Modul de funcționare al motorului turbo

    Ideea de supraalimentare a motoarelor utilizând un turbo-compresor este la fel de veche ca și motorul termic cu ardere internă. Începând cu 1896 Goettlieb Daimler și Rudolph Diesel au demarat investigațiile privind creșterea puterii și reducerea consumului unui motor cu ardere internă folosind comprimarea aerului admis în motor. În anul 1925 inginerul elvețian Alfred Bchi a fost primul care a implementat cu succes un sistem de supraalimentare cu turbo-compresor pe un motor termic, obținând o creștere a puterii cu 40% față de versiunea cu motor aspirat. Acesta a fost momentul care a dat startul introducerii turbo-compresoarelor pe motoarele termice de automobile.

    Chevrolet Corvair Monza și Oldsmobile Jetfire sunt primele automobile cu motoare turbo supraalimentate ce apar pe piața americană în 1962.

Chevrolet Corvair Monza Oldsmobile Jetfire
Foto: Chevrolet Corvair Monza
Sursa: Wikimedia Commons

Foto: Oldsmobile Jetfire
Sursa: rearviewd.com

    Chevrolet Corvair Monza era echipat cu un motor pe benzină, supraalimentat, cu cilindreea de 2.3 litri și 6 cilindrii în linie. Puterea maximă era de 150 CP la 4400 rot/min și cuplul maxim de 285 Nm, disponibil între 3200 și 3400 rot/min.

    Oldsmobil Jetfire era echipat cu un motor pe benzină F-85, supraalimentat, cu cilindreea de 3.5 litri avînd 8 cilindrii în V. Puterea maximă era de 215 CP la 4600 rot/min iar cuplul maxim atingea valoarea de 407 Nm la 3200 rot/min.

    În ciuda performanțele tehnice admirabile, motoarele turbo supraalimentate din aceea perioadă au dispărut de pe piață datorită fiabilității scăzute.

    După criza petrolului din 1973, turbo supraalimentarea a devenit acceptată din ce în ce mai mult, mai ales în cazul vehiculelor comerciale cu motoare diesel, deoarece conducea la o reducere  semnificativă a consumului.

    Începând cu anii '70 motoarele turbo supraalimentate își fac debutul în sporturile cu motor, în special în cursele de Formula 1. Acest fapt ajută la promovarea turbo supraalimentării care devine un standard în echiparea motoarelor pentru automobile. Cu toate că creșterea puterii motoarelor este semnificativă, perioada este de scurtă durată datorită consumului destul de mare de combustibil. De asemenea fenomenul de „turbo-lag” (întârzierea răspunsului motorului la apăsarea pedalei de accelerație) avea un impact semnificativ și nu era acceptat de majoritatea cumpărătorilor de automobile.

    Adevăratul debut al motorului turbo supraalimentat se face în anul 1978 odată cu apariția automobilului Mercedes-Benz 300 SD ce era echipat cu un motor diesel turbo. După trei ani VW Glof Turbodiesel își face debutul pe piață de automobile. Datorită turbo supraalimentării motoarelor diesel pentru automobile se reușește creșterea randamentului, scad semnificativ emisiile poluante iar un motor diesel devine comparabil cu un motor pe benzină în ceea ce privește maniabilitatea.

    Astăzi supraalimentarea motoarelor pe benzină nu mai este folosită ca o tehnologie care cresc performanțele dinamice ale motorului ci ca o modalitate de a reduce consumul de combustibil și respectiv emisiile poluante.

Modalități de creștere a puterii unui motor cu ardere internă

    Pentru a înțelege mai bine tehnologia turbo supraalimentării să recapitulăm principiul de funcționare al motorului termic în patru timpi, motor ce echipează majoritatea automobilelor și vehiculele comerciale. Un ciclu complet de funcționare este compus din patru timpi ce sunt realizați în două rotații complete ale arborelui cotit. Schimbul de gaze din interiorul cilindrilor este făcut cu ajutorul supapelor de admisie și evacuare.

Principiul de funcționare al unui motor cu ardere internă cu piston

Foto: Principiul de funcționare al unui motor cu ardere internă cu piston
Sursa: Wikimedia Commons

    Admisie - supapa de admisie se deschide, pistonul se deplasează spre arborele cotit, aer proaspăt (în cazul motorului diesel sau pe benzină cu injecție directă) sau amestec aer-combustibil (în cazul motorului pe benzină cu injecție indirectă) este tras în motor.

