Tune it Νέες Τεχνολογίες Υπερτροφοδότησης

Μπήκε και το καλοκαίρι και τα …σαλιγκαροκίνητα άρχισαν να τεμπελιάζουν καθότι δεν τα πάνε και πολύ καλά με τις ζέστες! Ζορίζονται να ανεβάσουν τις πιέσεις του χειμώνα και λαγκάρουν κάτι παραπάνω, μας φαίνεται φυσική πια αυτή η συμπεριφορά και τη συνηθίσαμε. Ζώντας και παλεύοντας μερικά χρόνια με τα μαραφέτια αυτά, θέλουμε να πιστεύουμε ότι μάθαμε επιτέλους τις περισσότερες, αν όχι όλες, τις περιέργειες των τούρμπο, αλλά πάνω που μαθαίνεις πέντε πράγματα και λες «πάμε παρακάτω» διαβάζεις σημεία και τέρατα, που έρχονται από τον …πολιτισμένο κόσμο στο Ελλαδιστάν και ξαναμπαίνεις στην πρίζα! Τι γίνεται, ρε παλικάρια, πόσο θέλετε να μας τρελάνετε, λέω? Θεώρησα, λοιπόν, καλό να σας πασάρω σήμερα όλα τα καινούργια κουφά, που αφορούν τις εξελίξεις στα τούρμπο, που πραγματικά νομίζω ότι είναι εντυπωσιακές! Να δούμε, αν θα συμφωνήσετε κι’ εσείς ότι η τεχνολογία της υπερτοφοδοσίας έκανε κάποια σημαντικά άλματα από το σημείο που την είχαμε όλοι αφήσει!

Γενικά

Ο μοναδικός στόχος της υπερτροφοδότησης στους κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι η αύξηση της ισχύος, αυτό τουλάχιστον πιστεύαμε όλοι μέχρι σήμερα. Η εξέλιξη όμως δεν σταματάει ποτέ και πουθενά και μας αιφνιδιάζει κάθε τόσο με νέες τεχνικές σε όλους τους τομείς. Τα μεγάλα κεφάλια λοιπόν, που «παίζουν» με την τεχνολογία στα σοβαρά ερευνητικά εργαστήρια των εταιρειών, αποφάσισαν ότι, εκτός από τη μεγαλύτερη ισχύ του πιεσμένου μοτέρ, μπορούμε να αυξήσουμε και τη θερμική του απόδοση. Το πρώτο που έρχεται στο νου με αυτές τις λέξεις είναι η μικρότερη κατανάλωση και είναι βέβαια σωστό, αφού καλύτερη απόδοση σημαίνει λιγότερο καύσιμο. Ειδικά στο αγωνιστικό στερέωμα, όπου η συνολική επιτρεπόμενη ποσότητα καυσίμων ανά αγώνα είναι περιορισμένη. Και στα μοτέρ παραγωγής, όμως, είναι δυνατόν να υπάρξει μία αντίστοιχη μείωση όγκου (μεγέθους, αλλά και κυβισμού) για συγκεκριμένη απόδοση, κάτι που πάντα αρέσει στην αυτοκινητοβιομηχανία.

