VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V BRNċ. ZVYŠOVÁNÍ VÝKONU SPALOVACÍCH MOTORģ

Transkript

1 VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V BRNċ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING ZVYŠOVÁNÍ VÝKONU SPALOVACÍCH MOTORģ POWER INCREASING IN COMBUSTION ENGINES BAKALÁěSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE PAVEL EHRENBERGER AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 2008 Ing. RADIM DUNDÁLEK, Ph.D.

2

3

4 ABSTRAKT BakaláĜská práce obsahuje souhrn informací, týkající se problematiky zvyšování výkonu spalovacích motorĥ. Popisuje známé zpĥsoby pĝeplėování, zhodnocuje kladné a záporné stránky realizace. Poskytuje informace o konstrukþním Ĝešení, funkci a technické specifikaci turbodmychadel a kompresorĥ, ale i dalších možnostech pĝeplėování. Je poukázáno na charakteristiky takto konstruovaného motoru vþetnč jeho použití v praxi. Klíþová slova: spalovací motor, pĝeplėování, dmychadlo, stlaþený vzduch, výkon ABSTRACT This thesis contains the summary of information that relates to the problematics of the increasing performance of combustion engines. It describes the familiar ways of supercharging, and assesses the positive and negative aspects of implementation. It also gives information about the constructional resolution, about the functions and technical specifications of turboblowers a compressors, and other posible ways of supercharging. This thesis is pointing out the characteristics of the motor that is designed this specific way and his usage in the working conditions. Key words: combustion engine, supercharging, supercharger, compressed air, performance. BIBLIOGRAFICKÁ CITACE EHRENBERGER, P.. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakaláĝské práce Ing. Radim Dundálek, Ph.D.

5 Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto bakaláĝskou práci vypracoval samostatnč, pod vedením vedoucího bakaláĝské práce, pana Ing. Radima Dundálka, Ph.D. a s použitím uvedené literatury. Datum:.. Pavel Ehrenberger

6 PodČkování Tímto dčkuji Ing. Radimu Dundálkovi, Ph.D. za cenné pĝipomínky a rady pĝi vypracování bakaláĝské práce.

7 1 ÚVOD ZÁKLADNÍ POJMY PěEPLĕOVÁNÍ MOŽNOSTI ZVYŠOVÁNÍ VÝKONU EFEKTIVNÍ VÝKON PLNICÍ ÚýINNOST INDIKOVANÁ ÚýINNOST SOUýINITEL PěEBYTKU VZDUCHU MECHANICKÁ ÚýINNOST HUSTOTA PLNICÍHO VZDUCHU HLAVNÍ VÝHODY PěEPLĕOVÁNÍ NEDOSTATKY PěEPLĕOVÁNÍ PěEPLĕOVÁNÍ TURBODMYCHADLEM PRINCIP TURBODMYCHADLA PLNICÍ TLAK TURBODMYCHADLA KONSTRUKCE TURBODMYCHADLA SPOJENÍ TURBODMYCHADLA S MOTOREM Impulsní pĝeplėování Rovnotlaké pĝeplėování REGULACE PLNICÍHO TLAKU Regulace obtokovým ventilem Regulace variabilní geometrií lopatek (VGT) Kombinovaná regulace Regulace zmčnou šíĝky statoru turbíny TURBOEFEKT JÍZDA S TURBEM VÝHODY A NEVÝHODY TURBODMYCHADLA TURBODMYCHADLO S ELEKTRICKÝM POHONEM MECHANICKÉ PěEPLĕOVÁNÍ ROOTSOVO DMYCHADLO Konstrukce dmychadla Princip dmychadla Výhody a nevýhody G DMYCHADLO Výhody ŠROUBOVÉ DMYCHADLO Výhody a nevýhody LYSHOLMOVO DMYCHADLO DYNAMICKÉ PLNċNÍ VÁLCE (REZONANýNÍ SACÍ POTRUBÍ) TLAKOVZDUŠNÝ VÝMċNÍK COMPREX ZDVOJENÉ PěEPLĕOVÁNÍ KONSTRUKCE VÝMċNÍKU PRINCIP PRÁCE VÝMċNÍKU PRINCIP SPOLUPRÁCE POUŽITÍ A VÝHODY DVOUSTUPĕOVÉ PěEPLĕOVÁNÍ KONSTRUKCE POUŽITÍ KOMPOUDNÍ PěEPLĕOVÁNÍ CHLADIý STLAýENÉHO VZDUCHU (INTERCOOLER)... 47

8 13 HLAVNÍ PARAMETRY VYBRANÝCH PěEPLĕOVANÝCH AUTOMOBILģ A PRACOVNÍCH PROSTěEDKģ POUŽITÍ TURBODMYCHADLA Škoda Octavia RS 2.0 TFSI Audi A6 Allroad quattro 3.0 TDI Zetor Forterra Scania R POUŽITÍ MECHANICKÉHO PěEPLĕOVÁNÍ Mercedes Benz CLC 200 Kompressor Mercedes SLR McLaren Mazda D Comprex VW Polo Coupé GT G ZDVOJENÉ PěEPLĕOVÁNÍ VW Golf GT 1.4 TSI DVOUSTUPĕOVÉ PěEPLĕOVÁNÍ BMW 535d Twin Turbo OSOBNÍ NÁZOR A PěEDPOKLÁDANÝ VÝVOJ V OBLASTI PěEPLĕOVÁNÍ VÝHLED DO BUDOUCNA ZÁVċR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJģ SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLģ A ZKRATEK SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLģ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK... 62

9 1 ÚVOD První myšlenky o zvýšení výkonu spalovacího motoru pĝeplėováním sahají už do konce 19. století. Již roku 1885 obdržel patent na pĝeplėování benzinového motoru Gottlieb Daimler. V roce 1886 následuje patent Rudolfa Diesela na pĝeplėování vznčtového motoru mechanicky pohánčným dmychadlem. Netrvalo dlouho a roku 1905 dostává patent Alfréd Büchsi na pĝeplėování motoru dmychadlem pohánčným turbínou pracující s využitím energie výfukových plynĥ turbodmychadlo. [3] V dobč modernizace a rychle se vyvíjejících technologií má v automobilovém prĥmyslu pĝeplėování spalovacích motorĥ velký význam. PĜeplĖováním se dosahuje velkých výkonĥ motoru pĝi zachování malého objemu válcĥ. Úþelem zvyšování výkonu vznčtových a zážehových spalovacích motorĥ pĝeplėováním je zvýšení dodávky vzduchu a tím i paliva do spalovacího prostoru válce. Toto zvýšení má za následek nárĥst toþivého momentu a výkonu motoru. PĜeplĖování je velice perspektivní. Tyto pohonné jednotky nacházejí uplatnční v osobních a nákladních automobilech, zemčdčlské technice a strojích pro zemní práce. Zejména z dĥvodu zvýšení produktivity práce, pĝepravních rychlostí a spotĝeby paliva. -9-

10 2 ZÁKLADNÍ POJMY PěEPLĕOVÁNÍ Teorie pĝeplėování je založena na snaze získat z pracovního občhu motoru včtší množství energie v podobč mechanické práce. Problematika je popsána následujícími parametry. 2.1 Efektivní výkon [23] Efektivní výkon pístového spalovacího motoru je dán vztahem: Pe ivh pe n W [W], kde je i poþet válcĥ motoru Vh. zdvihový objem pe.. stĝední efektivní tlak na píst n... otáþky motoru IJ otáþkový þinitel, udává potĝebný poþet otáþek pro jeden expansní zdvih (pro dvoudobý motor je IJ = 1, pro þtyĝdobý motor je IJ = 2). Ze vztahu vyplývá, že zvyšování efektivního výkonu motoru lze dosáhnout zvýšením poþtu válcĥ nebo zvčtšením zdvihového objemu. To však na úkor zastavčného prostoru a hmotnosti motoru. Zvyšování otáþek se využívá pĝi ladční motorĥ závodních automobilĥ a motocyklĥ. NejvýhodnČjší je tedy zvyšování stĝedního efektivního tlaku. StĜední efektivní tlak na píst lze vyjádĝit vztahem: pe HU V t OZ U plk plk ik m [MPa], kde je H U dolní výhĝevnost paliva V t. teoretický smčšovací pomčr vzduchu a paliva OZ spalovací souþinitel pĝebytku vzduchu U pl hustota plnicího vzduchu K pl plnicí úþinnost motoru K i. indikovaná úþinnost motoru K m mechanická úþinnost motoru

