rad stručne prakse: turbine i turbo-kompresori

7/21/2019 Rad stručne prakse: Turbine i turbo-kompresori

http://slidepdf.com/reader/full/rad-strucne-prakse-turbine-i-turbo-kompresori 1/23

STRUČNA PRAKSA

TURBO-PUNJAČI, TURBINE



1

Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila pomen pojma

"turbo" ih u tokom proteklih desetak godina uglavnom asocira na

dizel motore.Takozvana "turbo" era se završila krajem 90-tihgodina i od tada pa sve do sadašnjih dana turbo je stvarno onošto u velikoj većini slučajeva dobar nagoveštaj da je u pitanjudizel motor.

Prvo što moramo da naglasimo u ovom tekstu su razlike u

nazivima: Turbo-punjač se najčešce naziva samo turbo, a uengleskom je naziv koji se koristi "turbocharger", dok se turbo

kompresor može još nazivati i kompresor (Mercedes koristi ovajnaziv, npr.), punjač (G punjač – VW) dok se u engleskoj literaturi

turbo kompresori nazivaju "supercharger".

Turbine se koriste u energetici, avio i auto industriji i ono što ihrazlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadaci

razliciti, ali ono što ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada.U auto industri ji postoji nekoliko načina takozvanog

"prehranjivanja" tj. dodatnog sabijanja više vazduha nego štoprirodni pritisak omogućava. Motor sagoreva mešavinu vazduha igoriva, a taj vazduh ulazi u motor kroz usisnu granu motora

povučen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara.

Da bi se snaga povećala količina vazduha koriste se veštački

naćini kao što su: turbo-punjači, mehanički kompresori i tzv. "Ram

Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbo-punjača i turbo

kompresora dok će princip rada "Ram Air" sistema biti objašnjen

u narednih nekoliko rečenica.

"Ram Air"



2

Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem

koji koriste trkački automobili, a svodi se na jednostavan princip

da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajućih filtera) izvede

direktno negde na spoljni deo automobila koji je okrenut smerukretanja i time se povećanjem brzine automobila proporcionalno

povećava pritisak vazduha koji ulazi u motor. Na primer F1 bolidi

imaju usis direktno iznad glave vozaca, GT automobili imaju

"grbe" na haubi koje direktno ubacuju vazduh u motor automobila,

a taj pritisak je direktno srazmeran brzini kretanja automobila.

Slika 1: Ferrari Maranello 575 – tipičan primer GT automobila sa“Ram Air” sistemom



3

Zlatna "turbo" era

Turbo punjači su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom

putničkim automobilu ranih 1960-tih godina. Model je bio

Chevrolet Corvair kojeg je proizvodio General Motors - GM.

Automobil je imao lošu reputaciju zbog toga što je imao jako lošeperformanse pri malim brzinama, a ogroman turbo lag je tečnu

vožnju činio u ovom automobilu praktićno nemogućom.

Turbo lag je ono što je automobilskoj industriji pravilo velikiproblem i sprečavalo da se automobili koji su u to doba koristili

turbo punjač proglase praktičnima. Turbo punjači su se u to doba

obilato koristili u auto sportu - počevši od ikone BMW-a 2002

turbo modela pa do "endurans" trka i na kraju same Formule 1,

medutim vozači trkačkih automobila su uspevali da se izbore sa

prilično neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilorešenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozača. Turbine iz

tog doba su bile veoma velike i teške pa su samim time bile

veoma inertne.Takve turbine se nisu mogle zavrteti ispod 3500

obrtaja, pa je opseg rada motora do 3500 obrtaja bio veoma slab

obzirom da je u doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi

se izbeglo pregrevanje glave cilindara.

Porše je pionir kada se govori o relativno praktičnim turboautomobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji

je koristio rešenje do koga su došli Porešovi inženjeri. Mehanizamse zasnivao da se koriste takozvane “recirkulišuca” creva koja suomogućaval turbini da se zavrti pre početka rada pa se time



4

umanjivao lag. Model iz 1978. Porše 911 Turbo 3.3 koji jenasledio model 3.0 turbo je uneo još jedan novitet – interkuler koji

je dodatno umanjio lag i doprineo povećanju snage motora.

Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbo-punjača jeevoluirala u pravcu kultivisanijeg rada.Tokom zadnjih godina se

kod automobila sa turbo-punjačima koristi još jedan sistemumanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani

turbo punjači su koristili primitivna mehanička rešenja sa "vejstgejt" ventilom kako bi izbegli prevelik pritisak i preveliku brzinu

turbine.

