TURBOKONVERTERING Bränsleinsprutning Uppgradering

Transkript

1 TURBOKONVERTERING Bränsleinsprutning Uppgradering

2 Metoder för effektökning Turbin Kompressor Avgasutlopp Luftinlopp Roots-kompressorns arbetsprincip. Filtrerad luft Komprimerad luft Avgaserföre turbinen Avgaser efter turbinen Funktionsprincip för turboanläggning. När insugningsventilerna i en vanlig sugmotor öppnar och frilägger passagen till cylindrarna, finns det inget annat än atmosfärstrycket till hands för att pressa in luftbränsleblandningen.på grund av motstånd i inloppskanalerna, samt den korta tid som står till buds, kommer trycket i cylindrarna för en normal motor att bli endast ca 80% av atmosfärtrycket. (Före kompressionstakten). Man säger att fyllnadsgraden är 80%. Vid motortrimning strävar man efter att öka fyllnadsgraden. Med diverse knep och knåp, som väl avpassade kanaler, kamaxel och avgasgrenrör kan man med konventionell trimning komma upp till en fyllnadsgrad av som mest ca 110%, men då endast inom ett smalt varvregister. Under detta område blir motorn svag och svårkörd. Vid överladdning låter man en kompressor trycka in luftbränsleblandningen till cylindrarna. På detta sätt kan man utan svårighet åstadkomma en fyllnadsgrad av 200% eller mera, och detta utan att förstöra motorns lågvarvsegenskaper. Man kan naturligtvis även öka gasflödet genom motorn med ökning av cylindervolym och varvtal, men dessa möjligheter är gemensamma för en sugmotor och en överladdad motor. De kan alltså användas för ytterligare effektökning i båda fallen. Överladdning kan åstadkommas med flera olika typer av kompressorer. De vanligaste i detta sammanhang är Rootskompressorer och turbokompressorer. Av dessa finns ett flertal fabrikat. Andra typer är Volkwagens G-Lader och Comprex tryckvågsladdare. Även excentertyper förekommer, som Shorrock och Bendix. Centrifugalkompressorer som Paxton och Albrex är i princip en turbos kompressordel, försedd med remdrift och utväxling. Det finns också skruvkompressorer anpassade för överladdning av förbränningsmotorer - Opcon och Sprintex bör nämnas. Roots-kompressorn Roots-kompressorn fungerar som en kugghjulspump - två extrema kugghjul med endast två kuggar vardera avskiljer en viss luftmängd på sugsidan och förflyttar denna till trycksidan. Roots-kompressorn handikappas av den låga adiabatiska verkningsgraden (se beträffande adiabatisk verkningsgrad under denna rubrik). Den överstiger sällan 50%, jämfört med turboladdarens ca 75%. Följden blir för hög temperatur på insugningsluften med sämre fyllnadsgrad och stor termisk belastning på motorn. En annan nackdel med Roots-kompressorn är att den drivs mekaniskt av motorn. Man kan räkna med att minst en tredjedel av den effektökning som överladdningen ger går åt till att driva kompressorn. B&M Roots-kompressor. Fördelen med den mekaniska drivningen är att man kan få laddningstryck även då man står stilla och varvar upp motorn. Detta gör att man blir startsnabb, vilket utnyttjas inom dragracing. Men även där börjar avgasdrivna kompressorer ta över p g a det större effektuttag som är möjligt med dessa. Vad som sagts om Roots-kompressorn gäller i stort sett även om excenterkompressorer, med den skillnaden att man här kan uppnå en något högre verkningsgrad - ca 60%. 83

3 Centrifugalkompressor schematiskt. Till höger en Vortech kuggväxeldriven centrifugalkompressor Excenterkompressorns arbetsprincip. VW G-Lader G-laddaren, utvecklad av Volkswagen, är en mekanisk driven kompressor av excentertyp. Den består väsentligen av ett spiralformat kompressorhus i två halvor, en likaledes spiralformad avskiljare, och en axel med excentrisk sektion. I fas 1 (se figur nedan) är yttre kammaren mellan hus och avskiljare öppen för atmosfären. I fas 2 har axeln roterat 90 o och passagen till luftintaget är stängd. Centrifugalkompressorn En centrifugalkompressor är i princip en likadan kompressordel som på en turbo, men turbinen har ersatts av en transmission. I stället för att drivas av avgaserna, drivs kompressorn med en rem från vevaxeln. Det genererade övertrycket från en centrifugalkompressor är proportionellt mot kvadraten på varvtalet. Det fordras mycket höga varvtal på kompressorn innan man får användbart övertryck i insugningsröret. Många centrifugalkompressorer använder en typ av planetväxel. Senare utföranden har ofta en precitionstillverkad kuggväxel med hög utväxling. Denna typ av kompressor har funnits länge på marknaden. Under 60-talet kom Shelbys Ford Mustang Cobra, laddade med Paxton centrifugalkompressor. I dag finns ett tiotal olika fabrikat. Att centrifugalkompressorn vinner terräng beror delvis på att moderna motorrum inte har så mycket plats för ytterligare tillbehör, och en centrifugalkompressor tar mindre plats än en Roots, Lysholmsskruv eller turbo. Bra verkningsgrad beroende på att frånvaron av avgasturbin tillåter snävare toleranser, mindre spel mellan kompressorhjul och hus. Som alla remdrivna kompressorer ger den snabb respons vid gaspådrag. Spiralkompressorns funktion. Efter ytterligare 90 o, fas 3, har den avskilda luftmängden komprimerats, och i fas 4 når den inre kammaren, varifrån den strömmar till motorns insugningsrör eller laddluftkylare. Husets båda halvor är gjutna i aluminium. Avskiljaren är av magnesium. Stora krav på noggrannhet beträffande toleranser och ytfinhet ställes vid tillverkningen. För remdrivna kompressorer ovanligt god verkningsgrad har demonstrerats. G-ladern är till sin funktion en deplacements-kompressor, och har därmed fördelen att leverera lika stor luftmängd per varv oberoende av motorns hastighet. Detta gör att kontroll-system för laddningstrycket inte behöver användas. Här syns kuggväxeln som ger centrifugalkompressorn det höga varvtal som fordras. Snedskurna drev är också vanliga. Här en Procharger. 84

