studiu, cenné rady a za trp�livost. Dále bych cht�l pod�kovat vedoucímu mé bakalá�ské práce Ing. Lubomíru Drápalovi za d�ležité p�ipomínky a ob�tavou pomoc p�i konzultacích mé bakalá�ské práce.
Od samého po�átku vývoje prvních spalovacích motor� je kladen d�raz na inovaci stávajícího typu motoru. Hledají se zp�soby, jak motor r�znými zp�soby vylepšit a zmodernizovat. A� už se jedná o snížení hmotnosti motoru, zvýšení spolehlivosti, trvanlivosti nebo zvýšení výkonu a to�ivého momentu motoru. Každý výrobce se snaží prodat sv�j produkt a tabulkové hodnoty t�chto parametr� mu jako jedny z nejd�ležit�jších umož�ují ukázat stupe� modernizace svého produktu v porovnání s ostatními typy motor� jiných výrobc�.
Posouzení „dobrého“ motoru souvisí i s dalšími d�ležitými charakteristikami jako je objem, hmotnost motoru, spot�eba, emise a jiné. Proto se hledají zp�soby, jak vhodn� navrhnout motor tak, aby bylo dosaženo rozumného kompromisu mezi t�mito vlastnostmi. Ideáln�hledáme motor lehký, maloobjemový, výkonný a s malou m�rnou spot�ebou a emisemi.
Jako jeden ze zp�sob�, jak relativn� lehce tyto vlastnosti ideáln� skloubit je p�epl�ování. Cesta ke zvýšení výkonu tímto systémem vede p�es zvýšení objemu sm�si vzduchu a paliva za jednotku �asu, které dokáže motor spálit. Toto se m�že dít bu� pomocí turbodmychadla, mechanického dmychadla, dynamickým p�epl�ováním, náporovým p�epl�ováním nebo i kombinací t�chto systém�.
V sou�asnosti se za�ínají prosazovat kombinace systém�. Jde nap�íklad o zakomponování dvojice turbodmychadel zapojených do série nebo sou�asn� mechanického dmychadla a turbodmychadla. Tyto zp�soby p�epl�ování se snaží slou�it své výhody, které budou uvedeny pozd�ji.
Historie p�epl�ování je skoro stejn� stará jako historie spalovacího motoru samotného. Již v roce 1885 se pánové Daimler a Diesel zajímají o možnosti zvýšení výkonu a snížení spot�eby u svých motor� tím, že se pokouší stla�ovat vzduch nasávaný do motoru. Rudolf Diesel dokonce v roce 1986 dostává patent na první mechanickým dmychadlem p�epl�ovaný vzn�tový motor.
Ale pokrok p�ináší až švýcarský konstruktér pracující na parních turbínách Dr. Alfred Büchi, když v roce 1905 podává patent na vnit�ní spalování pomocí turbodmychadla. První turbodmychadlo vyvíjí mezi léty 1909 až 1925. V roce 1915 vyvine první prototyp turbodmychadla pro dieselové motory, ale jeho nápad se prozatím neprosazuje. Až v roce 1925 se Büchovi poda�í usp�t. Jeho turbodmychadlo se objevuje u nákladních automobil�zna�ky Saurer a také u dvou n�meckých dieselových lodí. Díky prokazatelnému p�ínosu Büchi prodává n�kolik licencí po celém sv�t�.
.
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
�
� �������� � ����������������������
���������� ��������� !"#��#�$�%� �#�
&'!"�"������(������
������������� ������������ ����� �� ������
��
����������
Vliv vále�ných konflikt� vždy znamenal skokový nártomu jinak ani u p�epl�ování, které díky 2. sžádá stále lepší a lepší stroje a jako jeden zmotoru ve vysokých výškách, kde se nachází letadlo má tedy menší výškovou dostupnostnegativní vlastnost umí �áste�s touto technologií jako Lockheed PSuperfortress. Všechny tyto letadla používalaodst�edivý typový kompresor v sérii
Bylo jen otázkou �asu, kdy se pza�ali s tímto systémem experimentovat výrobcivelikost celého systému však bohuželp�epl�ování bylo prezentovánoAmeri�an Fred Agabashian zde startoval p�epl�ován mechanickým dmychadlemdokonce vedl i vlastní závod.dmychadlo. Stalo se tak vlivem nasátí
V roce 1954 p�ichází automobilkaautomobilem s výkonem zvýšeným oproti atmosférické verzi o 35 konvýkonem 185 koní.
Prvními p�epl�ovanými osobními automobily se stalyOldsmobile Jetfire z produkce General Mkonstrukci p�ivedla k rychlému stažení zna více než 10 let.
������)" *��� ��)��*#���+�,-#����.���
���������������
��������� ����� �� �������
vždy znamenal skokový nár�st v modernizaci techniky a nebylo ování, které díky 2. sv�tové válce získalo nový impuls.
žádá stále lepší a lepší stroje a jako jeden z nápad�, jak je vylepšit, se jeví zvýšit výkon motoru ve vysokých výškách, kde se nachází �idší vzduch a motory se tudíž stávají slabšímiletadlo má tedy menší výškovou dostupnost. Zde na scénu p�ichází p�epl�
�áste�n� zneutralizovat, a tak se za�ínají objevovat první letadla Lockheed P-38 Lighling, Boeing B-17 „létající pevnost
chny tyto letadla používala �ízené “turbo-kompresory”edivý typový kompresor v sérii s turbodmychadlem.
asu, kdy se p�epl�ování objeví v automobilovém pr�experimentovat výrobci Volvo, Scania a Cummings.
bohužel neumož�uje širší rozší�ení. První výraznováno ve�ejnosti v roce 1952 p�i závod� 500 mil Indianopolis.
zde startoval na dieselem pohán�ném voze Kurtis Kraftmechanickým dmychadlem. Fredovi se zde poda�ilo kvalifikovat
. Bohužel se mu ale pár kol p�ed cílem porouchalvlivem nasátí ne�istot z pneumatik.
ichází automobilka Volvo s prvním p�epl�ovaným dieselovývýkonem zvýšeným oproti atmosférické verzi o 35 kon
ovanými osobními automobily se staly v roce 1962 Chevrolet Corvair Monzaprodukce General Motors. Jejich nespolehlivost je p
ivedla k rychlému stažení z trhu a koncern General Motors
Koncem 70. let se za�íná objevovat velký „p�epl�ovací“ boom. Vzpome�me nap�íklad na vytrvalostní závody LeMans, �i pozd�ji turbo éru ve Formuli 1 nebo legendární rally skupinu B. Nap�íklad n�které automobilky závodící ve Formuli 1 se dostaly se svými vylad�nými motory až na 1500 koní z 1,5 litrového motoru! Velký technologický pokrok s obrovskou diváckou popularitou a atraktivností t�chto závod� prošlapal cesti�ku p�epl�ování i na komer�ní trh a snad každá automobilka se snaží mít alespo� jeden vrcholový model s ozna�ením „turbo“ a turbodmychadlem zakomponovaným do motorového ústrojí. K pr�kopník�m pat�í n�mecké automobilky. BMW v roce 1972 p�ichází se svým modelem 2002 Turbo a Porsche v roce 1975 s 911 Turbo, kdy ozna�ení „911 Turbo“ p�etrvává do p�ítomnosti a stává se synonymem vrcholu �ady 911.
Prvenství širšího využití p�epl�ování u b�žných voz� se p�ipisuje zna�ce Saab, když v roce 1976 p�edstaví sv�j první p�epl�ovaný �ty�válec. Také Saab stále dodnes udržuje tradici a nabízí své propracované �ty�válce a konkuruje v dané velikostní a výkonové t�íd� motor�m v�tšího objemu a �asto i s více válci.
K dalšímu dramatickému pr�lomu dochází v roce 1978, kdy se objevuje Mercedes 300SD s turbodieselovým motorem (3,0 L; 110 PS) následován VW Golf v roce 1981 (1,6L; 70 PS). To byl moment, kdy toto �ešení zvít�zilo i u osobních automobil� a p�etrvává dodnes.