11 2.2 Plnicí úþinnost [23] Plnicí úþinnost je dána vztahem: K pl mz Vz U pl [ ], kde je mz hmotnost náplnč ve válci na konci plnční Vz U pl hmotnost, která by byla ve válci pĝi ideálním plnční bčhem celého sacího zdvihu. Jak je zĝejmé z obr. 1.1, indikátorový diagram þtyĝdobého pĝeplėovaného motoru je témčĝ stejný, jako u motoru nepĝeplėovaného (obr. 1.2). Pouze v oblasti výmčny náplnč je tlak spalin ve válci motoru nižší, nčž je tlak plnícího vzduchu vstupujícího do válce motoru v prĥbčhu sacího zdvihu pístu. PĜeplĖovaný motor se liší od motoru atmosférického tím, že plocha uzavĝená þarami výmčny náplnč je kladná, nad hranicí atmosferického tlaku, sání probíhá pod tlakem pĝeplėování. SO sání otevírá SZ sání zavírá VO výfuk otevírá VZ výfuk zavírá Vh zdvihový objem pa atmosferický tlak obr. 3.1 Indikátorový diagram þtyĝdobého pĝeplėovaného motoru [42]

12 obr. 3.2 Indikátorový diagram þtyĝdobého nepĝeplėovaného motoru [42] 2.3 Indikovaná úþinnost [23] Charakterizuje využití tepelné energie, která je pĝivedena v palivu do válce motoru a vypoþte se ze vztahu: Ki Li Qp VH pi [ ], M p1 H U kde je Li indikovaná práce Q p množství tepelné energie pĝivedené v palivu, které pĝipadá na jeden pracovní občh VH zdvihový objem pi stĝední indikovaný tlak M p1. hmotnostní dávka paliva na jeden cyklus H U dolní výhĝevnost paliva

13 2.4 Souþinitel pĝebytku vzduchu [23] Spalovací motor potĝebuje k tomu, aby mohl pracovat urþitý pomčr paliva a vzduchu. V pĝípadč spálení 1kg benzínu nebo nafty budeme potĝebovat v ideálním pĝípadč 14,7kg vzduchu. Tento smčšovací pomčr se oznaþuje jako stechiometrická smčs. Pro použití v praxi byl zaveden souþinitel pĝebytku vzduchu lambda. Hodnota Ȝ = 1 vyjadĝuje ideální pomčr, Ȝ > 1 znaþí chudou smčs a Ȝ < 1 znaþí bohatou smčs. Velikost lambda se ale mční v rĥzných pracovních režimech motoru. V praxi pracuje s chudými smčsi (1,05 1,3) až po bohaté (0,85 0,95). U motorĥ pĝeplėovaných turbodmychadly, se hodnota lambda pohybuje až kolem 1,8. Na obr. 3.3 je vidčt závislost lambdy na stĝedním efektivním tlaku. Tak velkou hodnotu nelze využít u atmosfericky plnčných motorĥ, protože dosažený výkon by byl pĝíliš malý. DĤsledkem je horší spalovaní u tčchto motorĥ. obr. 3.3 Závislost hodnoty Ȝ na pe [3] 2.5 Mechanická úþinnost [23] Mechanické ztráty spalovacího motoru je možno dčlit do nčkolika skupin: a) Ztráty zpĥsobené pohonem pomocných agregátĥ (olejového þerpadla, vstĝikovacího zaĝízení, elektrického generátoru, ), ztráty od setrvaþných sil, pohon rozvodových zaĝízení atd. Tyto ztráty zĥstávají i s pĝíchodem pĝeplėování. b) Ztráty vzniklé pĝi zatížení motoru. Sem patĝí ztráty mčnící se s tlakem plynĥ na píst. Tato skupina ztrát se bude s pĝeplėováním zvyšovat. c) Ztráty spojené s výmčnou náplnč válce. Tyto ztráty se budou mčnit podstatnč. U þtyĝdobých pĝeplėovaných motorĥ klesnou ztráty do záporných hodnot. To plyne z p V diagramu, kde spodní smyþka výmčny náplnč je kladná

14 Mechanická úþinnost motoru je dána: pi pm [ ], pi pe pi Km kde je pe stĝední efektivní tlak pi stĝední indikovaný tlak pm stĝední tlak mechanických ztrát PĜi stálém pomčru plnicího tlaku pĝed plnicím ventilem k tlaku výfukových plynĥ za výfukovým ventilem s plnicím tlakem mírnč rostou mechanické ztráty. Ty nejsou nijak velké, tudíž jsou zanedbávány. 2.6 Hustota plnicího vzduchu [23] PotĜebná hustota plnicího vzduchu vychází ze stĝedního efektivního tlaku na píst: pe HU V t OZ U plk plk ik m [MPa], tudíž U pl pev t O z H UK plkik m [kg.m-3], Protože hustota plnicího vzduchu nezávisí jen na tlaku, ale i na teplotč, tak je patrné, že hustotu vzduchu je možno ještč zvýšit: a) zvýšením plnicího tlaku v kompresoru, b) snížením teploty vzduchu ochlazením v chladiþi stlaþeného vzduchu, c) kombinací obou zpĥsobĥ

15 3 MOŽNOSTI ZVYŠOVÁNÍ VÝKONU K tomuto úþelu jsou použita pĝevážnč dmychadla, aģ už pohánčná výfukovými plyny odcházejícími ze spalovacího prostoru válce turbodmychadla, tak mechanicky pohánčná od klikového hĝídele kompresory. Dalším Ĝešením jsou ménč þasté tlakovzdušné výmčníky, také pohánčné mechanicky, využívající pĝímé výmčny tlakových pulzĥ mezi proudem spalin a vzduchem. Ve včtšinč osobních automobilĥ se setkáme s rezonanþním sacím potrubím, patĝícím do skupiny dynamického plnční válce motoru. NaplnČní válce þerstvou náplní zde zabezpeþují pĝetlakové vlny v sacím potrubí motoru. Speciálními pĝípady pĝeplėování jsou kombinace pĝedchozích zpĥsobĥ. Jedná se zejména o zdvojené a dvoustupėové pĝeplėování. Zdvojené pĝeplėování používá napĝíklad automobilka Volkswagen, která zapojila do série turbodmychadlo a mechanický RootsĤv kompresor. DvoustupĖové pĝeplėování vyvinula firma Kühnel, Kopp & Kausch na principu sériovč zapojeného včtšího nízkotlakého turbodmychadla a menšího vysokotlakého turbodmychadla. PĜeplĖování má Ĝadu výhod ale i svá úskalí. 3.1 Hlavní výhody pĝeplėování PĜeplĖování Ĝeší jednu z nevýhod spalovacího motoru a to malou hodnotu toþivého momentu pĝi nízkých otáþkách. Tyto otáþky jsou však v praxi nejpoužívančjší, tudíž se úþinek pĝeplėování umísģuje pĝevážnč do této oblasti. ZároveĖ se zvyšuje výkon motoru. Tímto lze dosáhnout srovnatelných parametrĥ u motorĥ s menším zdvihovým objemem jako u atmosfericky plnčných o objemech včtších. Klesá mčrná spotĝeba paliva, výkonová hmotnost, zlepšují se ekonomické a ekologické parametry spalovacích motorĥ. 3.2 Nedostatky pĝeplėování Zvýšení plnících tlakĥ znamená také vyšší maximální tlaky ve spalovacím prostoru a tedy i včtší zatížení pro klikový hĝídel a jeho ložiska nebo samotný píst. S použitím turbodmychadla nebo kompresoru a ještč navíc mezichladiþe stlaþeného vzduchu rostou prostorové nároky motoru na zástavbu. Navíc roste i cena, hmotnost, potĝeba mazání a chlazení dalších souþástí

