Turbo întârziere

Comportamentul tranzitoriu tipic gasit in supraalimentate motoare cu geometrie fixă turbosuflante , după acționarea rapidă a pedalei de accelerație, se numește întârziere turbo sau latență turbo (în limba engleză turbo lag). Acest comportament este caracterizat ca un răspuns mai puțin prompt ( lag în engleză) la furnizarea de energie , comparativ cu un motor aspirat natural cu specificații similare. Motivul acestei întârzieri constă în principiul de funcționare al turbocompresorului în sine, care necesită un debit mare al gazelor de eșapament pentru a depăși inerția rotorului său și a produce efectul de supraalimentare a motorului.

Introducere în turbocompresoare

Scopul unui compresor pentru motoarele cu ardere internă este de a crește presiunea aerului care rămâne prins în camerele de ardere după faza de admisie, astfel încât să crească densitatea și, prin urmare, cantitatea de comburent ( oxigen ) prezentă. O cantitate mai mare de combustibil în cameră permite oxidarea unei cantități la fel de mari de combustibil, crescând astfel presiunea dezvoltată prin ardere și, în consecință, munca pe care motorul o poate efectua pe parcursul unui ciclu. În concluzie, acțiunea compresorului implică o creștere a cuplului maxim care poate fi livrat de motor.

Un turbocompresor , sau mai simplu „turbo”, este un anumit tip de compresor care folosește entalpia gazelor de eșapament ale motorului ca sursă de energie pentru a-și face treaba. În acest scop, se compune din două rotoare cu palete (lame mobile) tastate pe același ax, dintre care unul este condus de debitul de evacuare a gazelor ( cu turbină ), în timp ce celălalt este utilizat pentru a comprima aspirată de aer ( compresor ).. ^[1]

Pe baza descrierii tocmai furnizate, este clar că livrarea cuplului (și, prin urmare, puterea) de către motorul supraalimentat trebuie să depindă în mod necesar și de punctul de funcționare al compresorului, deoarece compresorul în sine este cel care determină cantitatea de oxigen din cameră. arderea.

Dinamica turbo lag

Când călătoriți cu accelerația eliberată (nu este activată), cantitatea de combustibil injectată în camerele de ardere este minimă. Gazele de eșapament sunt, prin urmare, caracterizate prin valori scăzute de temperatură și presiune ( entalpie specifică scăzută). În această fază, turbina, cu siguranță dimensionată pentru un debit de entalpie mai mare, nu funcționează în punctul său optim de funcționare. Datorită aportului insuficient de energie al gazelor de eșapament și al inerției mecanice a sistemului turbină-compresor, compresorul nu atinge viteze de rotație suficiente pentru a permite o compresie semnificativă a aerului de admisie. În această situație, motorul, care aspiră aer necomprimat, nu percepe prezența turbocompresorului.

Pornind de la situația descrisă mai sus, o cerere bruscă de energie de către utilizator, implementată prin activarea rapidă a controlului gazului, nu poate fi pe deplin satisfăcută până când fluxul de gaze de eșapament atinge un debit și un conținut de entalpie suficient pentru a accelera turbina. compresor conectat la acesta).

Problema descrisă este în mod evident atribuibilă unui fel de feedback pozitiv: o accelerație a compresorului crește fluxul de aer în cameră și, prin urmare, și fluxul de gaze de eșapament. Acest lucru accelerează și mai mult turbina, care apoi amplifică efectul compresorului.

În concluzie, turbo lag este acea perioadă tranzitorie în timpul căreia utilizatorul care solicită o creștere a puterii motorului este obligat să aștepte ca turbina să fie accelerată de fluxul de entalpie crescând al gazelor de eșapament, trăgând compresorul cu el. Din punctul de vedere al utilizatorului, un motor caracterizat printr-un turbo lag marcat este „leneș” în fața unor cereri bruște de putere. Acest comportament, în general dăunător performanței, este deosebit de nedorit în acele aplicații în care motorul trebuie să schimbe frecvent punctul de funcționare (tipic aplicațiilor de propulsie pentru vehiculele terestre).

