Στα δύο προηγούμενα μέρη αυτής της ανάλυσης είδαμε αρχικά σε γενικές γραμμές και έπειτα λίγο πιο εξειδικευμένα το πώς ακριβώς λειτουργεί αυτό το θαυμαστό δημιούργημα που ονομάζεται υπερσυμπιεστής καυσαερίων. Μετρήσαμε επίσης μαζί τα επιμέρους εξαρτήματα του, πώς επηρεάζουν την απόδοση του αυτοκινήτου μας και τι μπορεί να συμβεί όταν αυτά λείπουν (ή αν δεν λειτουργούν σωστά). Τώρα, εφόσον υπάρχει το απαραίτητο υπόβαθρο, θα γίνουμε λίγο πιο τεχνικοί και θα προσπαθήσουμε να αναλύσουμε κάποια aspects της υπερτροφοδότησης αλλά και κάποια χαρακτηριστικά των υπερσυμπιεστών πολύ σημαντικά όπως το trim, το A/R αλλά και τον ρόλο των πολλαπλών εξαγωγής στη λειτουργία του turbo. Αυτά κυρίως είναι όροι που ακούμε και διαβάζουμε πολύ συχνά αλλά μερικές φορές δεν κατανοούμε πλήρως.
Ας ξεκινήσουμε λοιπόν με το trim. Για να δώσουμε τον ορισμό όμως του trim πρέπει προηγουμένως να ξέρουμε τι είναι το inducer και το exducer. Και οι δύο όροι αναφέρονται σε χαρακτηριστικό της φτερωτής είτε του συμπιεστή είτε της τουρμπίνας. Πιο συγκεκριμένα, η διάμετρος του inducer είναι η διάμετρος από την οποία εισέρχεται ο αέρας ή τα καυσαέρια (ανάλογα για ποιο κομμάτι του turbo μιλάμε) και η διάμετρος του exducer είναι η διάμετρος από την οποία ο αέρας ή τα καυσαέρια φεύγουν από την φτερωτή. Με βάση την αεροδυναμική αλλά και τις διαδρομές εισόδου του αέρα, στη φτερωτή του συμπιεστή, το inducer είναι η μικρότερη διάμετρος ενώ στη φτερωτή της τουρμπίνας η μεγαλύτερη.
Γυρνάμε λοιπόν στο αρχικό μας θέμα, το trim. Trim ή wheel trim είναι ένας όρος που χρησιμοποιούμε για να εκφράσουμε τη σχέση μεταξύ του inducer και του exducer τόσο της φτερωτής της τουρμπίνας όσο και του συμπιεστή. Ακριβέστερα, το trim είναι αναλογία επιφάνειας και υπολογίζεται από τον τύπο . Είτε μιλάμε για την φτερωτή της τουρμπίνας είτε του συμπιεστή, το trim επηρεάζει την απόδοση του turbo μεταβάλλοντας την δυνατότητα ροής του αέρα. Αυτό όμως δεν σημαίνει «μεγαλύτερο trim = μεγαλύτερη απόδοση» καθώς υπάρχουν και άλλα μεγέθη που επηρεάζονται από την αλλαγή του trim και τα οποία με την σειρά τους επηρεάζουν την απόδοση.
Ένα άλλο πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό των turbo είναι η αναλογία A/R. Το A/R είναι γεωμετρικό χαρακτηριστικό των housings της τουρμπίνας και του συμπιεστή και πιο τεχνικά: Είναι ο λόγος του εμβαδού της περιοχής στην είσοδο των καυσαερίων προς την διάμετρο που ορίζεται από το κέντρο του turbo και το κεντροειδές της περιοχής εκείνης (μιλώντας για το A/R της τουρμπίνας). Ακούγεται πολύπλοκο αλλά στην πραγματικότητα είναι απλό και η φωτογραφία που ακολουθεί θα σας βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση του παραπάνω ορισμού.