Τούρμπο

Το πώς λειτουργούν τα τούρμπο και οι κομπρέσσορες είναι γνωστό σε όλους σχεδόν και έχει παρουσιαστεί και στις σελίδες του περιοδικού αρκετές φορές. Το κύριο βάρος όμως της εξέλιξης τα τελευταία χρόνια έχει πέσει στις φτερωτές της τουρμπίνας, που μέχρι πολύ πρόσφατα κατασκευάζονταν από Inconel 713 ή 715, κράμα σιδήρου με άριστη αντοχή στις ψηλές θερμοκρασίες και ιδιαίτερα πάνω από τους 1000^ο C που μετράμε στην περιοχή. Ψάχνοντας για ακόμα πιο γρήγορο σπουλάρισμα, το Inconel αρχίζει να χάνει έδαφος και παραδίδει τη θέση του σε κράμα Τιτανίου/Αλουμινίου (TiAl). Το κράμα αυτό στη σύνθεση του μπορεί να περιέχει 38-46% Αλουμίνιο, 5-10% Νιόβιο και πολύ μικρά ποσοστά Χρωμίου, Πυριτίου και Νικελίου, ανάλογα με τις ακριβείς απαιτήσεις για το τελικό προϊόν. Για να το πούμε πιο απλά, η μηχανική και θερμοκρασιακή αντοχή του κράματος TiAl είναι παρόμοια με του Inconel, αλλά το ειδικό βάρος του είναι λιγότερο απ’ το μισό, αφού ζυγίζει 4 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό αντί 8.2, που ζυγίζει το Inconel! Από διεξοδικές δοκιμές που έγιναν στα εργαστήρια των εταιρειών, το αποτέλεσμα δείχνει ότι με φτερωτή TiAl η τουρμπίνα φτάνει τη μέγιστη πίεση 15% ταχύτερα σε σύγκριση με φτερωτή Inconel. Αντίστοιχα, ο χρόνος για να πιάσει το μοτέρ τη μέγιστη ροπή του βελτιώθηκε πάνω από 10% σε σχέση πάντα με την Inconel. Η πρόοδος, όμως, δεν σταμάτησε στις φτερωτές, αλλά έπιασε και τους σαλίγκαρους. Νέες μέθοδοι κατασκευής, αλλά και συγκόλλησης μετάλλων, όπως είναι η προσθετική, 3D, EBM κλπ, κατέστησαν εφικτά βελτιωμένα/πιο αποδοτικά σχέδια, που δεν χρειάζονται καμία επιπλέον κατεργασία πριν τη συναρμολόγηση. Τη βελτίωση από τα παλιάς γενιάς τούρμπο στα «ρουλεμανάτα» όλοι την ξέρουμε πια. Αυτό που ίσως δεν είναι τόσο γνωστό είναι η διαφορά των δύο τύπων στην απόκριση. Η περιστροφική αδράνεια στη θερμοκρασία λειτουργίας μειώνεται περίπου κατά 50% με τα ρουλεμάν, η δε ελαχιστοποίηση των ανοχών μεταξύ φτερωτής/σαλίγκαρου μπορεί να ανεβάσει την απόδοση άλλο ένα 5% λόγω της μικρότερης διαφυγής αέρα/καυσαερίων. Εκτός από τη δεδομένη ακρίβεια κατασκευής των εξαρτημάτων, τελευταία χρησιμοποιείται και μία άλλη τεχνική για το μηδενισμό -θα λέγαμε- των ανοχών μεταξύ φτερωτής/κελύφους. Τα άκρα της φτερωτής καλύπτονται με ένα ειδικό επίχρισμα, το οποίο είναι κάπως πορώδες και μπορεί να διαμορφωθεί μηχανικά από την επαφή του με γειτονικό εξάρτημα. Γυρίζοντας, δηλαδή, από καινούργια, η φτερωτή ακουμπά ελαφρά στο σαλίγκαρο και διαμορφώνεται έτσι ένα σχεδόν μηδενικό διάκενο λειτουργίας, υποχρεώνοντας όλο τον αέρα να παράγει έργο, να περάσει δηλαδή από τη φτερωτή και όχι από το διάκενο (που δεν υπάρχει πια) μεταξύ αυτής και του σαλίγκαρου, χωρίς πιθανότητα διαρροής. Ωραία πράγματα… Το πρώτο, που καταλαβαίνω τουλάχιστον εγώ από αυτά τα τελευταία, είναι ότι ΔΕΝ ΒΑΖΟΥΜΕ ΧΕΡΙ ΣΤΗΝ ΤΟΥΡΜΠΙΝΑ! Αρκουδιαραίοι και επιστήμονες να ξεχάσετε τα … «παντρέματα» της πλάκας που ξέρατε και να μάθετε ΕΠΙΤΕΛΟΥΣ να διαλέγετε το σωστό τούρμπο για τους πελάτες σας! ΔΕΝ είναι Κινέζικα, ΔΕΝ είναι αόρατα, αφού το παίρνετε το περιοδικό, ΔΙΑΒΑΣΤΕ το ρημάδι!   

