ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΟ: TURBO VS COMPRESSOR

iceΑπό την αρχή της εξέλιξης των κινητήρων, υπήρχε η ανάγκη της αύξησης της απόδοσής τους, δηλαδή η αύξηση της ισχύος τους για έναν δεδομένο κυβισμό. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα, ο τρόπος τον οποίο σκέφτηκαν οι μηχανικοί είναι η βελτίωση της ποιότητας της καύσης μέσω της αύξησης της παροχής  της μάζας αέρα-καυσίμου στους κυλίνδρους του κινητήρα, διαδικασία που περιγράφεται με τον όρο υπερπλήρωση. Έτσι, οι κινητήρες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τους ατμοσφαιρικούς και τους υπερπληρούμενους. Στους μεν πρώτους η πίεση που επικρατεί στους κυλίνδρους είναι – θεωρητικά – η ατμοσφαιρική (στην πραγματικότητα είναι λίγο μικρότερη καθώς υπάρχουν απώλειες), στους δε δεύτερους η πίεση είναι αισθητά μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής λόγω της βεβιασμένης παροχής αέρα στους κυλίνδρους. Να τονίσουμε πως η υπερπλήρωση αυξάνει την πολυπλοκότητα του κινητήρα, άρα και το κόστος του. Τα δύο βασικότερα συστήματα που επιτρέπουν αυτήν την βεβιασμένη παροχή αέρα είναι το τούρμπο (turbo) και ο μηχανικός υπερτροφοδότης (compressor)  των οποίων οι αρχές λειτουργίας περιγράφονται παρακάτω.

 

Turbo ή στροβιλοσυμπιεστής καυσαερίου

 

αρχείο λήψηςΠρόκειται για την εφεύρεση του Ελβετού Alfred J. Buchi. Το συγκεκριμένο σύστημα υπερπλήρωσης στηρίζεται στην εκμετάλλευση της ισχύος των καυσαερίων. Η ισχύς αυτή αντιπροσωπεύει το 35% της παραγόμενης ισχύος ενός κινητήρα, ποσοστό μεγαλύτερο της ωφέλιμης ισχύος (22-28%), ενώ στους ατμοσφαιρικούς κινητήρες συγκαταλέγεται στις απώλειες, δηλαδή ενέργεια που αποβάλλεται στο περιβάλλον με τη μορφή θερμότητας. Βλέπουμε λοιπόν πως ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα του turbo είναι πως δεν χρησιμοποιεί ωφέλιμη ενέργεια, ενέργεια δηλαδή του στροφαλοφόρου άξονα, για τη λειτουργία του. Ας δούμε όμως την αρχιτεκτονική του και τον τρόπο λειτουργίας του.

 

Ανατομία του turbo

Τα κύρια στοιχεία που απαρτίζουν ένα turbo είναι ο άξονας, το σώμα τα κουζινέτα και τα κελύφη (ή σαλιγκάρια).  Το σώμα φέρει τα κουζινέτα τα οποία στηρίζουν τον άξονα και αποτρέπουν τις κάθετες μετακινήσεις του, καθώς επίσης και τα κελύφη εισαγωγής και εξαγωγής. Ο δε άξονας φέρει εκατέρωθεν του τις φτερωτές (πτερύγια) εισαγωγής και εξαγωγής. Το κέλυφος εξαγωγής είναι ένας αεριοστρόβιλος, ενώ το κέλυφος εισαγωγής ένας αεροσυμπιεστής. Πρακτικά, ο αεριοστρόβιλος εκμεταλλεύεται την πίεση του εισερχόμενου σε αυτόν αερίου για να παράγει έργο, ενώ ο αεροσυμπιεστής ασκεί έργο στο εισερχόμενο σε αυτόν αέριο για να του αυξήσει την πίεση. Έτσι, ο αεριοστρόβιλος ρίχνει την πίεση του αερίου και αυξάνει την ταχύτητά του, ενώ ο αεροσυμπιεστής το αντίστροφο. Τούτων όλων λεχθέντων, έχουμε την παρακάτω διαδικασία λειτουργίας του turbo:

  • Το κέλυφος εξαγωγής παραλαμβάνει τα καυσαέρια από τους αυλούς πολλαπλής εξαγωγής του κινητήρα (εκεί που οδηγούνται τα καυσαέρια μετά την εξαγωγή από τον κύλινδρο) και τους αυξάνει την ταχύτητά..
  • Στη συνέχεια, η υψηλής ταχύτητας μάζα καυσαερίων ‘πέφτει’ πάνω στη φτερωτή εξαγωγής, θέτοντας σε κίνηση τον άξονα. Προφανώς, τίθεται σε κίνηση και η φτερωτή εισαγωγής. Πρωταρχικό ρόλο έχει η γεωμετρία της φτερωτής εξαγωγής, καθώς από αυτήν εξαρτάται η βέλτιστη εκμετάλλευση των καυσαερίων.
  • Αυτή ρουφάει ατμοσφαιρικό αέρα και τον οδηγεί στο εσωτερικό του κελύφους εισαγωγής, όπου και συμπιέζεται.
  • Εν συνεχεία, ο αέρας εξέρχεται από το κέλυφος και οδηγείται στον κινητήρα. Με αυτόν τον τρόπο, στον αέρα που οι κύλινδροι ρουφάνε ούτως ή αλλιώς, προστέθηκε ο αέρας που ήρθε από το τούρμπο. Και  υπερπλήρωση εγένετο!

