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 pistonAdmisie- 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: cretereaturaie maximea 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. cretereacuplului motorse poate face prin doua moduri: cretereacapacitii cilindricece 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. creterea presiunii medii efective din cilindru printurbo 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-compresorTehnologia 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: adaosul de energie suplimentar datorit procesului de comprimare curgerea turbulent a aerului prin compresor transferul de cldur de la turbin la compresor 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: creterea densitii aerului admis n motor, ce are ca efect creterea puterii motorului cu pn la 25% fa de versiunea fr rcire intermediar reducerea tensiunilor termice asupra turbinei i motorului datorit scderii temperaturii din cilindrii 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 wastegateAcionarea 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 BMWContinental 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-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)