Modaliti de cretere a puterii unui motor cu ardere intern

Pentru a nelege mai bine tehnologia turbo supraalimentrii s recapitulm principiul de funcionare al

motorului termic n patru timpi, motor ce echipeaz majoritatea automobilelor i vehiculele comerciale. Un

ciclu complet de funcionare este compus din patru timpi ce sunt realizai n dou rotaii complete ale

arborelui cotit. Schimbul de gaze din interiorul cilindrilor este fcut cu ajutorul supapelor de admisie i

evacuare

Foto: Principiul de funcionare al unui motor cu ardere intern cu piston

Admisie - supapa de admisie se deschide, pistonul se deplaseaz spre arborele cotit, aer proaspt (n

cazul motorului diesel sau pe benzin cu injecie direct) sau amestec aer-combustibil (n cazul motorului

pe benzin cu injecie indirect) este tras n motor.

Compresie - volumul cilindrului este micorat, aerul/amestecul aer-combustibil este comprimat.

Destindere - n cazul motorului pe benzin amestecul aer-combustibil este aprins cu ajutorul unei bujii,

n timp ce pentru un motor diesel motorina este injectat la presiune mare i se autoaprinde. Presiunea

generat n urma arderii mpinge pistonul spre arborele cotit genernd lucru mecanic.

Evacuare - supapa de evacuare se deschide iar deplasarea pistonului spre chiulas evacueaz gazele

arse din motor.

Puterea unui motor cu ardere intern este dat de produsul cuplului motor efectiv i de turaia

motorului:

PUTERE = CUPLU x TURATIE

Este evident c creterea puterii se poate realiza pe dou ci, prin creterea turaiei maxime sau prin

creterea cuplului motor:

o creterea turaie maxime a motorului este limitat de rezistena mecanic a pieselor n micare. n plus un

nivel mai ridicat al turaiei nseamn creterea frecrilor din motor precum i a pierderilor prin pompaj, cu alte

cuvinte scderea randamentului. Acest soluie nu este viabil.

o creterea cuplului motor se poate face prin doua moduri:

o creterea capacitii cilindrice ce are ca rezultat introducerea unei cantiti mai mare de aer sau amestec aer-

combustibil deci energie mai mare generat n urma arderii. Mrirea capacitii cilindrice se poate face prin

creterea cilindreei unui singur cilindru sau prin creterea numrului de cilindri. Dezavantajul este creterea

masei motorului care are impact asupra emisiilor poluante i a consumului.

o creterea presiunii medii efective din cilindru prin turbo supraalimentare.

Definiia turbo supraalimentrii

Un motor aspirat este un motor la care introducerea aerului n motor se face datorit depresiunii creat

de deplasarea pistonului ctre arborele cotit n timpul cursei de admisie. Se numete aspirat deoarece

aerul este introdus la o presiune inferioar presiunii atmosferice (< 1 bar). n cazul motoarelor

supraalimentate aerul, nainte de a fi introdus n cilindru, este precomprimat de un compresor, presiunea

ajungnd la valori de pn la 2.5 3 bari. Turbo este termenul care arat c gazele de evacuare sunt

utilizate, prin intermediul unei turbine, pentru a pune n micare compresorul.

Construcia i funcionarea unui grup turbo-compresor

Un sistem de supraalimentare cu turbo-compresor este compus n principal din: turbin, arbore de

antrenare i compresor. Turbina i compresorul sunt fixate ntre ele printr-un arbore de antrenare. n

cazul turbinei gazele de evacuare intr radial i ies axial iar n cazul compresorului aerul este aspirat axial

i refulat radial.

Sistem de turbo supraalimentare.

Cum funcioneaz? Gazele de evacuare rezultate n urma arderii au o vitez foarte mare deci energie

cinetic foarte mare. Acestea sunt colectate n galeria de evacuare i apoi redirecionate spre turbin

care, n contact cu gazele evacuate, este pus n micare. La rndul ei turbina antreneaz compresorul

care aspir aer din galeria de admisie i-l comprim nainte sa fie introdus n cilindru.

Seciune printr-un turbo-compresor

Tehnologia turbo supraalimentrii utilizat n industria automobilelor vine n mai multe variante.

Clasificarea major se face n funcie de geometria grupului turbin, de prezena sau absena sistemului

de rcire al aerului comprimat i de numrul de grupuri turbo-compresor utilizate.

ncepem cu turbina cu geometrie fix (FGT) plus wastegate (supap de refulare) i intercooler (rcire

intermediar). Atenie! Geometrie fix sau variabil nu se refer la geometrie efectiv a turbinei ci la

geometria galeriei prin care trec gazele de evacuare.

Sistem de turbo supraalimentare cu turbin cu geometrie fix, intercooler i wastegate.