Kasnih 80-tih i početkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogućena fina kontrola pritiska turbine pa tim sistemom

omogućeno da, na primer, turbo isporučuje 1,4 bar ispod 3000

obrtaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 obrtaja, a 1,8 bar iznad 4500

obrtaja. Tako finom kontrolom je postugnut linearan rast snage

što je doprinelo tačnom osećaju u vožnji.



5

Slika 2: Motor Chevrolet Corvair-a sa turbo-punjačem

Turbo punjač – turbo

Slika 3: Turbo punjač – turbo

Turbo punjači su jedan od nekoliko sistema za dodatno unošenjevazduha u motor tj. one kompresuju (smanjuju zapreminu)

vazduha koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine

vazduha koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljavamotoru da ima više vazduha u cilindru, a samim tim više gorivatreba da bi se napravila odgovarajuća smješa. Samim time, dobija

se više snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora.Motor sa turbo punjačem po definiciji proizvodi više snage od



6

motora koji nema turbo punjač, a to značajno poboljšava odnos

snaga / težina motora.

Da bi turbo punjači postigli odgovarajuću kompresiju, turbo-punjač koristi izduvne gasove motora da bi zavrteo svoju turbinu

koja opet ubrzava unos vazduha. Turbina turbo-punjača se

obično vrti od 100 do 150 hiljada obrtaja u minuti, a kako je

direktno povezana na izduvnu granu motora temperature na

kojima turbina radi su veoma visoke.

Slika 4: Uprošćena šema motora sa turbo-punjačem

Air filter – filter vazduha, Turbocharger – turbo punjač, Intake – usisna grana, Exaust – izduvna grana



7

Osnove:

Najlakši način da dobijete više snage iz motora je da povećate

količinu vazduha i goriva koje motor može da sagori. Jedan odnačina je da se poveća zapremina bilo povećanjem zapremine

cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj način nije moguć ili

isplativ, turbo punjač je jednostavnije i kompaktnije rešenje. Turbo punjači omogućavaju motoru da sagori više goriva i

vazduha tako što u postojeću zapreminu motora sabijanjemubacuje više goriva i vazduha. Mera za sabijenost je u barima

(metricki sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom

incu).

1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar.

Tipičan pritisak turbina je obicno oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar štoznaći da se u motor ubacuje 50% više vazduha (1 bar jenormalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomoću turba

dobijate 1,5 bar tj. 50% povećanja pritiska). Za očekivati je da će i

snaga skočiti za 50%, medutim sistem nije 100% efikasan tako da

su povećanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od

konstrukcije. Deo neefikasnosti potiće od toga što vazduh koji

pokreće turbinu nije „besplatan“, tj. vazduh koji turbina pozajmljujeiz izduvne grane motora ima svoju cenu. Cena je da motor mora

da uloži više energije da izbaci vazduh obzirom da na izlazupostoji otpor okretanja turbine koji taj izdvuni gas mora da

savlada.



8

Način funkcionisanja turbo punjača:

Turbo punjač je pričvršćen na izduvnu granu motora, a ti izduvni

gasovi okreću turbinu. Turbina je osovinom povezana sa

kompresorom koji se nalazi izmeĎu filtera za vazduh i usisne

grane motora i taj kompresor sabija vazduh koji se ubacuje u

cilindre. Izduv iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje

okreću samu turbinu i što više vazduha prolazi kroz lopatice, to se

turbina brže okreće. Sa druge strane osovine na koju je prikačenaturbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre.

Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlači vazduh u centru

svojih lopatica i gura ga dalje kako se okreće.

Da bi izdržala 150000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti

pričvršćena veoma pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brziniokretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punjači koriste

fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju izmedu lagera i osovine i

pomoću koga se kuglagerima po kojima se osovina kreće samim

tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove

turbo punjača.



9

Slika 5 : Izgled turbo punjača

Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne strane

je turbina koja pomoću izduvnih gasova pokreće kompresor pomoću osovine koja ih povezuje.