Δείτε το παρακάτω βίντεο:

 

Turbo lag ή φαινόμενο υστέρησης

Πρόκειται για το σημαντικότερο μειονέκτημα ενός τουρμπίσιου κινητήρα. Όλα ξεκινάνε από την αρχή πως ένας κινητήρας ο οποίος είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί με turbo, αποδίδει την μέγιστη ισχύ του με τη βοήθεια του στροβιλοσυμπιεστή. Από την άλλη, ο στροβιλοσυμπιεστής απαιτεί μεγάλη ποσότητα καυσαερίων υψηλής ενθαλπίας (ενθαλπια= ολικό ποσό θερμότητας αερίου) προκειμένου να λειτουργήσει. Κι ερχόμαστε στην περίπτωση του οχήματος σε στάση. Προκειμένου το όχημα να ξεκινήσει, πρέπει να υπερνικήσει την αδράνειά του, απαιτείται επομένως πολύ μεγάλη – αν όχι η μέγιστη – ισχύς. Το πρόβλημα είναι πως όταν το όχημα είναι σε στάση, ο κινητήρας λειτουργεί σε πολύ χαμηλές στροφές (στο ρελαντί που λέμε) με αποτέλεσμα τα παραγόμενα καυσαέρια να είναι χαμηλής μάζας και ενθαλπίας. Αποτέλεσμα; Το turbo αργεί ως και μερικά δευτερόλεπτα να ξεκινήσει, χρονικό διάστημα που επιμηκύνεται  λόγω των μαζών που έρχονται σε επαφή με τα καυσαέρια και θερμαίνονται από αυτά, ρίχνοντας ακόμη περισσότερο την ενθαλπία τους.

 

Εύρος λειτουργίας turbo    

Ο στροβιλοσυμπιεστής αποδίδει καλύτερα για συγκεκριμένες στροφές του κινητήρα. Ο κατασκευαστής λοιπόν πρέπει να  καθορίσει για ποιες στροφές θα έχουμε τη βέλτιστη λειτουργία. Όταν δε μιλάμε για έναν κινητήρα Otto, ο οποίος παρουσιάζει ένα πολύ μεγάλο εύρος στροφών, τότε ο καθορισμός του εύρους λειτουργίας του turbo είναι πολύ σημαντική υπόθεση και γίνεται συναρτήσει της επιθυμητής συμπεριφοράς του αυτοκινήτου. Τι σημαίνει αυτό: ο στροβιλοσυμπιεστής θα υπολειτουργεί είτε στις πολύ υψηλές, είτε στις πολύ χαμηλές στροφές. Έτσι, στα αυτοκίνητα πολύ υψηλών επιδόσεων, όπου η μέγιστη τελική ταχύτητα είναι το ζητούμενο, το turbo αποδίδει καλύτερα στις ψηλές στροφές, ενώ σε ένα επιβατικό αυτοκίνητο συμβατικής χρήσης, στις μέσες  στροφές, καθώς το ζητούμενο είναι η επιτάχυνση. Να πούμε πως στην τελευταία περίπτωση, το turbo προστατεύεται με βαλβίδα παράκαμψης, ώστε στις υψηλές στροφές τα καυσαέρια να μην περνάνε από τον στροβιλοσυμπιεστή, αλλά να πηγαίνουν κατευθείαν στην εξάτμιση.

 

Compressor ή μηχανικός υπερτροφοδότης

images (4)Επινόηση του Ρούντολφ Ντίζελ. Εδώ η φιλοσοφία είναι διαφορετική: ο κομπρέσορας αντλεί την απαιτούμενη για τη λειτουργία του ενέργεια από τον στροφαλοφόρο άξονα, μέσω ενός συστήματος γραναζιών. Έτσι, ένα πρώτο σημαντικό μειονέκτημα αυτού του συστήματος υπερπλήρωσης είναι η μείωση της ωφέλιμης ισχύος του κινητήρα, καθώς αποσπάται κινητική ενέργεια από τον στροφαλοφόρο. Στα μειονεκτήματά του προστίθεται το μεγάλο του μέγεθος το οποίο είναι τρεις με πέντε φορές μεγαλύτερο από ένα τούρμπο για την ίδια εφαρμογή. Επίσης, το σύστημα μετάδοσης ανάμεσα στον στροφαλοφόρο και τον κομπρέσορα αυξάνει την πολυπλοκότητα, άρα και τις μηχανικές απώλειες. Από την άλλη, ο μηχανικός υπερτροφοδότης ζεσταίνει αισθητά λιγότερο τον αέρα σε σχέση με ένα τούρμπο, το οποίο είναι πολύ σημαντικό, καθώς αυξημένη θερμοκρασία σημαίνει μειωμένη πυκνότητα, άρα μειωμένη μάζα που εισέρχεται στον κύλινδρο, δηλαδή ‘κακή’ υπερπλήρωση. Επίσης, ο κομπρέσορας δεν εμφανίζει το φαινόμενο της υστέρησης, καθώς περιστρέφεται μαζί με τον κινητήρα.