Αυτή η παράμετρος έχει έντονη επίδραση στην απόλυτη επίδοση αλλά και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του turbo μας. Όσον αφορά το A/R του συμπιεστή, παραδόξως δεν παίζει πολύ μεγάλο ρόλο καθώς η μεταβολή του δεν επηρεάζει ιδιαίτερα το turbo. Γι’ αυτό και δεν προσφέρονται επιλογές για αυτό από τις εταιρίες κατασκευής των turbo. Η κατάσταση όμως αλλάζει όταν μιλάμε για το A/R της τουρμπίνας καθώς διαφορετικά A/R χρησιμοποιούνται για την προσαρμογή της ικανότητας ροής αυτής. Η αλλαγές που λαμβάνουν χώρα καθώς αλλάζει το A/R θα γίνουν περισσότερο κατανοητές από ένα παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο μηχανές, με πανομοιότυπα χαρακτηριστικά, ίδια turbo και η μοναδική παράμετρος που έχουν διαφορετική είναι το A/R, η μηχανή 1 έχει μικρό A/R ενώ η μηχανή 2 έχει μεγάλο. Ξεκινάμε από την μηχανή 1. Το μικρό A/R αυξάνει την ταχύτητα των καυσαερίων στην τουρμπίνα. Αυτό σημαίνει ότι θα έχουμε καλύτερη απόδοση σε χαμηλές στροφές και ταχύτερη αύξηση της πίεσης υπερπλήρωσης (φτάνει πιο γρήγορα σε κατάσταση full boost). Από την άλλη όμως, εξαιτίας του μικρού A/R, η ροή των καυσαερίων «χτυπάει» εφαπτομενικά τα πτερύγια της φτερωτής κάτι που περιορίζει την ικανότητα μέγιστης ροής της τουρμπίνας και επειδή αυξάνει υπέρμετρα το backpressure των καυσαερίων, προκαλεί «λαχάνιασμα» του turbo σε υψηλές στροφές. Με λίγα και πιο απλά λόγια, η μηχανή 1 είναι προσανατολισμένη στην ελαχιστοποίηση του lag στις χαμηλές στροφές και την απόδοση μέγιστης ιπποδύναμης και ροπής σε χαμηλο-μεσαίες στροφές. Δηλαδή είναι μία μηχανή που ρίχνει βάρος στη χρηστικότητα σε καθημερινή βάση, στην οδηγισιμότητα υπό οποιεσδήποτε συνθήκες. Από την άλλη πλευρά έχουμε την μηχανή 2, αυτή με το μεγάλο A/R. Η απόδοση στις χαμηλές στροφές θα είναι σαφώς μειωμένη (απόρροια της χαμηλής πίεσης υπερπλήρωσης) και η απόκριση του turbo θα είναι λίγο χειρότερη. Στις υψηλές στροφές όμως, επειδή τα καυσαέρια εισέρχονται στην τουρμπίνα ακτινικά σχετικά με την φτερωτή μειώνεται το backpressure και αυξάνεται η ικανότητα μέγιστης ροής με αποτέλεσμα την αύξηση της δύναμης. Αντίστοιχα λοιπόν, η μηχανή 2 θυσιάζει την άμεση απόκριση και την ροπή στο χαμηλο-μεσαίο κομμάτι του στροφόμετρου για περισσότερη δύναμη σε υψηλότερο σημείο στο στροφόμετρο. Η μηχανή 2 λοιπόν είναι περισσότερο «αγωνιστική» και extreme σε σύγκριση με την μηχανή 1. Θυμηθείτε ότι σε αυτό το παράδειγμα η μοναδική μεταβλητή είναι το A/R και όλα τα υπόλοιπα μένουν σταθερά.
