Πριν από λίγες μέρες, έκανα ένα άρθρο που αφορούσε μία εκτενώς βελτιωμένη Exige. Οι αλλαγές ήταν πολυάριθμες και σημαντικές αλλά αυτό που μου έκανε εμένα εντύπωση –αν και πέρασε λίγο απαρατήρητο- ήταν το setup που είχε ο κινητήρας. Ήταν compound charged –twin charged για την ακρίβεια- και παρότι η τεχνολογία δεν είναι ιδιαίτερα καινούρια, σκέφτηκα ότι είναι καλή ευκαιρία να προσπαθήσω να εξηγήσω κάποια πράγματα για αυτόν τον τρόπο υπερτροφοδότησης με απλά λόγια (στο κάτω-κάτω δεν είμαι μηχανικός, απλά μου αρέσει να μαθαίνω πράγματα για μένα και να τα αναπαράγω για να μαθαίνουν και άλλοι).
Τι είναι το compound charging;
Με το όρο compound charging εννοούμε την χρήση δύο υπερτροφοδοτών (είτε turbo, είτε compressor, είτε συνδυασμοί των δύο αλλά για να κρατήσουμε τα πράγματα απλά θα μιλήσουμε για δύο turbo) που είναι έτσι τοποθετημένοι στην μηχανή ώστε το “αποτέλεσμα” του ενός, να τροφοδοτεί τον δεύτερο. Οι πιο συνηθισμένες λύσεις είναι δύο: είτε δύο turbo, ένα μικρό που λειτουργεί σε υψηλή πίεση και ένα μεγάλο που λειτουργεί σε χαμηλή και αλληλοσυμπληρώνονται είτε ένας compressor και ένα turbo όπου ο compressor «αναλαμβάνει» την υπερτροφοδότηση στις χαμηλές στροφές και το turbo στις ψηλές αφού έχει ανεβάσει πίεση. Όπως είπα, εμείς θα μιλήσουμε για δύο turbo αλλά η αρχή λειτουργίας είναι παρόμοια σε κάθε διάταξη.
Πρώτα απ’ όλα να ξεκαθαρίσουμε ένα πράγμα. Το γεγονός ότι στο compound charging χρησιμοποιούμε δύο turbos δεν σημαίνει ότι έχουμε twin turbo setup. Στους κινητήρες με twin turbos, τα δύο turbo είναι ακριβώς αυτό που λέει ο όρος, twins, είναι ολόιδια. Αυτός είναι και ο λόγος που χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά σε V κινητήρες. Το κάθε ένα από τα δύο turbos αναλαμβάνει ξεχωριστή πλευρά του V και καθοριστικός παράγοντας για τη σωστή λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος είναι να κάνουν ακριβώς το ίδιο πράγμα την ίδια στιγμή. Στο compound charging δεν ισχύει κάτι τέτοιο, θα μπορούσα να πω ότι ισχύει το ακριβώς αντίθετο.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Πριν μπούμε στο πρακτικό κομμάτι ας πούμε μία ιστορία. Έστω ότι έχετε ένα αμάξι και θέλετε να αυξήσετε την απόδοση του. Αποφασίσατε να επιλέξετε τον δρόμο της υπερτροφοδότησης και δεν σας κατηγορώ, άλλωστε είναι ο μοναδικός τρόπος να βγάλεις αρκετή παραπάνω δύναμη και ροπή από έναν κινητήρα. Ήρθε όμως η ώρα να επιλέξετε το turbo που θα χρησιμοποιήσετε. Αν διαλέξετε την λύση του μεγάλου turbo, θα επιτύχετε τον στόχο σας όσον αφορά στην μέγιστη δύναμη αλλά από την άλλη πλευρά, μπορείτε να αποχαιρετήσετε μία και καλή την άμεση απόκριση στο γκάζι και να καλωσορίσετε το lag και το περιορισμένο power band. Αφήστε που ακόμα και όταν αρχίζει να ανεβάζει πίεση είναι πιθανό να αντιμετωπίστε προβλήματα surge καθώς όλος αυτός ο αέρας που σπρώχνει προς την μηχανή δεν προλαβαίνει να καταναλωθεί… Αν διαλέξετε ένα μικρό turbo σίγουρα θα έχετε μία μηχανή που αποκρίνεται γρήγορα στο γκάζι με εξαιρετική ροπή στις χαμηλές-μεσαίες που θα κάνει το αυτοκίνητο