Turbo i kompresor razem

wyświetlacz na kokpicie © „autoFACHMANN”

Udostępnij:

Downsizing już na dobre zadomowił się w samochodach. Żeby jednak z coraz mniejszej jednostki wykrzesać moc odpowiednią do napędzenia samochodu, konieczne jest coraz skuteczniejsze doładowanie silnika. Okazuje się, że samo turbo to zbyt mało.

 

  • Połączenie wtrysku bezpośredniego i turbodoładowania tworzy podstawę koncepcji „downsizingowych”.
  • W silnikach Turbo FSI Volkswagen zrezygnował ze spalania ładunku uwarstwionego (najpierw mieszanki bogatej, później ubogiej).
  • W silniku Turbo FSI klapy polepszają tworzenie mieszanki wewnątrz, ponieważ silnik pracuje tylko w trybie mieszanki jednorodnej.
  • Nowością w technologii Twincharger TSI było zastosowanie 2 jednostek doładowujących: szybkobieżnego kompresora mechanicznego i turbosprężarki napędzanej spalinami.
  • Działanie dodatkowo załączanego kompresora zintegrowano z modułem pompy płynu chłodzącego.
  • Cechą szczególną kompresora jest przełożenie wewnętrzne: i = 0,2. W dolnym zakresie obrotów zapewnia ono zwiększenie momentu obrotowego w porównaniu z konstrukcją konwencjonalną.

 



Silniki Diesla, które zawsze były bardzo oszczędne, mogły się przebić na rynku dopiero dzięki połączeniu wtrysku bezpośredniego i turbodoładowania. To dzięki tej technice znacznie wzrósł moment obrotowy, a z nim przyjemność płynąca z jazdy. Wiele wskazuje, że również w silnikach benzynowych połączenie wtrysku bezpośredniego i turbodoładowania przyniosło oczekiwane efekty. Jak bowiem twierdzą konstruktorzy silników, dzięki temu połączeniu można częściowo rozwiązać konflikt celów między dynamiką jazdy a zużyciem paliwa. To dlatego, że w przypadku wtrysku pośredniego – ze względu na wysokie temperatury spalin bez chłodzącego i zwiększającego zużycie wzbogacenia mieszanki – silnik szybko osiąga granicę spalania stukowego.

Już sam wtrysk bezpośredni umożliwia (ze względu na proces wtryskiwania) chłodzenie wewnętrzne, a wraz z nim osiągnięcie w cylindrze wyższego ciśnienia, które podnosi współczynnik sprawności silnika. Wtrysk bezpośredni zwiększa w szczególności moment w zakresie niskich obrotów, a maksymalny moment obrotowy osiąga się przy niższej prędkości obrotowej. Zapewnia to równomierny przebieg mocy silnika w funkcji prędkości obrotowej. Dodatkowo zużycie paliwa maleje o ok. 5%.
Dopiero jednak połączenie wtrysku bezpośredniego i turbodoładowania tworzy podstawę koncepcji „downsizingowych”. W downsizingu zamiast konwencjonalnych silników bezsprężarkowych konstruktorzy stosują mniejsze silniki z turbosprężarkami, które mają taką samą moc jak ich większe odpowiedniki bez doładowania. Przede wszystkim to jednak silniki o małej pojemności i niskim zużyciu są wyraźnie słabe w zakresie niskich prędkości obrotowych, nawet mimo turbodoładowania, z powodu „turbodziury”. Tradycyjne jednostopniowe turbodoładowanie nie dostarcza silnikowi na niskich obrotach lub podczas dynamicznej jazdy wystarczająco dużo powietrza do spalania. Dodatkowa sprężarka zwiększa moment obrotowy silnika w zakresie obrotów, który ma znaczenie podczas ruszania. Zapewnia także dodatkowy moment obrotowy podczas jazdy. W silnikach z umiarkowanym downsizingiem połączenie bezpośredniego wtrysku i turbodoładowania zapewnia znacznie większą przyjemność z jazdy w porównaniu z tradycyjnym silnikiem bez doładowania.

W ekstremalnych koncepcjach downsizingu dopiero dodatkowa sprężarka zapewnia „spontaniczność” podczas jazdy. Na przykład Volkswagen połączył oba podejścia w silniku Turbo FSI i podwójnie doładowanych silnikach Twincharger (TSI).

Turbo plus FSI

W przeciwieństwie do silników bezsprężarkowych FSI w silnikach Turbo FSI Volkswagen zrezygnował ze spalania ładunku uwarstwionego (najpierw mieszanki bogatej, później ubogiej). Skrót FSI pozostał, ponieważ wtrysk nadal następuje bezpośrednio do komory spalania. Ponieważ silnik nie spala już ładunku uwarstwionego, nie trzeba używać czujników NOX.

Turbodoładowany silnik pracuje w 2 trybach. Przy rozruchu na zimno następuje podwójny wtrysk, aby szybko osiągnąć temperaturę roboczą katalizatora. W tym celu w suwie ssania, przy około 300° obrotu wału korbowego, przed górnym martwym punktem wtryskuje się część paliwa. Paliwo to może rozproszyć się jednolicie w komorze spalania w ciągu długiego czasu pozostałego do zapłonu.

