Turbo [PDF]

Zitiervorschau

Practica de sem II anul III

-Sistem turbocompresor-

STUDENT: MOLDOVAN LORAND GRUPĂ: 2443 AN: IV SPECIALIZARE: Autovehicule rutiere a

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Cuprins 1.

Introducere.................................................................................................................................3 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

Functionarea sistemului turbocompresor.Tipuri de sisteme................................................4 Constructia si functionarea unui grup turbo-compresor...................................................6 Tipuri de sisteme...................................................................................................................7 Clasificare............................................................................................................................10 Dimensionarea arborelui rotor..........................................................................................13

Bibliografie……………………………………………………………………………………………15

MOLDOVAN LORAND

Pag. 2 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

1. Introducere Modul de functionare al unui motor termic este descris prin aspiratia de aer si injectia de combustibil intr-un cilindru pe care apoi acesta le comprima prin intermediul pistonului si sunt arse transformand astfel energia chimica a combustibilului in lucru mecanic. Pentru a obtine mai multa putere de la un motor trebuie sa ardem o cantitate mai mare de combustibil dar daca nu avem si o cantitate mai mare de aer acel surplus de combustibil este nefolositor. Cilindrul motorului este limitat la ce cantitate de aer poate sa absoarba in functie de marimea lui astfel in trecut cand producatorii de motoare vroiau mai multa putere de la un motor, aveau nevoie de un cilindru mai mare. Acest lucru a venit cu multe dezavantaje: motoarele erau de dimensiuni mari, erau grele si greu de montat pe vehicule. Incepand cu anul 1896 Goettlieb Daimler si Rudoplh Diesel au demarat investigatii privind cresterea puterii si reducerea consumului unui motor cu ardere interna folosind comprimarea aerului admis in motor. Dar in 1925 un inginer elvetian numit Alfred Buchi a venit cu o idee noua. El a folosit gazele de evacuare a motorului sa puna in functiune un compresor de aer care apoi trimitea un aer mai dens in camera de ardere. Astfel el a fost primul care a implementat cu succes un sistem de supraalimnetare cu turbo-compresor pe un motor termic, obtinand o crestere a puterii cu 40% fata de versiunea cu motor aspirat.Acesta a fost momentul care a dat startul introducerii turbo-compresoarelor pe motoarele termice. Motoarele cu turbina au fost imediat adoptate in industria aeronautica deoarece odata cu cresterea altitudinii scadea densitatea aerului si prin urmare scadea si puterea motoarelor. Acest sistem cu turbina reusea sa aduca presiunea aerului din motorul avioanelor la fel ca la nivelul marii.Procesul se numeste turbo alimentare iar cand sistemul a fost folosit pentru a depasi acea presiune a primit numele de turbo supraalimentare .(sursa YouTube) Primele automobile cu motoae supraalimentate ce apar pe piata americana in 1962 sunt Chevrolet Carvair Monza (fig 1) si Oldsmobile Jetfire (fig 2)

Fig 1

MOLDOVAN LORAND

Fig 2

Pag. 3 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

1.1.

Functionarea sistemului turbocompresor. Pentru a intelege mai bine tehnologia turbo supraalimentariisa rcapitulam principiul de functionare al motorului termic in patru timpi, motor ce echipeaza majoritatea automobilelor si vehiculelor comerciale.Un ciclu complet de functionare este compus din patru timpi ce sunt realizati in doua rotatii complete ae arborelui cotit. Schimbul de gaze din interioarul cilindrilor este facut cu ajutorul supapelor de admisie si evacuare.

