Come trasformiamo le esplosioni in spinta?

Il nome del gioco di combustione interna sta convertendo l’energia termica in movimento. All’interno di un motore, accendiamo un carburante come la benzina, e i gas di carburante/aria caldi e in espansione spingono verso il basso i pistoni. I pistoni su e giù sono collegati all’albero motore rotante nella parte inferiore del motore, trasformando questo movimento verticale in movimento alternativo. Agganciare il tutto ad una trasmissione collegata alle ruote, e il gioco è fatto!

Come facciamo esplosioni più grandi per una maggiore spinta?

Se hai mai alimentato un falò per fare s’mores, probabilmente ricordi le tre parti del “triangolo del fuoco”: aria, carburante e fonte di accensione. È lo stesso al vostro fuoco come è dentro il vostro motore, con l’aria che scorre verso l’assunzione che unisce con il carburante dai vostri iniettori di carburante e ottenere accensione dalle candele.

Se vogliamo aumentare la potenza, dobbiamo assicurarci di avere abbastanza di tutte e tre le componenti del nostro triangolo di fuoco. In un motore, ciò significa che se iniettiamo più carburante, dobbiamo anche assicurarci di ottenere più aria (e quindi più ossigeno) per bruciare tutto il carburante, poiché il carburante extra non brucerà a meno che non abbia più ossigeno con cui combinare e bruciare.

Chimica ha una parola per la quantità ideale di reagenti in un’equazione per bilanciare senza avanzi: stechiometria. In un motore a benzina, il rapporto stechiometrico tra aria contenente ossigeno e carburante è di 14,7 parti (in massa) di aria a 1 parte di benzina.

Inserisci l’induzione forzata

“Non c’è sostituto per lo spostamento” è una frase dei big block V8 days, dove più potenza significava motori fisicamente più grandi che inghiottivano più aria e carburante. Cilindri più grandi potrebbero aspirare non solo più carburante ma più aria per bruciare completamente con il carburante, e questo ti ha dato più potenza.

Sfortunatamente, più dimensioni significa anche più peso, quindi alcuni ingegneri hanno invece colpito l’idea di ottenere più aria nel motore pompandolo: invece di rendere il motore fisicamente più grande per aspirare più aria, spingere più aria nello stesso motore di dimensioni. L’aria pressurizzata che viene pompata nel motore è chiamata boost, con l’aumento della pressione rispetto alla pressione dell’aria ambiente misurata in PSI o bar/kilopascal.

Queste prime pompe ad aria ad induzione forzata furono chiamate supercharger, e le loro ruote del compressore a pale erano alimentate dal motore stesso tramite cinghie o ingranaggi azionati dall’albero motore del motore. Stechiometria significa che ogni po ‘ di carburante in più richiede 14.7 volte più aria, quindi non sorprende che i compressori utilizzino un’enorme quantità di energia (a volte fino al 20% della potenza totale del motore!) per pompare tutta quell’aria intorno.

Più grinta con meno rifiuti – il turbocompressore

Dimensioni e peso sono cose cattive nelle auto e cose peggiori negli aerei, che è stato un sacco di sviluppo di induzione forzata precoce stava avvenendo. Non solo un motore pesante fa per un aereo pesante, ma un motore physcally grande fa anche per una fusoliera ingombrante, non aerodinamica. Negli aerei, c’è stato un ulteriore incentivo a pressurizzare l’aria in entrata per compensare l’aria che si assottiglia ad alte quote, mantenendo la potenza del motore che cade ad alta quota.

Con potenza e peso a un tale premio negli aerei, l’ingegnere aeronautico svizzero Alfred Büchi ha avuto un’onda cerebrale per sbarazzarsi di quella perdita di potenza del compressore del 20% : invece di utilizzare la potenza del motore tramite una cinghia/ingranaggi per far girare il compressore, collegare la ruota del compressore a una ruota di turbina corrispondente nel sistema di scarico, catturando energia dal flusso di scarico altrimenti sprecato come un mulino a vento cattura energia dalla brezza.

Questi primi “turbina di sovralimentazione” o “turbo-compressori” finalmente è andato al potere molti racing aerei, bombardieri e caccia negli anni 1930 e 1940, e sono stati considerati avanzata tecnologia aerospaziale, all’epoca, con parti in rotazione a centinaia di migliaia di giri e la turbina ruote esposti a temperature dei gas di scarico fino a 1800°F/1000°C. l’Adozione di un costoso pezzo di equipaggiamento in auto e ‘ stato così lento e sperimentale in un primo momento, con una manciata di modelli come la Chevrolet Corvair che compaiono a partire dal 1950 optional, motore turbo.