10

Slika 6 : Sistem rada turbo punjača

Slika 7 : Pera impelera na turbini



11

Problemi koji se javljaju kod turbo punjača

1. Previše pritiska

Kada se vazduh sabija u cilindre pod pritiskom koji pravi turbo-

punjač koje zatim klip dodatno sabija postoji povećana opasnost

od samozapaljivanja smeše. Samozapaljivanje smeše sepojavljuje kada se smeša vazduha i goriva kompresuje preko

kritične tačke ćime dolazi do detonacije u cilindru iako svečica nijezapalila smešu što može oštetiti motor. Automobili sa turbopunjačima obično koriste visoko oktanska goriva (koja imaju veću

otpornost ka samozapaljivanju) da bi izbegli ovaj problem.

Problem se takoĎe može rešiti smanjenjem kompresije motora štonaravno dovodi i do smanjenja snage motora.

2. Turbo Lag

Jedan od najlakše uočivih problema turbo punjača je da oni rade

istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, već je potrebno da

motor obezbedi odgovarajuću količinu gasova, a onda je potrebno

još nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi počela sa radom

što ima za rezultat da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko

trenutaka po pritiskanju pedale gasa. Jedan od načina zasmanjenje ovog efekta (lag = zadrška prim.prev.) je da se smanjiintertnost pokretnih delova, tj. umanjenje njihove težine. Ovoomogučava turbini i kompresoru vazduha da se brzo zavrte i

počnu ranije sa povećanjem snage motora.



12

3. Mali ili veliki turbo punjač?

Siguran način za smanjenje inertnosti turbine i kompresora

vazduha je da se turbo-punjač načini što manjim. Mali turbo-

punjač ce daleko brže obezbediti pritisak i na manjem brojuobrtaja motora, ali neće biti sposoban da obezbedi dovoljno

pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike količine

vazduha da bi zadržao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da

se mala turbina na visokom broju obrtaja motora može vrtetiprebrzo što može dovesti do njenog oštećenja.

Veliki turbo-punjač može da obezbedi veliki pritisak na visokombroju obrtaja motora, ali je on težak i inertan te mu je potrebno

više vremena da ubrza svoju tešku turbinu i kompresor vazduha.

... i njihova rešenja

Ventil za ispuštanje viška vazduha (vejst gejt – eng.

wastegate)

Većina automobilskih turbo punjača imaju ventil za ispuštanjeviška vazduha koji omogućava manjim turbo punjačima da se ne

vrte previše brzo na visokom broju obrtaja, a istovremeno time štosu mali umanjuju lag. Ventil za ispuštanje viška vazduhaomogućava izduvnim gasovima da ne prelaze preko lopatica

turbine. Ventil „oseca“ promenu pritiska i ako pritisak preĎe

odreĎenu granicu to je indikator da se turbina okreće prebrzo i

tada ventil ispušta deo izduvnih gasova tako da ne prelaze prekoturbine i time omogućava turbini da uspori.



13

Slika 8: Wastegate ventili – desno se nalazi fabrcki, levo je visokoperformansni

Lageri

Neki turbo punjači koriste bolje lagere umesto lagera u tečnosti

kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obični lageri –

to super precizno napravljeni lageri, a materijali od kojih se prave

su posebne legure koje mogu da izdrže velike brzine itemperature koje proizvodi turbina. Oni omogućavaju da se

osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoć korišćenja

tečnosti umesto lagera koji se koriste u većini turbo punjača.

Oni takode omogućavaju koriščenje manjih i lakših osovina štoopet pomaže turbo punjaču da se brže pokrene i time dodatnosmanji turbo lag.



14

Slika 9: Lageri

Keramičke lopatice na turbinama

Keramičke lopatice na turbinama su lakše nego one od čelikakoje se najčešće koriste na turbo punjačima. Naravno ovo opet

omogućava brži start turbine što opet umanjuje lag. Lopatice odkeramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitcubishi Lanceru

EVO. Korišćenje duplih turbo punjača je pitanje željeneefikasnosti i mogućnosti da se oni negde fizički i postave. Za veće

motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbo punjača

umesto jednog velikog – kao što je to Porše radio na ranimmodelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija

motora takoĎe je poželjno koristiti dupli turbo zato što jedan turboopslužuje jednu stranu motora i time se skraćuje dužina crevaturbo punjača što umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turboimaju takav sistem koji izduvne gasove sa jedne turbine vode ka



15

drugoj turbini i to je takozvani koncept “povratne sprege” kojaobezbeĎuje balansirani dovod snage u obe strane motora. Motori

koji imaju paralelni dupli turbo su motori koji imaju po jednu

turbinu za svaku stranu motora. S druge strane sekvencijalni dupliturbo je dizajniran da ubrza odgovor turbine i dodatno umanji lag.