πολύ διασκεδαστικό στην οδήγηση. Όταν όμως θα το πιέσετε πραγματικά, απλά δεν θα έχει την δυνατότητα να βγάλει την δύναμη που εσείς θέλετε ή θα πρέπει να το δουλεύετε σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις που θα διακινδυνέψει την αξιοπιστία τόσο του turbo όσο και γενικότερα του κινητήρα. Αφήστε που οι θερμοκρασίες θα είναι φοβερά υψηλές οπότε θα πρέπει να επενδύσετε σε διάφορα συστήματα ψύξης. Το compound charging απλά σας βγάζει από το δίλημμα. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του compound charging είναι το μεγάλο power band που προσφέρει. Μπορείς να έχεις το γρήγορο spool και την απόκριση του μικρού turbo με την δύναμη στις ψηλές στροφές που προσφέρει το μεγάλο. Ποιος είπε ότι ή θα έχεις την πίτα ολόκληρη ή τον σκύλο χορτάτο;
Μην νομίζετε όμως ότι πρόκειται για πανάκεια. Το σύστημα φυσικά και έχει μειονεκτήματα (αν δεν είχε θα το χρησιμοποιούσαν όλοι οι κατασκευαστές). Πρώτον είναι το ζήτημα του κόστους. Προφανώς για να λειτουργήσει το σύστημα εξ’ ορισμού πρέπει να έχεις δύο απ’ όλα. Δύο turbos, δύο wastegates, δύο blow off valves κ.λ.π Δεύτερον και ίσως σημαντικότερο είναι το ζήτημα της πολυπλοκότητας. Όλα αυτά πρέπει να συνδεθούν μεταξύ τους, να λιπανθούν, να ψυχθούν και ακόμα και όταν τελειώσεις με αυτά, υπάρχει το θέμα του management. By pass βαλβίδες, πιέσεις, καύσιμο, ανάφλεξη, είναι ο εφιάλτης του μηχανικού και του προγραμματιστή. Και τρίτο και τελευταίο, είναι το θέμα του χώρου. Ανοίξτε το καπό σας και πείτε μου πόσο χώρο βλέπετε να υπάρχει ελεύθερος. Εντάξει, υπάρχουν και εξαιρέσεις αλλά στη συντριπτική τους πλειοψηφία, τα engine bays είναι τόσο στριμωγμένα που με το ζόρι χωράει ένα δάχτυλο, πόσο μάλλον δύο turbo με όλα τα παρελκόμενα…
Και πώς είπες ότι λειτουργεί;
Τώρα ξεκινάνε όμως τα δύσκολα. Δώστε προσοχή γιατί το σύστημα δεν λειτουργεί τόσο απλά όσο φαντάζεστε και μπορεί η κατάσταση να γίνει περίπλοκη. Ξέρουμε όλοι ότι στο επίπεδο της θάλασσας η ατμοσφαιρική πίεση του αέρα είναι περίπου 1 bar. Αυτή η πίεση φαίνεται στο μπαρόμετρο του αυτοκινήτου ως μηδέν. Αν το μπαρόμετρο έχει ένδειξη 1 bar, τότε «σπρώχνουμε» αέρα στην εισαγωγή του αυτοκινήτου με 2 bar. Αυτή είναι η διαφορά ανάμεσα στην απόλυτη και την σχετική πίεση εισαγωγής. Δηλαδή:
Σχετική Πίεση Εισαγωγής = Απόλυτη Πίεση Εισαγωγής – Ατμοσφαιρική Πίεση
(Τα μπαρόμετρα που βλέπουμε σε ορισμένα βελτιωμένα αυτοκίνητα δείχνουν την σχετική πίεση εισαγωγής). Επομένως ότι και να κάνουμε, ο αέρας που εισέρχεται στο turbo έχει πίεση 1 bar. Αν αυξήσουμε πολύ την πίεση στο turbo μειώνουμε την αποδοτικότητά του. Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα με ένα turbo, οι μηχανικοί αύξησαν το μέγεθός του, αυξάνοντας κατά συνέπεια την ροή του αέρα. Όμως αυτό επηρεάζει την οδηγησιμότητα του κινητήρα. Ότι και να κάνεις, όταν η εισαγωγή του turbo έχει ένα συγκεκριμένο μέγεθος θα έχει και μία συγκεκριμένη ποσότητα αέρα που θα μπορεί να «ρουφήξει». Άρα ο μοναδικός περιοριστικός παράγοντας φαίνεται ότι είναι η ατμοσφαιρική πίεση του πλανήτη μας!