F ig 3 Principiul de functionare al unui motor cu ardere interna cu piston

Admisie – supapa de admisie se deschide, pistonul se deplaseaza spre arborele cotit, aer proaspat (in cazul motorului dieselsau pe benzina cu injectie directa) sau amestec aercombustibil (in cazul motorului pe benzina cu injectie indirecta) este tras in motor. Compresie – volumul cilindrului este micsorat, aerul/amestecul aer-combustibil este comprimat. Destindere – in cazul motorului pe benzina amestecul aer-combustibil este aprins cu ajutorul unei bujii, in timp ce pentru un motor diesel motorina este injectata la presiune mare si se autoaprinde.Presiunea generata in urma arderii impinge pistonul spre arborele cotit generand lucru mecanic Evacuare – supapa de evacuare se deschide iar deplasarea pistonului spre chiulasa evacueaza gazele arse din motor. Puterea unui motor cu ardere interna este data de produsul cuplului motor efectiv si de turatia motorului: Puterea=Cuplu x Turatie. Evident, cresterea puterii se poate realiza pe doua cai, prin cresterea turatiei maxime sau prin cresterea cuplului motor.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 4 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Cresterea turatiei maxime a mototrului este limitata de rezistenta mecanica a pieselor in miscare. In plus un nivel mai ridicat al turatiei inseamna cresterea frecarilor din motor precum si a pierderilor prin pompaj, cu alte cuvinte scaderea randamentului.Aceasta solutie nu este viabila. Cresterea cuplului motor se poate face prin doua moduri: - cresterea capacitatii cilindrice ce are ca rezultat introducerea unei cantitati mai mare de aer sau amestec aer-combustibil deci energie mai mare generata in urma arderii. Marirea capacitatii cilindrice se poate face prin cresterea cilindreei uui singur cilindru sau prin cresterea numarului de cilindri.Dezavantajul este cresterea masei motorului care are impact asupra emisiilor poluante si a consumului. - Cresterea presiunii medii efective din cilindru prin turbo supraalimentare. Un motor aspirat este un motor la care introducerea aerului in motor se face datorita depresiunii creata de deplasarea pistonului catre arborele cotit in timpul cursei de admisie. Se numeste „aspirat” deoarece aerul este introdus la o presiune inferioara presiunii atmosferice (mai mica de 1 bar). In cazul motoarelor supraalimentate , aerul, inainte de a fi introdus in cilindru, este precomprimat de un compresor, presiunea ajungand la valori de pana la 2.5-3 bari. „Turbo” este termenul care arata ca gazele de evacuare sunt utilizate, prin intermediul unei turbine, pentru a pune in miscare compresorul.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 5 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

1.2.

Constructia si functionarea unui grup turbo-compresor.

Fig. 4 (Sistem de turbo supraalimnetare) Un sistem de supraalimentare cu turbo-compresor este compus in principal din: turbina, arbore de antrenare si compresor. Turbina si compresorul sunt fixate intre ele printr-un arbore de antrenare. In cazul turbinei, gazele de evacuare intra radial si ies axial iar in cazul compresorului aerul este aspirat axial si refulat radial. Gazele de avacuare rezultate in urma arderii au o viteza foare mare deci energie cinetica foarte mare. Acestea sunt colectate in galeria de evacuare si apoi redirectionate spre turbina care, in contact cu gazele de evacuare, este pusa in miscare. La randul ei turbina antreneaza compresorul care aspira aer din galeria de admisie si-l comprima inainte sa fie introdus in cilindru. Tehnologia turbo supraalimnetarii utilizata in industria automobilelor vine in mai mute variante. Clasificarea majora se facein functie de geometria grupului turbina, de prezenta sau absenta sistemului de racire al aerulu comprimat si de numarul de grupuri turbo-compresor utilizat.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 6 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

1.3.

Tipuri de sisteme

In primul rand avem turbina cu geometrie fixa plus wastegate (supapa de refulare) si intercooler (racire intermediara).Geometria fixa nu se refera la geometria efectiva a turinei si la geometria galeriei prin care trec gazele de evacuare.

Fig. 5 Sistemde turbo supraalimentare cu turbina cu geometrie fixa, intercooler si wastegate Principiul de functionare este simplu, aerul este aspirat in compresor dupa ce a trecut prin filtru si ridicat la o presune superioara inainte de a fi introdus in motor.Datorita presiunii ridicate dupa comprimare temperatura aerului creste ceea ce conduce la o scadere a densitatiideci implicit a masei de aer proaspat. Cresterea temperaturii este rezultatul combinat a trei factori: -adaosul de energie suplimentara datorita procesului de comprimare -curgerea turbulenta a aerului prin compresor -transferul de caldura de la turbina la compresor Temperatura ridicata a aerului admis in motor are efecte negative asupra performanteor motorului, consumului si a emisiilor poluante.Pentru a elimina aceste dezavantaje sa recurs la racirea aerului comprimat prin intermediul unui intercooler, sistem care aduce urmatoarele avantaje:

MOLDOVAN LORAND

Pag. 7 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

-cresterea densitatii aerului admis in motor, ce are efect cresterea puterii motorului cu pana la 25% fata de versiunea fara racire intermediara -reducerea tensiunilor termice asupra turbinei si motorului datorita scaderii temperaturii din cilindrii -scaderea consumului de combustibil cu pana la 5% fata de versiunea fara racire intermediara, mai ales datorita eficientei ridicate a racirii la turatii scazute.