Reducerea turbo lag

În general, regula este că cele mai mari turbine au nevoie de fluxuri de energie mai mari și prezintă inerții mai mari. În cazul turbinelor mari, se acceptă o întârziere marcată a turbo-ului în schimbul unor puteri de vârf mai mari (rețineți că ambele efecte accentuează brutalitatea furnizării de energie).

Mai jos sunt alte trucuri care vă permit să atenuați semnificativ fenomenul de turbo lag.

Wastegate

Un motor cu ardere este capabil să funcționeze într-o gamă largă de condiții de încărcare diferite. Va prezenta o gamă la fel de largă în ceea ce privește condițiile de energie ale gazelor de eșapament. În teorie, o abordare corectă a dimensionării unui turbocompresor pentru motoarele cu ardere ar trebui să conste în adoptarea unei turbine suficient de mari pentru a elimina fluxul de gaze de eșapament în condiții de încărcare maximă a motorului. În acest sens, însă, turbina va găsi condiții de funcționare optime numai în condiții de încărcare completă a motorului. Pornind de la această premisă, o măsură simplă care limitează efectul de întârziere constă în adoptarea unor turbocompresoare mai mici decât este necesar, a căror capacitate în ceea ce privește debitul este deja saturată în condiții de sarcină medie-mică a motorului. Cu toate acestea, pentru a nu limita operabilitatea motorului la sarcini mari, turbina este echipată cu o supapă de by-pass a gazelor de eșapament, numită haș de gunoi (din engleza „valve de deșeuri”). Această supapă este un dispozitiv de limitare a presiunii, care evită situațiile de contrapresiune ridicată la eșapamentul motorului, pur și simplu „irosind” o parte din gazele de eșapament.

În concluzie, adoptarea hayonului de gunoi permite un design mai puțin abundent al turbinei, menținând în același timp debitul maxim global al sistemului de evacuare. Prețul de plătit este o presiune de alimentare mai mică a motorului la sarcini mari, precum și o eficiență mai mică a sistemului, deoarece se acceptă faptul că o parte din gazele de eșapament ocolește turbina, irosindu-și conținutul de energie.

Sisteme multi-turbo

Același subiect în detaliu: Turbocharger § Multi-turbo .

O soluție tradițională constă în instalarea mai multor turbine duble în paralel (configurație twin turbo ). Aceste turbine, mai mici decât cele ale unei turbine echivalente, prezintă timpi de răspuns mai scurți și, prin urmare, mai puțin turbo lag, cu aceeași presiune de supraalimentare. Această soluție este deosebit de convenabilă la motoarele echipate cu mai multe colectoare de evacuare identice, cum ar fi, de exemplu, motoarele echipate cu mai multe bancuri de cilindri (V, W, Boxer).

O configurație multi-turbo puțin mai sofisticată este cea a turbinelor în cascadă sau de serie (configurație cu mai multe etape ). Un exemplu simplu de configurație în cascadă este cel format din două turbine de dimensiuni diferite. La sarcini reduse, o turbină mai mică, în amonte, funcționează în condițiile sale optime de funcționare, reușind să răspundă în timpuri acceptabile la solicitări de putere relativ reduse. În cazul unei creșteri a sarcinii pe motor, debitul de gaze de eșapament crește, iar turbina mică, insuficientă pentru a procesa întregul debit de fluid, este ocolită de o parte a gazelor, trimise direct la o turbină mai mare, în aval de primul. Turbina mai mare prelucrează apoi atât gazele deja expandate de turbina mică, cât și gazele ocolind aceasta din urmă. În acest fel, este, prin urmare, posibil să vă bucurați de o turbină de dimensiuni mari, optimizată pentru condiții de sarcină mare, lăsând turbina mai mică cu sarcina de a „absorbi” prima fază a tranzitorilor de sarcină.

