Nucená indukce - Forced induction
Nucená indukce je proces dodávání stlačeného vzduchu do sání spalovacího motoru . Nucený indukční motor používá plynový kompresor ke zvýšení tlaku, teploty a hustoty vzduchu . Motor bez nucené indukce je považován za atmosférický motor .
Úvod
Nucená indukce se používá v automobilovém a leteckém průmyslu ke zvýšení výkonu a účinnosti motoru. Nucený indukční motor jsou v podstatě dva kompresory v sérii. Kompresní zdvih motoru je hlavní kompresí, kterou má každý motor. Přídavný kompresor přiváděný do sání motoru způsobuje nucené nasávání vzduchu. Tlak přivádějící kompresor do jiného výrazně zvyšuje celkový kompresní poměr celého systému. Tento sací tlak se nazývá boost. To zejména pomáhá leteckým motorům, protože potřebují pracovat ve vyšších nadmořských výškách s nižší hustotou vzduchu.
Motory s vyšší kompresí mají tu výhodu, že maximalizují množství užitečné energie vyvinuté na jednotku paliva. Proto je tepelná účinnost motoru zvýšena v souladu s analýzou cyklu parního výkonu druhého zákona termodynamiky. Důvodem, proč všechny motory nemají vyšší kompresi, je to, že u jakéhokoli daného oktanu palivo předčasně vybuchne s vyšším než normálním kompresním poměrem. Říká se tomu předzápal , detonace nebo klepání a může způsobit vážné poškození motoru. Vysoká komprese na atmosférickém motoru může dosáhnout prahu detonace poměrně snadno. Nucený indukční motor však může mít vyšší celkovou kompresi bez detonace, protože vzduchovou náplň lze po prvním stupni komprese ochladit pomocí mezichladiče .
Jedním z hlavních problémů emisí z vnitřního spalování je faktor nazývaný frakce NOx nebo množství sloučenin dusíku a kyslíku, které motor produkuje. Tato úroveň je regulována vládou pro emise, jak je běžně vidět na inspekčních stanicích. Vysoká komprese způsobuje vysoké teploty spalování. Vysoké teploty spalování vedou k vyšším emisím NOx, takže nucená indukce může poskytnout vyšší frakce NOx.
Typy kompresorů
Dva běžně používané kompresory s nucenou indukcí jsou turbodmychadla a kompresory . Turbodmychadlo je dostředivý kompresor poháněný proudem výfukových plynů. Kompresory používají různé různé typy kompresorů, ale všechny jsou poháněny přímo otáčením motoru, obvykle řemenovým pohonem. Kompresor může být odstředivý nebo Rootsův pro kompresi s objemovým posunem. Příkladem vnitřního kompresoru je šroubový kompresor nebo pístový kompresor.
Turbodmychadla
Turbodmychadlo spoléhá na objem a rychlost výfukových plynů při roztočení (cívce) kola turbíny, které je spojeno s kolem kompresoru prostřednictvím společného hřídele. Vytvořený plnící tlak lze regulovat systémem vypouštěcích ventilů a elektronických regulátorů. Hlavní výhodou turbodmychadla je, že spotřebuje méně energie z motoru než kompresor; historicky hlavní nevýhodou bylo, že reakce motoru velmi trpí, protože turbodmychadlu trvá, než se rozjede (cívka). Toto zpoždění při dodávce energie se označuje jako turbo zpoždění . Jakýkoli daný design turba je ze své podstaty kompromisem; menší turbo se bude cívat rychle a poskytovat plný plnicí tlak při nízkých otáčkách motoru, ale plnicí tlak bude trpět při vysokých otáčkách motoru. Větší turbo naopak poskytne vylepšený výkon při vysokých otáčkách na úkor odezvy nižší třídy. Mezi další běžné konstrukční problémy patří omezená životnost turbíny v důsledku vysokých teplot výfukových plynů, které musí odolat, a omezující účinek turbíny na průtok výfukových plynů. Jelikož turbodmychadla mohou dramaticky zlepšit účinnost motoru, jsou stále běžnější u běžných automobilových motorů; Turbodmychadla s variabilní geometrií a další technologie byly zavedeny ve snaze omezit zpoždění turba a zlepšit jízdní vlastnosti.
Kompresory
Kompresory nemají téměř žádnou prodlevu na vytváření tlaku, protože kompresor se vždy točí úměrně otáčkám motoru. Nejsou tak běžné jako turbodmychadla, protože ke svému provozu využívají točivý moment vytvářený z motoru. To má za následek určitou ztrátu výkonu a účinnosti. Rootsovo dmychadlo používá pádla na dvou rotačních bubnech tlačit vzduch do sání. Protože se jedná o objemové zařízení, má tento kompresor tu výhodu, že při všech otáčkách motoru vytváří stejný tlakový poměr. Šroubové kompresor je také objemové zařízení, jako rootsovo dmychadlo. Šroubové kompresory jsou výrobně složitější než kompresory typu Roots, ale jsou efektivnější při provozu a produkují chladnější vzduch. Odstředivého typu kompresor není objemové zařízení a obvykle mají lepší tepelnou účinnost než rootsovo dmychadlo. Odstředivé kompresory jsou také kompaktnější a jednodušší na použití s mezichladičem.