 

Λειτουργία του κομπρέσορα

Η κεντρική ιδέα είναι απλή: ο στροφαλοφόρος θέτει σε λειτουργία έναν συμπιεστή, ο οποίος στην είσοδό του παραλαμβάνει ατμοσφαιρικό αέρα και εξάγει αέρα πίεσης μεγαλύτερης  της μίας ατμόσφαιρας, ο οποίος στη συνέχεια εισάγεται βεβιασμένα στον κύλινδρο. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες συμπιεστών, ο roots, ο φυγοκεντρικός και ο κοχλιοφόρος:

  • Ο roots, εφεύρεση του Άγγλου μηχανικού Τζορτζ Τζόουνς  ανήκει στη κατηγορία των περιστροφικών συμπιεστών κι αυτό που κάνει στην ουσία είναι να ωθεί τον αέρα, μέσω μιας διάταξης δύο λοβών. Οι σχέσεις συμπίεσης που επιτυγχάνονται είναι σχετικά μικρές, της τάξης του 1.2, ενώ έχουμε μία αρκετά θορυβώδη λειτουργία, η οποία οφείλεται στη σύγκρουσή του με τον πεπιεσμένο αέρα στην εισαγωγή του κινητήρα.

 

  • Ο φυγοκεντρικός είναι μια καθαρά αεροδυναμική μηχανή. Ο αέρας αρχικά παρασύρεται από τις φτερωτές του συμπιεστή (οι οποίες τίθενται σε κίνηση μέσω του στροφαλοφόρου, μη ξεχνιόμαστε!) και στη συνέχεια επιβραδύνονται μέσω διαδοχικών αποκλινόντων ακροφύσιων (διαχύτες)  με αποτέλεσμα να κερδίζουμε σε πίεση. Στη συνέχεια, ο αέρας διοχετεύεται στον κινητήρα. Ο τύπος αυτός συμπιεστή χρησιμοποιείται σπάνια καθώς παρουσιάζει βέλτιστη λειτουργία στις 30.000-80.000 στροφές ανά λεπτό (rpm).
  • Ο κοχλιοφόρος ανήκει επίσης στην κατηγορία των περιστροφικών συμπιεστών και λειτουργεί όπως ο roots με τη διαφορά ότι οι λοβοί έχουν αντικατασταθεί από δύο παράλληλες έλικες. Στα αρνητικά του, το υψηλό κόστος παραγωγής λόγω της μεγάλης ακρίβειας κατασκευής που απαιτείται. Οι κοχλιοφόροι επιτρέπουν την επίτευξη υψηλών λόγων πιέσεων, ενώ χρησιμοποιούνται περισσότερο σε dragster οχήματα.

 

Τελικά…

Είναι γεγονός ότι οι μηχανικοί υπερτροφοδότες δεν είναι οι αγαπημένοι των αυτοκινητοβιομηχανιών, οι οποίες στρέφονται περισσότερο στα τούρμπο. Κι αυτό, γιατί το τούρμπο είναι πιο αποδοτικό, καθώς εκμεταλλεύεται την ενέργεια που αποβάλλεται στο περιβάλλον. Παράλληλα, δεν προκαλεί προβλήματα στο μηχανοστάσιο του αυτοκινήτου, λόγω του σχετικά μικρού του μεγέθους. Από την άλλη όμως, ο κομπρέσορας εγγυάται μια πιο αξιόπιστη λειτουργία του κινητήρα, χάρη στην απουσία του φαινομένου της υστέρησης. Επίσης, ο κινητήρας παράγει ένα γραμμικό διάγραμμα στροφών – ροπής (σε αντίθεση με τους κινητήρες τούρμπο), το οποίο εγγυάται μια ομαλότερη οδηγική συμπεριφορά.

Εσείς λοιπόν τι προτιμάτε; Υψηλότερες επιδόσεις ή στιβαρότερη οδήγηση; Η επιλογή είναι δική σας.

Advertisements

2 thoughts on “ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΟ: TURBO VS COMPRESSOR”

  1. Ένας σοφός έλεγε, μάθε όσο πιο πολλά μπορείς και δώσ’τα και στους άλλους, νομίζω αυτό έκανες…είναι απλά τέλειο!

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s