Jako jedna z posledních velkých inovací je revolu�ní �ešení prom�nné geometrie rozvád�cích lopatek turbíny ozna�ované jako systém VGT (Variable Turbine Geometry). První produk�ní auta, která používala systém VGT byla omezená série automobilu Shelby CSX-VNT (1989), který byl vybaven 2,2L motorem Chrysler.
Systém VGT se ale v�tšinou objevuje jen u dieselových motor�, jelikož spaliny naftových motor� dosahují nižších teplot (700 až 800°C) oproti spalinám benzínových motor� (950 °C). B�žné materiály a konstrukce pak t�mto teplotám odolávají jen velmi t�žce.
V dnešních dnech se p�epl�ování ubírá sm�rem tzv. „downsizingu“, což spo�ívá v nahrazení atmosféricky pln�ného motoru vysoce p�epl�ovaným maloobjemovým motorem, který má stejné nebo dokonce i lepší výkonové parametry.
Je mnoho zp�sob�, jak se m�že zvýšit výkon u spalovacího motoru. Tyto zp�soby lze i r�zn�kombinovat a ladit, ale vždy musíme p�istupovat na r�zné kompromisy mezi parametry konstruk�ními, ekonomickými, provozními a mnoha dalšími.
Jako základ k posouzení jak lze zvýšit výkon motoru, nám poslouží následující vztah:
�� ���� � ��� � �
� (1)
Kde je �� [W] … efektivní výkon spalovacího motoru
���� � … st�ední efektivní tlak na píst
������… zdvihový objem jednoho válce
i [�] … po�et válc� spalovacího motoru
������ … otá�ky motoru
����� … otá�kový �initel vyjad�ující po�et otá�ek motoru pot�ebných
pro 1 expansní zdvih (pro dvoudobý motor � � ����ty�dobý � � ���
Ze vztahu (1) plyne, že efektivní výkon motoru m�žeme zv�tšit:
a) Zv�tšením jeho konstruk�ních rozm�r� – po�tu válc� i nebo zdvihového objemu ��
b) Rychlob�žností motoru, tedy zvýšením po�tu otá�ek nc) Zvýšením st�edního efektivního tlaku na píst ��
První dv� uvedené metody se v dnešní dob� uplat�ují již mén� �asto. Je to dáno jejich nevýhodami. Nap�íklad pokud budeme chtít zv�tšovat po�ty válc� nebo zdvihový objem, tak se jedná hlavn� o nár�st velikosti a hmotnosti motoru i jeho p�íslušenství. U druhé možnosti, kdy chceme zvýšit výkon motoru zvýšením otá�ek, tak jsou tyto otá�ky omezeny druhem a ur�ením spalovacího motoru, rychlostí ho�ení, ekonomi�ností, dynamickými a hlavn�životnostními problémy. Proto se tento zp�sob lad�ní uplat�uje u motor� závodních automobil�, kde se nepožaduje p�íliš vysoká životnost.
P�epl�ování se pak týká poslední a v dnešní dob� nejhojn�ji využívané alternativy. Zde se zvýšení st�edního efektivního tlaku uskute��uje spálením v�tšího množství paliva ve válci, ze kterého se uvolní v�tší množství energie, jež se m�že odevzdat motoru. A pokud má být umožn�no dokonalé ho�ení v�tšího množství paliva, tak musíme dodat (p�etlakem) do válce i v�tší množství vzduchu, což je vlastn� principem p�epl�ování. Užite�ný výkon pak roste p�ibližn� úm�rn� s hmotností nasávaného vzduchu.
P�epl�ování má ostatn� jako všechny metody zvýšení výkonu celou �adu klad� a zápor�. Možnost zvýšení hodnoty to�ivého momentu p�i nízkých (v praxi nejpoužívan�jších) otá�kách je jedna z nejzákladn�jších a pro nás i nejvýhodn�jších funkcí, kv�li které se i v�bec snažíme motor p�epl�ovat. V�tšinou se taky do t�chto nízkých otá�ek umís�uje nejvyšší ú�inek p�epl�ování. Výhodou je pak lepší pružnost motoru. Automobil tedy lépe akceleruje z nízkých otá�ek. Z toho plyne, že nemusíme motor vytá�et do vyšších otá�ek, abychom dosáhli stejného výkonu, jako má motor nep�epl�ovaný. Nenutnost vytá�et motor má pak p�íznivý vliv na spot�ebu, emise a zlepšení celkové ú�innosti motoru.
I zde ale musíme �ešit celou �adu úskalí, které s sebou nese zvyšování výkonu pomocí p�epl�ování. Vyšší plnící tlaky znamenají i vyšší tlaky ve spalovacím prostoru, a tedy i v�tší zatížení klikového mechanismu motoru i samotného pístu.
U p�epl�ovaných motor�, zejména zážehových, pak bývá obvykle kompresní pom�r nižší než u atmosféricky pln�ných. Je to dáno tím, že turbodmychadlem stla�ený vzduch, respektive sm�s paliva se vzduchem, by vstupoval oh�átý do válce, tím by zárove� zp�soboval zvýšení teplot a tlak� na konci kompresního zdvihu nad kritickou hranici a docházelo by tak k detona�nímu spalování. Snížení kompresního pom�ru je však doprovázeno adekvátním snížením tepelné ú�innosti. Proto za�aly být u t�chto motor� nasazovány mezichladi�e stla�eného vzduchu. Dále lze použít p�ímé vst�ikování paliva, které zlepšuje tzv. vnit�ní chlazení spalovacího prostoru anebo také snížení p�edstihu zážehu. U vzn�tových motor�, které netrpí problémy s detona�ním ho�ením, se kompresní pom�r snižuje p�edevším z d�vodu snížení tepelného namáhání sou�ástí motoru a zvýšení jeho mechanické ú�innosti.
Další problémy, se kterými se musíme u p�epl�ování vypo�ádat, je vysoká teplota výfukových plyn� na výstupu z motoru. Omezení teplot musí být hlavn� nastaveno s ohledem na životnost turbínového kola (u p�epl�ování pomocí turbodmychadel) i správnou funkci katalyzátoru. Teplota je problém i na druhé stran� motoru – v sání. Teplota stla�eného vzduchu se vlivem t�ení zvýší, hustota zmenší a do válce se tedy dostane jeho menší množství. Tento nežádoucí jev odstra�ujeme již zmín�ným mezichladi�em stla�eného vzduchu, který se umís�uje mezi dmychadlo a vlastní motor.
Mezi konstruk�ní problémy p�epl�ování �adíme i nutnost omezovat velikost plnícího tlaku s rostoucími otá�kami. Jak už bylo výše uvedeno, tak maximální ú�inek p�epl�ování chceme umístit do co nejnižších otá�ek. Pokud bychom tedy navrhli dmychadlo tak, aby byla dosažena žádaná ú�innost v nízkých otá�kách, pak by došlo p�i zvyšování otá�ek k nadm�rnému zvyšování plnícího tlaku, který by zp�sobil vysoké tlaky na píst, a tudíž by to vedlo i k životnostním problém�m celého motorového prostoru. Proto se do systému p�epl�ování za�azuje prvek regulující otá�ky dmychadla.
������������� ������������ ����� �� ������
��
����������
4.1 Rozd�lení p�epl�ování spalovacích motor
4.2 Rozd�lení p�epl�ování
�
- nízkotlaké: �K
do 1,5. Zde je možné zvýšení efektivního výkonu P
- st�edotlaké: �K =1,6
- vysokotlaké: �K
=2,1
-zvlášt� vysokotlaké: �
��������������
������������ ���!�"#�$
%���������� ���!�"#�$
����"&��'�(��"(�)�$�����*��+
,#����"��� ���!�"#�$
���������������
��������� ����� �� �������
ování spalovacích motor� dle pohonu a konstrukce
ování spalovacích motor� dle plnícího tlaku
do 1,5. Zde je možné zvýšení efektivního výkonu P
1,6 – 2,0. Možné zvýšení Pe až o 50%.
=2,1 – 3,5. Možné zvýšení Pe až o 100%.
