Μέθοδοι υπερπληρώσεως και ρύθμιση ισχύος

Πριν αναφερθούν οι μέθοδοι υπερπληρώσεως οι οποίες επηρεάζουν αποφασιστικά την συνολική παραγωγή ισχύος και την αποδιδόμενη στρεπτική ροπή ενός θερμικού κινητήρα, κρίνεται σκόπιμο να γίνει μια αναφορά για το πως γίνεται η ρύθμιση ισχύος σε έναν κινητήρα.




Λέγοντας ρύθμιση ισχύος εννοείται προφανώς ο τρόπος με τον οποίο ένας κινητήρας αποδίδει τα εγγενή χαρακτηριστικά του προϊόντα δηλαδή την ισχύ και τη ροπή.

Το βασικό χαρακτηριστικό από το οποίο απορρέουν τα πάντα είναι η χωρητικότητα δηλαδή ο κυβισμός του κινητήρα. Η χωρητικότητα καθορίζεται από τη διάμετρο του εμβόλου καθώς και τη διαδρομή του από το άνω νεκρό σημείο ως το κάτω νεκρό σημείο θέσεις κατά τις οποίες το έμβολο ακινητεί εντός του θαλάμου καύσεως και αντιστοιχεί σε 180 μοίρες στροφή του στροφαλοφόρου άξονος.

Για παράδειγμα όταν έχουμε έναν κινητήρα 1600 κ.εκ με 4 θαλάμους καύσεως προφανώς εννοούμε ότι σε κάθε θάλαμο καύσεως έχουμε έναν ωφέλιμο όγκο 400 κ.εκ.

Μέσα σε αυτήν την χωρητικότητα γίνεται η ρύθμιση της ισχύος η οποία εξαρτάται από το καιόμενο καύσιμο. Το πόσο καύσιμο θα καεί προκειμένου να έχουμε την παραγωγή έργου εξαρτάται από την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα η οποία ποσότητα σε κινητήρες φυσικής αναπνοής εξαρτάται αποκλειστικά από τον κυβισμό ενώ σε υπερπληρωμένους εξαρτάται εκτός του κυβισμού και από το βαθμό υπερπληρώσεως.

Το ζήτημα λοιπόν είναι να καταφέρουμε να χωρέσουμε περισσότερο αέρα σε δεδομένη γεωμετρία κινητήρα προκειμένου να αυξήσουμε την ισχύ και τη ροπή.

Οι πιο δημοφιλείς μέθοδοι υπερπληρώσεως είναι η υπερπλήρωση καυσαερίων και η μηχανική υπερπλήρωση και αναλύονται παρακάτω.




ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ








Πρόκειται για την πιο δημοφιλή μέθοδο υπερπληρώσεως λόγω του καλού βαθμού απόδοσης που προσφέρει καθώς και της αποκλειστικής της σχεδόν χρήσης στους πετρελαιοκινητήρες.
Σε έναν κινητήρα φυσικής αναπνοής τα καυσαέρια που παράγονται εντός του θαλάμου καύσεως φεύγουν μέσω της εξαγωγής στο περιβάλλον.


Στην περίπτωση του turbo όμως αυτά χρησιμοποιούνται προκειμένου να περιστρέψουν έναν στρόβιλο ο οποίος με τη σειρά του περιστρέφει τον συμπιεστή με τον οποίο είναι συνδεδεμένος σε κοινή άτρακτο και ο συμπιεστής ακολούθως συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα από το περιβάλλον με αποτέλεσμα η ποσότητα του εισερχόμενου αέρα σε δεδομένο κύλινδρο να είναι μεγαλύτερη από το αν δεν υφίστατο συμπίεση.


Το μέγεθος του στροβίλου καθώς και ο ρυθμός περιστροφής της πτερωτής καθορίζουν και το βαθμό υπερπλήρωσης. Ωστόσο από την αρχή λειτουργίας των στροβιλοσυμπιεστών προκύπτει ένα εγγενές μειονέκτημα, το πασίγνωστο turbo lag ή στα ελληνικά και σε ελεύθερη απόδοση η λεγόμενη υστέρηση απόκρισης. Η υστέρηση απόκρισης οφείλεται στο γεγονός ότι σε έναν κινητήρα σε χαμηλούς ρυθμούς περιστροφής τα καυσαέρια του δεν είναι επαρκή προκειμένου να περιστρέψουν τα πτερύγια του στροβίλου στο προδιαγραφέν σημείο λειτουργίας αυτού.

Οι κατασκευαστές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα αυτό χρησιμοποιώντας μικρά turbo ειδικά σε κινητήρες με χαμηλή χωρητικότητα των οποίων η αδράνεια των πτερυγίων είναι μικρή και έτσι περιστρέφονται ευκολότερα , ή χρησιμοποιώντας δι-βάθμια υπερπλήρωση με 2 turbo σε μεγαλύτερους κινητήρες με ένα turbo για τις χαμηλές στροφές όπου τα καυσαέρια είναι λίγα και ένα μεγαλύτερο για τις υψηλές για περαιτέρω αύξηση της ισχύος ή σε μια άλλη παραλλαγή δύο turbo όμοιου μεγέθους αντί για ένα μεγαλύτερο , εφαρμογή που συναντάται κυρίως σε πολυκύλινδρους κινητήρες.