W suwie sprężania przy wale korbowym pod kątem ok. 60°, przed górnym martwym punktem następuje drugi wtrysk. Takie utworzenie bogatej mieszanki umożliwia względnie późne punkty zapłonu na biegu jałowym. Dla obu wtrysków obliczeniowa ilość wtryskiwanego paliwa daje mieszankę o wartości lambda = 1. Ponieważ zapłon następuje dopiero po górnym martwym punkcie, zawór wylotowy jest już otwarty, temperatura spalin rośnie bardzo szybko i w ciągu ok. 30 s ogrzewa katalizator do ok. 300°C. Przy ciepłym silniku i gorącym katalizatorze występuje tylko jeden wtrysk, w którym paliwo również rozprasza się jednolicie w komorze spalania, a ilość wtryskiwanego paliwa także odpowiada lambda = 1.

Klapy sterujące ruchem ładunku

W silniku bezsprężarkowym FSI klapy sterujące ruchem ładunku tworzą spadki ciśnienia, dzięki czemu powstaje ładunek uwarstwiony. Natomiast w silniku Turbo FSI klapy polepszają tworzenie mieszanki wewnątrz, ponieważ silnik pracuje tylko w trybie mieszanki jednorodnej. Przy niskim obciążeniu i między 1000 a 5000 min–1 klapy są zamknięte.

Wynikają z tego następujące korzyści:

  • równy bieg jałowy po rozruchu na zimno,
  • szybsza reakcja na zmianę położenia pedału przyspieszenia przy zmianie obciążenia,
  • minimalizowanie wibracji silnika podczas hamowania silnikiem.

W pozostałym zakresie obrotów klapy są otwarte, aby nie powodować dodatkowego oporu przepływu.

Turbosprężarka

Kolektor wydechowy i turbosprężarka stanowią jeden element konstrukcyjny. Kolektor wydechowy jest przy tym skonstruowany jako kolektor wachlarzowy z żebrem oddzielającym, które sprawia, że spaliny napływają na turbinę równomiernie. W ten sposób dochodzi do podziału kanałów spalinowych zgodnie z kolejnością zapłonu. Żebro oddzielające zapobiega wzrostowi ciśnienia spalin w kanałach pozostałych cylindrów. Dzięki takiemu ukształtowaniu turbosprężarka szybciej reaguje.

Prowadzenie powietrza doładowującego i regulacja ciśnienia doładowania

Wymagane ciśnienie doładowania ustawia się za pomocą zaworu elektromagnetycznego i zaworu nadmiarowego (wastegate). Chodzi tutaj o sterowanie nadciśnieniem. Sterownik taktuje przy tym zawór elektromagnetyczny oraz z ciśnienia doładowania i ciśnienia zasysania tworzy tzw. ciśnienie sterowania.

Ciśnienie to oddziałuje na siłownik, który za pomocą drążka uruchamia zawór nadmiarowy. Ten ostatni otwiera obejście, aby część spalin ominęła turbinę. W przypadku awarii regulacji ciśnienie doładowania ograniczane jest do tzw. podstawowego ciśnienia doładowania, a zdarzenie jest rejestrowane w pamięci błędów.

Zawór upustowy

Żeby nie hamować turbosprężarki podczas hamowania silnikiem i nie hamować mocno podczas zmiany biegów, w TFSI zastosowano elektryczny zawór upustowy. Podczas hamowania silnikiem w obudowie sprężarki powstaje (za sprawą utrzymującego się ciśnienia doładowania) ciśnienie spiętrzenia, które powoduje mocne hamowanie wirnika turbiny, co z kolei obniża ciśnienie doładowania. Podczas jazdy powodowałoby to „turbodziurę”.

Zawór upustowy bezpośrednio podłączony kołnierzowo do turbosprężarki.
Dzięki niemu sprężarka nie traci za dużo obrotów podczas hamowania silnikiem. Źródło: „autoFACHMANN”

Żeby temu zapobiec, zawór upustowy otwierany jest elektrycznym nastawnikiem. Otwiera on kanał obiegowy, aby odprowadzić sprężone już powietrze przez wirnik turbiny z powrotem na stronę ssania w obiegu sprężarki. Dzięki temu turbina utrzymuje obroty.

Podwójne doładowanie

Nowością w technologii Twincharger TSI było zastosowanie 2 jednostek doładowujących: szybkobieżnego kompresora mechanicznego i turbosprężarki napędzanej spalinami. Turbosprężarka została zoptymalizowana, by osiągać wysoki współczynnik sprawności, dlatego na niskich obrotach nie wytwarza wystarczającego ciśnienia doładowania. To zadanie przejmuje kompresor, który jednak wyłącza się najpóźniej przy obrotach rzędu 3500 min–1, kiedy to turbosprężarka wytwarza całe konieczne ciśnienie doładowania.