�K
=3,6 – 6,0. Možné zvýšení Pe až o 400%.
��-����&#.���"� ��-����"&�)-�"�
/����0-��!�"��� ���!�"#�$
%"��0-��!�"��
%")�0����") �&��#
-�������������
����������-��������������������1����������
������������
����
a konstrukce:
plnícího tlaku
do 1,5. Zde je možné zvýšení efektivního výkonu Pe až o 30%.
��-����"&�)-�"�
%"��0-��!�"��� ���!�"#�$
������������� ������������ ����� �� ������
��
����������
4.3 P�ehled využití p�epl�
������8�#%�*9��� �#����
Z grafu vidíme, že stále nejpo�však dá p�edpokládat, že se tyto statistiky budou postupnzvlášt� pak moderní cestou kombinací dvou turbodmychadel na mechanického dmychadla.
P�epl�ování pomocí turbodmychadla je v dnešní dob� využíváno nejhojn�ji (obr. 8). Je to hlavn�díky rozší�ení u vzn�tových motor�, které se již prakticky jako nep�epl�ované ani nenabízí.
�
5.1 Princip
Turbodmychadlo je v podstat� malé turbínové plynové za�ízení, které využívá energii výfukových plyn� (tepelnou, tlakovou a kinetickou) ke vhán�ní a stla�ování vzduchu atmosférického.
Spaliny, které odcházejí ze spalovacích prostor� motoru skrz otev�ené výfukové ventily jsou usm�r�ovány tangenciáln� z výfukového kanálu na rozvád�cí lopatky turbíny. Tyto rozvád�cí lopatky turbíny mají za úkol nastavit správnou pr�to�nou plochu a úhel proud�ní tak, aby byla ú�innost turbíny co nejvyšší. Po p�edání energie a rozto�ení kola turbíny spaliny dále pokra�ují již axiáln� do výfukového potrubí, katalyzátoru a následn� pak do atmosféry.
Turbínové kolo tvo�í jeden celek s h�ídelí, která má na opa�né stran�od turbínového kola kolo kompresorové. Tedy otá�ky kola turbínového se rovnají otá�kám kola kompresorového. Jakmile se tedy rozto�í dmychadlové kolo na pot�ebné otá�ky, tak se vzduch za�ne axiáln� nasávat a stla�ovat do kompresorové sk�ín�. Sk�í� je vyrobena tak, aby se pr�to�ná plocha postupn� zv�tšovala a vytvo�il se difuzor. Tím se docílí
známý jev, že rychlost vzduchu klesá s pr�to�nou plochou a tlak roste. To je práv� ta vlastnost, kterou motor pot�ebuje. Pokud nebudeme uvažovat regulaci odpoušt�ním, tak se stla�ený vzduch a tím i oh�átý vzduch navede už tangenciáln� do chladi�e stla�eného vzduchu a nakonec se ochlazený stla�ený vzduch rozvede do jednotlivých spalovacích prostor� válc�, kde se smísí s palivem, prob�hne expanze, vykoná se pot�ebná práce a výfukovým kanálem jsou spaliny zp�t tangenciáln� vedeny na rozvád�cí lopatky turbíny. Tím se ob�h uzavírá.
Je také dobré si uv�domit energetickou rovnováhu turbodmychadla. Pokud dodáme turbínovému kolu energii ze spalin, pak se tato energie musí rovnat energii, která je pot�eba na stla�ení daného hmotnostního pr�toku vzduchu dmychadlem. Nesmíme však zapomenout na veškeré ztráty, v�etn� ztrát v ložiskách, o které se tyto energie budou lišit.
5.2 Konstrukce turbodmychadla
Turbodmychadlo má t�i hlavní �ásti: Kompresorovou, dmychadlovou a ložiskovou.
Kompresorová �ást obsahuje dmychadlovou sk�í� a kompresorové kolo, které se v�tšinou vyrábí z hliníkové slitiny. Tato �ást turbodmychadla zajiš�uje nasávání �erstvého vzduchu, jeho následné stla�ení a dodávku do spalovacího prostoru.
Dmychadlová �ást se stará o pohon turbodmychadla a to tak, že odebírá energii výfukových plyn�. D�je se to pomocí turbínového kola, na které je usm�r�ován proud spalin pomocí
dmychadlové sk�ín�. Na rozdíl od kola dmychadlového, musí být turbínové kolo z žáropevného materiálu, jelikož zde teploty dosahují až 950 °C. Výrobci moderních turbodmychadel mívají toto kolo z titanové slitiny. B�žn� se však stále ješt� používá slitin niklových. Sk�í� dmychadla se vyrábí z temperované šedé litiny.
Ložisková sk�í� zajiš�uje správné a p�esné uložení h�ídele a mazání rota�ních �ásti olejem. V ložiskové sk�íni jsou v�tšinou usazeny dva druhy ložisek. Radiální a axiální. H�ídel turbodmychadla se otá�í velmi rychle. Nap�íklad pro osobní automobily se maxima pohybují až kolem 260 000 ot/min. U b�žných motor� se proto používají fluidní ložiska, ve kterých jsou pohyblivé �ásti odd�leny a zárove� chlazeny tenkou vrstvou oleje. Ale nap�íklad u turbodmychadel závodních automobil� kategorie WRC se používají i precizn� vyrobená ložiska kuli�ková. Sníží se tak ztráty, turbodmychadlo se lépe roztá�í, snese v�tší zatížení, nepot�ebuje tolik mazat a hlavn� se sníží prodleva turbodmychadla. V budoucnu se dá p�edpokládat, že se kuli�kové ložiska dostanou i do masov�jší komer�ní výroby. Sk�í� ložisek se vyrábí z temperované šedé litiny.
Olej, který turbodmychadlo pot�ebuje, se v�tšinou bere z mazací soustavy motoru a musí být po pr�chodu turbodmychadlem chlazen olejovým chladi�em. Zde musíme být maximáln�obez�etní, aby nedošlo k zad�ení h�ídele turbodmychadla a jeho následnému nevratnému poškození. N�která nová moderní turbodmychadla jsou navíc chlazena i vodou (obr. 13).��
Moderní automobily mají maximální to�ivý moment posazen do nízkých otá�ek kolem 2000 ot/min. Je to dáno tím, že jsou kladeny požadavky na co nejv�tší pružnost motoru v nízkých otá�kách a tím i v�tší hospodárnost provozu motoru v t�chto pracovních otá�kách. Také se regulací dá �áste�n� omezit prodleva turbodmychadla. Aby toho bylo dosaženo, je t�leso turbodmychadla dimenzováno na malé hmotnostní toky výfukových plyn�, odpovídající nízkým otá�kám. S vyššími otá�kami a zatíženími by pak ale docházelo ke zvyšování spalovacích teplot a tlak�, zvyšování teplot spalin p�ed turbínovým kolem a u zážehových motor� k detona�nímu spalování. Proto je t�eba plnící tlak omezit.�
Odpoušt�ním výfukových plyn� p�ed turbínou, tzv. „bypassem“, funguje na principu odpoušt�ní �ásti výfukových plyn� obtokem do výfukového potrubí. Tento systém je v moderní dob� stále �ast�ji �ízen elektromagneticky.
Pr�to�ný pr��ez obtokového kanálu �ídí regula�ní ventil, který je v�tšinou zabudován do t�lesa turbodmychadla. Jeho otev�ení je �ízeno elektromagnetickým ventilem, který dostává informace z elektronické �ídící jednotky motoru. Ta vyhodnocuje množství signál� ze sníma�� nato�ení škrtící klapky, klepání motoru, p�edstihu zážehu, množství a teploty nasávaného vzduchu a jiných dalších. P�ípadnou nežádoucí odchylku �ídící jednotka odstraní vhodným regula�ním zásahem a to tak, že zm�ní polohu obtokového ventilu.
U zážehových motor� se pak ješt� �asto do tohoto systému regulace p�idávává ješt� jeden pojistný ventil. Ten umož�uje p�i zav�ené škrtící klapce (brzd�ní motorem) odpoušt�ní již stla�eného vzduchu zp�t p�ed dmychadlo. D�je se to proto, že p�i uzav�ené škrtící klapce vzniká silný protitlak a rotor turbodmychadla je tedy zbyte�n� brzd�n, což má za následek prodlevuI („turbolag“) turbodmychadla.