16 4 PěEPLĕOVÁNÍ TURBODMYCHADLEM PĜeplĖování turbodmychadly je v souþasné dobč rozšíĝeno pĝevážnč u naftových motorĥ s pĝímým vstĝikem paliva používaných pro pohon nákladních automobilĥ, autobusĥ, traktorĥ a osobních automobilĥ. Mezi nejznámčjší výrobce turbodmychadel patĝí firmy ýz Strakonice, GARRETT, BORGWARNER TURBO SYSTEMS (dĝíve KKK), HOLSET, MITSUBISHI, IHI a SCHWITZER. 4.1 Princip turbodmychadla Toto malé a celkem jednoduché zaĝízení je pohánčno výfukovými plyny. Skládá se ze tĝí þástí, dmychadlové, ložiskové a turbínové (viz obr. 4.1). Turbínové kolo je zpravidla vyrobeno z žárupevné niklové slitiny, občžné kolo dmychadla je z hliníkové slitiny. SkĜíĖ turbíny a skĝíė ložisek je z temperované šedé litiny, skĝíė dmychadla s hliníkové slitiny. Dmychadlo (modrá þást) stlaþuje vzduch vstupující pĝes chladiþ (intercooler) do spalovacího prostoru pod včtším tlakem, než je tlak atmosferický a výraznč tak zvyšuje jeho objemovou úþinnost a stĝední efektivní tlak na píst oproti klasickému nepĝeplėovanému motoru. Turbína (þervená þást) pohání dmychadlo, je roztáþena výfukovými plyny vystupujícími z motoru, které jsou pĝivádčny kolmo k její ose. Radiální turbína je umístčna na spoleþné hĝídeli s odstĝedivým dmychadlem. Turbodmychadlo zvyšuje tlak vzduchu vstupujícího do motoru a tím i jeho mčrnou hmotnost. Je tedy možné do motoru pustit pĝi stejných otáþkách a objemu více smčsi paliva a vzduchu (pro zachování stejného pomčru je tĝeba zvýšit množství paliva). To je hlavní pĝíþinou výrazného nárĥstu výkonu motoru. obr. 4.1 Turbodmychadlo [31]

17 4.2 Plnicí tlak turbodmychadla V automobilovém prĥmyslu se používají plnicí tlaky maximálnč 0,8 barĥ, i když jsou dosažitelné i vyšší tlaky. PĜi teoretické úþinnosti 100%, což odpovídá zvýšení tlaku o 100 kpa (1bar), by se výkon motoru zdvojnásobil. Turbína však pĝedstavuje pĝekážku vĥþi vznikajícím zpčtným tlakĥm v potrubí, proto turbodmychadla dosahují úþinnosti nejvíce 80 %. Klasické turbodmychadlo zaþíná dodávat plnicí tlak až od cca 2500 ot/min u benzinových motorĥ, u naftových od 1800 ot/min. Do tčchto hodnot otáþek, nemají spaliny potĝebnou energii, aby roztoþily turbínu na potĝebné otáþky. Tato nevýhoda se Ĝeší mechanicky pohánčnými dmychadly kompresory. [50] 4.3 Konstrukce turbodmychadla Turbodmychadlo se skládá ze tĝí hlavních þástí (viz obr. 4.2): a) Dmychadlová (sací) slouží k nasávání þerstvého vzduchu, stlaþení a jeho dodávce do spalovacího prostoru. b) Ložisková zajišģuje uložení, chlazení a mazání rotaþních þástí olejem. c) Turbínová (výfuková) - zajišģuje pohon turbodmychadla. obr. 4.2 Konstrukce turbodmychadla [52]

18 Otáþky dmychadla jsou velice vysoké. Podle konstrukce a váhy rotujících souþástí dosahují až ot/min. Takto vysoké otáþky už nesnesou klasická kuliþková ložiska, která by mohla explodovat. Proto se používají ložiska fluidní, kde jsou pohybující se souþásti oddčleny a zároveė mazány i chlazeny tenkou vrstvou oleje. Olej je odebírán z mazací soustavy motoru a po prĥchodu turbodmychadlem (obr. 4.2 zelenč znaþeno) musí být ochlazen v olejovém chladiþi. 4.4 Spojení turbodmychadla s motorem PĜeplĖování lze ještč dčlit na impulsní a rovnotlaké podle toho, jestli výfukové plyny pĝivedené k turbínč jsou ve formč tlakových a teplotních impulzĥ nebo s konstantním tlakem a teplotou. PĜíklad zabudování turbodmychadla do systému motoru je vidčt na obrázku 4.6. a obrázku Impulsní pĝeplėování Cílem je zachování tlakových a teplotních pulzĥ, které vznikají pĝi výfuku spalin z jednotlivých válcĥ motoru a jejich pĝivedení až na lopatky turbíny plnicího turbodmychadla. Z toho dĥvodu je nutné zachovat: a) co nejmenší objem výfukového potrubí (malý prĥmčr a délka potrubí) b) oddčlené pĝívody od válcĥ. Pro 4 dobý motor maximálnč 3 válce do jedné včtve. Aby se pulzy navzájem nerušily jsou potrubí spojena tak, aby vzdálenost jednotlivých vznčtĥ byla včtší nebo rovna 240 otoþení klikového hĝídele. Pro jednu Ĝadu válcĥ jsou možné maximálnč 4 včtve. Jinak se musí použít více turbodmychadel. Možnosti zapojení výfukových potrubí jsou na obr. 4.3 a obr [3], [24] Impulsní pĝeplėování se používá pĝi nižších plnicích tlacích a u vysokotlace pĝeplėovaných motorĥ, kde motor þasto pracuje v þásteþných zatíženích. obr. 4.3 Možnost zapojení výfukových potrubí u Ĝadového šestiválce pĝi poĝadí zapalování [3] obr. 4.4 Možnost zapojení výfukových potrubí u Ĝadového šestiválce pĝi poĝadí zapalování [3]

19 4.4.2 Rovnotlaké pĝeplėování Využívá potenciální a tepelnou energii výfukových plynĥ. Je charakterizováno velkým objemem výfukového potrubí se spoleþným vstupem všech válcĥ do jednoho potrubí a má potlaþit kmity v potrubí. Turbína má v tomto pĝípadč jeden vstup, takže dochází k rovnomčrnému pĝívodu výfukových plynĥ. Využití nachází pĝevážnč u stacionárních a lodních motorĥ pĝi ménč þasté zmčnč zatížení. Spojení válcĥ pĝi rovnotlakém pĝeplėování je na obrázku 4.5. [3], [24] obr. 4.5 Spojení válcĥ pĝi rovnotlakém pĝeplėování [23] obr. 4.6 Turbodmychadlem pĝeplėovaný motor 1.5 dci firmy Renault [46]

20 obr. 4.7 Zapojení turbodmychadla do systému motoru [42] 4.5 Regulace plnicího tlaku Moderní pĝeplėované motory mají maximální hodnoty toþivého momentu kolem ot/min. Turbodmychadla jsou proto dimenzována pro menší hmotnostní toky výfukových plynĥ, právč do tčchto otáþek. S vyššími otáþkami a zatíženími by docházelo k nežádoucímu zvýšení plnicího tlaku, proto je tĝeba plnící tlak omezit. Regulovat plnicí tlak jde nčkolika zpĥsoby Regulace obtokovým ventilem Pomocí elektromagnetického ventilu (EMV) (viz obr. 4.8a) zapojeného mezi odbčrem tlaku za dmychadlem a membránou pro Ĝízení klapky odpouštčjící pĝebyteþné výfukové plyny lze Ĝídit tlak pm na membránu. Tak lze dosáhnout potĝebného plnicího tlaku p2k za dmychadlem proudícího do válce motoru. Maximální tlak za dmychadlem p2k pĝivedený na membránu regulaþního ventilu vytváĝí sílu, která se rovná síle protipružiny. Takže zvýšení tlaku na membránu zaþne otevírat klapku regulaþního ventilu a þást výfukových plynĥ odchází obtokem mrv nevyužito ven. Na obrázcích 4.8b, 4.8c a 4.9 je vidčt funkce obtokového ventilu. [23]

21 obr. 4.8a Regulace plnicího tlaku obtokovým ventilem [23] obr 4.8b Obtokový ventil zavĝený [25] obr 4.8c Obtokový ventil otevĝený [25]

