Toυρμπίνες κινητήρων – Υπερπλήρωση δύο σταδίων

Η υπερπλήρωση δύο σταδίων αποτελεί μία καινοτόμα τεχνολογία για την αύξηση της απόδοσης στους κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Με την Υπερπλήρωση δύο σταδίων πετυχαίνουμε τη μέγιστη ροπή σε ένα ευρύ φάσμα στροφών του κινητήρα, σε σχέση με τις πιο απλές λύσεις, στον τομέα της υπερπλήρωσης. Ταυτόχρονα, σύμφωνα με τους ειδικούς μπορούμε να πετύχουμε μείωση στην κατανάλωση καυσίμου καθώς και μείωση στις εκπομπές ρύπων.

Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, με τετράχρονη λειτουργία έχουν συμπληρώσει πάνω από 100 χρόνια λειτουργίας κάτω από τα καπό των αυτοκινήτων.

Ένας δυναμικός παράγοντας για την επίτευξη καλύτερης απόδοσης αποτελεί η βελτίωση στην εναλλαγή φορτίου στον κύλινδρο: όσο πιο φρέσκος αέρας παρέχεται στον θάλαμο καύσης κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου καύσεως και όσο πιο αποτελεσματικά εκκενώνονται τα καυσαέρια από τον θάλαμο καύσης, τόσο πιο αποτελεσματικά αποδίδει ο κινητήρας. Για να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα στους ατμοσφαιρικούς κινητήρες, η εναλλαγή φορτίου έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνεται με την αύξηση του μεγέθους της επιφάνειας διατομής του αέρα, ιδιαίτερα στην εισαγωγή, όπως και στην εξαγωγή. Η λέξη-κλειδί είναι η «τεχνολογία πολλαπλών βαλβίδων».

Ωστόσο, ανεξάρτητα από το πόσες βαλβίδες παρέχουν φρέσκο αέρα στο θάλαμο καύσης και πόσο μεγάλοι είναι οι αυλοί της εισαγωγής, η μέγιστη πίεση που μπορεί θεωρητικά να επιτευχθεί είναι 1 bar. Στην πραγματικότητα η μέγιστη πίεση είναι σημαντικά μικρότερη. Αυτό σημαίνει ότι οι ατμοσφαιρικοί κινητήρες φτάνουν στο όριό τους. Για να αξιοποιηθεί η καύση και να βελτιωθεί η απόδοση, περισσότερος αέρας πρέπει να είναι διαθέσιμος στο θάλαμο καύσης από αυτόν που μπορεί ο κινητήρας από μόνος του να παρέχει. Γι’ αυτό το λόγο οι συμπιεστές έγιναν τόσο δημοφιλείς.

Ο συμπιεστής

Οι ειδικοί αναφέρουν, ότι περισσότερη πίεση σημαίνει και μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα του κινητήρα. Μάλιστα, για να αυξηθεί η παροχή αέρα στο θάλαμο καύσης, η χρήση ενός συμπιεστή έχει αποδειχθεί  ότι είναι απαραίτητη και ταυτόχρονα πολύ αποτελεσματική. Η βασική αρχή πίσω από αυτό είναι ότι ο φρέσκος αέρας δεν εισέρχεται πλέον από την κίνηση του πιστονιού, αλλά αντιθέτως με τη βοήθεια μίας φτερωτής. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε υπερπίεση αρκετών bar. Όσο περισσότερος αέρας εισάγεται στον κινητήρα, τόσο πιο μεγάλη είναι η απόδοση.  Σήμερα, η συμπίεση παράγεται από έναν υπερσυμπιεστή καυσαερίων , όπου η τουρμπίνα του λαμβάνει την ενέργειά του από την απορριπτόμενη θερμότητα και την  υπολειμματική πίεση των καυσαερίων. Το κόστος του ενεργειακού εφοδιασμού είναι σχεδόν μηδενικό. Χωρίς υπερτροφοδότη τα καυσαέρια θα εξάγονταν στο περιβάλλον ανεκμετάλλευτα.