Regulace pomocí natá�ivých lopatek rozvád�cího kola je výhodn�jší než regulace obtokovým ventilem. P�ed turbínou nerostou tak rychle teploty a tlaky plyn�. Ovšem turbodmychadlo s natá�ivými rozvád�cími lopatkami je podstatn� složit�jší a dražší než s odpoušt�cím ventilem. Proto se nejd�íve za�alo používat kombinace obou zp�sob� se sm�rovou klapkou u bezlopatkových rozvád�cích sk�íní. Nyní se však už tato technologie za�íná prosazovat mnohem �ast�ji. Hlavn� z d�vodu, že plnící tlak je regulován v celém rozsahu otá�ek� ��
-urbodmychadlo m�že mít menší rozm�ry.
V minulosti se systém VGT používal jen u motor� vzn�tových. Bylo to dáno vysokou teplotou spalin zážehových motor�, jak už bylo d�íve vysv�tleno (str. 7). Dnes už toto neplatí, jelikož automobilka Porsche aplikovala materiály schopné odolávat vysokým teplotám a tento systém uvedla ve svém supersportovním modelu 911 Turbo.
Aby byl dosažen vysoký to�ivý moment i v nízkých otá�kách motoru, tak je pot�eba zv�tšit tlak na turbínu. K dosažení tohoto tlaku se rozvád�cí lopatky na statoru turbodmychadla nato�í, aby se vstupní pr��ez zúžil. Menší plocha pr��ezu má pak za následek vyšší rychlost proudu výfukových spalin a sou�asn� p�sobí proud plynu na vn�jší oblast lopatek turbíny, tím se zvýší to�ivý moment, následn� pak rychlost turbínového kola a zárove� se zvýší i plnící tlak.
Naopak u vysokých otá�ek motoru se rozvád�cí lopatky statoru uvolní, zvýší se obsah pr�toku spalin a turbodmychadlo je schopno pojmout velké množství spalin i p�i vysokých otá�kách. Tím se dosáhne požadovaného tlaku pln�ní, ale nep�esáhne se jeho mezní hodnota.
Rozvád�cí lopatky se ovládají pomocí pákového p�evodu a táhla, jehož vodící �ep se pohybuje v nastavovacím prstenci. Tento pohyb je vodícími �epy a h�ídelkami p�enášen na rozvád�cí lopatky. Všechny lopatky se pootá�ejí sou�asn� a stejnom�rn� do požadované polohy.
Pákový p�evod je pak napojen na podtlakový ovlada�, který má zabudovanou podtlakovou komoru s membránou, na kterou tla�í diferen�ní tlak vytvá�ený šoupátkem v elektromagnetickém ventilu. Šoupátko se m�že r�zn� posouvat a vytvo�it tak rozdílný tlak pomocí dvou odlišných p�ívod�. A to podtlaku z vakuového �erpadla a p�ívodu tlaku z atmosféry. Šoupátko posouvá elektromagnetický ventil podle r�zných prom�nných dodávaných elektronickou �ídící jednotkou vozu. Jde nap�íklad o otá�ky motoru, polohu škrtící klapky, teplotu motoru, sklon k detona�nímu spalování a jiné.
Tuto technologii vyvinula anglická firma Holset. Jak již z názvu vyplývá, funk�nost je založena na principu zm�ny ší�ky statoru turbíny a zm�ny obsahu pr�toku spalin. Celé rozvád�cí kolo s lopatkami se rovnom�rn� po celém obvod� za�ne axiáln� posouvat a p�itom se lopatky za�nou zasouvat do prstence v druhé st�n�, která má vytvo�eny otvory s profilem zasouvaných lopatek. Problémem jsou vysoké teploty (až 800°C) uvnit� turbodmychadla. T�mto teplotám je vystavován i ovládací mechanismus rozvád�cího kola. Proto je ovládání nutno navrhnout ze žáropevných materiál�. Pokud se toto poda�í, tak je tento zp�sob regulace velmi spolehlivý, turbodmychadlo m�že mít menší rozm�ry a automobil nižší emise. Tento systém regulace se zatím využívá u vzn�tových užitkových automobil�.
Jde o takový typ p�epl�ování, u kterého se o dodávku energie k doprav� a stla�ení vzduchu stará samotný spalovací motor pomocí mechanické vazby z klikového h�ídele. Již z toho je patrné, že mechanické dmychadla mají dost podstatnou nevýhodu oproti turbodmychadl�m. Tou je odebírání výkonu pro pohon dmychadla, nevyužití energie výfukových plyn�, a tím tedy i nižší ú�innost výsledného soustrojí. Naproti tomu mají mechanická dmychadla velkou výhodu v jednoduchosti, lineárním p�ír�stku výkonu a to�ivém momentu již p�i nízkých otá�kách. Netrpí tedy prodlevou. Pokud se však používá „vypínatelný“ systém regulace plnícího vzduchu (mechanické dmychadlo se zapojuje jen p�i pot�eb� zvýšit výkon), prodleva se tam pak vyskytuje také. Velká výhoda mechanického p�epl�ování je také v nižších po�izovacích nákladech. Pro lepší regulaci plnícího vzduchu se dnes stále �ast�ji objevují r�zné p�epínatelné p�evody motor-dmychadlo, které se m�ní tak, aby se celý systém nacházel v optimální ú�innosti v celé škále provozních zatížení a otá�ek motoru, a tím se zlepšila ú�innost motoru.
Rootsovo dmychadlo bylo primárn� vyvinuto v 19. století pro ventilaci šachet uhelných dol�. Jeho lopatky byly ze d�eva a p�ístroj m�l velikost místnosti. Pozd�ji se za�ala používat i pro p�epl�ování spalovacích motor� (1921-Mercedes 28/95 PS). Dnešní Rootsova dmychadla mají s t�mi minulými spole�ný snad jen princip �innosti. V�tšinou se skládají ze dvou, t�í nebo �ty�zubých zkroucených (mírn� šroubových) rotor�, které umož�ují vyhladit pulsaci proud�ní. Pokrok je také ve zmenšování v�lí mezi lopatkami rotor� a st�nami komory. Výsledkem je vyšší ú�innost. Rotory jsou umíst�ny v dmychadlové sk�íni a jejich vzájemná synchronizace je zajišt�na ozubeným soukolím. Nesmí totiž dojít ke kontaktu. Sací i výtla�ný otvor musí být od sebe neustále odd�len. Pro zlepšení ú�innosti
bývají rotory z lehké slitiny potaženy plastem nebo modern�ji teflonem. Otá�ky rotor� bývají 15-16000 ot/min, což odpovídá dvou až trojnásobku otá�ek motoru. Charakteristický je bzu�ivý zvuk procházející i skrz tlumi� hluku.�
P�epl�ování Rootsovými dmychadly z�stávají v�rné automobilky Jaguar, Mercedes-Benz a v poslední dob� se tato technologie objevila u Audi.
Princip �innosti:
Rotory se v pracovním válci otá�ejí proti sob�. Sací a výtla�né hrdlo je zaúst�no do pracovního válce mezi osami rotor�. Mezi st�nami válce a rotor� se vytvá�ejí prostory spojené bu� se sáním, nebo výtlakem, nebo prostory uzav�ené, kdy je vzdušina dopravována mezi st�nou t�lesa a rotorem ze strany sací na stranu výtla�nou. Vzdušina se po odd�lení rotorem od sacího hrdla dopravuje dmychadlem bez zvýšení tlaku. Teprve po spojení s výtla�ným hrdlem stoupne jeho tlak p�sobením plynu již d�íve vytla�eného a proudícího zp�t do dmychadla. Na oba rotory p�sobí stále plný výtla�ný tlak. Z toho plyne, že ložiska rotor�jsou i p�i relativn� malých stla�eních zna�n� zatížena.