Συνδέοντας όμως δύο turbo σειριακά, ξεπερνάμε αυτόν τον περιορισμό. Και με δεδομένο ότι καταλήγω στο compound charging, δεν μιλάμε για δύο turbo ίδιου μεγέθους αλλά ένα μικρό και ένα μεγάλο όπου το ένα συμπληρώνει το άλλο. Πώς όμως; Αρχικά ο αέρας εισέρχεται στο μεγάλο turbo που συμπιέζεται και οδηγείται στο μικρό που ξανά-συμπιέζει τον ήδη συμπιεσμένο αέρα και τον τροφοδοτεί στον κινητήρα. Προς το παρόν το μοναδικό πλεονέκτημα είναι ότι ο αέρας συμπιέζεται δύο φορές αλλά τα καλύτερα έρχονται… Το turbo δεν είναι τίποτε άλλο από ένας πολλαπλασιαστής της ατμοσφαιρικής πίεσης. Συμπιέζει τον αέρα που εισέρχεται σε αυτό από την εισαγωγή του και τον σπρώχνει προς τον κινητήρα με μεγαλύτερη πίεση και πυκνότητα. Παράδειγμα: Ένα μικρό turbo παίρνει τον αέρα από την ατμόσφαιρα με πίεση 1 bar και παράγει 2,75 bar πίεση (στο μπαρόμετρο). Αυτό σημαίνει ότι «πολλαπλασιάζει» τον αέρα κατά 3,75 φορές. Μην ξεχνάτε ότι το μηδέν στο μπαρόμετρο είναι ήδη 1 bar πίεση οπότε «βλέπουμε» μόνο τα 2,75 από τα 3,75 bar πίεσης στην εισαγωγή. Αντίστοιχη δουλειά κάνει όπως καταλαβαίνετε και ένα μεγάλο turbo. Άρα ας πούμε ότι το μεγάλο turbo ανεβάζει μικρότερη πίεση και πολλαπλασιάζει τον αέρα μόνο κατά 2,2 φορές (άρα 1,2 bar στο μπαρόμετρο) και τον στέλνει όχι στην εισαγωγή αλλά στο μικρό turbo. Επομένως, το μικρό turbo παίρνει τον αέρα όχι στο 1 bar της ατμόσφαιρας αλλά στα 2,2 bar και τον πολλαπλασιάζει όπως ακριβώς έκανε και πριν κατά 3,75 φορές. Το αποτέλεσμα; Μία εξωπραγματική πίεση της τάξης των 8,25 bar με την ίδια ταχύτητα περιστροφής της φτερωτής στον κομπρέσσορα! Καλωσορίσατε στον κόσμο του compound charging…
Καλά τα λες αλλά 8,25 bar είναι πολλά…
Καταλαβαίνω απόλυτα ότι 8,25 bar είναι πολλά παραπάνω από όσα μπορεί να αντέξει ένας βενζινοκινητήρας (αυτό όμως δεν σημαίνει ότι τράκτορες, τρακτέρ και εμπορικές μηχανές δεν λειτουργούν σε τέτοιες πιέσεις. Άλλωστε, το compound charging ξεκίνησε από τις diesel μηχανές). Πώς λοιπόν μπορούμε να επωφεληθούμε από το compound charging σε λογικές πιέσεις; Πριν απαντήσω σε αυτήν την ερώτηση, πρέπει να αναφερθώ σε ένα σύνηθες πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί όταν απαιτούν υψηλή