Σημαντικό ρόλο για τον υπερσυμπιεστή αλλά και για να γίνει σωστή πίεση παίζει το στροφείο και το στρόβιλο, το οποίο πρέπει να περιστρέφεται πολύ γρήγορα: ανάλογα με το μέγεθός τους, μπορούν να φτάσουν μεταξύ 80.000 και αρκετά πάνω από 300.000 στροφές ανά λεπτό. Κάθε συμπιεστής είναι σχεδιασμένος να επιτυγχάνει συγκεκριμένη μέγιστη ταχύτητα, η οποία αν ξεπεραστεί προκαλεί ανεπανόρθωτη ζημιά. Αυτό σημαίνει ότι ο συμπιεστής περιστρέφεται αργά στις χαμηλές στροφές του κινητήρα και συνεπώς δεν τροφοδοτείται με τη μέγιστη ποσότητα αέρα. Αυτό μεταφράζεται σε μία καθυστέρηση της απόκρισης του κινητήρα και αργή επιτάχυνση του οχήματος, το χαρακτηριστικό “turbo lag”.

Τουρμπίνα μεταβλητής γεωμετρίας

Η  Τουρμπίνα μεταβλητής γεωμετρίας  μπορεί να επεκτείνει το εύρος της ταχύτητας με την οποία ο υπερσυμπιεστής λειτουργεί αποτελεσματικά. Αυτοί οι τύποι υπερσυμπιεστή έχουν ρυθμιζόμενα πτερύγια στην πλευρά της εισαγωγής. Ανάλογα με τις απαιτήσεις, καθοδηγούν τη ροή των καυσαερίων προς τον άξονα της τουρμπίνας, ώστε να επιταχύνει ταχύτατα και να περιστρέφεται γρηγορότερα. Αυτό διευρύνει το φάσμα στροφών του κινητήρα στην οποία ο υπερσυμπιεστής μπορεί να λειτουργήσει αποτελεσματικά. Το να επιτευχθεί η ταχύτερη απόκριση του συμπιεστή αποτελεί πρόκληση, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για μεγάλους συμπιεστές, επειδή έχουν πιο ογκώδη μέρη ( άξονες, φτερωτές κτλ ) τα οποία πρέπει πρώτα να επιταχύνουν. Διάφορες εναλλακτικές μπορούν να εφαρμοστούν ώστε να παραχθεί η μέγιστη πίεση υπερπλήρωσης ταυτόχρονα σε χαμηλές και υψηλές στροφές.

Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιήσει ένας κομπρέσορας στην  περιοχή χαμηλών στροφών του κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο οποίος παίρνει κίνηση από το στρόφαλο. Στις υψηλότερες στροφές του κινητήρα, χρησιμοποιείται ένας υπερσυμπιεστής καυσαερίων. Ταυτόχρονα με αυτό ο κομπρέσορας διαχωρίζεται από το σύστημα μετάδοσης, για να προστατευθεί ο συμπιεστής από υπερπίεση.Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται μέσω ενός μαγνητικού συμπλέκτη. Το σαφές πλεονέκτημα του κομπρέσορα είναι η υψηλή ταχύτητα απόκρισης του. Ωστόσο, αντλεί την ενέργειά του από τον στρόφαλο, με συνέπεια να στερεί ισχύ από τον κινητήρα.

Δεδομένου ότι η απώλεια ενέργειας θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί με κάθε κόστος, προκειμένου να βελτιώσει περαιτέρω την απόδοση του κινητήρα, η πολλαπλών σταδίων υπερσυμπίεση γίνεται ολοένα και πιο απαραίτητη. Η προσέγγιση αυτή συνδυάζει δύο υπερσυμπιεστές καυσαερίων με διαφορετικές διαστάσεις.