�
�
6.2.2 Lysholmovo dmychadlo
Lysholmovo dmychadlo vychází z dmychadla šroubového a dále ho zdokonaluje. Vynalezl jej švédský technik Alf Lysholm v roce 1935.
Je podobné rootsovu dmychadlu avšak rotory mají odlišný po�et zub�, jsou mnohem více zakroucené (do šroubovice) a mají kónický úkos. Z toho vyplývá, že tyto šroubové dmychadla mají vnit�ní stla�ení vzduchu, což je �iní efektivn�jšími pro vysokotlaké p�epl�ování.
Zuby jednoho rotoru zapadají p�esn� do mezer druhého, kde hlavní rotor bývá konstruován jako 3-zubý a vedlejší jako 6-zubý. Je možné i více variant.
Velká nevýhoda lysholmova dmychadla je v tom, že dokud je pohán�no, tak stále stla�uje vzduch. Jediný zp�sob eliminace t�chto ztrát nap�íklad p�i ustálené jízd� je odpojit jeho pohon spojkou. Oproti tomu je mén� hlu�né, ale dražší, než dmychadlo rootsovo.
Lysholmovo dmychadlo využívá nap�íklad motorá�ská divize AMG z Mercedesu nebo supersportovní Ford GT.
Princip �innosti:
Rotory se op�t otá�í proti sob�. Na sací stran� sk�ín� jsou zuby v takovém postavení, že se od sebe rozbíhají, tím se vytvá�í mezi nimi prostor a axiáln� se plní nasávaným vzduchem. Když pak horní zuby p�ejdou p�es hranu sacího otvoru, tak se prostor uzav�e, p�eruší se sání a vzduch se za�íná dopravovat k výstupu. Zvýšení tlaku se dosáhne vnikáním zubu na �elní stran� druhého rotoru. Výtlak nastává, když p�ejde zadní strana p�edního zubu p�es hranu výtla�ného otvoru.
První druh tohoto p�epl�ování se objevuje v New-Yorku na automobilových závodech v roce 1908. Odst�edivá dmychadla mají relativn� malou velikost oproti jiným dmychadl�m a pot�ebují ke své �innosti vysoké otá�ky (až 240 000 ot/min). Odp�rci proudových dmychadel tvrdí, že tento systém spojuje nevýhody turbodmychadla i mechanického dmychadla. Je zde velká nevýhoda v regulaci stla�ovaného vzduchu, protože jim kv�li pohonu motorem chybí turbínová �ást, tudíž i obtokový ventil turbínové �ásti. Proto jsou proudová dmychadla navrhována pro vyšší otá�ky a u nižších otá�ek je plnící ú�inek jen velmi malý. Jejich velká výhoda je však vyšší ú�innost než u mechanického dmychadla typu Roots nebo Lysholm. Mezi nejznám�jší výrobce pat�í firma Rotrex, která svá dmychadla dodává r�zným ladi�ským firmám. Nejznám�jší spole�nost využívající dmychadla Rotrex je švédská automobilka Koenigsegg, která ve svém modelu CCX využívá dokonce dvojici t�chto dmychadel. Výkon tohoto automobilu je udáván na úctyhodných 653 kW.
Princip �innosti:
Princip tohoto mechanického dmychadla je prakticky totožný s principem turbodmychadla. S tím rozdílem, že dmychadlové kolo je místo výfukových spalin pohán�no mechanickou vazbou od motoru, a to nej�ast�ji klínovým �emenem nebo �et�zem.
Využívá dynamických jev� v sacím potrubí. P�epln�ní se vytvo�í pomocí p�etlakové vlny, která vznikne odrazem vlny podtlakové od okolního prost�edí na konci sacího potrubí. Podtlakovou vlnu zp�sobuje píst p�i sacím zdvihu. Tento systém p�epl�ování aplikují automobilky Mini a BMW.
Tlakovzdušným vým�níkem COMPREX:
Ke stla�ování vzduchu se využívá tlaku výfukových plyn�, které p�sobí na vzduch v komorách odd�lených lopatkami rotoru, který je pohán�n ozubeným �emenem od klikové h�ídele.
P�i každé otá�ce výfukové plyny o vysokém tlaku vstupují do axiální komory mezi lopatkami rotoru, zatímco �erstvý vzduch, nasátý p�edtím z opa�né strany, je v této komo�e stla�en ke krátce uzav�enému výstupu tlakovou vlnou t�chto plyn�. Tento systém byl využíván v devadesátých letech automobilkou Mazda.
Náporové:
P�epln�ní je zde vykonáno rozdílem rychlostí automobilu a okolního prost�edí, takže stla�ení vyvolává nápor vzduchu na sací trakt motoru. Náporové p�epl�ování se využívá hlavn� u motocykl� a sportovních automobil�, jelikož je ú�inné až od vysokých rychlostí. Nap�íklad ve Formuli 1 se jedná o zvýšení kolem 20 PS p�i rychlosti formule 200 km/h.
Toto dmychadlo je pohán�no od motoru. Má dvoudílnou sk�í�, kde se pohyblivá (výtla�ná) �ást excentricky pohybuje ve statické sk�íni a tla�í p�ed sebou vzduchový klín ke st�edu spirály. G-dmychadlo v minulosti používal Volkswagen, ale pro své vysoké náklady, s ohledem na p�esnost výroby, se od jeho dalšího využití ustoupilo.
Tímto zp�sobem p�epl�ování se zabývá britská spole�nost Controlled Power Technologies. Jak již z nadpisu vyplývá, vyvinula tato spole�nost dmychadlo pohán�né nikoliv mechanicky od klikové h�ídele motoru, nýbrž elektrickou energií. Toto za�ízení se složitým názvem Variable Torque Enhancement System (systém prom�nného zvyšování to�ivého momentu-VTES) je p�ímo navrženo tak, aby tuto energii dmychadlo odebíralo z elektrické sít� automobilu o nap�tí 12V. Elektrický motor zajiš�ující pohon dmychadla odebírá z této sít� jen 1,8 kW. Dmychadlo pak produkuje maximální tlak 1,45 bar p�i 70 000 ot/min. Na tyto otá�ky se dmychadlo dostane již za 350 milisekund.
Velká výhoda elektrického dmychadla spo�ívá v možnosti tém�� okamžité reakce (obr. 24). Proto
m�že být dmychadlo aplikováno jen p�i požadavku na zvýšení plnícího tlaku (p�edjížd�ní, razantní akcelerace apod.) a po zbytek �asu vypnut. Díky tomu má mnohem nižší nároky na energii než konven�ní mechanické dmychadlo.�Proto se také m�žou zlepšit emise motoru až o 13%. Oproti atmosféricky pln�nému motoru se díky elektrickému dmychadlu zvýší to�ivý moment až o 40%.
Tato technika je již p�ipravena ke komer�ní aplikaci, ale zatím žádná automobilka neprojevila zájem jí využít.
9 P�edstavení vybraných moderních p�epl�ovaných motor� a jejich techniky
�
Jak již bylo d�íve �e�eno, tak na moderní motor jsou kladeny vysoké nároky ve všech d�ležitých sm�rech, které vedou k velkým genera�ním rozdíl�m ve vývoji, technologii i konstrukci nového motoru. Nové systémy p�epl�ování jsou tedy logickým krokem ve vylepšení stávající jednotky.
9.1 BMW N47D 2.0 L Diesel Twin Turbo (BMW 123d)
�
Tento motor, který získal v roce 2008 prestižní titul v anket� „International Engine of the Year“, pokra�uje v podobné koncepci jako p�íbuzný motor v BMW 535d p�edstavený ve�ejnosti v roce 2004.
Jedná se tedy o vzn�tový �ty�válcový motor common-rail o zdvihovém objemu 1995 cm3
s p�ímým vst�ikem paliva a p�epl�ováním pomocí dvou turbodmychadel zapojených do série. Jako sv�tová novinka se u tohoto vozidlového motoru p�edstavily piezoelektrické vst�ikova�e, které nyní ovládají tlak až 2000 bar. Díky této technice dosahuje tento motor impozantního litrového výkonu 75,2 kW/l a maximálního kroutícího momentu 400 Nm p�i 2000 ot/min a celkového výkonu 150 kW p�i 4400ot/min (obr. 27).