22 obr. 4.9 Turbodmychadlo KKK K35 s obtokovým ventilem [31] Regulace variabilní geometrií lopatek (VGT) Další ze zpĥsobĥ omezení plnicího tlaku pro motory používající k pĝeplėování turbodmychadla je promčnná geometrie rozvádčcích lopatek turbíny (viz obr. 4.10). Toto Ĝešení je zatím využíváno jen u vznčtových motorĥ, protože zážehové motory mají pĝíliš vysokou teplotu spalin. Turbodmychadla VGT (Variable Geometry Turbocharger) využívají zákona kontinuity toku tekutin. Ten Ĝíká, že konstantní objem plynu proudí potrubím tím rychleji, þím menšího prĥĝezu potrubí je. Ve srovnání s regulací obtokovým ventilem zde proudí stále celý objem spalin. Vysoký plnicí tlak je požadován pĝi nízkých otáþkách motoru, proto je nastavitelnými lopatkami na statoru (viz obr a obr. 4.13) zmenšen prĥtoþný prĥĝez kterým proudí výfukové plyny, tím se zvýší jejich rychlost, roztoþí turbínu a zvýší plnicí tlak na sací stranč. Ve vysokých otáþkách, kdy je tĝeba plnicí tlak omezit je prĥtoþný prĥĝez zvčtšen, tlak se zmenší a plyny roztoþí turbínu menšími otáþkami. Samotné natáþení lopatek je Ĝešeno pneumatickými (viz obr. 4.11) nebo elektrickými þleny. [23]

23 obr Turbodmychadlo s variabilní geometrií lopatek [31] obr Pneumatické ovládání rozvádčcích lopatek [32] obr Popis þlenĥ VGT [6]

24 obr Stator s rozvádčcími lopatkami [22] Kombinovaná regulace Turbodmychadlo s kombinovanou regulací plnicího tlaku vyvinula firma Garrett. Regulace je založená na principu bezlopatkové rozvádčcí skĝínč (viz obr. 4.14). Využívá rozvádčcí klapku k nasmčrování výfukových plynĥ na rotor turbíny a ventil na odpouštční pĝebyteþných spalin. Když je klapka a v poloze d, turbínová skĝíė pracuje jen s odpouštčním plynĥ ventilem b. Klapka v poloze c zvčtšuje složku rychlosti proudících spalin na rotor. Tím se docílí do jisté míry efektu, jako pĝi natáþení rozvádčcích lopatek a v kombinaci s odpouštčním plynĥ je dosaženo lepších vlastností plynu pĝed než pĝi pouhém odpouštční. [23] obr Princip kombinované regulace [23]

25 4.5.4 Regulace zmčnou šíĝky statoru turbíny ZmČnu šíĝky rozvádčcího kola turbíny zaþala roku 1998 používat anglická firma Holset. Jde o jeden z nejjednodušších principĥ zmčny geometrie turbíny. Celé rozvádčcí kolo RK (viz obr. 4.16) s lopatkami je axiálnč posouváno v turbínové skĝíni (viz obr. 4.15a a obr. 4.15b). Lopatky jsou pĝitom zasouvány do prstence ve druhé stčnč, ve které jsou vytvoĝeny otvory s profilem zasouvaných lopatek. K ovládání je použito tlaku z brzdového systému vozidla. Pro indikaci regulovaného plnícího tlaku se využívá otáþek rotoru turbodmychadla, které se snímají uprostĝed rotoru v ložiskové skĝíni bezdotykovým magnetickým snímaþem. Jde o originální Ĝešení, protože oproti ostatním zpĥsobĥm regulace zde protéká celý hmotnostní tok spalin pĝi optimálním nastavení nábčhu proudu do občžného kola turbíny. Tento typ regulace se používá u užitkových vozĥ Iveco Cursor. [23] obr. 4.15a RozvádČcí kolo otevĝené [26] obr. 4.15b RozvádČcí kolo se zasunutými lopatkami [26] obr Turbodmychadlo s mčnitelnou šíĝkou statoru turbíny Holset HX40V použité u Iveco Kursor [23]

26 4.6 Turboefekt Turboefekt je popisován jako prodleva mezi okamžikem, kdy Ĝidiþ sešlápne plynový pedál, do okamžiku, kdy pocítí zátah od motoru zpĥsobený turbodmychadlem. To je doba, kterou potĝebují výfukové plyny k roztoþení turbíny a následnému stlaþení vzduchu dmychadlem k dosažení vyššího tlaku, ale i rotaþní setrvaþnost turbíny. Tento problém se vyskytuje pouze u automobilĥ, které jdou pĝeplėovány turbodmychadlem. Automobil s mechanickým pĝeplėováním tímto efektem netrpí. Turboefekt se dá do jisté míry snížit zmenšením rotaþní setrvaþnosti turbíny použitím lehþích rotaþních þástí nebo zmenšením prĥmčru rotoru. Dalším zpĥsobem mĥže být použití dvojice turbodmychadel, menší bude zapojeno pĝi nižších otáþkách a včtší se bude pĝipojovat s rostoucími otáþkami. 4.7 Jízda s turbem Pokud je olej protékající turbodmychadlem þistý a výfukové plyny nemají pĝíliš vysokou teplotu, tak je provoz turbodmychadla spolehlivý. Spaliny však v nčkterých režimech jízdy dosahují teplot až 900 C a více a vzduch stlaþený dmychadlem se zahĝívá o více než 100 C. K tomu navíc pĝispívají neþistoty (þástice) ve výfukových plynech a ty se usazují a zneþišģují tak prostor turbíny (viz obr. 4.17a a obr. 4.17b). Studený motor se musí nejprve plynulou jízdou zahĝát na provozní teplotu. NejvČtší nebezpeþí pro turbodmychadlo pĝedstavuje bezprostĝední zastavení motoru po jízdč na plný plyn. Proto se doporuþuje motor nechat ještč 2 minuty bčžet na volnobčh. V opaþném pĝípadč pĝestane turbodmychadlem proudit olej odebíraný z mazacího systému motoru, kluzná ložiska nejsou chlazena a pĥsobením gravitace se zdeformují lopatky turbíny. PĜi dalším roztoþení se projeví nevyváženost, která má za následek zvčtšení vĥle na prostĝedním kluzném ložisku, což mĥže mít za vyvolat kontakt turbíny se statorem. V horším pĝípadč zaþnou vĥlí pĝes prostĝední ložisko unikat výfukové plyny a naopak dojde k úniku k oleje do sacího a výfukového potrubí. Výsledkem je úbytek oleje v mazacím systému, ten se zahĝívá a ztrácí mazací vlastnosti, to mĥže vyústit až k zadĝení motoru. Toto nebezpeþí není tak velké u dieselových motorĥ, výfukové plyny dosahují nižších teplot. obr. 4.17a Zanesené turbo Škoda Octavia [49] obr. 4.17b VyþištČné turbo Škoda Octavia [49]

27 4.8 Výhody a nevýhody turbodmychadla Za výhody turbodmychadla lze považovat jeho jednoduchost, s jakou lze zvýšit výkon motoru pĝi zachování jeho základních konstrukþních rozmčrĥ. Elegantní Ĝešení využívající jinak nepotĝebných odcházejících spalin ukazuje na chytrost a spolehlivost dnes nejrozšíĝenčjšího zpĥsobĥ pĝeplėování spalovacích motorĥ. Nevýhodou pĝeplėování turbodmychadlem u menších motorĥ je malý toþivý moment a nízký výkon v nižších otáþkách, kdy malé množství výfukových plynĥ nedokáže poĝádnč roztoþit turbínu dmychadla. Další problém pĝichází s mazáním a chlazením turbodmychadla, kam za provozu proudí veliké množství oleje. Proto je nutno pĝed zastavením motoru dodržovat urþitá pravidla vĥþi rozžhavenému turbodmychadlu. NČkteré automobily staršího typu jsou stále ve znamení turboefektu. Použitím turbodmychadla a mezichladiþe stlaþeného vzduchu rostou prostorové nároky motoru na zástavbu, navíc roste i jeho cena a hmotnost