Takav sistem radi kako mu ime kaže sekvencijalno tj. na malombroju obrtaja radi mala turbina, a veća nije aktivna i time se

postiže brz odgovor na srednjem broju obrtaja. Kada se količ ina

izduvnih gasova dovoljno poveća uključuje se i druga turbina koja

na dodatno povećava pritisak. Ono što je mana kodsekvencijalnih duplih turboa je velika količina creva koja je

potrebna da bi sistem radio (izduvni gasovi moraju da dopru do

obe turbine posebno kao i izlazi iz obe turbine moraju doći do

usisnih grana motora) i samim tim je u poslednje vreme

napuštena tehnika od strane proizvodača. Auotomobili koji koriste

ovakav sistem turbina su: Porše 959, Mazda RX7 treće

generacije, Tojota Supra i Subaru Legasi.

Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT)

Poslednjih nekoliko godina je ovo veoma popularan način

koriščenja turbina. Saab kao pionir u ovoj oblasti je prvi put

iskoristio LPT u masovnoj proizvodnji 1992. godine kada je

prikazao, tada, novi model Saab 9000 2,3l Turbo Ecopower. Taj

motor je imao samo 170KS, tj. 20KS više u odnosu na identiačan

motor bez turbo punjača, a 30KS manje od standardnog 2,3l

Turbo motora. Dok su ostali proizvodači želeli što veću cifru

snage ili obrtnog momenta, Saab je pametno zakljucio da iako je

takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoć malog turba motor



16

ima solidan obrtni momenat što omogućava dobro ubrzanje, ali je

daleko lakši za vožnju obzirom da je turbo lag praktično

nepostojeći, a odogovor na komandu gasa kao i kod atmosferskih

motora. Saab je zbog bolje krive obrtnog momenta produžioodnos menjača pa je time dodatno uspeo i da umanji potrošnju isvede je na manje od atmosferskog motora iste veličine.

U prošlosti, loše vozne osobine i visoka potrošnja goriva susprečavale da se turbo punjači koriste u automobilima koji su

namijenjeni širokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend jepotpuno drugaciji zbog potražnje za većim prostorom i komforom

što je dovelo do povećanja težine automobila pa da bi seperfromanse zadržale na prethodnom nivou potrebno je višesnage, a za to se ili ugraduje veći motor ili se dodaje turbo punjač.

Kada u igru ude i cena tj. želja za što manjim troškovima svakogproizvodača turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako

tendencija koja će u narednim godinama biti sve više izražena.Masovno korišcenje turbina na dizel motorima u proteklih 15godina je donijelo veliki broj inovacija uz istovremeno smanjenje

cijene turbina, pa se proizvodači u poslednje vrijeme sve češćeokreću turbo motorima. Na primjer novi Opel ima 2.0 Turbo motor,

a u najavi je i 1,6l Turbo. Alfa Romeo u najavi ima nekoliko

motora koji koriste Turbo i Twin Turbo. VW koncern je pored 1,8

Turbo motora u gamu uvrstio i 2,0 Turbo, itd.

TakoĎe, dužni smo i da nabrojimo nekoliko većh proizvodača

turbo punjača: Garett, KKK i IHI.



17

Osnovne jednačine kod proračuna turbokompresora

Za razumijevanje načela djelovanja strojeva na strujanje kaoosnova služe tri osnovna stavka hidromehanike: Bernoullijeva

jednačina, jednačina kontinuiteta i impulsni stavak.

Bernoullijeva jednačina za kompresibilno strujanje bez gubitakaglasi

+

+∫v P + gh = const.

gdje je postignuta brzina struje, totalni tlak na početku a statički tlak na kraju promatranja, g ubrzanje sile teže i hgeodetska razlika u visini. Pri promatranju strujanja krozturbokompresor član gh se može zanemariti.

Jednačina kontinuiteta glasi

̇ = ̇ = A=

Impulsni stavak kazuje da je potrebni zakretni moment zaodržavanje rotacije kola turbokompresora jednak razlici momentaimpulsa (veličine gibanja). Pri računanju impulsa treba uzeti samoobodne komponente ulazne i izlazne brzine i jer se samoone odupiru zakretanju kola.