Konstruk�ní skupina zajiš�ující p�epl�ování se skládá ze dvou turbodmychadel menšího a v�tšího. Menší je v �innosti již v otá�kách mírn� p�ekra�ujících volnob�h a stará se o pln�ní v nízkých otá�kách. P�i postupném zvyšování otá�ek se ve st�edních otá�kách za�ne p�idávat i ú�inek druhého (v�tšího) turbodmychadla. Ve vysokých otá�kách pak pracuje již jen velké turbodmychadlo. Tento náro�ný systém je �ízen elektronicky, proud spalin a plnící tlak je rozd�lován regula�ními klapkami a obtokovými ventily.
9.1.1 P�edstavení principu regulace dvou turbodmychadel �azených do série
Schéma �. 1 – režim do cca 1800 ot/min
V tomto režimu pracuje pouze malé (vysokotlaké) turbodmychadlo, které má díky menším rozm�r�m (hmotnosti) menší moment setrva�nosti, takže se snáze rozto�í do pracovních otá�ek (motor má tedy rychlou odezvu na sešlápnutí pedálu akcelerátoru). Klapka ve výfukovém potrubí (ozna�eno �erven�) je v tomto režimu zcela uzav�ena, velké turbodmychadlo se pak jen voln�„protá�í“ a nep�ispívá ke zvyšování tlaku v sání. Ventil v sacím potrubí (ozna�eno mod�e) je uzav�en a všechen vzduch proudí jen p�es malé dmychadlo. To m�že dosahovat až 180 000 ot/min.
Schéma �. 2 – režim od cca 1800 ot/min do cca 3000 ot./min
V tomto p�echodovém pásmu otá�ek dochází k postupnému otevírání klapky ve výfukovém potrubí, takže spaliny již zárove� urychlují ob� turbodmychadla. V sacím traktu se naplno projevuje efekt postupného p�epl�ování. Nejprve je atmosférický vzduch stla�en velkým turbodmychadlem (nižší tlak), pak vstupuje „p�edstla�ený“ vzduch do druhého (vysokotlakého) turbodmychadla. Aby bylo dosaženo ješt� vyšší ú�innosti, prochází stla�ený vzduch mezichladi�em
(ozna�en LLK) než se dostane do spalovacího prostoru. Protože velké turbodmychadlo dodávává stále ješt� nižší tlak než malé turbodmychadlo, z�stává zp�tný ventil uzav�en.
Schéma �. 3 – režim nad cca 3000 ot./min
V této oblasti se ve výfukovém potrubí klapka otev�e úpln�, takže plyny odcházejí z motoru snazší cestou skrz velké (nízkotlaké) turbodmychadlo. Vysoké otá�ky velkého turbodmychadla a menší otá�ky sekundárního dmychadla zm�ní tlakové pom�ry v sacím potrubí a zp�tný ventil se otev�e, tím se kompresor malého dmychadla vy�adí z �innosti. Sice se úpln� nezastaví, ale jeho otá�ky jsou nízké, takže významn� nep�ispívá k p�etlaku v sání.
Nejsložit�jší na celém systému sériového p�epl�ování je jeho vhodné nalad�ní. Regula�ní prvky (klapka ve výfukovém potrubí, ventil v sacím potrubí) stojí za podstatnou �ástí úsp�chu tohoto motoru. Zvlášt� pak elektromotorem ovládaná klapka ve výfukovém potrubí pracuje v extrémních podmínkách vysokých teplot a tlak�.
Motor 1,4 TSI vychází z jednotky 1,4 FSI (66 KW) s p�ímým vst�ikem paliva do válce. Je však zásadn� p�epracován, aby snesl prakticky dvojnásobný výkon než na jaký byl p�vodn�koncipován. 1,4 TSI je tedy p�epl�ovaný �ty�válcový zážehový šestnáctiventilový motor o zdvihovém objemu 1390 cm3 s p�ímým vst�ikem paliva. Získaný trojnásobný titul (2006, 2007, 2008) tohoto motoru v anket� „International Engine of the Year“ v kategorii od 1,0 do 1,4L nebo dokonce absolutní vít�zství v této anket� v roce 2006 napovídá, že jde o mimo�ádn� technicky vysp�lý a moderní spalovací motor.
Motor využívá p�epl�ování pomocí dvou r�zných jednotek. V tomto p�ípad� se jedná o kombinace p�epl�ování jednostup�ového (pracuje jen mechanické dmychadlo nebo turbodmychadlo) a p�epl�ování do série (pracují ob� tyto jednotky). Tato regulace bude vysv�tlena pozd�ji (str. 32). Mechanické dmychadlo odstra�uje typickou nevýhodu motor�p�epl�ovaných turbodmychadly a dodává stla�ený vzduch v nízkých otá�kách, a tím navyšuje to�ivý moment v t�chto otá�kách. Samotné turbodmychadlo se pak zapojuje do �innosti p�i st�edních a vyšších otá�kách motoru, kde je mechanické dmychadlo �áste�n� nebo úpln� obtékáno. Mechanické dmychadlo se pomocí spojky odpojí od motoru a pracuje již jen samotné turbodmychadlo. Díky p�ímému vst�iku paliva, které ochlazuje vnit�ní prostory spalovacího prostoru, a tím zabra�uje detona�nímu spalování, m�že tento motor pracovat s pom�rn� vysokým stupn�m komprese 10,1:1, což s maximálním plnícím tlakem 2,5 baru p�i 1500 ot/min znamená vysoké pracovní tlaky a namáhání motoru. Proto je hlava vyrobena z t�žší šedé litiny namísto hliníkové slitiny, aby nedošlo k p�ed�asné destrukci. Na obr. 30 jde vid�t krásná hladká k�ivka to�ivého momentu, která byla vytvo�ena vhodným nalad�ním systému p�epl�ování nazývaná Volkswagenem jako Twincharger.
9.2.1 P�edstavení principu regulace motoru 1,4 TSI "Twincharger"
Zapojení jednotlivých lopatkových stroj� p�i plném zatížení (na vn�jší charakteristice) je následující: v nízkých otá�kách (schéma 1, obr. 32) motoru jsou všechny obtokové ventily zav�eny. Vzduch tedy prochází skrz ob� jednotky starající se o p�epl�ování, avšak ke stla�ování atmosférického vzduchu p�ispívá pouze mechanické dmychadlo. Turbodmychadlo nemá dostate�né pracovní otá�ky. Mechanické dmychadlo bylo navrženo tak, aby co nejvíce zvýšilo to�ivý moment v nízkých a st�edních otá�kách a �áste�n� tak kompenzovalo prodlevu turbodmychadla. S rostoucími otá�kami (schéma 2, obr. 32) se mechanické dmychadlo dostane do oblasti maximálního stla�ení (lopatky mají až 18 000 ot/min) a také maximální výstupní teploty (~180 °C). Aby tyto hodnoty z�staly i nadále p�ípustné, je nutné postupn�otevírat obtokový ventil (regula�ní klapku). V tuto p�echodnou dobu je již turbodmychadlo rozto�eno do optimálních otá�ek a za�íná pracovat též a to s uzav�eným obtokovým ventilem, který je op�t následn� postupn� otevírán pro správnou regulaci až do nejvyšších otá�ek motoru. Po dosažení otá�ek motoru 3500 ����� se mechanické dmychadlo odpojí a dále pracuje jen turbodmychadlo, které m�že dosahovat až 205 000 ot/min (schéma 3, obr. 32). P�i �áste�ných zatíženích je nutné využívat škrtící klapku v sacím potrubí spole�n� s obtokem kompresoru turbodmychadla, aby bylo zamezeno dodávání v�tšího množství stla�eného vzduchu mechanickým dmychadlem do kompresorového kola turbodmychadla než je turbodmychadlo s nižšími otá�kami schopno pojmout. Tlak p�ed kompresorovým kolem turbodmychadla by bez použití obtokového ventilu byl p�ed kompresorem vyšší než za ním.