Τρίτο στη σειρά των πραγμάτων που θα θίξουμε σήμερα είναι η πολλαπλή εξαγωγής. Η δουλειά της είναι απλή: η ταχύτερη και αποτελεσματικότερη αποβολή των καυσαερίων από τον θάλαμο καύσης και οδήγησή τους προς την εξάτμιση. Χωρίζονται καταρχήν σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Τις χυτές (η συντριπτική πλειοψηφία των εργοστασιακών) και τις σωληνωτές (ή χειροποίητες επειδή είναι συνήθως δεύτερης τοποθέτησης και αντικαθιστούν τις εργοστασιακές).
Το μεγάλο πλεονέκτημα των χυτών πολλαπλών εξαγωγής είναι η απλότητα της σχεδίασής τους (και κατά συνέπεια η ευκολία στη μαζική παραγωγή) και η αντοχή τους. Όσο οι ιπποδυνάμεις παραμένουν σε λογικά πλαίσια (δηλαδή μιλάμε για stock αυτοκίνητα και όχι βελτιωμένα) η εργοστασιακή πολλαπλή εξαγωγής θα κάνει την δουλειά της για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Προσέξτε, δεν θα κάνει καλά την δουλειά της, απλώς θα φέρνει σε πέρας το έργο που της έχει ανατεθεί. Η απλοϊκή κατασκευή της σημαίνει ότι έχουν γίνει συμβιβασμοί τόσο στην τεχνολογία που ενσωματώνει όσο και στην μελέτη που έχει γίνει πριν την παραγωγή για να κρατηθεί το κόστος χαμηλά.
Από την άλλη, οι χειροποίητες πολλαπλές εξαγωγής είναι custom-made. Γίνονται κατά παραγγελία, στις προδιαγραφές του πελάτη, έπειτα από μελέτη και trial-and-error διαδικασίες οπότε συνεργάζονται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο με το εκάστοτε set-up του αυτοκινήτου βελτιστοποιώντας την απόδοση της μηχανής με τα συγκεκριμένα εξαρτήματα. Μία σωληνωτή πολλαπλή εξαγωγής όμως δεν είναι πανάκεια. Έχει και αυτή τα μειονεκτήματα της ή έστω κάποια σημεία που χρίζουν προσοχής. Ένα τέτοιο σημείο λοιπόν είναι η αντοχή της. Επειδή έχουμε να κάνουμε με χειροποίητη κατασκευή που περιλαμβάνει συγκολλήσεις (τις περισσότερες φορές με το χέρι) σε ένα μέρος του κινητήρα που υπόκειται σε έντονες θερμική συστολή/διαστολή φτιαγμένη με υλικά που εκ των πραγμάτων έχουν μικρότερη αντοχή σε τέτοια φαινόμενα σε σύγκριση με τον χυτοσίδηρο που συνήθως χρησιμοποιείται στις εργοστασιακές πολλαπλές, τα ραγίσματα δεν είναι σπάνια. Ωστόσο θα πρέπει να επισημάνουμε ότι εφόσον η χειροποίητη πολλαπλή εξαγωγής είναι καλής ποιότητας οι αστοχίες δεν αποτελούν ζήτημα. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ακριβώς το ότι φτιάχνονται για να συνεργαστούν με κάποια συγκεκριμένα εξαρτήματα. Αν αλλάξει κάτι δραστικά στο set-up της μηχανής, αυτό που πριν ήταν πλεονέκτημα τότε γίνεται μειονέκτημα. Η πολλαπλή εξαγωγής είναι «άχρηστη» και πρέπει να αντικατασταθεί από καινούρια που θα ανταποκρίνεται στο νέο set-up.
Μιας και είμαστε στο θέμα των πολλαπλών εξαγωγής δεν θα μπορούσαμε να μην αρπάξουμε την ευκαιρία για να μιλήσουμε για τις divided πολλαπλές οι οποίες συνδυάζονται με τα twin–scroll turbos.