28 5 TURBODMYCHADLO S ELEKTRICKÝM POHONEM Tento typ odstĝedivého pĝeplėování byl vyvinut a uveden do sériové výroby kalifornskou firmou Turbodyne. V souþasné dobč vyvíjí ve spolupráci s firmou Garrett turbodmychadla s elektrickým pohonem pĝedevším do užitkových a nákladních automobilĥ pro vznčtové, ale i pro zážehové motory osobních vozidel. Turbodmychadlo s elektrickým pohonem (viz obr. 5.1) je vhodné zejména pro akceleraci z nízkých otáþek, kdy motor neprodukuje dostatek spalin pro roztoþení turbíny turbodmychadla. Elektromotor, pomáhající roztoþit turbínu, odebírá ze sítč vozidla cca 1,8 kw energie. Graf na obrázku 5.2 ukazuje akceleraþní schopnosti motoru, kde jsou porovnána zrychlení rotoru turbodmychadla s elektrickým pohonem (e TD) s turbodmychadlem s regulovaným natáþením lopatek (VGT TD) a turbodmychadla s odpouštčním výfukových plynĥ (Vastegate TD). Výsledkem nárĥstu plnicího tlaku ppl za þas IJ je fakt, že turbodmychadlo s elektromotorem ze srovnání vychází jako vítčz. Pracuje pĝi potĝebč prudké akcelerace a podle grafu na obrázku 5.2 dokáže bčhem dvou sekund prudce zvednout plnicí tlak motoru a tím i toþivý moment. Motory s elektricky pohánčnými turbodmychadly jsou osazeny napĝ. automobily znaþky BMW. [23] obr. 5.1 Turbodmychadlo s elektrickým pohonem [23] obr. 5.2 NárĤst plnicího tlaku ppl s þasem IJ pĝi náhlé akceleraci [23]

29 6 MECHANICKÉ PěEPLĕOVÁNÍ Do skupiny mechanického pĝeplėování patĝí mechanicky pohánčné dmychadlo (kompresor). Ve vozech se lze setkat s rĥznými konstrukcemi dmychadel, která se dčlí na objemová a proudová. Proudové kompresory jsou podobné kompresoru turbodmychadla, avšak pohon dmychadla je zpravidla proveden ozubeným nebo Ĝemenovým pĝevodem od klikového hĝídele motoru. Druhou možností stlaþení vzduchu a jeho dodávky do spalovacího prostoru se starají objemová rotaþní dmychadla, dnes nejþastčji šroubové, Rootsovo nebo Lysholmovo dmychadlo. Volkswagen vyvinul motory s tzv. spirálovým G dmychadlem. K automobilovým výrobcĥm, kteĝí v souþasné dobč používají ve svých vozech mechanická dmychadla patĝí Mercedes Benz a Jaguar. Kompresory lze použít ve spojení s turbodmychadlem jako zdvojené pĝeplėování. Tuto možnost realizuje koncern Volkswagen. 6.1 Rootsovo dmychadlo Typickým pĝedstavitelem dvourotorových dmychadel je Rootsovo dmychadlo se dvčma stejnými rotory. Jedná se dnes o nejþastčjší typ mechanického pĝeplėování. Stroj, který roku 1867 zdokonalili a zaþali vyrábčt bratĝi Rootsové, byl u sériového karburátorového motoru poprvé uveden na trh roku 1921 firmou Daimler. [29] Rootsovo dmychadlo znaþky EATON našlo uplatnční ve vozech Mercedes Benz oznaþených jako KOMPRESSOR Konstrukce dmychadla Dmychadlo (viz obr. 6.1) se skládá z vlastní skĝínč, která je včtšinou z hliníkové slitiny, u včtších typĥ i z litiny. Základ tvoĝí dva dvou, tĝí nebo þtyĝzubé rotory otáþející se kolem svých navzájem rovnobčžných os. Sací i výtlaþné hrdlo jsou umístčny mezi obč osy rotorĥ s osou kolmou k jejich rovinč. Uložení rotorĥ v ložiscích je uzavĝeno víky. Rotory jsou hnány ozubenými koly. NejmodernČjší rootsova dmychadla, vyrábčná firmou EATON udčlala velký pokrok v konstrukci zejména zmenšením vĥlí mezi lopatkami rotorĥ a stčnami komory dmychadla a zakroucením lopatek, vznikly tak mírnč šroubové rotory (viz obr. 6.2). [24] obr. 6.1 Rotory Rootsova dmychadla se dvčma zuby (pĝíþný Ĝez) [29] obr. 6.2 Rootsovo dmychadlo se šroubovými rotory [30]

30 6.1.2 Princip dmychadla Dmychadlo je pohánčno od klikového hĝídele motoru mechanickým ozubeným pĝevodem. To znamená, že tento spotĝebiþ ubírá þást výkonu motoru, který by mohl být využitý na kolech vozidla. Díky pĝímé vazbč pevným pĝevodem s klikovým hĝídelem kompresor poskytuje okamžitou odezvu na otáþky motoru. Stlaþený vzduch je zde dodáván už od nejnižších otáþek motoru, pĝiþemž pĝed vstupem do válce motoru musí být ochlazen v chladiþi stlaþeného vzduchu. Zapojení kompresoru a chladiþe vzduchu do systému motoru je vidčt na obrázku 6.3. U dmychadel s vysokými otáþkami je tĝeba chránit rotor proti náhlým zmčnám otáþek klikového hĝídele motoru prokluzovými spojkami. Mechanická úþinnost Rootsova dmychadla dosahuje %. Ztráty mechanickým pohybem ozubených kol a lopatek þiní podle firmy EATON pouze 0,2 kw. obr Rootsovo dmychadlo s chladiþem stlaþeného vzduchu [30] Výhody a nevýhody Výhodou je, že stlaþení vzduchu je k dispozici již od nejnižších otáþek. Tyto motory disponují nižší cenou než motory pĝeplėované turbodmychadly. Z nevýhod stojí za to zmínit, že mechanickým pĝeplėováním nelze dosáhnout tak velkých výkonĥ motoru jako u pĝeplėování turbodmychadly a nijak výraznč neklesá mčrná spotĝeba. Mechanický pĝevod od klikové hĝídele je zdrojem hluku

31 6.2 G dmychadlo Název je odvozen od tvaru dmychadla. V polovinč 80. let toto spirální dmychadlo použila firma Volkswagen pro pĝeplėování VW Polo. Automobilka tak poprvé použila princip patentovaný již roku 1903 v USA. Ve dvoudílné skĝíni dmychadla (viz obr. 6.4) jsou na každé stranč dvč spirálovité pĝepážky. SkĜíĖ je nepohyblivá, vyrobena z litiny a je v ní excentricky uložen výtlaþný díl dmychadla. Tento þlen má rovnčž na obou stranách po dvou spirálovitých pĝepážkách zapadajících do mezer mezi pĝepážkami skĝínč. Obrobeny jsou pouze stykové plochy. Výtlaþný díl vykonává krouživý pohyb, ale neotáþí se. Mezi pevnými a pohybujícími se pĝepážkami na obou stranách vznikají þtyĝi pracovní komory. Vzájemná rychlost lopatek rotoru a lopatek statoru je pouze 5 m.s-1, i když otáþky hnacího hĝídele dosahují až min-1. Výtlaþný díl je uložen na výstĝedném þepu hĝídele pohánčného ozubeným Ĝemenem od klikového hĝídele motoru. Vzduch je nasáván na vnčjší stranč skĝínč a vytlaþován z jejího stĝedu pĝes jazýþkové ventily. Dopravní úþinnost dmychadla je 65 %, pĝíkon pro pohon dmychadla þiní cca 9 % výkonu motoru, hmotnost je 6 kg. G dmychadlo má proti dnes používaným zpĥsobĥm pĝeplėování nčkolik pĝedností. Dneska už se bude u sériových vozĥ hledat tčžko, ale v tuningových firmách má stále uplatnční. [42] Výhody G dmychadlo není namáháno výfukovými plyny jako turbodmychadlo. Jeho výroba a opracování þástí nemusí být tak pĝesné jako u Rootsova dmychadla a je tedy levnčjší. Další pĝedností je, že na sací stranč vznikají jen malé pulzace, proto dmychadlo není zdrojem pĝíliš velkého hluku. obr. 6.4 Konstrukce G dmychadla [42]