πίεση από ένα turbo. Το πρόβλημα αυτό είναι η δραματική πτώση της αποδοτικότητας του υπερτροφοδότη. Οι περισσότεροι compressor maps για υπερτροφοδότες «τελειώνουν» κάπου ανάμεσα σε 3:1 και 4:1 αναλογία πίεσης καθώς μετά όπως είπα πέφτει η αποδοτικότητά τους. Η αποδοτικότητα ενός turbo είναι ένα μέγεθος το οποίο στην ουσία αναφέρεται στην ενέργεια που χάνεται ως θερμότητα κατά τη φάση της συμπίεσης. Όσο μεγαλύτερη η απόδοση, τόσο λιγότερη θερμότητα παράγεται κατά την συμπίεση του αέρα. Η μεγαλύτερη απόδοση ενός μέσου turbo βρίσκεται κάτω από 2,5:1 αναλογία πίεσης επομένως είναι λογικό σαν μηχανικός (είτε μιλάμε για τον Barba Mitsos Racing τον «βελτιωτή» της γειτονιάς είτε για το R&D της VW) να θέλεις να βρίσκεσαι κοντά σε εκείνο το σημείο. Το κακό είναι ότι πολλές φορές σε μηχανές υψηλής απόδοσης αλλά χαμηλού κυβισμού, τα turbo δουλεύουν με χαμηλή αποδοτικότητα γιατί δεν θέλουμε το έντονο lag ενός μεγάλου turbo και έτσι καταλήγουμε να δουλεύουμε πολύ σκληρά ένα μικρό. Έτσι ο αέρας που βγαίνει από το turbo συμπιεσμένος είναι και πάρα πολύ θερμός και απαιτεί σημαντική ψύξη πριν μπει στη μηχανή.
Και πώς μας βοηθάει;
Το compound charging μας βοηθάει πάρα πολύ για δύο λόγους. Ο πρώτος είναι ότι για το ίδιο –μικρό- turbo σε compound charging διάταξη, παίρνουμε την ίδια πίεση σε πολύ μικρότερες ταχύτητες περιστροφής του κομπρέσσορα –άρα δουλεύοντας το turbo μέσα στη «ζώνη άνεσής» του- που σημαίνει σημαντικά ψυχρότερος αέρας που σημαίνει σημαντικά πυκνότερος αέρας που σημαίνει παραπάνω δύναμη! Το δεύτερο όφελος της διάταξης είναι η απόδοση των καυσαερίων. Ακριβώς επειδή το μικρό turbo απαιτεί χαμηλότερη αναλογία πίεσης, μπορούμε να ανοίξουμε την wastegate νωρίτερα και περισσότερο από ότι συνήθως –θυμηθείτε, δεν στηριζόμαστε πλέον αποκλειστικά στην ταχύτητα περιστροφής της φτερωτής του κομπρέσσορα για να αυξήσουμε την πίεση-. Ανοίγοντας όμως την wastegate τόσο πολύ και τόσο νωρίς μειώνουμε δραστικά το back pressure μέσα στην εξάτμιση και με αυτόν τον τρόπο βοηθάμε τον κινητήρα να αναπνεύσει καλύτερα ενώ ταυτόχρονα μειώνουμε και την θερμοκρασία των καυσαερίων!
Δύο ερωτήσεις αναφέρονται πολύ συχνά όσον αφορά στο compound charging.