Intercooling
Nevyhnutelným vedlejším účinkem nucené indukce je, že stlačený vzduch zvyšuje jeho teplotu. V důsledku toho se sníží hustota vsázky a do válců se dostane méně vzduchu, než předepisuje plnicí tlak systému. Riziko detonace neboli „ klepání “ se výrazně zvyšuje. Těmto nevýhodám se brání chlazením plnicího vzduchu, které prochází vzduchem opouštějícím turbodmychadlo nebo kompresor přes výměník tepla, který se obvykle nazývá mezichladič . To se provádí chlazením plnicího vzduchu okolním proudem buď vzduchem (mezichladič vzduch-vzduch), nebo kapalinou (mezichladič kapalina-vzduch). Hustota plnicího vzduchu se zvýší a teplota se sníží. Tímto způsobem může mezichladič výrazně zvýšit schopnost provozovat vyšší absolutní kompresní poměry a plně využívat výhod sériových kompresorů. Jedinými nevýhodami mezichladiče jsou velikost mezichladiče (obvykle blízká velikosti radiátoru) a související potrubí a potrubí.
Vstřikování vody
Vstřikování vody je dalším účinným způsobem chlazení plnicího vzduchu, aby se zabránilo detonaci . Metanol se mísí s vodou, aby se zabránilo zamrzání a aby fungoval jako palivo s pomalejším spalováním. Vstřikování vody, na rozdíl od oxidu dusného nebo nucené indukce, nepřidává motoru samo o sobě mnoho energie, ale umožňuje bezpečně přidat více výkonu. Funguje to tak, že se stříká do náplně stlačeného vzduchu. Voda při odpařování absorbuje teplo, aby ochladila vsázku a snížila teploty spalování. Alkohol je také palivo v náplni, které hoří pomaleji a chladněji než benzín. Díky nižším sacím teplotám a hustšímu plnění vzduchu lze bezpečně přidat větší plnící tlak a časování bez použití vyššího oktanového paliva. Nejčastěji se používá v závodních aplikacích, ale ukázalo se, že je také praktický pro rozšířené použití.
Dieselové motory
Čtyřtakt
Dieselové motory nemají problémy s předzánětem, protože palivo je vstřikováno na konci kompresního zdvihu, proto se používá vyšší komprese. Většina moderních vznětových motorů používá turbodmychadlo. Je tomu tak proto, že výfukové plyny z naftového motoru jsou mimořádně silné, což je vynikající pro pohon turba. Rozsah otáček motoru je užší, což umožňuje jediné turbo plně pohánět celý rozsah motoru. Turbodmychadla mohou také dosáhnout vyššího plnicího tlaku než kompresory, což je u většiny dieselů nezbytné.
Dvoutakt
Dieselové dvoutakty fungují jiným způsobem než benzínové a musí mít nějakou formu nucené indukce - obecně kompresor -, aby vůbec fungovaly.
Aspekty návrhu
Konstrukce benzínových motorů a kompresní poměr ovlivňují maximální možné zvýšení výkonu. Aby bylo možné získat vyšší výkon z vyšších úrovní výkonu a zachovat spolehlivost, musí být mnoho součástí motoru vyměněno nebo upgradováno z přirozeně nasávaných pohonných jednotek. Aspekty návrhu zahrnují palivové čerpadlo, vstřikovače paliva, písty, ojnice, klikové hřídele, ventily, těsnění hlavy a šrouby hlavy. Maximální možné zvýšení závisí na oktanovém čísle paliva a na vlastní tendenci každého konkrétního motoru k detonaci . Aby se zabránilo detonaci v rozumných mezích, lze použít prémiový benzín nebo závodní benzín. Ethanol, methanol, zkapalněný ropný plyn (LPG) a stlačený zemní plyn (CNG) umožňují vyšší vzestup než benzín, protože mají vyšší odolnost proti samovznícení (nižší sklon k klepání). Dieselové motory mohou také snášet mnohem vyšší úrovně plnicího tlaku než motory s Ottovým cyklem , protože během fáze komprese je stlačován pouze vzduch a palivo je vstřikováno později, čímž se problém s klepáním zcela odstraní.
Motocykly
Jedinečné konstrukční aspekty pro motocykly zahrnují dodávku energie, kterou je možné zvládnout; a obaly pro odvod tepla, zachování prostoru a požadované těžiště .