32 6.3 Šroubové dmychadlo Šroubové dmychadlo je dvourotorový kompresor (viz obr. 6.5) s vnitĝní kompresí, což ho þiní efektivnčjší pro vysokotlaké pĝeplėování. MĤže být konstruován tak, aby nedocházelo ke kontaktu rotorĥ mezi sebou ani ke kontaktu o stčnu nebo þelo válce. Odpadá tak potĝeba mazání. Rotory šroubových kompresorĥ jsou konstruovány jako šroubová tčlesa s pomčrnč velkým stoupáním a nemají stejný poþet zubĥ na obou rotorech. Zatímco hlavní, hnací rotor, má nejþastčji þtyĝi zuby, tak vedlejší hnaný, spĝažený s hlavním rotorem synchronizaþním soukolím, má zubĥ þest. U dmychadel pro menší pĝetlaky se volí tĝi zuby na hnacím rotoru a þtyĝi na vedlejším. Tím se dostane pĝi stejných vnčjších rozmčrech kompresoru zvýší dopravované množství vzduchu. Na sací stranč se zuby rotorĥ rozbíhají od sebe, zvčtšuje se tak prostor mezi nimi a plní se nasávaným vzduchem. Když zadní zuby pĝejdou pĝes hranu sacího otvoru, pĝeruší se saní a plyn se v zubové mezeĝe dopravuje beze zmčny tlaku k výtlaþnému hrdlu. Zvýšení tlaku nastane, když zaþne do zubové mezery na þelní stranč vnikat zub druhého rotoru. PĜejde li zadní strana pĝedního zubu pĝes hranu výtlaþného otvoru, nastane výtlak do potrubí. Princip vysvčtlen na obrázku 6.6. [24], [29] Výhody a nevýhody Šroubové kompresory nevyžadují pĝíliš kvalitní materiály, jelikož pĝes rotory neproudí vysoce zahĝáté spaliny jako u turbodmychadla. Nejsou náchylné na neþistoty obsažené v nasávaném vzduchu, jsou jednoduché a spolehlivé. Za nevýhody lze pokládat znaþnou hluþnost, proto musí být kompresory vybaveny tlumiþi. obr. 6.5 ěez šroubovým dmychadlem [29] obr. 6.6 Princip práce šroubového kompresoru [29]

33 6.4 Lysholmovo dmychadlo Lysholmovo dmychadlo (viz obr. 6.8) je podobné šroubovému Rootsovu dmychadlu, avšak jeho rotory (viz obr. 6.7) jsou více zkroucené a mají konický úkos. Takovéto šroubové kompresory mají vnitĝní stlaþení vzduchu, což je pro vysokotlaké pĝeplėování efektivnčjší. Ovšem nevýhodou vnitĝního stlaþení jsou ztráty pĝi bčhu naprázdno. [45] Lysholmovo dmychadlo našlo uplatnční v motoru 55 AMG V8, jehož vrcholová verze pohání automobil Mercedes Benz SLR McLaren 722. obr. 6.7 Rotory Lysholmova dmychadla [10] obr 6.8 Provedení Lysholmova dmychadla [9]

34 7 DYNAMICKÉ PLNċNÍ VÁLCE (REZONANýNÍ SACÍ POTRUBÍ) Dynamické plnční válce motoru je vyvoláno rezonanþními jevy v sacím potrubí. O naplnční spalovacího prostoru þerstvou náplní se starají pĝetlakové vlny v sacím systému motoru. Tyto vlny jsou vyvolány podtlakovou vlnou vznikající pĝi sacím pohybu pístu. Podtlaková vlna se šíĝí rychlostí zvuku proti proudu vzduchu vstupujícího do válce. Na konci potrubí se vlna odrazí od volného konce a jako vlna pĝetlaková proudí zpčt k sacímu ventilu. Je li správnč zvolena pĝi rĥzných otáþkových režimech motoru vhodná délka sacího potrubí, pĝetlaková vlna ve správný þas zvýší hmotnostní naplnční válce motoru þerstvou smčsí. [42] Rezonanþní sací potrubí motoru s filtrací vzduchu a tlumení hluku je ukázáno na obrázku 7.1. obr. 7.1 Rezonanþní sací potrubí motoru automobilu Mini Cooper [41] TĜístavová zmčna délky sacího potrubí se dvčma klapkami pro tĝi rĥzné rozsahy otáþek je na obrázku 7.2. ýasto se používají i dvoustavové rezonanþní sací potrubí. Klapky pro zmčnu délky potrubí jsou ovládány pneumatickými þleny (viz obr. 7.3). Na obrázku 7.4 je rezonanþní sací potrubí motoru sportovního automobilu. [40] Nemusí jít vždy jen o dvou nebo tĝístavovou zmčnu délky. Firma BMW vyvinula rezonanþní sací potrubí s plynule mčnitelnou délkou (viz obr. 7.5)

35 obr. 7.2 ZmČna délky sacího potrubí pĝi rĥzných otáþkách motoru [42] obr. 7.4 Rezonanþní sací potrubí závodního automobilu [41] obr 7.3 Pneumatické ovládání klapek potrubí [40] obr 7.5 Rezonanþní sací potrubí s plynule mčnitelnou délkou [40]

36 Délka rezonanþního potrubí má významný vliv na prĥbčh toþivého moment motoru (viz obr. 7.6). Delší potrubí, tzv. momentové, je ve funkci do 4000 ot/min. Motor má tak včtší tah. Nad tyto otáþky je zapojeno krátké potrubí, tzv. výkonové, pro potĝebu vyššího výkonu motoru ve vyšších otáþkách. [40] rezonanþní komora obr. 7.6 Rezonanþní sací potrubí Ĝízené válcovým šoupátkem [40] Další možností využití rezonanþního plnční je u šesti a víceválcových motorĥ, u nichž je budící taková vlna vyvolána pĝedchozím válcem ve dvou skupinách. Na obrázku 7.7 je pĝíklad plnční šestiválcového motoru. Válec 2 je plnčn tlakovou vlnou vybuzenou válcem 1 a válec 4 vlnou vybuzenou válcem 5. To platí v pĝípadč, že je použito poĝadí zapalování obr. 7.7 Princip plnční rezonanþním sacím potrubím šestiválcového Ĝadového motoru obr. 7.7 Princip rezonanþního sacího potrubí šestiválcového Ĝadového motoru s promčnnou délkou potrubí v rĥzných otáþkových režimech [40]

37 8 TLAKOVZDUŠNÝ VÝMċNÍK COMPREX 8.1 Konstrukce výmčníku Systém COMPREX je založen na tlakové výmčnč tlakových pulzĥ mezi proudem spalin a vzduchu. Na obrázku 8.1 je schématicky znázornčno konstrukþní Ĝešení. Rotor výmčníku pohání Ĝemen od klikové hĝídele motoru. Z jedné strany je k rotoru pĝivedeno potrubí nasávaného vzduchu a potrubí plnícího vzduchu, kterým je stlaþený vzduch dopravován do válce motoru. Z druhé strany je pĝipojeno výfukové potrubí motoru pĝivádčjící k rotoru výmčníku spaliny a potrubí odvádčjící spaliny do výfukového systému motoru. [42] obr. 8.1 Schématické znázornční tlakovzdušného výmčníku COMPREX [42] 8.2 Princip práce výmčníku Princip práce je vysvčtlen na obrázku 8.2. Spaliny ze sbčrného potrubí z válcĥ motoru vstupují otvorem v þele výmčníku dovnitĝ do kanálkĥ rotoru a vytlaþují þerstvč nasátý vzduch do sbčrného plnícího potrubí, odkud stlaþený vzduch proudí do spalovacího prostoru. PĜi otáþení rotoru tento proud þasem narazí na stčnu statoru a odrazí se. Tím se otoþí smčr proudční a spaliny z kanálkĥ rotoru odchází do výfukového potrubí automobilu. S touto odraženou vlnou vzniká v rotoru podtlak, který má za následek nasátí þerstvého vzduchu do kanálkĥ. ZároveĖ dojde ke smísení spalin s nasátým vzduchem. Tato smčs odchází ve smčru nasávaného vzduchu

