Prepĺňanie piestových spaľovacích motorov

Prepĺňanie piestových spaľovacích motorov je spôsob, akým je možné u piestových spaľovacích motorov zvýšiť výkon pomocou zvýšenia stredného efektívneho tlaku, t.j. bez zvýšenia zdvihového objemu, počtu valcov, alebo otáčok. Zvýšenie stredného efektívneho tlaku sa dosahuje zvyšovaním hustoty a celkovej hmotnosti čerstvej náplne vo valci a zvýšením efektívnej účinnosti motora.

Preplňovaný motor s dúchadlom poháňaným od kľukového hriadeľa

Automobil Toyota s dvojicou turbodúchadiel

Schéma práce tlakového výmenníka:
1 - teleso rotora
2 - rotor
3 - hriadeľ rotora
4 - piest motora
5 - kľukový hriadeľ
6,7,8 - pohon rotora
9 - kanáliky rotora
10 - vstup vzduchu
11 - výstup vzduchu
12 - vstup spalín
13 - výstup spalín
14 - valec motora
15 - vstupná časť
16 - výfuková časť

Jednotlivé spôsoby prepĺňania sa zameriavajú na zvýšenie hustoty čerstvej náplne zvýšením jej tlaku, často aj s využívaním zníženia jej teploty (prepĺňanie s medzichladením). Niektoré spôsoby prepĺňania zvyšujú aj efektívnu účinnosť, využitím energie odchádzajúcich spalín (prepĺňanie turbodúchadlom, tlakovým výmenníkom).

Na rozdiel od nepreplňovaného (atmosférického) motora, v ktorom sa vzduch alebo zápalná zmes do valca podtlakom dopravuje iba nasávacím účinkom piesta, tu je valec nútene plnený tlakom vyšším, než je atmosférický tlak. Preplňovaním sa dostáva oproti klasickému spôsobu do pracovného priestoru väčšie množstvo vzduchu, takže možno zväčšiť aj množstvo paliva dodávaného na jeden pracovný obeh. Platí teda, že preplňovaním možno buď zvýšiť výkon motora, alebo pri rovnakom výkone zmenšiť jeho rozmery.

História

Prepĺňanie sa datuje už z konca 19. storočia, kedy si v roku 1885 Gottlieb Daimler patentoval techniku, ktorá využívala čerpadlo poháňané ozubeným kolesom, ktoré dodávalo vzduch do motora s vnútorným spaľovaním. Turbodúchadlo bolo vyvinuté švajčiarskym inžinierom Alfredom Büchim (1879-1959), ktorý bol hlavým výskumníkom dieselového motora v továrni Gebruder Sulzer v meste Winterhur, a ktorý v roku 1905 získal patent na použitie kompresora poháňaného prúdiacimi výfukovými plynmi. Ten vzduchom prepĺňal spaľovací motor pre zvýšenie výkonu, avšak trvalo ďalších 20 rokov, kým bola táto idea uskutočnená.. Prvý patent využíval systém rovnotlakového prepĺňania. V roku 1925 A. Büchi získal patent aj na systém impulzového preplňovania.

Hlavné spôsoby prepĺňania

• využitie tlakových vĺn v potrubí
• využitie mechanických dúchadiel
  • podľa spôsobu práce :
    • objemových
    • rýchlostných
  • podľa pohonu:
    • s cudzím pohonom
    • s pohonom od motora
• využitie turbodúchadiel
• využitie tlakového výmenníka
• kombináciou jednotlivých spôsobov

Rozdelenie prepĺňania podľa tlaku

Slovenská technická norma rozlišuje 3 typy prepĺňania:

• Nízkotlakové so zvýšením výkonu motora do 50%. Nepoužíva sa chladenie na výstupe z dúchadla.
• Stredotlakové so zvýšením výkonu motora od 50% do 75%. Obvykle sa používa chladenie na výstupe z dúchadla.
• Vysokotlakové so zvýšením výkonu motora nad 75%. Vždy sa používa chladenie na výstupe z dúchadla.
  • Nad rámec STN literatúra uvádza aj zvlášť vysokotlakové prepĺňanie.