4 Comprex Comprex tryckvågsladdare,utvecklad av schweiziska Brown Bowery, är visserligen remdriven, men kompressionsenergin kommer från motorns avgaser. Metoden går ut på att direkt överföra den energi som finns i avgaserna till insugningssidan som en tryckökning. En rotor, innehållande ett antal kammare, drives från motorns vevaxel med ca dubbla motorvarvet. Genom kamrarna förbinds motorns insugnings- och avgasgrenrör. Enklast följer vi förloppet genom att studera vad som händer i en av dessa kammare. I nästa sekvens når vår kammare ett område där den blir frilagd mot en kanal (2) till motorns insugningsrör. Den komprimerade luften strömmar in i insugningsröret. Rotorn vrides ytterligare några grader, och passagen stängs igen, just innan avgaserna hinner följa efter in i insuget. Efter ytterligare vridning frilägges kammaren i motsatt ända mot avgassystemet, och avgaserna strömmar ut. De ersättes av friskluft (vid 4), och förloppet börjar om. Vid första påseendet tycker man att värmetransport från avgaserna till insugningsluften, likväl som blandning mellan gaserna, skulle vara problem. På grund av den korta exponeringstiden hinner dock detta förlopp knappast utvecklas, och blir inte till allvarligt hinder. Största fördelen med Comprex är snabb respons. Laddningstryck kan byggas upp vid lågt motorvarv. Jämfört med turbo blir toppeffekten lägre, beroende på högre avgasmottryck (10-20%) och effektförlust genom drivningen. Både termisk och mekanisk verkningsgrad ligger på en hög nivå. Största nackdelen med Comprex är hög tillverkningskostnad. Dyrbart material måste användas, för att minimera temperaturberoende dimensionsförändringar, som kan orsaka läckage mellan stationära och roterande delar. Främst är Comprex utvecklad för dieselmotorer, men kan användas även på bensinmotorer. Ferrari har gjort experiment på sin formel 1 -motor. Skruvkompressorn Comprex schematiskt. Insugningsluften går in vid D (se figur) och tränger in i några av rotorns kammare, som är frilagda och öppna mot luftintaget. Vid 4 avskiljes denna luftmängd, genom att vår kammare isoleras från luftintaget. Rotorn spinner vidare, och når efter ca 1/4 varv fram till en kanal (1) från motorns avgasgrenrör. De heta avgaserna strömmar in i kammaren, och pressar samman luften därinne. Ett nybildat svenskt företag, nära knutet till Svenska Rotormaskiner SRM, har tagit upp tillverkning av kompressorer. Konstruktionen bygger på Lysholmsskruven, en svensk uppfinning. Principen har används för tryckluftkompressorer i mer än 40 år, och tillverkas förutom hos SRM även hos flera licenstagare. Två skruvar, eller spiralformade kugghjul, roterar mot varandra. Luften komprimeras axiellt. Man uppnår mycket god adiabatisk verkningsgrad, 60-70%. Även andra företag har tagit upp tillverkning av skruvkompressorer för applicering på bilmotorer, t ex Sprintex. Opcon skruvkompressor i tre storlekar. 85

5 Kompressorn, turbinen och lagerdelen är sammanfogade till en enhet, där kompessorhjulet (impellern) och turbinhjulet sitter fast i var sin ända av samma axel. Lagerdelen däremellan, som smörjes av motoroljan, håller samman paketet. Dagens turbo arbetar med mycket höga varvtal - i närheten av varv/min förekommer. Detta ställer speciella krav på lagringen. Den dominerande metoden är fullflytande lagring. Glidlager med lagringsyta på både in- och utsida roterar med ca halva axelns hastighet. På detta sätt nedbringas friktionspåkänningarna till hälften. Ett stort oljeflöde fordras för att hålla lagren flytande. Rull- eller kullager har flera fördelar framför glidlager: Mindre friktionsförluster kräver mindre oljemängd, tål mycket stora belastningar för korta perioder. Men de höga varvtalen och d:o temperaturer gör att livslängden blir kort. Ett företag, Aerodyne Dallas har löst detta genom att förlägga lagringen i luftströmmen på den kalla sidan. Denna turbo, kallad Aerocharger,är speciell även på andra sätt. Den har variabel turbinhusarea, kan monteras vertikalt, och har inbyggt smörjsystem. Snitt genom Schwitzer 3LD turbokompressor. Turbokompressorer En turbo består av i huvudsak 3 delar: Lagerdel, kompressor och turbin. Kompressorn kan enkelt beskrivas som en fläkt, vilken packar in gasen i cylindrarna under övertryck. På detta sätt kan en turbomotor fyllas med betydligt mer gas än en sugmotor - därav den höga effekten. Kompressorn, som kan rotera med över varv/minut, måste drivas på något sätt. Här finner man en av de fördelar, som gör avgasturbon överlägsen en vanlig remdriven kompressor: Turbon drivs av motorns avgaser. Ca 45% av den energi som genom bränslet tillföres en vanlig sugmotor passerar ut genom avgasröret. I en turbomotor tas en del av denna energi tillvara för att driva kompressorn. Detta sker i turbindelen. Aerocharger Turbinhjul med axel och kompressorhjul. Garrett T3 turboladdare. 86

6 Turbokompressorn drives av motorns avgaser. Denna metod kan inte ge den omedelbara reaktion på ökat gaspådrag som mekanisk drivning ger. Men på moderna turbo har man lyckats bygga bort mycket av denna nackdel genom mindre vikt i roterande delar, och högre stallvarv. Den tyngsta roterande delen är turbinhjulet. Senaste utvecklingsteget är turbinhjul av keramiska material. Dessa ger mycket snabb respons, men är ännu tämligen ömtåliga. Även mycket små partiklar som följer med avgasströmmen kan förstöra ett keramiskt turbinhjul, när det roterar med periferihastigheter om 500 m/s. För att det skall fungera måste motorn designas för ändamålet, med speciella material i grenröret, och andra krav. Turbon har redan nu ett visst övertag över andra kompressortyper. Låg vikt, hög effektivitet, måttliga tillverkningskostnader, är faktorer som ger utslag. När det gäller effektpotential behöver man bara se till dominansen på tävlingsbanorna. Och för dieseldrivna fordon är turbon idag närmast självklar. Avgasnormerna inom EU gör det redan nu närmast omöjligt att få en dieselmotor godkänd utan turbo: Turbon ger mer fullständig förbränning, och minskar andelen partiklar i avgaserna. Och ännu strängare avgasnormer är aviserade. Med keramiska turbinhjul kommer turbo-kompressorn att dominera än mer, om inte utvecklingen tar en ny riktning. Figuren ovan visar resultatet av tester med olika experimentturbo utförda av Nissan Motor Company. Den streckade linjen till vänster visar respons med keramiskt tubinhjul. Linjerna däremellan avser olika versioner av variabelt turbinhus. Kullagrad turbinaxel har använts för samtliga försök utom det som redovisas med heldragen linje. Motorn t.v. kommer från Lancias experimentbil EVC2, och är försedd med något som man kallar modular turbo system. Motorn har fyra ventiler per cylinder. Man har försett den med separata avgasutlopp för varje avgasventil, så att varje cylinder har två avgasportar. Avgasutloppen från ena ventilen på varje cylinder går till vänster turbo, och avgaserna från den andra ventilen till höger turbo. På låga varv stänger ventil nr 4 avgasströmmen från ena uppsättningen avgasventiler, med resultat att alla avgaser går till turbo nr 2, som därmed bygger upp laddtrycket mycket snabbare än om båda turbona varit inkopplade. Med ökande motorvarv och belastning kopplar det elektroniska styrsystemet in turbo märkt nr 3, och ger kapacitet för högt effektuttag. De två wastegateventilerna märkta nr 5 tar nu över och reglerar laddningstrycket. 87