38 dále do výfukového potrubí, tím je odveden výplachový vzduch. PĜi dalším pootoþení rotoru se kanálky opčt zaþnou plnit þerstvým vzduchem. Tento vzduch je následným pootoþením rotoru znovu vytlaþen spalinami do plnícího potrubí a postup se zaþíná opakovat. [24], [42] PĜeplĖování systémem COMPREX má srovnatelné parametry jako pĝi pĝeplėování turbodmychadly. COMPREX však rychleji reaguje na zmčny provozních režimĥ. Vyžaduje včtší zástavbový prostor ve vozidle. obr. 8.2 Princip práce tlakovzdušného výmčníku [42] S tlakovzdušným výmčníkem COMPREX se mĥžeme setkat napĝíklad ve voze Mazda 626. Na obrázku 8.3 je zpĥsob provedení výmčníku, na obrázku 8.4 pak rotor výmčníku. obr. 8.3 Tlakovzdušný výmčník COMPREX [38] obr. 8.4 Rotor tlakovzdušného výmčníku [42]

39 9 ZDVOJENÉ PěEPLĕOVÁNÍ Dnes nejrozšíĝenčjší pĝeplėování turbodmychadly má u malých motorĥ velkou slabinu v podobč malého toþivého momentu a výkonu v nízkých otáþkách. V tčchto nízkých otáþkách nedokáží výfukové plyny potĝebnč roztoþit turbínu turbodmychadla. Proto konstruktéĝi Volkswagenu pĝišli s výjimeþným Ĝešením. Zapojili do série RootsĤv mechanicky pohončný kompresor, který dodává plnící tlak v nízkých otáþkách a o plnční v otáþkách vyšších se stará tradiþní turbodmychadlo. Tento systém nazvali Twincharger. 9.1 Princip spolupráce RootsĤv kompresor je pohánčn Ĝemenem od klikového hĝídele motoru. Rotory kompresoru dosahují až ot/min. Jakmile Ĝidiþ pĝidá plyn, sepne se magnetická spojka a kompresor je aktivován. Ten stlaþí nasávaný vzduch pĝed tím, než se pomocí turbodmychadla dostane do spalovacího prostoru. Se zvyšujícím poþtem otáþek se otevírá regulaþní klapka a po dosažení cca 2200 ot/min je zcela otevĝená. Turbodmychadlo a kompresor se perfektnč doplėují. Jejich spolupráce je ukázána na obrázku 9.1 a 9.2. Díky své souhĝe zvyšují už pĝi nejnižších otáþkách plnící tlak až na 2,5 barĥ. Do 3500 ot/min doplėuje kompresor turbodmychadlo tím zpĥsobem, že provádí prvotní kompresi vzduchu. Pak se kompresor pomocí magnetické spojky vypne a o plnční stará pouze turbodmychadlo. [47] obr. 9.1 Systém zdvojeného pĝeplėování [36]

40 obr. 9.2 Princip spolupráce kompresoru s turbodmychadlem [47] 9.2 Použití a výhody Systémem zdvojeného pĝeplėování twincharger osazuje firma Volkswagen motory pro své automobily Golf GT, Golf Plus, Jetta a Touran. KonkrétnČ se jedná o motor 1.4 TSI o výkonu 125 kw (170k) a toþivém momentu až 240 Nm s pĝímým vstĝikem benzínu do válce (viz obr. 9.3 a obr. 9.4). Takto vysoký toþivý moment je k dispozici v širokém rozmezí otáþek a to od 1750 ot/min do 4500 ot/min. Motor je velice lehký, disponuje vysokým zátahem od nízkých otáþek a jeho parametry jsou srovnatelné s nepĝeplėovaným motorem o objemu 2.3 litru, pĝiþemž jeho spotĝeba je o pčtinu nižší. obr. 9.3 Motor VW Golf 1.4 TSI GT [36]

41 obr. 9.4 Zapojení kompresoru a turbodmychadla do motoru [48]

42 10 DVOUSTUPĕOVÉ PěEPLĕOVÁNÍ DvoustupĖové pĝeplėování vyvinula firma Kühnel, Kopp & Kausch na principu sériovč zapojeného včtšího nízkotlakého turbodmychadla a menšího vysokotlakého turbodmychadla pro užitkové automobily se stĝedním efektivním tlakem 2,1 MPa. [23] 10.1 Konstrukce Dle obrázku 10.1 je vysokotlaká turbína vybavena regulaþním ventilem RV pro odpouštční výfukových plynĥ. Plnicí tlak je v nízkých otáþkách dodáván pouze menším turbodmychadlem, které je naladčno na dodávání maxima toþivého momentu. PĜi stĝedních otáþkách se postupnč pĝipojí velké turbodmychadlo a ve velkých otáþkách pracuje již jen velké. Za každým z kompresorĥ K1 a K2 je zaĝazen chladiþ stlaþeného vzduchu CH1 a CH2. [23] obr Schéma dvoustupėového pĝeplėování [23] U tčchto motorĥ vzniká problém se zástavbou dvou turbodmychadel a dvou chladiþĥ stlaþeného vzduchu

43 obr Dvojice sériovč zapojených turbodmychadel vozu BMW 535d [23] obr Zástavba dvojice turbodmychadel v motoru vozu BMW 535d [23]

44 10.2 Použití Motory s dvoustupėovým pĝeplėováním používá firma BMW ve svých vozech oznaþených 535d, známé jako Twin Turbo (viz obr a obr. 10.3). Šestiválcový motor o objemu 3.0 litru a výkonu 200 kw disponuje maximálním toþivým momentem 560 Nm

45 11 KOMPOUDNÍ PěEPLĕOVÁNÍ U motorĥ velkých užitkových automobilĥ mají spaliny včtší energii, než se využívá pro pĝíkon turbodmychadla. Proto je zde možné použít ještč jednu trakþní turbínu, která je mechanicky spojena ozubeným pĝevodem s klikovým hĝídelem (viz obr. 11.1) a pomáhá ho roztáþet. TČmto motorĥm se Ĝíká kompoudní. Tento systém napomáhá snížení spotĝeby paliva o 5 10 %. V dnešní dobč je používá ve svých tahaþích firma SAAB SCANIA a VOLVO. [42] obr Trakþní turbína vozu SAAB SCANIA [8] obr. 11.2a Motor SAAB SCANIA [12]

46 obr. 11.2b Motor SAAB SCANIA [11] obr Turbokompoudní motor Volvo D12D [11]

47 12 CHLADIý STLAýENÉHO VZDUCHU (INTERCOOLER) Podmínkou zvýšení výkonu pĝeplėováním je včtší hmotnostní naplnční válce motoru þerstvým vzduchem. Pokud je vzduch zahĝátý, jeho hustota je pĝi konstantním objemu menší. Takto stlaþený vzduch nemá pro pĝeplėování význam. Vzduch je zahĝíván samotným stlaþením a prostupujícím teplem pĝes hĝídelku od turbíny. Ta je zahĝívána proudícími spalinami až na 900 C. Teplota vzduchu pak dosahuje témčĝ 100 C. Proto se za turbodmychadlo sériovč zapojuje mezichladiþ stlaþeného vzduchu typu vzduch vzduch (viz obr. 12.1), který pracuje na principu výmčny tepla okolního vzduchu a vzduchu stlaþeného. V nčm se ochlazuje vzduch pĝed vstupem do spalovacího prostoru na potĝebnou teplotu, která se rovná teplotč pĥvodnč nasávaného okolního vzduchu. PĜi použití dvou turbodmychadel u V motorĥ (pro každou Ĝadu válcĥ jedno) se používají dva mezichladiþe, za každým turbodmychadlem jedno. Na obrázku 12.2 je vidčt zapojení mezichladiþe v systému motoru. obr Mezichladiþ stlaþeného vzduchu [51] obr Zástavba mezichladiþe stlaþeného vzduchu u automobilu Audi [41]