Κομπρέσσορες

Οι δύο κύριοι τύποι κομπρέσσορα, που χρησιμοποιούνται στο motorsport, είναι ο Roots και ο κοχλίας. Για τον κοχλία έχουμε να πούμε μερικά νέα, τα οποία έρχονται σαν -τι άλλο- αποτέλεσμα βελτίωσης τεχνικών παραγωγής και μελετών αποδοτικότητας. Η λειτουργία του κοχλία ξεκινά με τη φάση εισροής ή αναρρόφησης. Ο αέρας (ή καύσιμο μείγμα, ανάλογα με τον τύπο της εγκατάστασης) εισέρχεται παράλληλα με τους ρότορες και στη συνέχεια ωθείται, ενώ συμπιέζεται προς την άλλη άκρη του κομπρέσσορα. Μέχρι τώρα, γνωρίζαμε ότι οι κοχλίες είχαν σταθερό «σπείρωμα» και έτσι ήταν από την πρώτη φορά που εμφανίσθηκαν, πριν 100 χρόνια και βάλε. Με τους υπολογιστές, όμως, τη σχεδίαση και κατασκευή CAD/CAM, οι μηχανικοί είδαν ότι είναι δυνατή η κατασκευή κοχλία με προοδευτική αλλαγή σπειρώματος κατά το μήκος του, πράγμα το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα τη μικρότερη απώλεια πίεσης, διαφυγής από τους κοχλίες και ίσως λίγο μικρότερη θερμοκρασία εξόδου του συμπιεζόμενου αέρα με την κατάλληλη επιλογή υλικών λοβών/κελύφους.

E-boosting  

Υπερσυμπίεση με ηλεκτρονική υποβοήθηση θα το λέγαμε στα Ελληνικά -όσο …υπάρχει ακόμα η γλώσσα μας- αλλά και τα πολύ πιο πρακτικά και σύντομα Ε-κομπρέσσορας και Ε-τούρμπο δεν μου φαίνονται άσχημα! Είναι η τεχνική όπου χρησιμοποιείται ηλεκτρικό ρεύμα για να βελτιώσει τη λειτουργία και την απόδοση της υπερσυμπίεσης. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα είναι ο Ε-κομπρέσσορας, το Ε-τούρμπο και το διαιρούμενο Ε-τούρμπο EST (από το Electrically Split Turbocharger). Ας τα δούμε λίγο πιο λεπτομερώς και όποιος γουστάρει μαθαίνει, εκτός αν η τεχνολογική ενημέρωση σας πέφτει βαριά, οπότε μπορείτε να μορφωθείτε πιο σφαιρικά με …χρήσιμα θέματα τύπου Survivor! Ο Ε-κομπρέσσορας μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτοτελώς για την παροχή συμπιεσμένου αέρα στο μοτέρ ή σε συνεργασία με -κλασσικό ή όχι- τούρμπο. Στη δεύτερη περίπτωση, ο Ε-κομπρέσσορας μπορεί να λειτουργήσει εν σειρά ή και παράλληλα με το τούρμπο. Εν σειρά, ο Ε-κομπρέσσορας παρέχει προ-συμπιεσμένο αέρα στο τούρμπο, ενώ σε παράλληλη διάταξη παρέχει αέρα με πίεση στην πολλαπλή κατά τις χαμηλές στροφές, όπου το τούρμπο δεν έχει ακόμα …ξυπνήσει! Αυτό που πετυχαίνει ο Ε-κομπρέσσορας και στα δύο σενάρια είναι ροή αέρα υπό πίεση σε συνθήκες μικρής ροής καυσαερίων, διευρύνοντας έτσι την καμπύλη ροπής σε σχέση με μόνη τη λειτουργία του κλασσικού τούρμπο, σπουλάροντας πιο γρήγορα (σε χαμηλότερες στροφές) την τουρμπίνα. Ένα δεύτερο και όχι τόσο εμφανές -αρχικά- πλεονέκτημα είναι ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μεγαλύτερη τουρμπίνα απ’ ότι κανονικά θα έμπαινε στο μοτέρ αυτό, διότι στα χαμηλά βασιζόμαστε στη βοήθεια του Ε-κομπρέσσορα. Έτσι, αυξάνουμε τα συνολικά άλογα και στο ανώτερο φάσμα των στροφών.