Z motoru 1,4 TSI (125 kW) vychází i další motor se stejným ozna�ením. Je však p�epl�ován pouze turbodmychadlem a jeho výkon dosahuje 90 kW. Jde o motor, který je pro automobilku VW komer�n� využiteln�jší než varianta 1,4 TSI 125kW. Zajímavostí na této slabší variant�motoru 1,4 TSI je mezichladi� stla�eného vzduchu, který není chlazen jak je tomu obvyklé vzduchem, nýbrž vodou. Tento systém se aplikuje zejména kv�li nižší celkové délce potrubí mezi turbodmychadlem a válcem motoru, aby se docílilo menší prodlevy turbodmychadla. Nevýhodou je pak vyšší hmotnost a složitost celého systému.
Jde o systém, který dokáže minimalizovat prodlevu turbodmychadla p�i vypnutém akcelerátoru pomocí spalování ve výfukovém potrubí. Využívá se hlavn� v motoristickém sportu a jeho použití ve vozidle je snadno rozpoznatelné díky výrazným akustickým a n�kdy i vizuálním efekt�m.
ALS bylo poprvé použito v po�átcích éry p�epl�ovaných voz� ve formuli 1 v roce 1975. Pozd�ji však p�išly restrikce, které znemož�ovaly tento systém nadále používat. Uplatn�ní ALS se ale objevilo o nedlouho pozd�ji v závodech rallye, kde setrvává do dnešní doby.
�
�����.�I����I�!���C:)������
ALS1 („bang-bang“)
Tato nejstarší metoda ALS je pomocí zpomaleného zapalování. Správné na�asování pozdního zážehu bohatší sm�si paliva (zajiš�uje ochlazení) a �asování výfukového ventilu má za následek malou expanzi plynu ve válci, takže v�tší �ást nespálené sm�si se dostane skrz výfukový ventil do výfukového potrubí, kde se od rozpálených st�n tohoto potrubí vznítí. Tím pádem se p�edá jen malá �ást energie klikovému h�ídeli, zbytek energie putuje do turbodmychadla, a tím jej roztá�í. Pokud se na pedál akcelerátoru op�t „šlápne“, tak se �asování vrací op�t do b�žného provozu.
Mnohem efektivn�jší, modern�jší a tišší je systém obtokovým ventilem. Zde ALS pracuje s tímto ventilem tak, že ventil sm��uje vzduch ze sání p�ímo do výfukového potrubí. Tímto za�ízením je velmi známý automobil Mitsubishi Lancer Evolution ve své závodní verzi. Zde jsou vedeny �ty�i mosazné trubky, které p�ímo vedou vzduch ze sacího traktu na �ty�i trubky výfukového potrubí s cílem poskytnout pot�ebný vzduch pro spálení paliva.
Systém ALS je �ízen elektronickou �ídící jednotkou a p�i použití tohoto systému je motor velmi namáhán. Tudíž v�tšinou existuje i systém vypnutí celého systému nebo p�epínání mezi n�kolika nastaveními ALS. Nap�íklad p�i „tvrdém“ nastavení m�že být dosahován p�etlak v sání p�es 1,5 baru.
Využití systému ALS se dokonce již objevilo i u prototypu osobního automobilu Prodrive P2. V tomto automobilu se využilo ALS obtokovým ventilem, takže výfukové potrubí funguje jako spalovací komora. Toto zp�sobí opakované spalování, omezené výfukovým potrubím, které významn� snižuje teplotní a tlakové zatížení na motor a turbodmychadlo.
10.2 Chladi� stla�eného vzduchu ost�ikovaný vodní mlhou
Pro ješt� v�tší ochlazení stla�eného vzduchu, a tím i vyšší ú�innost motoru, vybavují n�kte�í výrobci své sportovní automobily za�ízením, které vst�ikuje kapalinu (v�tšinou se jedná o oby�ejnou vodu) ve form� mlhy na t�leso chladi�e. Mlhu vytvá�í vst�ikovací trysky, do kterých je pod tlakem p�ivád�na kapalina z �erpadla. Toto �erpadlo je p�ímo umíst�ného v expanzní nádobce, kde je i umíst�na zásoba kapaliny. V�tšinou se kapacita této nádobky pohybuje kolem 4,5l.
Touto technikou jsou hlavn� známé japonské automobily Subaru Impreza WRX STi aMitsubishi Lancer Evo. Tyto automobily mají ovládání ost�iku mezichladi�e automaticky elektronickou �ídicí jednotkou nebo ru�n� pomocí tla�ítka na p�ístrojové desce. asto je i tento systém domontováván na vozidla (obr. 38). Odebrání tepla stla�eného vzduchu vodní mlhou m�že zvýšit efektivitu pln�ní motoru až o 20 %. Hlavní nevýhodou vst�ikování vodní mlhy je její relativn� velká spot�eba a s tím spojená nutnost dopl�ování kapaliny do expanzní nádobky.
11 Porovnání p�epl�ovaného a atmosférického motoru
�
Pro porovnání odlišného zp�sobu docílení p�ibližn� stejných výkonových parametr� byl vybrán automobil Volkswagen Golf páté generace. P�epl�ovanou jednotku zde zastupuje zážehový motor 1,4 TSI (Twincharger) o výkonu 125 kW a atmosférickou zážehovou jednotku p�tiválcový 2,5l motor se stejným výkonem. Atmosférická jednotka se neprodává v Evrop�, nýbrž v Severní Americe. Zde je pojmenován Volkswagen Golf jako Volkswagen Rabbit s motorem 2,5l jako jedinou možnou volbou.
Z tabulky je patrné, že a�koliv oba motory jsou v hodnot� maximálního výkonu a to�ivého momentu vyrovnané, jejich pr�b�h bude zcela jiný. A to jist� ve prosp�ch p�epl�ovaného motoru, jež má již ze své podstaty širší využití výkonu a to�ivého momentu, což ostatn�dokazuje spektrum otá�ek od 1750 do 4500 ot/min na které je vylad�na hodnota maximálního to�ivého momentu.
Spot�eba paliva op�t hraje do karet p�epl�ovanému motoru. Atmosférický motor má spot�ebu p�i zpr�m�rování hodnot o celých 1,77l na 100 km vyšší než motor p�epl�ovaný. Ze spot�eby paliva vychází i celosv�tov� hojn� sledované emise #$%, které jsou samoz�ejm� vyšší u motoru s vyšší spot�ebou, tedy motoru atmosférického.
Posledním výrazným m��ítkem je celková hmotnost motoru (automobilu). I když se jedná o stejné modely vozidla, lze zde p�edpokládat jeho odlišnou specifikaci pro trh evropský a pro trh USA. V základní konstruk�ní koncepci jsou však oba tyto modely stejné, a tak by se m�ly váhov� lišit jen minimáln�. I proto p�ekvapí hodnota 122 kilogram�, o které je atmosférická verze automobilu t�žší.
Dalo by se tedy zhodnotit, že p�epl�ovaný motor je provozn� výkonn�jší, ekonomi�t�jší, má nižší emise a je i leh�í, než srovnatelná atmosférická jednotka. Nesmíme však zapomínat, že atmosférický motor má nižší výrobní náklady a není tak složitý. Tudíž mu z globálního hlediska nehrozí vyšší poruchovost.
adím se mezi motoristické nadšence a m�l jsem možnost se projet i v n�kolika zajímavých vozidlech s p�epl�ovanými motory. Nap�íklad u automobilu BMW 123d jsem byl siln�p�ekvapen charakteristikou pr�b�hu výkonu a to�ivého momentu, které ani zdaleka nep�ipomínaly konven�ní dieselové p�epl�ované motory. Nikdy jsem nebyl zastáncem dieselového motoru avšak technika použitá v BMW 123d m� velmi mile p�ekvapila.