Kompresor i turbosprężarka
Kompresor i turbosprężarka razem zapewniają odpowiednie ciśnienie w silnikach TSI. Źródło: „autoFACHMANN”
wykres przebiegu mocy
Dzięki połączeniu kompresora i turbosprężarki silnik TSI już na niskich obrotach
wytwarza wysoki moment obrotowy, który utrzymuje się na stałym poziomie
przez długi czas. Źródło: „autoFACHMANN”

Pompa wody ze sprzęgłem elektromagnetycznym

Działanie dodatkowo załączanego kompresora zintegrowano z modułem pompy płynu chłodzącego. Pompa napędzana jest paskiem głównym, a kompresor – drugim paskiem napędowym. Kompresor dołączany jest przez sprzęgło elektromagnetyczne, umieszczone na wałku pompy wody. Sprzęgło skonstruowane jest jako elektromagnetyczne jednotarczowe sprzęgło suche z podwójnym przepływem.



Kiedy do cewki elektromagnesu doprowadzany jest prąd, strumień indukcji magnetycznej przez koło napędowe pompy wody przepływa na zworę. Pobór mocy wynosi 35 W, a przenoszony moment obrotowy – 60 Nm. Dzięki podwójnemu przepływowi moment obrotowy może być przenoszony bezpiecznie. Po odłączeniu prądu 3 sprężyny płytkowe cofają zworę do pozycji wyjściowej.

Kompresor

Do sterowania wykorzystuje się charakterystykę wykreślną, a podłączenie następuje przez sprzęgło elektromagnetyczne. Cechą szczególną jest przełożenie wewnętrzne: i = 0,2. W dolnym zakresie obrotów zapewnia ono zwiększenie momentu obrotowego w porównaniu z konstrukcją konwencjonalną. Kiedy kompresor pracuje, ciśnienie doładowania regulowane jest za pomocą elektrycznie regulowanej klapy w obwodzie powietrza obiegowego. Klapa umożliwia bezstopniowe przełączenie między doładowaniem czysto kompresorowym a czysto turbosprężarkowym.

Na niskich obrotach mechanicznie napędzany kompresor zapewnia dobre napełnianie cylindrów. Na wysokich obrotach jest odłączany. Źródło: „autoFACHMANN”

Turbosprężarka jest taka sama jak w silnikach TFSI. Jest jednak zoptymalizowana pod kątem wyższych zakresów temperatur, sięgających 1050°C. Dzięki temu można zrezygnować ze wzbogacania mieszanki przy wyższym obciążeniu i na wyższych obrotach, a silnik może pracować w całym zakresie obrotów przy wartości lambda = 1. W ten sposób silnik TSI osiąga zadowalające wartości zużycia paliwa.

Maksymalne ciśnienie doładowania silnika Twincharger wynosi ok. 2,5 bara przy 1500 min–1.

Czysty silnik z turbosprężarką bez kompresora mógłby osiągnąć ciśnienie rzędu tylko 1,3 bara. Dzięki szybciej reagującej turbosprężarce kompresor może zostać wcześniej odciążony przez stałe otwarcie zaworu obejściowego. Dlatego kompresor pracuje w małym zakresie charakterystyki z przeważnie niskimi stosunkami sprężania i niższym poborem mocy, co ogranicza wyższe zużycie paliwa charakterystyczne dla mechanicznego doładowania. W praktyce oznacza to, że kompresor zapewnia konieczne ciśnienie doładowania tylko w zakresie obrotów do 2400 min–1.

Turbosprężarka zaprojektowano tak, aby osiągać optymalny współczynnik sprawności w górnym zakresie mocy. Także na średnich obrotach zapewnia wystarczające ciśnienie doładowania. Przy dynamicznej jeździe, na niskich obrotach nie da się jednak osiągnąć żądanej elastyczności. Wtedy właśnie włącza się kompresor i umożliwia spontaniczne zwiększenie ciśnienia doładowania.

Dzięki temu, że oba systemy uzupełniają się, nie powstaje efekt „turbodziury”. Już od obrotów biegu jałowego kompresor, dzięki wysokiemu przełożeniu 1:5, dostarcza do wału korbowego ciśnienie doładowania, które wynosi 1,8 bara i w ten sposób zapewnia konieczną siłę na niskich obrotach silnika. Już przy obrotach 1250 min–1 wytwarzany jest moment obrotowy na poziomie 200 Nm.

Przy dynamicznie pracującym kompresorze automatyczna regulacja ciśnienia doładowania decyduje – w zależności od wymaganej siły napędowej silnika – czy kompresor zostanie włączony. Jeśli obroty spadną, a później potrzebna będzie znowu wyższa moc, kompresor znowu się włączy. Przy ponad 3500 min–1 turbosprężarka wytwarza wystarczające ciśnienie doładowania. W praktyce 1,4-litrowy Twincharger pracuje jak duży silnik bezsprężarkowy. To dlatego, że maksymalny moment obrotowy 240 Nm jest dostępny przy obrotach w zakresie 1750–4500 min–1.

Artykuł ten ukazał się w czasopiśmie

Udostępnij:

Drukuj



autoFACHMANN




TOP w kategorii







Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również