Moment impulsa protočne mase ̇ na ulazu u kolo rotora i na

izlazu iz njega iznosi = ̇ i = ̇ , pa je potrebnizakretni moment kola = - = ̇ ( - ).Uvrštenjemizraza za kutnu brzinu



18

=

=

u prethodnu j-nu dobija senakon sreĎivanja izraza za

snagu potrebnu za pogon turbo-kompresora :

=

= ̇ ( - ).

Zaključak

Već odavno je turbokompresor praktičan i jednostavan način zapovećanje snage motora, s tim što u prošlosti ekonomičnost benzinskihmotora sa turbo-punjačem nije bila baš sjajna. Danas su se stvaripromenile i savremeni turbo-punjači predstavljaju most koji spaja

kulturu vožnje i štedljivost. Turbo-pun jač i turbo-kompresor imajuistu ulogu (da povećaju snagu motora), jedina im je razlika to što

je turbo-kompreso je povezan sa kolenastim vratilom a turbo-punjač se nalazi na usisnoj grani. Savrameni automobile koristeturbo-punjač .Torbo-punjač je mehanički ureĎaj kojim se vazduhu povećavagustina i smanjuje volume pre ubacivanja u cilindre, to jest za

kraće vreme se u cilindar ubacuje veća količina smeše goriva i

kombinovanog vazduha,uslad čega dolazi do boljeg sagorevanja

smeše u cilindrima i postizanja veće snage motora. Ovako

postignuto povećanje snage motora nije praćeno povećanjemukupne težine motora, što bi bio slučaj da se povećao brojcilindara i radne zapremine motora.

Turbo punjači omogućavaju motoru da sagori više goriva ivazduha tako što u postojeću zapreminu motora sabijanjemubacuje više goriva i vazduha. Mera za sabijenost se izražava ubarima (metrički sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po

kvadratnom inču). 1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar.



19

Za očekivati je da će i snaga skočiti za 50%, medutim sistem nije100% efikasan tako da su povećanja snage u okviru 30 – 40% u

zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti potiče od toga što

vazduh koji pokreće turbinu nije „besplatan“ , tj. vazduh kojiturbina pozajmljuje iz izduvne grane motora ima svoju cenu.

Cena je da motor mora da uloži više energije da izbaci vazduhobzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koja na taj

način izdvuni gas mora da savlada.

Stariji automobili sa karburatorom automatski povećavaju dotokgoriva da bi parirali većem dotoku vazduha u motor, dok moderni

automobili sa elektronskim ubrizgavanjem goriva takode to rade,ali će to povećanje dotoka goriva biti srazmerno podatku koji šaljeprotokomer vazduha koji meri kao što mu i ime kaže koliko je

vazduha ušlo u motor pa će odnos vazduha i goriva kod takvihmotora biti uvek veoma blizu idealnom. Ukoliko turbina radi na

visokom pritisku i elektronsko ubrizgavanje nema dovoljno jaku

pumpu koja može da dopremi potrebnu količinu goriva u cilindre ili

softver koji upravlja ubrizgavanjem goriva neće da dozvoli tolikukoličinu goriva ili brizgaljke za unos goriva u cilindar nemajudovoljno veliku protočnu moć motor neće moći da maksimalnoiskoristi turbo punjač pa će ostali delovi sistema za ubrizgavanjegoriva morati dodatno da se modifikuju da iskoriste pun potencijal

turbo punjača.Turbo punjači pomažu na velikim visinama gde jevazduh dodatno razreĎen. Normalni motori će na takvomrazreĎenom vazduhu imati manje snage na raspolaganju zato štoće manje vazduha biti u cilindru, dok se kod motora sa turbo

punjačem ta razlika daleko smanjuje (i dalje postoji pad snage,samo je manji) zato što će turbina iako je vazduh reĎi uguratidaleko više tog reĎeg vazduha zato što je lakši pa će time malokompenzovati gubitak gustine vazduha.



20

Da bi izdržala 150 000 rotacija u minuti osovina turbine morabiti pričvršćena veoma pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brziniokretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punjači koriste

fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju izmedu lagera iosovine i pomoću koga se kuglagerima po kojima se osovinakreće samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu idruge delove turbo punjača.

Slika 10 i 11: proces balansiranja turbine



21

Slika 12:

Mašina za balansiranje turbine

Redat MRV-2



22

Izvori podataka:

1. www.turbocentar-tpc.com

2. www.redat.it

http://www.turbocentar-tpc.com/



http://www.redat.it/





rad stručne prakse: turbine i turbo-kompresori

Documents