Επίσης χρησιμοποιούν μεταβλητή γεωμετρία πτερύγωσης ρυθμίζοντας την επιθυμητή γωνία πρόσπτωσης των καυσαερίων στην πτερωτή για καλύτερη απόδοση.

Η μεταβλητή γεωμετρία πτερύγωσης συναντάται σχεδόν αποκλειστικά στους πετρελαιοκινητήρες λόγω του ότι η θερμοκρασία των καυσαερίων τους είναι επαρκώς χαμηλή και η συνεπαγόμενη θερμική καταπόνηση στην πτερωτή τέτοια ώστε να είναι οικονομοτεχνικά βιώσιμη η χρήση της. Το αντίθετο συμβαίνει στους βενζινοκινητήρες οπού εκεί η υψηλότερη θερμοκρασία καυσαερίων επιβάλλει τη χρήση πανάκριβων συνθετικών υλικών προκειμένου να ανθέξει ο στρόβιλος με αποτέλεσμα την πολύ περιορισμένη εφαρμογή της.

Από τα ανωτέρω είναι πρόδηλο ότι τα συστήματα υπερπληρώσεως στους κινητήρες κύκλου Diesel είναι τα πιο προηγμένα αυτή τη στιγμή.



Στο βίντεο που ακολουθεί πρωταγωνιστούν οι εκπληκτικές ενδιάμεσες επιταχύνσεις του πετρελαιοκινητήρα 12 θαλάμων καύσεως με περιεχόμενη γωνία ισοπλεύρου τριγώνου, διπλά υπερπληρωμένου με στρόβιλους μεταβλητής γεωμετρίας πτερυγώσεως που εφοδιάζει το Audi Q7 V12 TDI και αποδίδει 500 ίππους και 1000 Nm στρεπτικής ροπής από τις 1750 στροφές....




Η υπερπλήρωση του αέρος όμως τον θερμαίνει με αποτέλεσμα αυτός να διαστέλλεται και τελικά ένα ποσοστό αυτής να αναιρείται και ακριβώς αυτό το φαινόμενο έχει οδηγήσει τους κατασκευαστές να χρησιμοποιούν εναλλάκτες (intercooler) προκειμένου να ψύξουν τον συμπιεσμένο αέρα πριν το θάλαμο καύσης.


Εν κατακλείδι η υπερπλήρωση μέσω καυσαερίων είναι πολύ δημοφιλής σε περιπτώσεις που λόγω χωροταξίας δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεγάλοι κινητήρες δηλαδή στα μικρά αυτοκίνητα και στα πετρελαιοκίνητα που εγγενώς λόγω χαμηλών ρυθμών περιστροφής δε μπορούν να έχουν υψηλή συγκέντρωση ισχύος δίχως υπερπλήρωση.




ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΥΠΕΡΠΛΗΡΩΣΗ









Αυτή η μέθοδος είναι η αρχαιότερη και δεν είναι τόσο δημοφιλής στις μέρες μας γιατί είναι λιγότερο αποδοτική από τη στροβιλοϋπερπλήρωση και προσδίδει τραχεία χαρακτηριστικά λειτουργίας στον κινητήρα.


Ο μηχανικός υπερσυμπιεστής παίρνει κίνηση από το στροφαλοφόρο άξονα του οχήματος προκειμένου να συμπιέσει τον αέρα και η μεταφορά ισχύος γίνεται μέσω ιμάντα, αλυσίδας, γραναζιών κτλ.


Κατά περιπτώσεις ο μηχανικός υπερσυμπιεστής μπορεί να ''κλέψει'' μέχρι και το 1/3 της διαθέσιμης ισχύος του στροφαλοφόρου άξονος προκειμένου να περιστραφεί.

Σε αντίθεση με τα turbo που είναι μια κατηγορία οι μηχανικοί συμπιεστές έχουν διάφορες κατηγορίες (Roots, φυγοκεντρικοί, διδύμου κοχλία κτλ).

Ωστόσο η πιο δημοφιλής κατηγορία είναι η τύπου ROOTS η οποία αποδίδει πολύ καλά σε χαμηλές υπερπληρώσεις με το βαθμό απόδοσης γενικά να φθίνει όσο ανεβαίνει η υπερπλήρωση. Γενικά για βαθμό συμπίεσης διπλάσιο του ατμοσφαιρικού ο βαθμός απόδοσης είναι περίπου 52 %. Κλασικά παραδείγματα εφαρμογής Roots συμπιεστών είναι οι κινητήρες που χρησιμοποιούνται στη Mercedes C - Class καθώς και οι διπλά υπερπληρωμένοι TSI του ομίλου VW και ο καινοφανής V6 TFSI που χρησιμοποιείται στο AUDI S4.


Οι μηχανικοί υπερσυμπιεστές έχουν έναν σημαντικότατο πλεονέκτημα σε σχέση με τα turbo.

Το γεγονός ότι δεν εξαρτώνται από την κινητική ενέργεια των καυσαερίων της εξαγωγής, η οποία είναι χαμηλή στα κλασματικά φορτία, τους καθιστά μια επιλογή σε οχήματα πολύ μεγάλης μάζας όπου η ανάγκη για ροπή είναι άμεση.

Όμως η ανάγκη για καθαρότερους και με μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης θερμικούς κινητήρες ουσιαστικά έχει παραγκωνίσει την εφαρμογή των μηχανικών υπερσυμπιεστών σε επιβατικά οχήματα.