Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Preplňovanie vznetových motorov

02-05-2019
Na základe dostupných technických riešení spracoval doc. Ing. Ján Kosiba, PhD. | xkosiba@is.uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, technická fakulta

Preplňovanie motora slúži na zvýšenie výkonu privádzaním vzduchu do valca pri tlaku vyššom ako je atmosférický. Toto opatrenie zabezpečuje väčšie množstvo zmesi vzduchu a paliva bez potreby zväčšenia objemu valca motora. So zvyšovaním tlaku vzduchu privádzaného do spaľovacieho priestoru narastá aj jeho hustota, čím sa zvyšuje hmotnosť vzduchu vo valci, čo umožňuje spáliť viac paliva, a tým zvýšiť výkon motora.

Turbodúchadlo

Turbodúchadlo ako zariadenie určené na preplňovanie motora využíva tepelnú energiu spalín na stláčanie nasávaného vzduchu. Výfukové plyny (ktoré by inak boli vypustené do ovzdušia bez ich ďalšieho využitia) poháňajú obežné lopatkové koleso turbíny, ktoré je hriadeľom spojené s obežným kolesom dúchadla nasávajúceho, stláčajúceho a dopravujúceho vzduch do spaľovacieho priestoru motora. Na zvýšenie výkonu motora, lepší priebeh krútiaceho momentu a na zníženie emisií vo výfukových plynoch sa používa:

  • turbodúchadlo s prepúšťacím ventilom a obtokom spalín (by-pass),
  • turbodúchadlo s premenlivou geometriou lopatiek,
  • kombinácia rôznych typov turbodúchadiel v sériovom zapojení.

Turbodúchadlo s prepúšťacím ventilom a obtokom spalín

Turbodúchadlo s prepúšťacím ventilom a obtokom (by-pass) je nastavené tak, že už pri nízkych otáčkach motora dodáva plný prietok vzduchu. Regulácia preplňovania motora funguje tak, že v prípade potreby prepúšťací ventil odvádza časť spalín a  obmedzuje množstvo prúdiaceho vzduchu nezávisle od zaťaženia motora a jeho otáčok. Takýto typ je označovaný ako WGT (Waste Gated Turbocharger). Tento typ má pre svoju jednoduchosť dlhú životnosť.

Obr. 1

Obr. 1: Turbodúchadlo s obtokom spalín a prepúšťacím ventilom

Turbodúchadlo s premenlivou geometriou lopatiek

Turbodúchadlo s premenlivou geometriou umožňuje meniť prietok a tlak nasávaného vzduchu zmenou geometrie lopatiek turbíny. Preplňovanie motora klasickým turbodúchadlom je závislé od prietoku spalín, a teda od výkonu motora a jeho otáčok. Turbodúchadlo s premenlivou geometriou umožňuje meniť parametre nasávaného vzduchu bez ohľadu na otáčky motora a množstvo spalín prúdiacich výfukovou turbínou. Tento systém je označovaný skratkou VGT (Variable Geometry Turbocharger. Turbodúchadlo s premenlivou geometriou lopatiek je znázornené na obrázku 2.

Obr. 2

Obr. 2: Turbodúchadlo s premenlivou geometriou lopatiek

Spaliny z motora sú vedené do turbíny (3) cez lopatky (1) a (2), ktorých sklon je možné meniť. Lopatky sklonené k turbíne (1) uzatvárajú prietok spalín, a tým znižujú otáčky na hriadeli a zároveň množstvo dodávaného vzduchu do motora. Lopatky sú upevnené na čapoch (4), ktoré umožňujú natáčanie, teda zmenu ich geometrie. Všetky lopatky sú spojené prostredníctvom čapov s vodiacim kotúčom (5), ktorého otáčanie mení geometriu všetkých lopatiek súčasne. Turbodúchadlo s variabilnou geometriou VGT zabezpečuje rýchlu reakciu na vodičove požiadavky alebo zaťaženie, a tým lepšie hospodárenie s palivom. Výhodou je preplňovanie aj pri nižších otáčkach motora, nevýhodou citlivosť na znečistenie sadzami.

Spojenie dvoch turbodúchadiel

Spojenie dvoch turbodúchadiel sa používa v prípade, že je potrebné dosiahnuť vysoký tlak vzduchu dopravovaného do vysokovýkonného motora alebo z dôvodu eliminácie oneskoreného nábehu turbodúchadla od okamihu pridania plynu (zošliapnutie pedála akcelerátora).  Na spojenie dvoch turbodúchadiel sa používa sériové zapojenie. Prvé turbodúchadlo je nízkotlakové, určené na dodávanie stlačeného vzduchu do motora pri nízkych otáčkach z dôvodu zabezpečenia potrebného krútiaceho momentu. Pri zvyšovaní otáčok motora vzniká potreba väčšieho množstva vzduchu, ktoré je dodávané druhým, vysokotlakovým turbodúchadlom. Nízkotlakové turbodúchadlo teda dopravuje potrebné množstvo vzduchu pre motor pri nízkych otáčkach, zatiaľ čo vysokotlakové turbodúchadlo pri vysokých otáčkach. Ani jedno z týchto dvoch turbodúchadiel konštrukčne neumožňuje pokryť dodávku vzduchu v celom rozsahu otáčok, preto je potrebné ich spojenie v sériovom zapojení. 