Turbocompressore sviluppo marciato mano nella mano con turbina a gas (motore a reazione) sviluppo per tutto il 1950 e 1960. Oltre a materiali migliori in grado di resistere alle alte temperature e pressioni nel lato caldo del turbo, il layout generale del turbocompressore finalmente standardizzato:

• lato Freddo custodia, quali sono i percorsi di ingresso dell’aria al turbo
  • la ruota del Compressore, che pressurizza l’aria
  • Compressore di bypass, che si apre quando si sollevare il gas per mantenere la spinta dell’aria da costruire dietro a farfalla chiusa piastra e causando compressore di stallo
• CHRA (centro di custodia rotante, a volte chiamato anche la “cartuccia”)
  • Albero sul quale il compressore e la turbina sono entrambi collegati
  • cuscinetti dell’Albero per permettere all’albero di ruotare liberamente
  • Lubrificazione e di raffreddamento
• lato Caldo di casa, che indirizza l’aria dal collettore di scarico al turbo
  • ruota di Turbina, che cattura l’energia dal gas di scarico
  • Wastegate, che si apre quando il turbo raggiunge i target di spinta e invia extra di scarico passato la turbina in modo da non girare più velocemente

È stata la crisi energetiche degli anni 1970 che ha spinto case automobilistiche di iniziare a prendere seriamente in considerazione turbocompressori come un modo per ridurre le dimensioni di motori (e migliorare le emissioni e risparmio di carburante), senza sacrificare la potenza.

Potenza e controllo

Gli anni 1970 e 1980 coincisero anche con la rivoluzione dei computer, e queste tecnologie avanzate di controllo del carburante e del motore si dimostrarono adatte alle prestazioni e alla longevità del turbocompressore. Dai primi sensori analogici di temperatura e portata nel 1970 a più unità di controllo in rete negli anni 2000 e oltre, i sistemi sono avanzati per tenere il passo con la domanda di spremere quanta più energia possibile da una goccia di carburante:

• La sonda Lambda (sensore di ossigeno) con sistema di Volvo essere la prima casa automobilistica ad utilizzare questa combinazione di sensori del misuratore di carburante:
  • Massa sensori di flusso d’aria, per misurare la quantità di aria che va nel motore
  • iniezione Elettronica, per misurare il giusto rapporto di carburante per andare con la quantità di aria
  • Ossigeno (lambda) sensori di misura qualsiasi residuo di carburante o di ossigeno nei gas di scarico per vedere quanto vicino a 14,7:1 stechiometrico il motore è in funzione
• Knock sensori per misurare la salute e la tempistica di combustione eventi
• Coil-on-plug di accensione diretta, per regolare la candela tempi per evitare di bussare
• Digitale centraline di Controllo Motore (Ecu) per misurare continuamente tutti questi ingressi e regolare le uscite
• Coppia Richiesta per la gestione del motore schemi,
  • A: capire esattamente quanta potenza il driver (tramite il driver del piede destro sul pedale del gas) chiede
  • B: “lavora all’indietro”, calcolando la minima quantità di acceleratore aperto, carburante e spinta necessaria per colpire il bersaglio di potenza del guidatore

Il carico e le temperature del motore finemente controllati, le tolleranze e l’equilibrio di lavorazione più stretti e le leghe più avanzate hanno contribuito a migliorare l’affidabilità e le prestazioni del turbocompressore. Con il progredire degli anni ’80 e’ 90, la turbocompressione divenne più mainstream, con uscite di potenza prevedibili e turbo time-between-revisions che ora raggiungevano 100.000 miglia o più.

Anche il design del turbo stava cambiando, prima con solenoidi a vuoto controllati dal computer che aprivano e chiudevano il wastegate per controllare la spinta complessiva, e con cambiamenti fondamentali al turbo stesso come gli alloggiamenti delle turbine a doppia scorrimento e geometria variabile che aumentavano l’efficienza del turbo estraendo quanta più energia possibile dal flusso di scarico.

Mentre continuiamo a marciare verso il 21 ° secolo, i turbocompressori sono la chiave per spremere la massima efficienza dai motori a combustione prima che i veicoli elettrici siano pronti a prendere il sopravvento nelle auto tradizionali. Il turbo è stato con noi per quasi tutto il tempo come l’auto stessa, ma ha ancora del lavoro da fare.

Per informazioni più dettagliate sui componenti del turbocompressore e sul servizio del sistema, vedere il nostro articolo sui problemi comuni del turbo.