7 En kompressors verkningsgrad Vilka motorer kan överladdas Chrysler hemi 427 i klass BB Altered Gas (USA). Gav 843 hk med fullt blueprintad Roots-Kompressor. Efter byte till dubbla turbo gav samma motor 1130 hk. När man talar om verkningsgrad i samband med turbo och andra kompressorer för överladdning av förbränningsmotorer menar man oftast den adiabatiska verkningsgraden. Detta begrepp kan behöva förklaras. Då insugningsluften komprimeras ökar dess tryck och täthet. Motorn reagerar på täthetsökningen snarare än på tryckökningen. Men täthetsökningen motverkas av en samtidig temperaturhöjning. Temperaturen ökar mer än vad som står i proportion till täthetsökningen. Denna extra temperaturhöjning kan betraktas som en förlust, vars storlek är skillnaden mellan verklig temperaturhöjning och den som skulle ha inträffat vid en 100% adiabatisk process helt utan värmeutbyte med omgivningen. Den kan beräknas med hjälp av kompressorns adiabatiska verkningsgrad Den adiabatiska verkningsgraden kan sägas vara ett mått på en kompressors effektivitet. Ju högre värde, desto större blir motorns effektökning vid ett visst bestämt laddningstryck. Avvikelser på 2-3% är oväsentliga, men där skillnaden uppgår till 10-15% får det avgörande betydelse för resultatet. Kompressorns adiabatiska verkningsgrad påverkar alltså den lufttäthet som uppnås vid ett givet tryckförhållande. Verkningsgraden för turbin och lagringsdel påverkar främst det mottryck, som fordras i avgasgrenröret. Mindre turbo har lägre verkningsgrad. Ju större turbo, desto lättare att uppnå höga värden. Utvecklingen på mindre turbo under senare år har varit att man försökt vidga fältet med hög verkningsgrad, så att detta skall gälla över ett större varvregister. Så gott som alla kolvmotorer kan överladdas - även Wankel. För tvåtaktsmotorer har man några problem att lösa: Det fordras oljetryck till turbon, och ett expansionsrör måste beräknas. Men när man kommit förbi detta kan man nå utmärkta resultat. Den viktigaste begränsningen vid all effektökning är motorns hållbarhet. Generellt kan sägas att en turbomotor med en viss given effekt är utsatt för mindre påfrestning än en sugmotor med samma effekt, helt enkelt därför att turbomotorn uppnår denna effekt vid ett lägre varvtal. Dessutom utsätts motorn för ökad påfrestning endast under de perioder då den högre effekten tas i bruk. Man kan alltså tillåta större effektökning vid turboladdning än vid vanlig trimning. Var gränsen skall dras är naturligtvis individuellt för varje motor. Speciellt försiktig måste man vara med äldre motorer som har otillräckligt antal lagringspunkter. En rak fyrcylindrig motor med trelagrad vevaxel tål t ex inte allför stor effektökning. Turbomotorer byggda för stor belastning har ofta kolvkylning, d v s en oljestråle sprutar på undersidan av kolvens krona. Därmed sänks temperaturen i kolvtaket med ca 30 o. Vid eftermontering kan detta kompenseras genom att man dimensionerar turbon annorlunda, för att hålla sig inom samma temperaturområde. (jfr avsnittet om verkningsgrad). Man kan natruligtvis även tänka sig att montera kolvkylning, alternativt smidda kolvar (hjälper till en del), vatteninsprutning eller helt enkelt stanna vid ett lägre laddningstryck. Kawasaki Drag-Bike ägd och körd av Kari Taijonlahti Kolvkylning. När oljetrycket överstiger 2,5 bar öppnar kulventilen. Oljan sprutar mot kolvens undersidan och kyler kolven. 88

8 Kompressionsförhållandet och effekten Avgörande för vilken effekt man får ur en turbomotor är det laddningstryck som används. Men laddningstrycket måste alltid anpassas till motorns kompressionsförhållande. Man kan säga att för varje kompressíonsförhållande finns ett givet laddningstryck. Om detta värde överskrides kan bränsleblandningen i hela eller någon del av förbränningsrummet självantända, utan gnista från tändstiftet. Effekten av detta är vad som brukar kallas knackning eller spikning, och resultatet blir motorskador efter kort tid. Spikning inträffar när bränslets självantändningstemperatur uppnås. Temperaturen stiger när trycket ökas. Därför måste vi begränsa trycket till en riskfri nivå. Förloppet vid spikning är följande: Tändstiftet antänder gasblandningen, och flamfronten avancerar ut från tändstiftet (se fig). Observera att det skall röra sig om kontrollerad förbränning, som tar viss tid. Gasen upphettas av förbränningen, den utvidgar sig, och trycket i förbränningsrummet ökar. Den gas som befinner sig långt från tändstiftet (ändgas eller restgas) når självantändningspunkten. Resultatet blir att hela blandningen samtidigt antänds - en explosion. Då detta sker medan kolven är på väg upp, blir belastningen oerhörd på kolv, vevstake och lagringar. En annan typ av spikning är den som inträffar innan gnistan från tändstiftet kommer. Det sker om det effektiva kompressionsförhållandet blir så högt att man når självantändningspunkten redan genom kompressionstrycket. Med en turbokompressor komprimeras gasen redan innan den kommer in i cylindrarna. Därför blir trycket när kolven når sitt översta läge högre än för motsvarande sugmotor. Trots att det geometriska kompessionsförhållandet är samma, blir det effektiva kompressionsförhållandet högre. Det geometriska kompressionsförhållandet är det värde man får då man dividerar hela rymden i ett av motorns förbränningsrum över kolven då denna står i sitt nedersta läge med utrymmet över kolven då denna står högst upp. Det är det värde som finns angivet i bilens handbok. Ej att förväxla med kompressionstrycket, som mäts med kompressionsmätare. När man skall turbomata en standardbil för landsvägsbruk, är det lämpligt att utgå från (det geometriska) kompressionsförhållandet. Man väljer det laddningstryck som kan användas utan risk för spikning. Ur fig 7 kan detta värde avläsas för varje normalt kompressionsförhållande. I fig 8 kan man sedan se vilken effekt som blir följden. Observera dock att laddluftkylare kan ge ytterligare tillskott. Värden enl fig 7 skall ses som utgångsvärden. En rad faktorer påverkar resultatet, och gör att man inte kan ange exakta värden som gäller för alla motorer. Dessa faktorer är: - Topplockets kylning och förbränningsrummets form. A e = Vs +Vk Vk där e = (geometriska) kompressionsförhållandet Vs = slagvolym i en cylinder = kolvarean x slaglängden Vk = kompressionsvolym = förbränningsrummet i toppen, squishrymd och packningsrymd Beräkning av kompressionsförhållande. 89