Τα καυσαέρια, ως γνωστόν, δεν έχουν συνεχή ροή επειδή κάθε κύλινδρος «παράγει» καυσαέρια σε διαφορετικό χρόνο (ανάλογα με τη σειρά ανάφλεξης). Δημιουργούνται λοιπόν παλμοί μέσα στο σύστημα εξαγωγής (αν βάλετε το χέρι σας μερικά εκατοστά από την εξάτμιση πριν αυτή φυσικά προλάβει να ζεσταθεί θα τους νιώσετε). Στις χυτές πολλαπλές εξαγωγής, ο παλμός από τον έναν κύλινδρο μπορεί να «αναμιχθεί» με κάποιον άλλο παλμό και να προκαλέσει προβλήματα (όπως η μείωση του φαινομένου της σάρωσης των κυλίνδρων αλλά και αύξηση του φαινομένου της αναστροφής όπου η ροή διαταράσσεται τόσο ώστε τελικά τα καυσαέρια να γυρνούν πίσω και να μολύνουν τον θάλαμο καύσης). Όλα αυτά προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων και της συμπίεσης κάνοντας αναγκαία μία πολύ πιο συντηρητική χαρτογράφηση της ECU του κινητήρα (ανάφλεξη, overlap βαλβίδων, αναλογία καυσίμου κλπ). Οι χειροποίητες σωληνωτές πολλαπλές εξαγωγής, αμβλύνουν ελαφρώς το φαινόμενο με τους ισομήκης πρωτεύοντες αυλούς τους χωρίς όμως να το εξουδετερώνουν. Στο παιχνίδι όμως μπαίνουν οι divided πολλαπλές οι οποίες πάνε ένα βήμα παραπέρα από το να εξουδετερώσουν το φαινόμενο, το εκμεταλλεύονται! Όπως δηλώνει και το όνομα τους, οι divided πολλαπλές εξαγωγής «χωρίζουν» τους κυλίνδρους των οποίων οι παλμοί αναμιγνύονται μειώνοντας την απόδοση του συστήματος. Το αποτέλεσμα είναι πολύ καλύτερη «σάρωση» των κυλίνδρων, καλύτερη κατανομή της πίεσης στο σύστημα εξαγωγής και πολύ πιο αποδοτική διανομή των καυσαερίων στην τουρμπίνα του –twin scroll πλέον- turbo.
Επιπλέον κέρδος είναι ότι με τα προηγούμενα προβλήματα απόντα, η χαρτογράφηση του κινητήρα μπορεί να είναι πιο «θαρραλέα». Σύμφωνα με μετρήσεις, η υιοθέτηση του twin-scroll turbo έναντι ενός single scroll μπορεί να αποφέρει βελτίωση στον βαθμό απόδοσης του turbo της τάξης του 7-8 % και μείωση της κατανάλωσης έως και 5 %!
Έτσι, και το τρίτο και τελευταίο κομμάτι της τεχνικής μας αυτής ανάλυσης έφτασε στο τέλος του. Δεν θα σας κουράσω με αναλύσεις διαγραμμάτων τύπου «κυψέλης» επειδή είναι υπερβολικά τεχνικά και χρήσιμα μόνο σε μηχανικούς.
Σκοπός αυτών των άρθρων ήταν η ενημέρωση σας για τον τρόπο λειτουργίας των υπερσυμπιεστών καυσαερίων μιας που πλέον κυριαρχούν στην αυτοκινητοβιομηχανία και ελπίζω να το κατάφερα. Η διαδρομή ήταν μεγάλη και ορισμένες φορές δύσκολη αλλά πάντα έτσι δεν είναι; Όπως πάντα σχόλια και διορθώσεις είναι ευπρόσδεκτα καθώς και ιδέες για επόμενες τεχνικές αναλύσεις.
Παρόμοια Άρθρα
- Technical: Turbocharger, Γνωριμία και τα βασικά [Part 1]
- Technical: Turbocharger, Τα περιφερειακά [Part 2]
[Πηγή: turbobygarrett, wikipedia, modified]