Fig.6 Intercooler

Sistemul de racire este pentru majoritatea automobileor de tipul aer-aer, adica fluxul de aer exterior este utilizat pentru racirea aerului comprimat.Racirea se face cu ajutorul unui radiator care se pozitioneaza de obicei in fata radiatorului de racire al motorului. In cazul sistemelor de supraalimentare cu turbina cu geometrie fixa dimensionarea acestora se face astfel incat presiunea furnizata de compresor sa aiba valori mari incepand de la valori mici ale turatiei motorului. Problema apare la turatiile mari ale motorului deoarece presiunea generata de compresor este prea mare si poate afecta stabilitatea si termica motorului. Solutia vine odata cu utilizarea unei supape de refulare numita wastegate care la regimuri de turatie ridicate se deschide si redirectioneaza gazele de evacuare ocolind turbina. Astfel este limitat debitul de gaze arse din turbina care conduce la o limitare a turatiei comoresorului si deci o limitare a presiunii aerului comprimat.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 8 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Fig.7 Turbina cu geometrie fixa si wastegate Actionarea supapei de refulare se face cu ajutorul unei tije care de obicei este comonadata pneumatic. Deschiderea sau inchiderea supapei de refulare se face automat, in functie de presiunea aerului dupa compresor sau prin actionarea unei electro-supape comandata de calculatorul de injectie. In cazul in care comanda se face electronic este necesara prezenta unui senzor de presiune pe galeria de admisie. O alternativa la turbinele cu geometrie fixa si supapa de refulare este turbina cu geometrie variabila. Constructiv turbina este aceasi ca in cazul celei cu geometrie fixa. Diferenta este data de existenta unor palete la intrare in turbina cre ajusteaza sectiunea de curgere a gazelor de evacuare. Modificarea sectiunii de curgere are ca efect modificarea vitezei de curgere a gazelor deci implicit a turatiei turbinei.Acest mecanism permite controlul presiunii de supraalimentare prin controlul turatiei compresorului.

Fig.8 Turbina cu geometrie variabila

Turbina cu geometrie variabila permite modificarea sectiunii de curgere a gazelor de avacuare in functie de regimul de functionare al motorului. Acest lucru faciliteaza utilizarea optima a grupului turbo-compresor, ceea ce conduce la cresterea randamentului motorului termic in comparatie cu versiunea de turbo-compresor cu geometrie fixa si wastegate.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 9 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Fig.9 Geometria variabila Un element impotant al unui grup turbo-compresor sunt bucsele de frecare situateintre arborele ce conecteaza turbina de compresor si carcasa. Acestea sunt confectionate din bronz si au rolul de a reduce frecarea in timpul functionarii turbo-compresorului. Pentru lubrifierea si racirea pieselor in miscare se utilizeaza uleiul motor la o presiune de aproximativ 180.000 rot/min. Aceste solicitari extreme impun o echilibrare perecta a pieselor n miscare precum si un debit de ulei adecvat.

1.4.

Clasificare

Orice sistem turbo functioneaza pe baza aceluiasi principiu adica prin intermediul gazelor de ardere evacuate din cilindru se pune in functiune turbina care comprima apoi aer si il transmite pe traseul de admisie spre cilindru. Dar in cadrul sistemelor de turbo supraalimentare putem identifica mai multe tipuri de sisteme:

1.Turbocompresor -care este formata dintr-un ax cu 2 pale la capetele acestuia care se sprijina pe lagăre de alunecare unse cu ulei sub presiune sau lagăre cu rulmenți.Toate acestea sunt incluse in interiorul unei carcase sub forma de melc cu 2 iesiri ( una pentru gazele de evacuare si una pentru admisia de aer) la care in interiorul peretilor circula lichid de racire.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 10 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Fig.10