9 Fig 7. Praktiskt användbara laddningstryck vid olika kompressions-förhållande för fyrtakts bensinmotorer. Rek. värden gäller för 98-oktanig bensin. (Under vissa förhållanden kan högre värden användas, se texten här intill och nedan. T ex med datorstyrd insprutning och tändning med knacksensor vågar man gå högre). OBS! Dessa värden gäller motorer med 2 ventiler/cylinder. Med 4 eller fler ventiler per cylinder kan ca 2 enheter högre geometriskt kompressionsförhållande utnyttjas. Motor Utrustning Endast turbo Laddluftkyl. Vatteninspr. Vattenkyld 11,5 12,0 12,5 Luftkyld 10 10,5 11,5 Fig 8 Typiska värden för effektökning på bensinmotorerr vid olika laddningstryck. Dessa figurer illustrerar sambandet mellan geometriskt och effektivt kompressionsförhållande och laddningstryck. Vi ser t ex i figur 7 att om vi har ett geometriskt kompressionsförhållande av 8,0:1 så kan vi ladda med 0,55 bar övertryck innan vi når linjen 11,0:1 i effektivt kompressionsförhållande. Ur figur 8 kan vi skaffa oss en uppfattning om vilken effekt vi får med ett visst laddningstryck. Vi ser att 0,55 bar överladdning ger en effektökning av ca 55%. Observera att diagrammet endast anger ungefärliga värden som är genomsnitt för olika motortyper med två ventiler per cylinder. Med tändstiftet placerat i centrum, dvs motorer med fyra eller flera ventiler per cylinder, kan man ha betydligt högre laddningstryck. För dessa motorer gäller ca två enheter högre gränsvärden för geometriskt kompressionsförhållande, innan man får problem med spikning. 90

10 Med styrelektronik, centralt placerat tändstift och kapacitivt tändsystem kan högre laddningstryck användas. Saabs 16 V-motor klarar 0,85 bar vid kompressionsförhållande 9,0:1. - Placering av avgas- och insugningsportar. Crossflowmotorer tål högre tryck än de som har avgas och insug på samma sida. - Bränslesystemet. Insprutningsmotorer tål högre tryck än förgasarmotorer. - Tändstiftets placering. Ju mer centralt i förbränningsrummet, desto bättre. Detta ger fördel för motorer med dubbla överliggande kamaxlar. Beträffande inverkan av vatteninsprutning eller laddluftkylare se under denna rubrik. Trycket i förbränningsrummet minskar när kolven passerat sitt översta läge. Därför låter man en turboladdad motor tända senare under övertryck. Man förlägger en större del av förbränningsprocessen till fasen efter övre dödpunkten, och undviker därigenom att trycket blir så högt att självantändning inträffar. För mager bränsleblandning ger också spikningsproblem. Om en motor inte klarar de värden för laddningstryck som anges i fig 7, skall tändning och bränsleblandning kontrolleras, innan andra åtgärder vidtages. Byggsats monterad på Volvo 244. En crossflowmotor kan ha något högre laddningstryck än den som har insug och avgas på samma sida. Om man inte kan få fram kompressionsförhållandet ur fordonets handbok, kan man prova sig fram genom att stegvis öka laddtrycket tills spikning inträffar. Prova vid maximal belastning och olika varvtal. Anlita någon som är van att avslöja spikningar, om du inte själv vet hur det låter. Sänk trycket 0,15 bar från det värde där spikning inträffar, för marginal. Ur diagrammen 7 och 8 kan man utläsa att ju högre toppeffekt man önskar, desto lägre kompressionsförhållande måste man ha. Men man får inte glömma bort att på lägre varvtal arbetar motorn fortfarande som sugmotor. Detsamma gäller då motorn är relativt lite belastad t ex vid körning på plan väg i jämn moderat hastighet: För att få bästa möjliga egenskaper i detta område fordras att kompressionsförhållandet inte är för lågt. Om man önskar en högre effekt än den som kan beräknas med hjälp av fig 7 och 8, så finns det ett antal metoder för att gå vidare. Se först under avsnitten vatteninsprutning och laddluftkylare - detta kan ge 15-25%. Men om dessa metoder inte passar eller är otillräckliga så får man ge sig i kast med att sänka kompressionsförhållandet. Detta kan ske på flera olika sätt. Först måste vi räkna ut hur mycket förbränningsrummets volym skall ökas. Vi använder formeln A först för att ta reda på kompressionsvolymen i standardmotorn. Som exempel tar vi en Volvo B20 med följande data: Cylindervolym per cylinder 1985/4=496,25 Borrning 88,9 Kompressionsförhållande 8,7 Standard Vk = Vs/e- 1 = 496,25 / 8,7-1 = 64,5 Om vi önskar ett laddningstryck av 0,6 bar skall kompressionsförhållandet (utan vatteninsprutning eller mellan kylare) vara ca 8,0:1 (fig 7). Nytt Vk = 496,25 / 8-1 = 71 Kompressionsvolymen skall alltså ökas 71-64,5 = 6,5 cm 3 (ml) för att man skall få kompressionsförhållandet 8,1:1. 91

11 De bilar som deltar i Le Mans 24- timmarslopp måste bygga på tillförlitlighet. Denna Nissan R87E har kompressionsförhållande 5,8:1, och avpassar laddningstrycket efter läge i tävlingen. Två IHI turboaggregat pressar fram 700 hk ur 2994cc vid behov. Man kan öka kompressionsvolymen på främst tre olika sätt: 1. Tjockare toppackning (eller dubbla packningar) 2. Lägre kolvar 3. Större förbränningsrum i toppen Metod 1 är naturligtvist enklast. För ökning med 6,5 cm 3 skall packningen vara Delta Vk / Kolvens area = 6,5 x 1000 x 4 / 3,14 x 88,9² = 1 mm tjockare än original. (Volymändringen divideras med kolvarean). Vi på GIK har länge varit misstänksamma mot användandet av dubbla toppackningar. Men vi har kunnat konstatera att det i många fall - som t ex Golf GTI fungerar bra och utan bekymmer, vid måttliga effektökningar. Åtdragningsmomentet måste ökas. Packningarna bör vara ganska stabila för att ligga kvar och inte formförändras. Metod 2 är dyrare och komplicerar monteringen. Används då övriga metoder inte räcker. För stora effektökningar måste man ändå byta till smidda kolvar av hållbarhetsskäl. Kolvar med slits under oljeringen bör undvikas. Borrade hål ger större bärighet. För en mindre ändring som här kan man även svarva kolvarna. Här måste man dock vara försiktig så att kolvtoppen inte blir för tunn. Men att kapa gjutna kolvar ca 0,6 mm och smidda upp till ca 1,2 brukar gå bra vid måttligt laddtryck. Till vissa motorer finns originalkolvar att få med olika kompressionsförhållande.dessa kolvar är då utformade så att lågkompressionsvarianten är plan, eller har en försänkning i mitten. Om sådana kolvar finns att tillgå i bra kvalitet, och man renoverar motorn i samband med turbomonteringen, bör man naturligtvis välja lågkompkolvarna. Metod 3 har flera fördelar. Man kan välja den toppackning som bäst står emot trycket, inte den tjockaste. Man får bättre kylning med förbränningsrummet i toppen, istället för att flytta ner det i cylindern. Med främst för att man, då toppen bearbetas, kan anpassa förbränningsrummets form, och kanalernas utformning, för att få högre effekt och mindre risk för spikning. Om man arbetar på egen hand, utan specialistkunskaper, kan man nöja sig med att gå mot en mer sfärisk utformning av förbränningsrummet. Vassa kanter avlägsnas. Var noga med uppmätningen, så att rummen blir lika stora. Man måste vara försiktig vid bearbetningen så att man inte får för tunt gods vid vattenkanalerna. Som regel kan man dock fräsa ner flera mm på ytan närmast blockplanet - jämför planing av toppen. Dessutom finns ofta klackar runt avgasventilen som kan minskas. Bearbetningen kan utföras med roterande fil för mindre volymer. Lokalisera vattenkanalerna med en böjd tråd så långt som möjligt. För vissa motorer finns bearbetade toppar att köpa, ofta försedda med större avgasventiler. För tävlingsmotorer kombineras metod 2 och metod 3. Vad som hittills sagts gäller endast bensinmotorer. Vi utgår också från 98-oktanig bensin.vill man använda lägre oktantal måste laddningstrycket begränsas eller kompressionsförhållandet sänkas ytterligare.man kan räkna med ca 0,07 bar lägre laddtryck för varje enhets sänkning av oktanvärdet. Förbränningsrum i modifierad topp. Observera nedfräsning som minskar risken för knackning. 92