Principiul de funcionare este simplu, aerul este aspirat n compresor dup ce a trecut prin filtrul i ridicat

le o presiune superioar nainte de a fi introdus n motor. Datorit presiunii ridicate dup comprimare

temperatura aerului crete ceea ce conduce la o scdere a densitii deci implicit a masei de aer

proaspt. Creterea temperaturii este rezultatul combinat a trei factori:

o adaosul de energie suplimentar datorit procesului de comprimare

o curgerea turbulent a aerului prin compresor

o transferul de cldur de la turbin la compresor

http://www.e-automobile.ro/abrevieri.html

Temperatura ridicat a aerului admis n motor are efecte negative asupra performanelor motorului,

consumului i a emisiilor poluante. Pentru a elimina aceste dezavantaje se recurs la rcirea aerului

comprimat prin intermediul unui intercooler, sistem care aduce urmtoarele avantaje:

o creterea densitii aerului admis n motor, ce are ca efect creterea puterii motorului cu pn la 25% fa de

versiunea fr rcire intermediar

o reducerea tensiunilor termice asupra turbinei i motorului datorit scderii temperaturii din cilindrii

o scderea consumului de combustibil cu pn la 5% fa de versiunea fr rcire intermediar, mai ales

datorit eficienei ridicate a rcirii la turaii sczute

Radiatorul de rcire intermediar a aerului comprimat (intercooler)

Sistemul de rcire este pentru majoritatea automobilelor de tipul aer-aer, adic fluxul de aer exterior este

utilizat pentru rcirea aerului comprimat. Rcirea se face cu ajutorul unui radiatorul care se poziioneaz

de obicei n faa radiatorului de rcire al motorul.

n cazul sistemelor de supraalimentare cu turbin cu geometrie fix dimensionarea acestora se face

astfel nct presiunea furnizat de compresor s aib valori mari ncepnd de la valori mici ale turaiei

motorului. Problema apare la turaiile mari ale motorului deoarece presiunea generat de compresor este

prea mare i poate afecta stabilitatea mecanic i termic a motorului. Soluia vine odat cu utilizarea

unei supape de refulare numit wastegate care la regimuri de turaie ridicate se deschide i

redirecioneaz gazele de evacuare ocolind turbina. Astfel este limitat debitul de gaze arse din turbin

care conduce la o limitare a turaiei compresorului i deci o limitare a presiunii aerului comprimat.

Turbin cu geometrie fix i wastegate

Acionarea supapei de refulare se face cu ajutorul unei tije care de obicei este comandat pneumatic.

Deschiderea sau nchiderea supapei de refulare se face automat, n funcie de presiunea aerului dup

compresor sau prin acionarea unei electro-supape comandat de calculatorul de injecie. n cazul

n care comanda se face electronic este necesar prezena unui senzor de presiune pe galeria de

admisie.

Motorul cu 6 cilindrii n linie, pe benzin, turbo supraalimentat, de la BMW (Twin-Turbo) este compus

din dou grupuri turbo-compresor, un grup pentru fiecare set de 3 cilindrii. Turbinele sunt cu geometrie

fix iar limitarea presiunii aerului admis se face cu ajutorul unor supape de refulare.

Twin-Turbo BMW

Continental este unul din furnizorii de grupuri turbo-compresor pentru industria de automobile. n imagine

este prezentat un sistem de turbo supraalimentare cu turbin cu geometrie fix, destinat motoarelor pe

benzin. Observai cilindrul pneumatic conectat la tija de acionare a supapei de refulare. Limitarea

presiunii de supraalimentare se face automat utiliznd presiunea aerului precomprimat.

Grup turbo-compresor cu turbin cu geometrie

fix i wastegate (Continental)

O alternativ la turbinele cu geometrie fix i supap de refulare este turbina cu geometrie variabil

(VGT). Constructiv turbina este aceeai ca n cazul celei cu geometrie fixe. Diferena este dat de

existena unor palete la intrarea n turbin care ajusteaz seciunea de curgere a gazelor de evacuare.

Modificarea seciunii de curgere are ca efect modificare vitezei de curgere a gazelor deci implicit a turaiei

turbinei. Acest mecanism permite controlul presiunii de supraalimentare prin controlul turaiei

compresorului.

Turbin cu geometrie variabil

(Turbo Technics)

Turbina cu geometrie variabil permite modificarea seciunii de curgere a gazelor de evacuare n funcie

de regimul de funcionare al motorului. Acest lucru faciliteaz utilizarea optim a grupului turbo-

compresor, ceea ce conduce la creterea randamentului motorului termic n comparaie cu versiunea de

turbo-compresor cu geometrie fix i wastegate.

Un element important al unui grup turbo-compresor sunt bucele de frecare situate ntre arborele ce

conecteaz turbina de compresorul i carcas. Acestea sunt confecionate din bronz i au rolul de a

reduce frecare n timpul funcionrii turbo-compresorului. Pentru lubrifierea i rcirea pieselor n micare

se utilizeaz uleiul motor la o presiune de aproximativ 4 bari. Turaiile la care pot ajunge turbo-

http://www.e-automobile.ro/abrevieri.html

compresoarele se situeaz n jurul valorii de 180.000 rot/min. Aceste solicitri extreme impun o

echilibrare perfect a pieselor n micare precum i un debit de ulei adecvat.

Acionare palelor turbine cu geometrie fix se face de obicei cu ajutorul unui cilindru pneumatic

comandat electronic. Pentru un control mult mai precis al presiunii de supraalimentare este necesar

utilizarea sistemelor de acionare electrice. De exemplu Mahle a dezvoltat un grup turbo-compresor cu

geometrie fix la care acionarea wastegate-ului se face cu un motor electric.

Turbo-compresor cu acionare electric (Mahle)