2.Turbocompresoarele cu volută dublă (twin-scroll) -volunta este reprezentata de galerii circulare in jurul turbinei care este pusa in fnctiune de gazele de evacuare.Acest tip de turbocompresor permite un traseu separat de evacuare al gazelor arse in functie de cum functioneaza fiecare cilindru al motorului. De exemplu la un motor in 4 cilindri care are ordinea de functionare a cilindrilor 1-3-4-2, cilindri 1 si 4 au un traseu de evacuare in timp ce 2 si 3 au alt traseu.Se evita astfel reducerea presiunii si a temperaturii gazelor arse si de asemenea se evita afectarea calitatii aerului admis de cilindri.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 11 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Fig.11 3.Turbocompresoare in paralele (twin-turbo) – la acest sistem se utilizeaza 2 grupuri turbocompresoare pentru a alimenta separat cilindri motorului. Turbocompresoarele sunt montate in paralel si echipeaza de obicei motoarele cu cilindri in V sau in linie daca numarul de cilindri este mai mare. Functionarea acestui tip de turboalimentare este aceeasi ca la o turbina simpla.

Fig.12

MOLDOVAN LORAND

Pag. 12 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

4.Turbocompresoare secventiale- in acest caz cele 2 turbine sunt conetate in serie si de regula una este mai mica decat celalata. La turatiile mici ale motorului functioneaza doar turbina mai mica denumita turbocompresor de presiune joasa care fiind mai mica poate sa comprime rapid si mai eficient aerul admis iar la cresterea turatiei se antreneaza si cealata turbina denumita turbocompresor de presiune joasa care fiind de dimensiuni mari poate comprima aerul la o presiune maxima realizand astfel supraalimentarea.

Fig.13 1-radiator de racire (intercooler) 2-supapa de deviatie (bypass) 3-turbocompresor presiune inalta 4-turbocompresor presiune joasa 5-supapa de descarcare (waste gate)

1.5.

Avantajele turbo supraalimentarii

In comparatie cu un motor termic aspirat ce produce aceeasi putere maxima, consumul de combustibil al unui motor turbo supraalimentat este mai mic, fenomen datorat si recuperarii unei parti din energia disipata in gazele de evacuare care este utilizata petru imbunatatirea randamentului general al motorului. De asemenea datorita capacitatii cilindrice mai reduse al unui motor turbo se reduc si pierderile termice si prin frecari contribuind la cresterea randamentului.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 13 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Fig.5 Comparatie curbe de cuplu motor Caracteristica de cuplu al unui motor turbo supraalimentat are urmatoarele avantaje in comparatie cu un motor aspirat: -cuplul maxim este produs incepand cu turatiile joase -cuplul maxim este constant pe o plaja mai larga de turatii Performantele unui motor turbo supraalimentat sunt net superioare unui motor aspirat mai ales in cazul exploatarii acestora in zone cu altitudine ridicata unde pierderea semnificativa de putere afecteaza majoritatea motoarelor aspirate datorita presiunii sczute. Avantajele turbo supraalimentarii sunt evidente atat in cea ce priveste performantele dinamice cat si emisiile poluante.Tendinta constructorilor auto este de a introduce turbo supraalimentarea pe toate noile motoare, in acest mod pastrand performantele dinamice dar la o cilindree mai mica. Tehnologiile de supraalimentare au evoluat considerabil datorita cerintelor de reducere a consumului pe de-o parte. Noile tehnologii turbo, dubla supraalimentare sau actionarea electrica a compresorului sunt deja pe lista de componente ale producatorilor de automobile.

MOLDOVAN LORAND

Pag. 14 | 15

U N IV ER S ITA TEA TEH N IC A FA CU LTA TEA D E M EC A N IC A D EP A R TA M EN TU L A U TO V EH IC U LE R U TIER E S I TR A N S P O R TU R I

Bibliografie 1.YouTube 2. http://www.4tuning.ro 3.Wikipedia 4. http://www.e-automobile.ro 5. http://www.auto-data.net 6. http://www.carwitter.com 7.Google Images

MOLDOVAN LORAND

Pag. 15 | 15