12 Dieselmotorer Dieselmotorn är nog den som reagerar allra mest positivt på turboladdning. De tidigare beskrivna gränserna för laddningstryck p g a knackningar gäller inte dieselmotorn. Sänkning av kompressionsförhållandet behöver inte tillgripas. Blandningen av bränsle och luft sker utanför förbränningsrummet i en bensinmotor. Kolven komprimerar blandningen, och en gnista från tändstiftet antänder. I en dieselmotor däremot komprimeras enbart luft. Bränsle tillsätts inte förrän antändning önskas, förbränningen startas av den värme som uppstått genom kompressionen. En dieselmotor kan inte spika - det finns inget bränsle som kan antändas vid fel tidpunkt. Snålkörd Quattro - Österrikaren Gerhard Plattner har kört en 110-hästars Audi A4 TDI Quattro nonstop i 20 timmar. Med en snittfart av 80,18 km/h gav det en bränsleförbrukning på 0,366 l/mil. Då man bestämmer laddningtrycket behöver man - vid måttligt effektuttag - alltså inte utgå från kompressionsförhålladet. Den främsta begränsande faktorn - vid sidan av hållbarhetshänsyn - är istället dieselpumpens kapacitet. Normalt kan man tillåta en överladdning med 0,5-0,7 bar, vilket ger en effektökning av 30-40%. Trots effektökningen kan bränsleförbrukningen minska upp till 15%. Dessutom dämpas ljudnivån. 93

13 Rökhalten i avgaserna anges vanligen i sk Boschenheter. Röken får först passera ett filter och sedan mäter man på en tiogradig skala hur mycket ljus som filtret reflekterar. Om inget ljus når det ljuskänsliga intstrumentet är rökhalten 100%. Om allt ljus når instrumentet är rökhalten 0%, det vill säga avgaserna är helt fria från rök. Diagrammet visar hur röktätheten sjunker efterhand som laddningstrycket från turbon byggs upp, med ökande varvtal. Volvo Penta TD121G En bensinmotor som får för mycket luft i förhållande till bränslemängden - mager blandning - går varm och skadas. Med en dieselmotor är det tvärt om. Luftöverskott ger kallare avgaser, renare förbränning och mindre föroreningar i avgaserna. Rökhalten, som mäts i Bosch-enheter, sjunker vid överladdning. Även halten av koloxid och olika kolväte-föreningar blir lägre för en turboladdad motor, medan halten av kväveoxid är ungefär oförändrad. Turbomontering brukar vara ganska enkelt att utföra på en dieselmotor. Dieselpumpen måste dock justeras om för den ökade luftmängden, om regulatorn är av centrifugaltyp. En vakuumstyrd regulator kan styras av en speciell ventil och någon omställning behöver inte göras. Typiskt för en överladdad dieselmotor är att förbrukningen inte stiger vid belastning, i samma grad som den gör för en bensinmotor. Vid hård körning kan en bensinmotor förbruka dubbelt så mycket bränsle som en turbodiesel vid samma effektuttag. Scanias senaste utvecklingsprojekt är en turbocompound, d v s en motor där man efter turbon seriekopplat ännu en turbin. Den kraft man utvinner används inte till att driva en kompressor, utan överföres till vevaxeln via en kuggväxel. Genom att på detta sätt utvinna ytterligare energi ur avgaserna har man förbättrat motorns verkningsgrad och sänkt bränsleförbrukningen med ca 5%. 94

14 Bränslesystemet Om man kan välja mellan olika bränslesystem, är det ingen tvekan om att insprutning fungerar bäst till en överladdad motor. Med modern elektronik kan man lätt mäta upp luftmängden, och styra bränsleblandningen till önskade proportioner vid olika arbetsförhållanden. Men när man turboladdar en motor som lämnat fabriken utan överladdning, är valet begränsat. Och det går att nå mycket bra resultat även med förgasare. Mekanisk bränslepump modifierad för tryck. Laddningstrycket leds in under membranet. Principen för en turboanläggning med förgasare på sugsidan. För förgasarmotorer inställer sig först frågan om man skall suga eller trycka genom förgasaren. Främst avgör motorkonstruktionen - mer om detta längre fram. Men det finns också en teknisk skillnad i funktion. När vi placerar förgasaren på turbons sugsida, blir tryckfallet genom förgasaren större p g a högre lufthastighet. Detta måste kompenseras med större tryckökning i turbon. Denna skillnad är emellertid liten och har ingen avgörande betydelse. Viktigare är att man kan använda laddluftkylare vid tryckmetoden. Detta är normalt inte möjligt vid sugmetoden, eftersom bensinen kondenseras i kylaren. Vid tryckmetoden sitter förgasaren kvar på ordinarie plats. Insugningsröret kan då ha den form som ger den bästa funktionen, så att motorn arbetar helt opåverkad på tomgång och lågvarv. När man suger genom förgasaren måste denna flyttas, och insugningssystemet kommer att inkludera turbon samt röret från turbon till motorns normala insugningsrör. Bränsle tenderar att fällas ut på rörsystemets väggar vid ändringar i gashastigheten. Detta gör att lågvarvsegenskaperna blir sämre då man använder sugmetoden. Man förhindrar utfällning av bränsle genom att hålla nere volymen i insugningsröret mellan turbo och topplock, och göra anläggningen så kompakt som möjligt. Härav följer, att metoden bäst lämpar sig då insugnings- och avgasgrenrör är placerade på samma sida av motorn. Dessutom bör turbon sitta högt upp i motorrummet, så att blandningen inte får uppförsbacke. När man trycker genom förgasaren har man tre svårigheter att övervinna: 1. Bränsletrycket måste överstiga laddningstrycket eftersom flottörhuset står under tryck. Och bränsletrycket måste varieras med laddningstrycket. Detta problem löses dock enkelt med en kraftig elektrisk bränslepump, och en laddtrycksstyrd tryckregulator. Ev. kan en laddtrycksstyrd mekanisk pump användas, för moderata effektuttag. I vissa fall kan standardpumpen byggas om. Man leder in laddningstryck under membranet, och låter lufttrycket hjälpa till att pumpa. 2. Problem nr två är att förgasaren måste vara tät, och ha en homogen flottör som inte trycks ihop. Detta är möjligt att åstadkomma med de flesta förgasare utan svårighet. 3. Det 3:e konstruktionsproblemet med en tryckanläggning är istället det som stoppat de flesta optimistiska experiment. Det har att göra med blandningen bränsle/luft. En förgasare är konstruerad för att tillsätta rätt bränslemängd då luften sugs igenom. När man trycker komprimerad luft genom förgasaren så lurar man förgasaren. Resultatet blir att bränsleblandningen blir magrare ju högre laddningstrycket blir, där det istället borde vara tvärtom. Tryckanlägging med dubbla Dellortoförgasare. Vår sats VT 211 för Volvo B21. 95