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

    Destindere - în cazul motorului pe benzină amestecul aer-combustibil este aprins cu ajutorul unei bujii, în timp ce pentru un motor diesel motorina este injectată la presiune mare și se autoaprinde. Presiunea generată în urma arderii împinge pistonul spre arborele cotit generând lucru mecanic.

    Evacuare - supapa de evacuare se deschide iar deplasarea pistonului spre chiulasă evacuează gazele arse din motor.

    Puterea unui motor cu ardere internă este dată de produsul cuplului motor efectiv și de turația motorului:

PUTERE = CUPLU x TURATIE

    Este evident că creșterea puterii se poate realiza pe două căi, prin creșterea turației maxime sau prin creșterea cuplului motor:

  • creșterea turație maxime a motorului este limitată de rezistența mecanică a pieselor în mișcare. În plus un nivel mai ridicat al turației înseamnă creșterea frecărilor din motor precum și a pierderilor prin pompaj, cu alte cuvinte scăderea randamentului. Acestă soluție nu este viabilă.
  • creșterea cuplului motor se poate face prin doua moduri:
  • creșterea capacității cilindrice ce are ca rezultat introducerea unei cantități mai mare de aer sau amestec aer-combustibil deci energie mai mare generată în urma arderii. Mărirea capacității cilindrice se poate face prin creșterea cilindreei unui singur cilindru sau prin creșterea numărului de cilindri. Dezavantajul este creșterea masei motorului care are impact asupra emisiilor poluante și a consumului.
  • creșterea presiunii medii efective din cilindru prin turbo supraalimentare.

Definiția turbo supraalimentării

    Un motor aspirat este un motor la care introducerea aerului în motor se face datorită depresiunii creată de deplasarea pistonului către arborele cotit în timpul cursei de admisie. Se numește „aspirat” deoarece aerul este introdus la o presiune inferioară presiunii atmosferice (< 1 bar). În cazul motoarelor supraalimentate aerul, înainte de a fi introdus în cilindru, este precomprimat de un compresor, presiunea ajungând la valori de până la 2.5 – 3 bari. „Turbo” este termenul care arată că gazele de evacuare sunt utilizate, prin intermediul unei turbine, pentru a pune în mișcare  compresorul.

Construcția și funcționarea unui grup turbo-compresor

    Un sistem de supraalimentare cu turbo-compresor este compus în principal din: turbină, arbore de antrenare și compresor. Turbina și compresorul sunt fixate între ele printr-un arbore de antrenare. În cazul turbinei gazele de evacuare intră radial și ies axial iar în cazul compresorului aerul este aspirat axial și refulat radial.

Sistem de turbo supraalimentare

Alt: Sistem de turbo supraalimentare.
Foto: Wikimedia Commons

    Cum funcționează? Gazele de evacuare rezultate în urma arderii au o viteză foarte mare deci energie cinetică foarte mare. Acestea sunt colectate în galeria de evacuare și apoi redirecționate spre turbină care, în contact cu gazele evacuate, este pusă în mișcare. La rândul ei turbina antrenează compresorul care aspiră aer din galeria de admisie și-l comprimă înainte sa fie introdus în cilindru.

Secțiune printr-un turbo-compresor

Foto: Secțiune printr-un turbo-compresor
Sursa: Bosch

    Tehnologia turbo supraalimentării utilizată în industria automobilelor vine în mai multe variante. Clasificarea majoră se face în funcție de geometria grupului turbină, de prezența sau absența sistemului de răcire al aerului comprimat și de numărul de grupuri turbo-compresor utilizate.

    Începem cu turbina cu geometrie fixă (FGT) plus wastegate (supapă de refulare) și intercooler (răcire intermediară). Atenție! Geometrie fixă sau variabilă nu se referă la geometrie efectivă a turbinei ci la geometria galeriei prin care trec gazele de evacuare.

Sistem de turbo supraalimentare cu turbină cu geometrie fixă, intercooler și wastegate

Foto: Sistem de turbo supraalimentare cu turbină cu geometrie fixă, intercooler și wastegate.