Πάμε τώρα στο Ε-τούρμπο. Εδώ μιλάμε για ένα τούρμπο, στου οποίου τον άξονα έχει προσαρμοστεί ένα ηλεκτρικό μοτέρ/γεννήτρια (MGU, Motor/Generator Unit). Το MGU μπορεί να οδηγήσει το τούρμπο, αλλά και να παράγει ρεύμα από την κίνησή του σε μερικές περιπτώσεις. Όταν το ηλεκτρικό μοτέρ κινεί το τούρμπο (στις χαμηλές στροφές κινητήρα), το διατηρεί σχεδόν ακριβώς πάνω στη γραμμή surgeline του χάρτη, από την οποία μπορεί να επιταχύνει πολύ γρήγορα, μειώνοντας αρκετά το χρόνο απόκρισης. Όσο ανεβαίνουν οι στροφές του μοτέρ και βοηθούν τα καυσαέρια, μειώνεται και η απαιτούμενη οδήγηση του άξονα της φτερωτής από το MGU. Σε αρκετά μεγάλες στροφές του τούρμπο, το MGU μεταπίπτει σε λειτουργία γεννήτριας και παράγει ρεύμα βοηθώντας το ηλεκτρικό σύστημα του αυτοκινήτου. Αν αυξηθούν πολύ οι στροφές πλησιάζοντας απαγορευτικά νούμερα, το MGU δρα σαν γεννήτρια «φορτώνοντας» την τουρμπίνα και περιορίζοντας τις στροφές. Έτσι, διατηρείται η βέλτιστη πίεση στην εισαγωγή με παράλληλη προστασία της τουρμπίνας. Τι κεφάλια είναι ρε αυτά που σκέφτονται και υλοποιούν αυτές τις ιστορίες…. Έτη φωτός μπροστά!

Φύγαμε ολοταχώς τώρα για το EST, την τρίτη σημερινή μαγκιά… Εδώ έχουμε ένα τούρμπο σε δύο τελείως ξεχωριστά κομμάτια. Ο άξονας της τουρμπίνας είναι προσαρμοσμένος σε μία γεννήτρια, ενώ ο άξονας του συμπιεστή σε ένα ηλεκτρικό μοτέρ. Η ενέργεια των καυσαερίων, που περιστρέφει τη φτερωτή της τουρμπίνας, παράγει ρεύμα με τη γεννήτρια και αποθηκεύεται σε συσσωρευτή (μπαταρία). Αυτή η ενέργεια μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί για να κινήσει τη φτερωτή του συμπιεστή παράγοντας πίεση στην εισαγωγή. Τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής πλησιάζουν τη λογική του Ε-τούρμπο, αλλά το EST μπορεί να παράγει ρεύμα σε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα στροφών, καθότι οι στροφές της τουρμπίνας δεν σχετίζονται ούτε εξαρτώνται από τις στροφές του συμπιεστή. Άλλα πλεονεκτήματα του EST είναι η θερμοκρασιακή αποσύνδεση της τουρμπίνας και του συμπιεστή, όπως και η παντελής έλλειψη μετάδοσης της -ανεπιθύμητης- αδράνειας από τη μία φτερωτή στην άλλη. Ξεχωρίζοντας το συμπιεστή από την τουρμπίνα μας επιτρέπει να λειτουργούμε και τα δύο στην αποδοτικότερη περιοχή ταχυτήτων τους. Η ευελιξία αυτή προσφέρει περαιτέρω βελτίωση στην αεροδυναμική απόδοση, ενώ ελαχιστοποιεί τις προηγουμένως απαραίτητες συνδέσεις για λίπανση και ψύξη και διευκολύνει τις χωροταξικές διευθετήσεις στο χώρο του κινητήρα. Όσο για την εν γένει αποδοτικότητα του συστήματος, οι κατασκευαστές EST συμφωνούν ότι πρακτικά μπορεί να αποδοθεί στο συμπιεστή το 98.5% της ενέργειας, που αποθηκεύεται από την τουρμπίνα! Τέτοια ποσοστά μετατροπής βρίσκονται συνήθως μόνο στη σφαίρα της φαντασίας, αλλά φαίνεται ότι τα όρια της τεχνολογίας δεν σταματούν ποτέ!

Δεν τελειώσαμε με τα Ε… Η συνέχεια μετά τις εξετάσεις και την πολλή ζέστη! Καλή επιτυχία σε όσους γράφετε! Πετάξτε κινητά και Facebook και συγκεντρωθείτε, ΤΩΡΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΝΕΤΕ ΤΗΝ ΥΠΟΛΟΙΠΗ ΖΩΗ ΣΑΣ!