Στάδιο 1 – στάδιο υψηλής πίεσης:

Ο μικρός υπερσυμπιεστής καυσαερίων λειτουργεί σε χαμηλές στροφές. Έχοντας μικρό στρόβιλο και φτερωτή, έχει μικρή μάζα και έτσι προσφέρει καλή ανταπόκριση.

Στάδιο 2 – φάση χαμηλής πίεσης:

Από τις μεσαίες ως τις υψηλές στροφές, η ροή των καυσαερίων οδηγείται στον μεγαλύτερο υπερσυμπιεστή μέσω μιας βαλβίδας διαφυγής. Συγχρόνως, η παροχή του καυσαερίου στο μικρό turbo μειώνεται αυτόματα. Εάν ο κινητήρας εσωτερικής καύσης λειτουργεί στη μέγιστη ταχύτητα και απόδοση ισχύος, τότε μία δεύτερη θυρίδα διαφυγής ανοίγει και καθοδηγεί μερικά από τα καυσαέρια απευθείας στο σύστημα εξάτμισης, προκειμένου να προστατεύσει  τον μεγάλο υπερσυμπιεστή καυσαερίων από υπερφόρτωση. Ταυτόχρονα, μια ρυθμιζόμενη βαλβίδα με ελατήριο μεταξύ των δύο υπερσυμπιεστών ρυθμίζει επίσης τον αέρα υπερπλήρωσης (φρέσκο αέρα) για να εξασφαλιστεί μια αρμονική, ομαλή μετάβαση από το μικρό στο μεγάλο υπερσυμπιεστή. Η χρήση των 2 συμπιεστών ρυθμίζεται κατά περίπτωση κι έτσι ο οδηγός δεν αντιλαμβάνεται την εναλλαγή τους. Χάρη στη συνεργασία τους ο κινητήρας διαθέτει την βέλτιστη ποσότητα φρέσκου αέρα, σε ένα ευρύτατο φάσμα στροφών.

Ως εκ τούτου, η πολλαπλών σταδίων υπερσυμπίεση παίζει σημαντικό ρόλο στη αποτελεσματική λειτουργία του κινητήρα καύσης σε όλο το εύρος στροφών. Η τάση για μείωση της χωρητικότητας στους κινητήρες ( cc )  θα συνεχιστεί, καθότι απαιτείται συμμόρφωση με ακόμα αυστηρότερα όρια στις εκπομπές καυσαερίων λαι περαιτέρω μείωση κατανάλωσης καυσίμων. Κινητήρες με ακόμη μικρότερο κυβισμό, μπορούν να αποκτήσουν αρκετή ροπή και ισχύ με τη βοήθεια της υπερτροφοδότησης. Αυτό σε τελική ανάλυση σημαίνει ότι το συγκεκριμένο σύστημα είναι πιο σημαντικό από ποτέ. Πρώτον επειδή αυξάνοντας την πίεση και τις θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης, αυξάνονται το μηχανικό και το θερμικό φορτίο όλων των μερών του κινητήρα και ειδικότερα των εμβόλων, των εδράνων και των μπιελών. Δεύτερον επειδή οι βέλτιστες θερμοκρασίες καύσης στο μπλοκ και στην κεφαλή ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης, παίζουν σημαντικό ρόλο στο να γίνει αποδοτικότερος.

Ως προμηθευτής μερών πρώτης τοποθέτησης ( ΟΕ ) η MAHLE αναπτύσσει και κατασκευάζει, όχι μόνο κινούμενα μέρη μηχανών αλλά και ολοκληρωμένα συστήματα θερμικής διαχείρισης που είναι προσαρμοσμένες στις νέες απαιτήσεις, επιτρέποντας έτσι τη βέλτιστη αλληλεπίδραση μεταξύ όλων των μερών που συμμετέχουν στους κινητήρες. Διαθέτοντας αυτή την ευρεία εξειδίκευση και τεχνογνωσία, η MAHLE θα συνεχίσει να προωθεί ενεργά την ανάπτυξη της τεχνολογίας στους κινητήρες, πάντα προς την κατεύθυνση της βιώσιμης κινητικότητας.