    Principiul de funcționare este simplu, aerul este aspirat în compresor după ce a trecut prin filtrul și ridicat le o presiune superioară înainte de a fi introdus în motor. Datorită presiunii ridicate după comprimare temperatura aerului crește ceea ce conduce la o scădere a densității deci implicit a masei de aer proaspăt. Creșterea temperaturii este rezultatul combinat a trei factori:

  • adaosul de energie suplimentară datorită procesului de comprimare
  • curgerea turbulentă a aerului prin compresor
  • transferul de căldură de la turbină la compresor

    Temperatura ridicată a aerului admis în motor are efecte negative asupra performanțelor motorului, consumului și a emisiilor poluante. Pentru a elimina aceste dezavantaje se recurs la răcirea aerului comprimat prin intermediul unui intercooler, sistem care aduce următoarele avantaje:

  • creșterea densității aerului admis în motor, ce are ca efect creșterea puterii motorului cu până la 25% față de versiunea fără răcire intermediară
  • reducerea tensiunilor termice asupra turbinei și motorului datorită scăderii temperaturii din cilindrii
  • scăderea consumului de combustibil cu până la 5%  față de versiunea fără răcire intermediară, mai ales datorită eficienței ridicate a răcirii la turații scăzute

Radiatorul de răcire intermediară a aerului comprimat - intercooler

Foto: Radiatorul de răcire intermediară a aerului comprimat (intercooler)
Sursa: Wikimedia Commons

    Sistemul de răcire este pentru majoritatea automobilelor de tipul aer-aer, adică fluxul de aer exterior este utilizat pentru răcirea aerului comprimat. Răcirea se face cu ajutorul unui radiatorul care se poziționează de obicei în fața radiatorului de răcire al motorul.

    În cazul sistemelor de supraalimentare cu turbină cu geometrie fixă dimensionarea acestora se face astfel încât presiunea furnizată de compresor să aibă valori mari începînd de la valori mici ale turației motorului. Problema apare la turațiile mari ale motorului deoarece presiunea generată de compresor este prea mare și poate afecta stabilitatea mecanică și termică a motorului. Soluția vine odată cu utilizarea unei supape de refulare numită wastegate care la regimuri de turație ridicate se deschide și redirecționează gazele de evacuare ocolind turbina. Astfel este limitat debitul de gaze arse din turbină care conduce la o limitare a turației compresorului și deci o limitare a presiunii aerului comprimat.

Turbină cu geometrie fixă și wastegate

Foto: Turbină cu geometrie fixă și wastegate
Sursa: Wikimedia Commons

    Acționarea supapei de refulare se face cu ajutorul unei tije care de obicei este comandată pneumatic. Deschiderea sau închiderea supapei de refulare se face automat, în funcție de presiunea aerului după compresor sau prin acționarea unei electro-supape comandată de calculatorul de injecție. În cazul în  care comanda se face electronic este necesară prezența unui senzor de presiune pe galeria de admisie.

    Motorul cu 6 cilindrii în linie, pe benzină, turbo supraalimentat, de la BMW (Twin-Turbo) este compus din două grupuri turbo-compresor, un grup pentru fiecare set de 3 cilindrii. Turbinele sunt cu geometrie fixă iar limitarea presiunii aerului admis se face cu ajutorul unor supape de refulare.

Twin-Turbo

Foto: Twin-Turbo
Sursa: BMW

    Continental este unul din furnizorii de grupuri turbo-compresor pentru industria de automobile. În imagine este prezentat un sistem de turbo supraalimentare cu turbină cu geometrie fixă, destinat motoarelor pe benzină. Observați cilindrul pneumatic conectat la tija de acționare a supapei de refulare. Limitarea presiunii de supraalimentare se face automat utilizînd presiunea aerului precomprimat.

Grup turbo-compresor cu turbină cu geometrie fixă și wastegate

Foto: Grup turbo-compresor cu turbină cu geometrie fixă și wastegate.
Sursa: Continental

    O alternativă la turbinele cu geometrie fixă și supapă de refulare este turbina cu geometrie variabilă (VGT). Constructiv turbina este aceeași ca în cazul celei cu geometrie fixe. Diferența este dată de existența unor palete la intrarea în turbină care ajustează secțiunea de curgere a gazelor de evacuare. Modificarea secțiunii de curgere are ca efect modificare vitezei de curgere a gazelor deci implicit a turației turbinei. Acest mecanism permite controlul presiunii de supraalimentare prin controlul turației compresorului.

Turbină cu geometrie variabilă

Foto: Turbină cu geometrie variabilă
Sursa: Turbo Technics

    Turbina cu geometrie variabilă permite modificarea secțiunii de curgere a gazelor de evacuare în funcție de regimul de funcționare al motorului. Acest lucru facilitează utilizarea optimă a grupului turbo-compresor, ceea ce conduce la creșterea randamentului motorului termic în comparație cu versiunea de turbo-compresor cu geometrie fixă și wastegate.