15 1. Luftrenare 9. Bränsleledning till insprut- 2. Mängdmätare ningsmunstycke 3. Sugledning till kompressor 10. Avgaser till turbinen 4. Turbo - kompressordel 11. Turbo - Turbindel 5. Avlastningsventil 12. Ljuddämpare 6. Tryckledning för kompressorn 13. Wastegate 7. Spjällhus 14. Returavgaser 8. Insugningsgrenrör 15. Styrtryckledning Avlastningsventilen nr 5 öppnas då spjället stängs och det blir undertryck i insugningsgrenröret. Därigenom sänks trycket snabbt i tryckledningen och kompressorn behåller ett högre varvtal under inbromsning och kurvtagning. Ventilen ger snabbarer reaktion vid gaspådrag, bättre motorbromsning och skyddar dessutom kompressorhjulet. Bosch K-Jetronic bränsleinsprutning som den fungerar i Porsche 911 Turbo. Kort sagt: Skall man trycka genom förgasaren bör man anskaffa en förgasare som är avsedd att trycka igenom. Detta är så väsentligt för anläggningens funktion att det är värt den extra utgiften. Det finns inte många lämpliga förgasare. Men några fabrikanter - Alfa, Lotus, Renault, Lancia - har satsat på turbobilar där man trycker genom förgasaren, och medverkat till att specialförgasare har tagits fram för att passa systemet. Några standardförgasare går relativt lätt att bygga om. Fyrports Holley kan modifieras. SU och Stromberg, för låga laddningstryck. Weber har några modeller, t ex DGAS och DCNF. När man köper en komplett sats skall naturligtvis dessa lösningar ingå. I våra satser för tryckmetoden ingår förgasare och bränslepump, utom i några fall där originalet går bra att använda. Beträffande val av förgasare vid sugmetoden kan sägas, att horisontalförgasare är bättre än fallförgasare. Detta beror på att inloppet i turbon sitter horisontalt, och dessutom kan turbon sitta högre om man använder horisontalförgasare. Men ofta går det bra att bygga på den förgasare som är original på bilen. En turbomotor klarar sig med mindre förgasare än en sugmotor vid samma effekt. Viss ombestyckning måste dock göras. På insprutningsmotorer är det enklare att erhålla rätt bränsleblandning vid varierande laddningstryck. De flesta moderna system fungerar utan modifiering vid låga tryck. Men systemen är designade och utvalda för den effekt som motorn har i standardutförande, och har begränsad reservkapacitet. Vill man öka effekten mer än 20-30% måste detta åtgärdas. Att modifiera ett insprutningssystem för högre kapacitet är inte enkelt. Och det är inte heller nödvändigt. Det finns smidigare lösningar. L-Jetronic bränsleinsprutning fungerar bra på turbomotorer. Här sitter luftmängdmätaren monterad på turbons sugsida. Weber DCOE (DCO) är lämplig då förgasaren placeras på turbons sugsida. Här monterad på Opel 1900 (OBS! Kör aldrig en turbomotor utan luftrenare.) Om motorn har ett elektroniskt insprutningssystem kan man öka bränsletrycket. För mekaniskt system - K-Jetronic - är detta inte lika effektivt. För EFI kan man förlita sig på denna metod som enda justering upp till ca 0,30 bar laddningstryck. Vid högre tryck måste den kombineras med andra åtgärder. Men om man höjer trycket lika över hela registret kommer man att få för fet blandning i det oladdade området - tomgång och låg belastning. Därför använder vi bränsletrycksregulatorer som höjer bränsletrycket progressivt, så att t ex en ökning av laddningstrycket med 0,25 bar ökar bränsletrycket med 0,5-0,75 bar. 96

16 Progressiv bränsletrycksregulator monterad på Volvo 940. (vid pilen) För högre laddningstryck används en s k bränsledator, antingen ensam eller tillsammans med progressiv bränsle-trycksregulator. En bränsledator är i princip ett extra insprutningssystem av enklare slag, som endast arbetar vid övertryck. Det kan ha en eller flera spridare av pulstyp, som placeras före spjället, eller ibland i motorns insugningsrör. Styrenheten känner av laddningstryck och varvtal, och tillsätter det extra bränsle som erfordras. Alltsammans är kompakt och enkelt, lätt att koppla in, och lätt att avlägsna och flytta till nästa bil om så önskas. Och orginalsystemet lämnas opåverkat, med bibehållen bränsleekonomi vid normal körning. En rad olika signaler kan användas för att styra EPIC. Normalt räcker 4-5 inputs Men störst möjlighet har man om man utnyttjar elektronik och modern datateknik. Då kan man få ett kompakt och smidigt system som med enkla ingrepp kan justeras att med stor precision portionera ut rätt bränslemängd. Det finns databoxar som man kan styra med en PC eller till och med en hemdator. Man kopplar in sig på systemets styrenhet och gör erforderliga justeringar, varefter uppgifterna lagras i boxens minne. Mer om dessa system kan du läsa under rubriken Bränsleinsprutning. Gemensamt för dessa datoriserade insprutningssystem på eftermarknaden är att komponenterna vid sidan av databoxen, som spridare, pump, m m, kan hämtas från standardsystem, oftast Bosch Motronic eller L-Jetronic. Kopplingsschema för PIC 5 bränsledator. Det är också möjligt att modifiera original bränsleinsprutning, med oftast både dyrbart och opraktiskt. K-Jetronic kan påverkas genom gnistbearbetning med laser av de slitsar som mäter upp bränslemängden. Men det leder till hög bränsleförbrukning och ojämn CO-halt. Elektroniska sprut kan programmeras om. Men kostnaden för att göra göra ett Master-prom är mycket hög: beroende på omfattning av tester.så att förutsättningen för att programmera om original styrdator är liten när det rör sig om en enda applikation, om det inte finns ett färdigt prom för ändamålet. Om man bygger upp en turbomotor från grunden, t ex för seriöst tävlingsbruk, och har en budget som tillåter, skall man satsa på ett insprutningssystem som från början är designat för den önskade effekten. Mekaniska Kugelfisher finns för höga effektuttag. Dessa skall vara tredimensionella, d v s de skall styras av varvtal, gaspådrag och laddningstryck. Även K-Jetronic finns framtagen för relativt höga effekter, till bl a Porsche och Mercedes. Eftermonterat EPIC elektroniskt bränsleinsprutningssystem på Lotus Esprit. 97