Tato bakalá�ská práce m�la za úkol �ešit problematiku p�epl�ování. Bylo zjišt�no, že se výrobci cestou p�epl�ování vydávají stále �ast�ji. Své motory vybavují r�znými p�epl�ovacími za�ízeními. N�kte�í výrobci používají mechanická dmychadla, n�kte�í turbodmychadla a n�kte�í se zam��ují i na jiné zp�soby p�epl�ování. V dnešní dob� se však jeví jako ideální skloubit mechanické dmychadlo s turbodmychadlem nebo zkombinovat do série dv� turbodmychadla. Tím, že se spojí tyto dv� za�ízení, tak se spojí jejich výhody a minimalizují nevýhody.
Automobily a jejich motory jsou dnes již nepostradatelní spole�níci vysp�lé civilizace a v tomto sm�ru nelze v dohledné dob� p�edpokládat zm�nu. Proto se automobily a jejich technika bude i nadále vyvíjet sm�rem kup�edu. Automobilky se budou snažit vyráb�t motory výkonn�jší, leh�í a ekonomi�t�jší. Kv�li sílícímu tlaku na ekologii se dá p�edpokládat, že motory budou muset být zárove� s t�mito cíli navrhovány i s ohledem na ekologické nároky, které stále rostou. V blízké budoucnosti se tedy dá p�edpokládat plošné využití p�epl�ování jako jednu z metod udržení emisí pod stanovenou mez. Postupné nahrazení velkoobjemových spalovacích motor� motory p�epl�ovanými je tedy tém�� nevyhnutelné. Dokonce již dnes automobilka BMW nazna�uje, že své proslavené vysokootá�kové motory v budoucnu nahradí motory p�epl�ovanými.
Jak postupuje doba, tak postupují i materiály a technologie výroby. Co bylo ješt� nedávno nemožné nebo p�íliš drahé pro hromadné využití, se dnes již v hojné mí�e uplat�uje. Turbodmychadla mají �ím dál vyšší odolnost, mechanická dmychadla nižší energetické nároky. Celkov� se výroba t�chto za�ízení zlev�uje. Nebude trvat dlouho a p�epl�ování se dostane z nejprestižn�jších verzí model� i do model� základních.
Velký potencionál do budoucna je skryt v p�epl�ování elektrickým dmychadlem. Tímto sm�rem lze p�edpokládat, že se budou automobilky ubírat u svých model�. Nap�íklad kombinace této technologie s technologií EGRI je velmi reálná a bude jist� velmi výhodná.
Bylo také zjišt�no, že atmosférický motor s podobnými výkonnostními charakteristikami v d�ležitých aspektech na p�epl�ovaný motor velmi ztrácí. Proto lze do budoucnosti p�edpokládat stále �ast�jší využívání tohoto zp�sobu zvyšování výkonu.
[8] DOVAT, François. Turbocharging and turbocompounding history [online]. 2009 [citováno 2009-01-26]. Dostupné z WWW: <http://www.histomobile.com/dvd_histomobile/histomo/tech/113-2.asp>.
[9] History [online]. 2009 [citováno 2009-01-23]. Dostupné z WWW: <http://www.turbos.bwauto.com/products/turbochargerHistory.aspx>.
[10] Rudolf Diesel [online]. 2009 [citováno 2009-23-01]. Dostupné z WWW: <http://www.heinrich-beck-institut.de/hb-scientific/diesel.html>.
[11] John’s vehicle history [on-line]. 2009 [cit.2009-20-02]. Dostupné z WWW: <http://www.wagoneers.com/johns-vehicles.html>.
[15] LONGHURST, Chris. The car Maintenance Bibles : The fuel engine bible [online]. 2008 [citováno 2009-03-23]. Dostupné z WWW: <http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html>.
[16] FERENC, Bohumil. Snížení spot�eby a emisí CO2 : P�epl�ované motory [online]. 2001 [citováno 2009-02-10]. Dostupné z WWW: <http://www.mjauto.cz/newdocs/ferenc/fer_mo17/fer_mo17.htm>.
[17] Special Project : Cusco/Nukabe/Mitsubishi Eclipse GT [online]. 2007 [citováno 2009-04-15]. Dostupné z WWW: <http://blogs.cobbtuning.com/josh/?cat=7>.
[24] CARLEY, L. A Turbocharger diagnostic and resource site [online]. 2008 [citováno 2009-03-22]. Dostupné z WWW: <http://www.turborepair.com/>.
[25] How does a turbo work? [online]. 2008 [citováno 2009-03-22]. Dostupné z WWW: <http://www.apsw.co.uk/index.php/Turbos/how-does-a-turbo-work>.
[26] BUFKIN, James. Audi Quattro Rallye Car - The Umluft [online]. 2005 [citováno 2009-05-5]. Dostupné z WWW: <http://www.bufkinengineering.com/Umluft.htm>.
[27] GEORGALLIDES, Tryphon. How the turbo Anti-Lag System works [online]. 2007 [citováno 2009-05-5]. Dostupné z WWW: <http://www.rallycars.com/Cars/bangbang.html>.
[28] Controlled Power Technologies Ready With Electric Superchargers For a New
Generation of Cars [online]. 24.9.2008 [citováno 2009-05-5]. Dostupné z WWW: <http://www.theautochannel.com/news/2008/09/24/128520.html>.
[29] VTES [online]. 2009 [citováno 2009-05-5]. Dostupné z WWW: <http://www.cpowert.com/products/vtes.htm>.
[30] Système de refroidissement intercooler par pulverisation d'eau [online]. 2008 [citováno 2009-05-5]. Dostupné z WWW: <http://www.lanciahf.eu/pulverisateur_eau.html>.
[31] LÁNÍK, Ond�ej. Nové motory BMW (1.díl): vzn�tové �ty�válce nové generace, první
twinturbo [online]. 26.3.2007 [citováno 2009-03-22]. Dostupné z WWW: <http://news.auto.cz/technika/nove-motory-bmw-1-dil-vznetove-ctyrvalce-nove-generace-prvni-twinturbo.html>.
[32] LÁNÍK, Ond�ej. Opel Twin Turbo: dva stupn� ke zlaté. [online]. 26.3.2004 [citováno 2009-02-21]. Dostupné z WWW: <http://news.auto.cz/technika/opel-twin-turbo-dva-stupne-ke-zlate.html?sqry=23dcd9e55b3f61be7de15f31c3a784c7>.
[33] Wastegate [online]. 2008 [citováno 2009-02-14]. Dostupný z WWW: <http://www.holset.co.uk/mainsite/files/2_5_1_2-wastegate.php>.
[35] JANDA, Pavel. Motor TSI od VW: 170 koní z jedna-�ty�ky v akci (první dojmy)
[online]. 24.5.2006 [citováno 2009-04-2]. Dostupný z WWW: <http://www.autorevue.cz/default.aspx?section=132&server=1&article=8655&chapter=27040>.
[36] List of the FIA homologations : LANCER Evolution X (CZ4A) [online]. 16.4.2009 [citováno 2009-05-3]. Dostupný z WWW: <http://www.ralliart.co.jp/GRN/homologation/data/A5718-01_LancerEvo10.pdf>.
[37] KABOUREK, Aleš. Golf GT s motorem 1,4 TSI: 170 koní a 200 Newtonmetr�!
[online]. 31.8.2005 [citováno 2009-04-26]. Dostupný z WWW: <http://www.tipcar.cz/golf-gt-s-motorem-1-4-tsi--170-koni-a-200-newtonmetru--992.html>.
[38] LUSK, Petr. Rallye Monte Carlo 2008 [online]. 27.1.2008 [citováno 2009-05-5]. Dostupný z WWW: <http://www.ewrc.cz/ewrc/fotogalery.php?events=314&fotograf=2&all=1>. ISSN 1214-4959.
[41] MIHALÍK, Miro. Volkswagen 1,4 TSI (90 kW): jak nahradit objem tlakem? [online]. 5.6.2007 [citováno 2009-04-10]. Dostupné z WWW: <http://news.auto.cz/technika/volkswagen-1-4-tsi-90-kw-jak-nahradit-objem-tlakem.html>.
[42] Volkswagen Golf GT Sport [online]. 2007 [citováno 2009-05-12]. Dostupný z WWW: <http://www.motorionline.com/motori/2007/05/27/volkswagen-golf-gt-sport/>