Turbină cu geometrie variabilă - turație motor mică Turbină cu geometrie variabilă - turație motor mare
Poziția paletelor pentru o turație scăzută a motorului Poziția paletelor pentru o turație ridicată a motorului
Foto: Turbină cu geometrie variabilă
Sursa: Borg Warner

    Un element important al unui grup turbo-compresor sunt bucșele de frecare situate între arborele ce conectează turbina de compresorul și carcasă. Acestea sunt confecționate din bronz și au rolul de a reduce frecare în timpul funcționării turbo-compresorului. Pentru lubrifierea și răcirea pieselor în mișcare se utilizează uleiul motor la o presiune de aproximativ 4 bari. Turațiile la care pot ajunge turbo-compresoarele se situează în jurul valorii de 180.000 rot/min. Aceste solicitări extreme impun o echilibrare perfectă a pieselor în mișcare precum și un debit de ulei adecvat.

    Acționare palelor turbine cu geometrie fixă se face de obicei cu ajutorul unui cilindru pneumatic comandat electronic. Pentru un control mult mai precis al presiunii de supraalimentare este necesară utilizarea sistemelor de acționare electrice. De exemplu Mahle a dezvoltat un grup turbo-compresor cu geometrie fixă la care acționarea wastegate-ului se face cu un motor electric.

Turbo-compresor cu acționare electrică

Foto: Turbo-compresor cu acționare electrică
Sursa: Mahle

Avantajele turbo supraalimentării

    În comparație cu un motor termic aspirat ce produce aceeași putere maximă, consumul de combustibil al unui motor turbo supraalimentat este mai mic, fenomen datorat și recuperării unei părți din energia disipată în gazele de evacuare care este utilizată pentru îmbunătățirea randamentului general al motorului. De asemenea datorită capacității cilindrice mai reduse al unui motor turbo se reduc și pierderile termice și prin frecări contribuind la creșterea randamentului.

Comparație curbe de cuplu motor - motor aspirat vs. motor turbo la aceeași capacitate cilindrică

Foto: Comparație curbe de cuplu motor (motor aspirat vs. motor turbo la aceeași capacitate cilindrică)

    Caracteristica de cuplu al unui motor turbo supraalimentat are următoarele avantaje în comparație cu un motor aspirat:

  • cuplul maxim este produs începând cu turațiile joase
  • cuplul maxim este constant pe o plaja mai largă de turații

    Performanțele unui motor turbo supraalimentat sunt net superioare unui motor aspirat mai ales în cazul exploatării acestora în zone cu altitudine ridicată unde pierderea semnificativă de putere afectează majoritatea motoarelor aspirate datorită presiunii scăzute.

    Avantajele turbo supraalimentării sunt evidente atât în ceea ce privește performanțele dinamice cât și emisiile poluante. Tendința constructorilor auto este de a introduce turbo supraalimentarea pe toate noile motoare, în acest mod păstrând performanțele dinamice dar la o cilindree mai mică. Tehnologiile de supraalimentare au evoluat considerabil datorită cerințelor de reducere a consumului pe de-o parte și datorită unui trend ascendent în ceea ce privește puterea raportată la capacitatea cilindrică pe de altă parte. Noile tehnologii turbo, dublă supraalimentare (R2STM) sau  acționarea electrică a compresorului (e-Booster) sunt deja pe lista de componente ale producătorilor de automobile. Construcția și modul de funcționare ale acestor tehnologii vor fi dezbătute în articolele viitoare.

Video - principiul turbo supraalimentării cu intercooler

Video - turbo-compresor BorgWarner

Video - componentele și asamblarea unui turbo-compresor

Video - principiul de funcționare al unei turbine cu geometrie variabilă

Video - principiul de funcționare al unei turbine cu geometrie variabilă cu acționare electrică

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

danielr1
Miercuri, 27 Mai 2015
in tabel BMW 313 cp BITURBO

in animatie cand 2 si 6 sunt decuplati supapele nu se misca? nu se creeaza inutil compresie sau raman deschise?

Raportează comentariul
alex_stefan
Marți, 07 Octombrie 2014 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5
ccc7070
Sâmbătă, 31 August 2013 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5

Login

Logo motorul anului