17 Tändsystemet Ett tändsystem som fungerar bra på en sugmotor duger också bra på en turbomotor. Några skillnader finns dock att ta hänsyn till. Det råder ett högre tryck i turbomotorns förbränningsrum än i motsvarande sugmotor. För att gnistan skall kunna bildas trots detta bör man minska tändstiftens elektrodavstånd till 0,6 mm, om man använder brytartändning. Elektroniska system med hög spänning kan ha betydligt större gnistgap. För dessa kan man följa handbokens rekommendationer. Högre effekt kräver hårdare (kallare) tändstift, men man får inte gå för långt, eftersom motorn går bäst med mjuka stift då den arbetar utan laddningstryck. För effektökning upp till ca 30% kan man behålla standardstiften. I området 30-70% brukar det vara lagom att höja hårdheten ett steg från standard. Man jämför sedan färgen med tillverkarens rekommendationer och justerar eventuellt ytterligare. Viktigt är att använda stift med stort värmeområde. En turbomotor med lågt kompressionsförhållande går bäst med ganska hög (tidig) tändning på låga varv. I övertrycksområdet är det däremot nödvändigt att sänka tändningen något för att undvika knackning (spikning). Detta kan åstadkommas med en dubbelverkande vakuumdosa, som höjer tändningen vid undertryck i insugningsröret och sänker den vid övertryck. Elektronisk tändförställare tillsammans med laddluftkylare eller vatteninsprutning ger möjlighet att uppnå rejäl effektökning även med relativt högt kompressionsförhållande. Närmast högre linje i figur 7 kan väljas. Knacksensor är ett utmärkt sätt att skydda en motor från spikningar, om den kopplas till en elektronikbox som styr tändningen individuellt för varje cylinder. Men en knacksensor tar ibland fel på knackningar och andra motorljud, och sänker tändningen i onödan. Används därför sällan i tävlingssammanhang. Optimerad map för ett datorstyrt tändsystem (ovan) kan bli ganska komplex. Att åstadkomma motsvarande med mekanisk tändförställning (till höger) är inte möjligt. Saabs APC-system känner av knackningstendenser, jämför med laddningstryck och tändläge och sänker trycket då det fordras. Om man behåller fördelaren i standardskick bör man sänka grundtändningen 2-4 grader under standardvärdet. Har man knackningsproblem kan man sänka ytterligare några grader. Man skall använda en fördelare med vakuumreglering, som höjer tändningen på lågvarv. När man suger genom för-gasaren skall vakuumledningen anslutas till insugningsröret - den får inte anslutas till förgasaren. Fördelare utan vakuumreglering bör bytas ut eller byggas om så att området mellan lägsta och högsta tändinställning som centrifugalregleras minskar ca 8 grader. Ett bättre sätt är att styra tändningen med en elektronisk tändförställare (EMS5 och 6) Denna är ställbar för önskad tändkurva vid övertryck medelst en ratt eller en skruv. När turbon ger övertryck rättar sig tändningen efter tryck och varvtal, vid undertryck är tändkurvan en annan. Dessa system kan enkelt justeras in för bästa prestanda. Spikningstendenser elimineras. Bränsleförbrukningen minskar genom att man kan få rätt tändkurva även när motorn arbetar oladdad. Nya motorkonstruktioner har ibland tändsystem där optimal tändkurva beräknas av en dataenhet, utgående från motorns varvtal, belastning, temperatur och ev knackningstendenser. Dessa system brukar anpassa sig till måttlig överladdning utan ändringar eller justering. Datorstyrda, programmerbara tändsystem finns även för eftermontering, integrerade med insprutningssystem (i ECUenheten) eller separat. Detta är naturligtvis den optimala lösningen för en modifierad motor, under förutsättning att systemet blir rätt programmerat. Dessa system kan förses med knacksensor för ökad säkerhet. Att optimalt programmera en datorstyrd tändning fordrar körning i bromsbänk (rullande landsväg) Bäst effekt får man som regel vid den högsta (tidigaste) tändning man kan ha innan spikning inträffar. Men man måste lämna tillräcklig marginal - ohörbara mindre spikningar inträffar oftast innan de hörbara kommer. Electromotive HPV3 är ett mycket kraftfullt system, som kan programmeras med en PC. 98

18 Kamaxeln Turbomotorer trivs bäst med snälla kamaxlar, d v s kamaxlar med liten duration. Eftersom trycket är högre på både avgas- och insugningssidan än på en sugmotor, påverkar en ökning av kamaxelvinklarna turbomotorn mera. För vassa kamaxlar kan orsaka tillbakaflöde av avgaser in i cylindern p g a mottryck i avgasgrenröret efter att man passerat den så kallade crossover-point, där avgasmottrycket blir större än laddningstrycket. Tryckreglering Som ni kan se i avsnittet om kompressionsförhållandet är det mycket viktigt att ha rätt laddningstryck. Det finns olika metoder att reglera laddningstrycket. 1. Anpassning av turbinhuset 2. Ventil mellan kompressorn och insugningsröret 3. Ventil mellan turbinen och avgasgrenröret 4. Variabel nosselarea, VNA (el variabel geometri, VG) Metod 1 fungerar endast på dieselmotorer. Fördelen är att metoden är billig, monteringen blir enkel och bränsleförbrukningen låg. Metod 2 kan utformas på flera sätt. Vanligast är en ventil, som släpper ut överskott av luft. Fanns t ex på BMW 2002 Turbo 1973 och Denna metod är alltför primitiv och används inte längre. Jämförelse mellan kamaxeltider för Porsche 911 Turbo- och sugmotorer. Bilar med fabriksmonterad turbo har ofta kamaxlar med mycket liten duration. Man anser att effekten i det turboladdade området ändå är tillräcklig, och inriktar sig på att optimera vridmomentet i det lågvarvsområde där turbon ger minst hjälp. Men man förlorar därmed den snärtighet och varvvillighet som en något vassare kamaxel skulle ge.man kan ofta med fördel byta till en kamaxel från motsvarande sugmotor med insprutning, eller - ännu bättre - en specialdesignad effektökningskam för turbomotorn. Detta kan ge både högre effekt, lägre avgastemperatur och en motor med trevligare köregenskaper. En sugmotor som turbomatas för landsvägsbruk, där effekten ökas 30-70%, fungerar oftast bra med original kamaxel. Då har man också fördelen av oförändrade tomgångs- och lågvarvsegenskaper. Tävlingsmotorer kan använda sugmotorkamaxlar avsedda för rally och rallycross med måttlig duration. Viktigt är att turbon i sådana fall dimensioneras med beaktande av kamaxelvalet. Det finns även möjlighet att framställa speciella kamaxlar för att optimalt utnyttja turbons egenskaper. Turbo med integrerad wastegate. Garrett TAO3, avsedd för dieselmotorer. Den 3:e metoden är en ventil - kallad wastegate - som låter en del av avgaserna passera förbi turbinen efter att önskat laddningstryck har uppnåtts. Trycket regleras alltså genom turbons varvtal. Detta är den förnämsta metoden och den helt dominerande för bensinmotorer. Turbinhuset kan dimensioneras så att turboeffekten kommer in vid lågt motorvarv. Ford Sierra Cosworth har Garrett T-3turbo, med integrerad wastegate för laddningstrycksreglering. 204 hk i standardutförande. Weber-Marelli bränsleinsprutning. 99