- Πρέπει να έχουμε δύο intercooler ή ένα; Αυτή είναι μία καλή ερώτηση. Η αλήθεια είναι ότι δεν υπάρχει τρόπος να ξέρουμε στα σίγουρα παρά μόνο μέσω trial and error. Με δοκιμή δηλαδή. Στη θεωρία τουλάχιστον, καθώς το μεγάλο turbo στη διάταξη «τρέχει» σε χαμηλή πίεση, η αδιαβατική απόδοσή του είναι αρκετά υψηλή ώστε να μην ανεβάζει τη θερμοκρασία του αέρα που συμπιέζει αρκετά. Το ίδιο φυσικά συμβαίνει και στο δεύτερο, το μικρό turbo. Άρα η απάντηση μου είναι ότι ο αέρας χρειάζεται λιγότερη ψύξη σε σύγκριση με αντίστοιχης δύναμης single –μικρό- turbo διάταξη.
- Πώς είναι δυνατόν το μικρότερο turbo να μην «πνίγει» τον κινητήρα; Εδώ πρέπει να καταλάβετε ότι ένα turbo κατηγοριοποιείται με βάση τον όγκο του αέρα που μπορεί να προσφέρει σε συγκεκριμένο χρόνο και καμία διάταξη δεν μπορεί να αλλάξει αυτόν τον αριθμό. Παράδειγμα (τα νούμερα είναι στρογγυλεμένα για να μην μπλέξουμε παραπάνω από όσο χρειάζεται): ένα turbo μπορεί να «μετακινήσει» 7 κυβικά μέτρα/λεπτό το οποίο μεταφράζεται σε 7 κιλά αέρα το λεπτό με ατμοσφαιρική πίεση –δεν είναι τόσο αλλά μην αρχίσετε…-. Αν χρησιμοποιήσουμε ένα μεγάλο turbo όπως είπαμε για να στέλνει τον αέρα στο μικρό με 1 bar πίεση, η πυκνότητα του αέρα διπλασιάζεται. Τα ίδια 7 κυβικά μέτρα/λεπτό αέρα τώρα ζυγίζουν 14 κιλά. Το μικρό turbo δηλαδή πάλι μετακίνησε τον ίδιο ακριβώς όγκο αέρα ο οποίος όμως έχει την διπλάσια πυκνότητα! Απλοϊκά, μετακίνησε τον διπλάσιο αέρα γιατί διπλασιάσαμε την πίεση με την οποία δέχεται τον αέρα στην εισαγωγή του. Γι’ αυτό και δεν πνίγει τον κινητήρα. Δεν του ζητάμε να κάνει κάτι που δεν μπορεί, απλά το «ξεγελάμε» ώστε να κάνει αυτό που μπορεί, πολύ καλύτερα!
Συμπέρασμα
Το compound charging είναι μία πολύ παρεξηγημένη διάταξη. Ο κύριος λόγος για αυτό είναι η ημιμάθεια. Για να είμαι ειλικρινής με έχει κουράσει πολύ ο «μηχανικός της καφετέριας». Το άτομο που όλοι ξέρουμε ή τουλάχιστον έχουμε συναντήσει κάποια στιγμή στη ζωή μας που έχει χαμηλό επίπεδο γνώσεων, κανενός είδους εξειδίκευση αλλά για κάποιο λόγο διεκδικεί το αλάθητο του πάπα και πιστεύει ακράδαντα ότι η γνώμη του είναι κανόνας και δεν είναι δυνατόν να υπόκειται σε κριτική. Σε καμία περίπτωση δεν υποστηρίζω ότι το compound charging είναι η λύση σε όλα μας τα προβλήματα. Έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του όπως κάθε άλλη διάταξη και σίγουρα δεν απευθύνεται στον καθένα. Με αυτό το άρθρο ελπίζω να έριξα λίγο φως σε αυτό το κομμάτι της αυτοκίνησης και να βοήθησα αυτούς που θέλουν να μάθουν κάτι παραπάνω…
[Πηγή: Wikipedia]