În ambele cazuri, în serie și în paralel, motorul este mai receptiv decât o singură soluție de turbocompresor cu aceeași putere maximă.

Turbo-compresor cu geometrie variabilă

Același subiect în detaliu: Turbocharger § Turbocharger_with_variable_geometry .

O soluție mai avansată din punct de vedere tehnologic la problema turbo lag constă în utilizarea unui rotor de evacuare înconjurat de palete statorice mobile. Paletele în mișcare adaugă un grad de libertate sistemului turbocompresorului, permițând un control optim al sistemului turbocompresorului în mai multe condiții de funcționare. Avantajele tehnice legate de variația geometriei lamei sunt:

Posibilitatea de a controla lumenul prin care gazele de eșapament accesează turbina, adaptându-l la debitul de gaz;
Posibilitatea de a controla unghiul la care gazele de eșapament afectează palele rotorului, adaptându-l la viteza gazelor;

Ca o consecință a flexibilității mai mari de control, un turbocompresor cu geometrie variabilă , controlat de un ECU programat corespunzător, are avantajul de a obține aceeași inerție conținută la debituri reduse de gaz, tipice turbinelor mici (lumen minimizat), menținând în același timp maxim debitul unei turbine mai mari (lumen maximizat). Această tehnologie permite reducerea efectului turbo lag folosind o singură turbină, cu posibile avantaje în ceea ce privește costurile de producție și dimensiunile din compartimentul motorului, comparativ cu configurațiile multi-turbo.

Cu toate acestea, turbocompresorul cu geometrie variabilă este mai delicat decât un turbo tradițional, datorită adăugării de părți mobile la stator. Din acest motiv, în sectorul auto de serie găsește o aplicație aproape exclusivă la motoarele diesel (o excepție notabilă este reprezentată de Porsche 911 Turbo din seria 997 și mai târziu). De fapt, motoarele diesel, care funcționează în condiții slabe de amestec de aer / combustibil (valoarea lambda de obicei între 1,3 și 5), au temperaturi semnificativ mai scăzute ale turbinei decât motoarele echivalente pe benzină, ale căror amestecuri sunt întotdeauna stoichiometrice.

Soluții indirecte

O altă soluție posibilă, dezvoltată în a doua jumătate a anilor 1980 în Formula 1 și utilizată de obicei în curse de raliu , este adoptarea unei logici de control al injecției numită sistem de ratare sau bangbang ; această logică permite, printr-o modificare adecvată a componentelor electronice ale mașinii, să trimită un amestec de gaz îmbogățit cu benzină ne-arsă în colectoarele de evacuare. Acest amestec, datorită prezenței hidrocarburilor și arderii oxigenului, este detonat la contactul cu cele mai fierbinți zone ale țevilor de eșapament și determină o creștere a presiunii în amonte de turbină, accelerând astfel răspunsul acesteia.

Utilizarea acestui sistem are mai multe consecințe negative, ceea ce face imposibilă adoptarea acestuia în mașinile de producție. Mai jos este o listă cu posibile contraindicații:

creșterea substanțială a tensiunilor termice de pe turbină și de pe colectoarele de eșapament, legate de temperaturile ridicate datorate arderii gazelor de eșapament „îmbogățite” (indicativ, aceasta merge de la 800 ° C la 1100 ° C);
precizie redusă în controlul entalpiei turbinei, datorită dinamicii complexe de ardere în colectoarele de evacuare;
zgomot crescut al motorului;
creșterea dezastruoasă a emisiilor în ceea ce privește hidrocarburile ne-arse și oxizii de azot;
reducerea frânei motorului;
arderea amestecului în colectoare determină un front de flacără care se poate propaga în aval de turbină, scăpând din terminal.
consum crescut de combustibil