19 Wastegateventilen kan vara separat, eller sammanbyggd med turbons turbinhus. Den senare typen kallas integrerad wastegate, och är den vanligare. Separat wastegate används då man har stora krav på prestanda. Den kan lättare justeras till olika laddningstryck, och blir mindre utsatt för värme, än den inbyggda modellen. Den kan lättare anpassas till erforderlig kapacitet. Funktionspricipen för wastegatereglering. Ventilen vid 2 öppnar och låter avgaserna passera vid sidan av turbinhuset A. (Citroen) Garrett-turbo med variabel nosselarea. Observera de ställbara ledskenorna. Metod 4 - variabel nossel-area VNA, eller variabel geometri VG - är den senaste, och befinner sig ännu på utvecklingsstadiet. Olika lösningar förekommer, men det gemensamma är någon metod att variera storleken av den area, som avgaserna skall passera just innan de träffar turbinhjulet. Man kan därmed uppnå laddningstryck från låga varv, precis som då man reglerar med wastegate. Till skillnad från wastegatesystem kan man med VNA-system öka turbinhusets A/R förhållande, då laddningstryck uppnåtts. På så sätt får man mindre mottryck och förbättrad bränsleekonomi. Hittills har VNA-turbo mest prövats på stora och medelstora dieselmotorer, och man har nått relativt stora förbättringar. Men då har man jämfört med metod 1 - d v s avpassning av turbinhus med fast geometri. Naturligtvis beroende på att wastegate ej förekommit på större relativt lågvarviga dieselmotorer. För bensinmotorer fordras ytterligare utveckling, eftersom de nuvarande VNA-lösningarna ej blir tillförlitliga vid bensinmotorns höga avgastemperaturer. Man bör lägga märke till att turboeffekten snarare är motståndsberoende än varvtalsberoende. Detta betyder att man - vilken reglermetod man än väljer - kan köra med jämn hastighet på plan väg utan övertryck. Men om motorns belastning ökar, genom att man kommer fram till en backe, accelererar eller drar en husvagn, så ökar laddningstrycket automatiskt och kompenserar för det större motståndet. De mekaniska reglersystem som beskrivs här styrs ofta på moderna motorer genom signaler från fordonets databox (ECU). Uttag för sådan styrning finns även i vissa programmerbara insprutningssystem för eftermontering, t ex Electromotive. Separat monterad wastegate. Ventilen här öppnar åt motsatt håll jämfört med skissen ovan. (KKK) 100

20 Avgasgrenrör Avgasgrenröret till en turbomotor kan byggas upp efter två funktionsprinciper: Konstant tryck eller pulserande. Ett mellanting mellan dem får man om en pulsomvandlare eller pulskonverter används. Vid konstanttryckmetoden anslutes primärrören (från avgasportarna) till ett samlingsrör med stor rymd och diameter. Volymen i samlingsröret skall vara minst 1,4 ggr cylindervolymen. I samlingsröret utjämnas pulserna, och turbinen drivs av en jämn gasström. Ett pulssystem skall ta vara på pulserna från de separata cylindrarna, och turbinen drivs då av tryckvågor snarare än av en jämn gasström. För detta ändamål gäller så liten volym i grenröret som är möjligt, utan att orsaka onödiga tryckfall. Primärrören bör ha samma diameter som avgasportarna i topplocket, eller riktigare: samma snittarea som avgasventilen frilägger vid fullt lyft. Mest fördelaktigt är separata primärrör ända fram till turbinhusets inlopp. Om två eller flera primärrör anslutes till ett gemensamt rör, skall diametern inte öka i samlingsröret, eller öka endast obetydligt. 1. Lagom långa primärrör: Den reflekterande pulsen anländer efter att avgasventilen har stängt. 2. Kortare rör: Den reflekterande pulsen anländer under spolningsfasen och försämrar motorns funktion. 3. Ännu kortare rör: Den reflekterande pulsen ger viss förstärkning av ursprungspulsen, men hindrar delvis spolningsfasen. 4. Mycket korta rör Den reflekterandepulsen förstärker ursprungspulsen utan att störa spolningsfasen. Avgasgrenrör enligt pulsprincipen kan också - som här - ha primärrören anslutna till ett samlingsrör. Viktigt är att cylindrar anslutna till samma samlingsrör har jämna intervall mellan arbetstakterna. En jämförelse mellan systemen visar att puls-systemet ger snabbare laddningstryck och bättre vridmoment på låga varv. Konstant tryck ger bättre resultat vid konstant varvtal och mycket höga laddningstryck. Detta beror av att turbinen arbetar effektivare med ett jämnt flöde. Vid mycket höga laddningstryck kan turbinen inte dra full nytta av pulserna, eftersom den inte är lika effektiv vid expansionsförhållanden över ca 1:3. Man kan säga att den kapar tryckvågorna. Slutsatsen blir att konstanttryckmetoden lämpar sig väl för marina applikationer och liknande, där man har en motor som arbetar vid relativt konstant varv under lång tid. För t ex person- och lastbilar med deras starkt varierande effektuttag är pulsmetoden fördelaktig, p g a bättre respons. Turboanläggningen påverkar motoreffekten genom tre parametrar: Laddningstryck och temperatur i insugningsröret samt mottryck i avgasgrenröret. Effekten av de två första är tydlig: Ju större massflöde desto högre effekt. Vid jämförelse mellan flera system kan det därför ofta vara en användbar metod att studera avgasmottrycket, och försöka välja den metod som ger lägst mottryck vid lika värden för tryck och temperatur i insugningsröret. Trots högprestanda behöver man inte ha lika långa primärrör till denna Peugeot V6 för C1. Observera att samlingsröretsdiameter ej överstiger primärrörens. Motorn är på 2700cc och ger 650 hk. 101