Dynamické prepĺňanie

Dynamické prepĺňanie využíva vlnové efekty pri nestacionárnom prúdení v sacom a výfukovom potrubí motora. Vhodnou voľbou dĺžok a prierezov potrubí tzv. naladením potrubia je možné dosiahnuť, aby na konci výfuku bol za výfukovým ventilom nižší tlak, ktorý podporí zníženie obsahu zvyškových spalín a aby na konci nasávania (plnenia) bol pred nasávacím (plniacim) ventilom vyšší tlak, ktorý podporí zvýšenie tlaku vo valci. Dynamické efekty závisia od otáčok motora, preto je možné tento spôsob efektívne využiť len pre ohraničený rozsah otáčok. Týmto spôsobom je možné zvýšiť stredný efektívny tlak o 10% až 20%.

Prepĺňanie mechanickými dúchadlami

Do skupiny motorov preplňovaných mechanickými dúchadlami patria motory s nezávislým preplňovaním a motory s mechanickým preplňovaním. Dúchadlo motorov s nezávislým preplňovaním má pohon riešený cudzím zdrojom, napríklad elektromotorom, alebo iným spaľovacím motorom. Motory s mechanickým preplňovaním si dúchadlo resp. kompresor poháňajú samé mechanickým prevodom od kľukového hriadeľa.

Nevýhodou motorov s mechanickým prepĺňaním je príkon odoberaný z kľukového hriadeľa, ktorý znižuje celkovú účinnosť a zvyšuje spotrebu paliva. Výhodou takýchto motorov je, že prietok vzduchu je úmerný otáčkam a reakcia dúchadla pri zmenách otáčok je veľmi rýchla.

Prepĺňanie turbodúchadlami

Motory preplňované turbodúchadlami využívajú časť energie ktorá odchádza v spalinách do výfuku. Spaliny expandujú v turbíne a získaná mechanická práca sa použije na pohon dúchadla. Tento spôsob prepĺňania, okrem zvýšenia tlaku zvyšuje aj efektívnu účinnosť motora a znižuje jeho spotrebu paliva.

Prepĺňanie tlakovým výmenníkom

Tlakový výmenník je rotor v tvare dlhšieho valca poháňaný od kľukového hriadeľa s kanálikmi v pozdĺžnom smere. Na jednej základni valca cez ventily prúdia do a z kanálikov spaliny, na druhej základni valca plniaci vzduch. Kanáliky nemajú deliacu priečku, spaliny so vzduchom sa priamo stretávajú, ich vzájomné premiešanie je pri práci malé. Využívajú sa dynamické efekty prúdenia, keď spaliny vyvolajú tlakovú vlnu ktorá pozdĺž kanálika stláča vzduch. Rýchlosť otáčania rotora a polohy kanálov musia byť také, aby tlaková vlna dorazila na koniec vzduchovej strany rotora vtedy, keď je kanálik natočený pred plniacim otvorom rozvádzača.

Kombinované prepĺňanie

Kombinované prepĺňanie využíva viac spôsobov prepĺňania jedného motora, pri ktorom sa kombinujú ich výhody. Typickým príkladom je prepĺňanie kombináciou mechanického dúchadla a turbodúchadla. Pri nízkych otáčkach, keď by turbodúchadlo nedodávalo dostatočný tlak pracuje len mechanické dúchadlo. Pri zvyšovaní otáčok sa pripojí aj turbodúchadlo, takže pracujú obe. Pri ďalšom zvýšení otáčok sa cez spojku odpojí mechanické dúchadlo a motor je preplňovaný iba turbodúchadlom.

Chladenie plniaceho vzduchu

Pri stláčaní vzduchu v dúchadle, alebo kompresore sa podľa stavovej rovnice so zvyšovaním tlaku zvýši aj teplota. Pri zvýšení tlaku o 50% oproti atmosférickému sa teplota môže zvýšiť až o 50°C. Zároveň platí, že pri zvýšení teploty náplne o 3°C sa zníži výkon motora o 1%. Preto je potrebné zaoberať sa aj chladením plniaceho vzduchu už od úrovne strednotlakového preplňovania. Na chladenie je možné využiť niekorý z nasledovných spôsobov:

• použitie vodného medzichladiča plniaceho vzduchu - toto riešenie je najčastejšie
• chladenie výmenníkom vzduch-vzduch pri menších motoroch
• chladenie expanziou:
  • v expanznej turbíne
  • priamo vo valci pri použití Millerovho cyklu
• absorpčné chladenie
• ejektorové chladenie
• vstrekovanie vody do plniaceho vzduchu.

Zdroje

• Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.
• Hromádko J.,Hromádko J., Hönig V., Miler P.: Spalovací motory. Grada Publishing a.s. 2011.
• STN 09 0022. Spaľovacie motory. Názvoslovie piestových spaľovacích motorov. Druhy motorov. Dátum vydania 19.01.1972.