48 Na obrázku 12.3 je vidčt zapojení mezichladiþe stlaþeného vzduchu. Dmychadlo stlaþuje vzduch, nasávaný pĝes filtr do dmychadlové skĝínč, který poté proudí do chladiþe, kde probčhne tepelná výmčna mezi stlaþeným a okolním vzduchem. Takto ochlazený vzduch má pĝi konstantním objemu včtší hustotu, þímž se zvýší hmotnostní naplnční válce, pĝi následném vstupu do spalovacího prostoru. obr Názorné zapojení mezichladiþe stlaþeného vzduchu [20] U traktorĥ se používá ke chlazení plnicího vzduchu chladiþ typu voda vzduch. Tento typ chlazení vzduchu využívá napĝíklad výrobce traktorĥ Zetor u modelĥ Proxima Plus 8541, 9541 a nebo Forterra 9641 a

49 13 HLAVNÍ PARAMETRY VYBRANÝCH PěEPLĕOVANÝCH AUTOMOBILģ A PRACOVNÍCH PROSTěEDKģ V následujících podkapitolách jsou uvedeny konkrétní zástupci automobilĥ a pracovní techniky používající jednotlivé typy pĝeplėování. Dále je poukázáno na parametry pĝeplėovaných motorĥ a jejich charakteristiky Použití turbodmychadla Škoda Octavia RS 2.0 TFSI [27] Typ motoru: zážehový, Ĝadový, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný turbodmychadlem, pĝímé vstĝikování paliva, uložený vpĝedu napĝíþ Válce/ventily: 4/16 Zdvihový objem (ccm): 1984 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 147/5500 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 280/ Výkon Toþivý moment obr. 13.1a Otáþková charakteristika automobilu Škoda Octavia RS 2.0 TFSI [44]

50 obr. 13.1b Škoda Octavia RS 2.0 TFSI [16] obr. 13.1c Motor Škoda Octavia RS 2.0 TFSI [5] Audi A6 Allroad quattro 3.0 TDI [27] Typ motoru: vznčtový V motor, pĝímý vstĝik paliva, vpĝedu podélnč uložený, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný turbodmychadlem s variabilní geometrií lopatek Válce/ventily: 6/24 Zdvihový objem (ccm): 2967 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 171/4000 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 450/1400 obr. 13.2a Audi A6 Allroad quattro 3.0 TDI [27] obr. 13.2b Motor Audi A6 Allroad quattro 3.0 TDI [1]

51 Zetor Forterra [53] Typ motoru: vznčtový, pĝímý vstĝik paliva, podélnč uložený, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný turbodmychadlem s mezichlazením vzduch vzduch Válce: 4 Zdvihový objem (ccm): 4156 Nejvyšší výkon (kw/hp): 90/120 Nejvyšší toþivý moment (Nm): 525 PĜevýšení toþivého momentu (%): 35 Jmenovité otáþky (ot/min): 2200 MČrná spotĝeba paliva pĝi jmenovitém výkonu (g/kw.h): 255 obr. 13.3a Otáþková charakteristika traktoru ZETOR Forterra [53]

52 obr. 13.3b ZETOR Forterra [39] obr.13.3c Motor ZETOR Forterra [54] Scania R470 [43] Typ motoru: vznčtový, Ĝadový, pĝímý vysokotlaký vstĝik paliva Scania PDE, pĝíþnč uložený, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný turbokompoudnč Válce: 6 Zdvihový objem (ccm): Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 345 / 1900 Nejvyšší toþivý moment (Nm/ ot/min): 2200 / obr. 13.4a Scania R470 [7] obr. 13.4b Motor Scania R470 [43]

53 13.2 Použití mechanického pĝeplėování Mercedes Benz CLC 200 Kompressor [27] Typ motoru: zážehový, Ĝadový, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný mechanickým dmychadlem (Rootsovo dmychadlo), vícebodové vstĝikování paliva, uložený vpĝedu podélnč Válce/ventily: 4/16 Zdvihový objem (ccm): 1796 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 135/5500 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 250/ obr. 13.5a Mercedes Benz CLC 200 Kompressor [34] obr. 13.5b Motor Mercedes Benz CLC 200 Kompressor s Rootsovým dmychadlem [34] Mercedes SLR McLaren 722 [27] Typ motoru: zážehový, V motor, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný mechanickým dmychadlem (Lysholmovo dmychadlo), vícebodové vstĝikování paliva, uložený vpĝedu podélnč Válce/ventily: 8/32 Zdvihový objem (ccm): 5439 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 478/6500 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 820/3250 obr. 13.6a Mercedes SLR McLaren 722 [14] obr. 13.6b Motor Mercedes SLR McLaren 722 s Lysholmovým dmychadlem [13]

54 Mazda D Comprex [27] Typ motoru: vznčtový, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný mechanickým dmychadlem (Comprex), pĝímé vstĝikování paliva, uložený vpĝedu napĝíþ Válce/ventily: 4/16 Zdvihový objem (ccm): 1998 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 55 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 169/2000 obr. 13.7a Mazda D Comprex [17] obr. 13.7b Motor Mazdy D Comprex [15] VW Polo Coupé GT G40 [27] Typ motoru: zážehový, chlazený kapalinou, vstĝikování paliva, pĝeplėovaný mechanickým dmychadlem (G dmychadlo), uložený vpĝedu napĝíþ Válce/ventily: 4/8 Zdvihový objem (ccm): 1272 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 85/6000 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 145/3600 obr. 13.8a VW Polo Coupé GT G40 [18] obr. 13.8b Motor VW Polo Coupé GT G40 [19]

55 13.3 Zdvojené pĝeplėování VW Golf GT 1.4 TSI [27] Typ motoru: zážehový, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný mechanickým dmychadlem (Rootsovo dmychadlo) a turbodmychadlem, pĝímé vstĝikování paliva, uložený vpĝedu napĝíþ Válce/ventily: 4/16 Zdvihový objem (ccm): 1390 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 125/6000 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 240/ obr. 13.9a Otáþková charakteristika automobilu VW Golf 1.4 TSI GT [21] obr. 13.9b Automobil VW Golf 1.4 TSI GT [28] obr. 13.9c Motor VW Golf 1.4 TSI GT [37]

56 13.4 DvoustupĖové pĝeplėování BMW 535d Twin Turbo [27] Typ motoru: vznčtový, chlazený kapalinou, pĝeplėovaný dvojicí turbodmychadel, pĝímé vstĝikování paliva, uložený vpĝedu podélnč Válce/ventily: 6/24 Zdvihový objem (ccm): 2993 Nejvyšší výkon (kw / ot/min): 200/4400 Nejvyšší toþivý moment (Nm / ot/min): 560/2000 obr a BMW 535d Twin Turbo [33] obr b Motor BMW 535d Twin Turbo [35]

57 14 OSOBNÍ NÁZOR A PěEDPOKLÁDANÝ VÝVOJ V OBLASTI PěEPLĕOVÁNÍ Jelikož jsem zastáncem rychlých automobilĥ se silnými motory, tak se pro mč pĝeplėování jeví nejjednodušším, nejlepším a zatím snad jediným zpĥsobem, jak efektivnč zvýšit výkon motoru již pĝi sériové výrobč. PĜeplĖování motorĥ bude mít v budoucnu velký význam pĝi plnční emisních limitĥ EURO, které se budou stále zpĝísėovat. Dále pĝi potĝebč snižování spotĝeby paliva a zachování nízké hmotnosti a velikosti motoru pĝi jeho vysokém výkonu Výhled do budoucna V oblasti pĝeplėování kompresory pĝichází britská spoleþnost Controlled Power Technologies s novým typem pohonu kompresoru. Ten je roztáþen elektricky a odpadá tak Ĝemenový pĝevod mezi klikovým hĝídelem a kompresorem. Spoleþnost bude tčmito kompresory osazovat zejména menší motory. Hlavní výhodou oproti mechanicky pohánčným kompresorĥm má být témčĝ okamžité roztoþení zaĝízení na provozní otáþky. Podle spoleþnosti nový typ kompresorĥ zlepšuje zrychlení mezi rychlostmi km/h až o 40 % oproti atmosférickému plnční. Tento typ pĝeplėování má také výraznč pomoci ke snížení emisí CO2. Systém elektricky roztáþených kompresorĥ má být masovč nasazen do sériové výroby už do dvou let