Štvorventilová technika

Technológia štyroch ventilov prináša zvýšenie výkonu a krútiaceho momentu motora ako dôsledok lepšieho plnenia motora vzduchom pri vyšších otáčkach. Pri nízkych otáčkach motor s klasickou dvojventilovou konštrukciou dosahuje lepšie parametre v porovnaní s viacventilovou konštrukciou. Je to spôsobené zhoršením prúdenia vzduchu do motora a jeho zníženým vírením v spaľovacom priestore, čo predstavuje nevýhodu uvedenej technológie pre tvorbu zmesi paliva a vzduchu ako základného predpokladu pre dokonalé spaľovanie. Naplno využiť výhody štvorventilovej technológie pri vyšších otáčkach a zároveň odstrániť nevýhody pri nízkych otáčkach motora je možné dosiahnuť špirálovitým tvarovaním jedného zo sacích kanálov, a tak dosiahnuť vírenie nasávaného vzduchu vo valci a lepšie premiešanie paliva a vzduchu ako podpory dokonalého spaľovania paliva. Aby bola zabezpečená optimálna tvorba zmesi paliva a vzduchu,  pri nízkych ako aj pri vysokých otáčkach motora do sacieho kanála bez špirálovej úpravy je zaradená klapka. Keď motor pracuje pri nízkych otáčkach klapka je uzatvorená a do valcov prúdi vzduch len cez špirálovito tvarovaný sací kanál, ktorý spôsobuje vírenie nasávaného vzduchu a dokonalé spálenie paliva aj pri nízkych otáčkach motora. Ak motor pracuje v rozsahu vysokých otáčok, klapka sa otvorí a motor je plnený vzduchom z oboch sacích kanálov. Tým je zabezpečené dostatočné množstvo vzduchu v čase jeho zvýšenej potreby v dôsledku vysokých otáčok pre dokonalé spálenie paliva, optimálny výkon a minimalizovanie emisií.

Navýšenie výkonu motora

Elektronické riadenie motora umožňuje modelovať výkonové charakteristiky motora – viac úrovní motora (Power Boost), priebeh krútiaceho momentu – prevýšenie krútiaceho momentu a pokles otáčok. Funkcia Power Boost navyšuje výkon o 10 % až 15 % (obr. 3) a aktivuje sa po splnení určitých podmienok, napr. odber výkonu (PTO – Power Take Off – vývodový hriadeľ), prekročenie určitej rýchlosti, odber výkonu cez hydraulickú sústavu. Jednotliví výrobcovia označujú uvedenú funkciu rôzne, napr.: EPM – Case IH, New Holland, IPM – John Deere.

Obr. 3

Obr. 3: Navýšenie výkonu motora

Na trvalé zvýšenie výkonu motora je možné využiť energiu výfukových plynov, ktoré aj po ich využití v turbodúchadle majú ešte zostatkový energetický potenciál. V prípade traktorov a nákladných vozidiel sa systém zvýšenia výkonu motora energiu obsiahnutou v spalinách nazýva Turbo Compounding (obr. 4).

Obr. 4

Obr. 4: Systém na zvýšenie výkonu motora traktorov John Deere typu Turbo Compounding

Tento systém využíva ďalšiu turbínu vloženú do výfukového potrubia v poradí za turbínou preplňovania motora. Táto turbína je cez ozubený prevod, hydrodynamickú spojku a zotrvačník spojená s kľukovým hriadeľom a využíva tepelnú energiu výfukových plynov.  Uvedeným systémom je možné zvýšiť výkon motora o 5 – 8 %. Elektronická regulácia umožňuje tiež funkciu Tempomat, ktorá udržuje konštantné otáčky motora. Využitie Tempomatu je opodstatnené napr. pri sejbe, hnojení alebo pri aplikácii chemických postrekov.

Prevýšenie krútiaceho momentu motora

Pre traktorové motory je dôležité, aby disponovali dostatočnou rezervou krútiaceho momentu vyjadrenou prevýšením krútiaceho momentu ΔMm. Na obr. 5 je znázornený priebeh krútiaceho momentu pre dva motory.

Obr. 5

Obr. 5: Prevýšenie krútiaceho momentu motora

Charakteristika označená 1 predstavuje motor, ktorý je vhodnejší na použitie v traktore, pretože disponuje väčším prevýšením krútiaceho momentu v porovnaní s motorom s charakteristikou označenou 2. Pritom oba motory môžu disponovať rovnako veľkým krútiacim momentom pri menovitých otáčkach motora. Preto je pre voľbu motora dôležité poznať nielen hodnotu maximálneho krútiaceho momentu alebo krútiaceho momentu pri menovitých otáčkach, ale aj jeho priebeh na otáčkovej charakteristike, najmä čo sa týka prevýšenia krútiaceho momentu. 

Snahou konštruktérov traktorových motorov je posúvať oblasť maximálneho a menovitého výkonu, ako aj maximálneho krútiaceho momentu do nižších otáčok, čo má mať pozitívny vplyv na zníženie opotrebenia, hlučnosti a spotreby motora. V predloženom príspevku sú prezentované základné technické riešenie pre navýšenie výkonu motora, ktoré majú za cieľ túto métu dosiahnuť.