Τι είναι ο υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής και πώς λειτουργεί

Ο υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής αποτελεί ένα από τα πιο αποδοτικά μέσα αύξησης ισχύος και απόδοσης σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Με την συμπίεση του αέρα που εισέρχεται στις καύσεις, ο κινητήρας μπορεί να κάψει περισσότερη καύσιμη ύλη και κατά συνέπεια να παράγει περισσότερη ισχύ χωρίς να αυξάνει τον κυβισμό. Ενώ στο παρελθόν οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες θεωρούνταν ειδικά εξοπλισμένοι, σήμερα σχεδόν κάθε κατασκευαστής τα ενσωματώνει στα μοντέλα του, τόσο σε βενζίνη όσο και σε πετρέλαιο.

Τι είναι ο υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής

Ένας υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής, γνωστός και ως turbo ή υπερτροφοδότης, είναι μια συσκευή υπερφόρτωσης που αυξάνει την ισχύ ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης μέσω της πρόσθετης συμπίεσης αέρα που εισάγεται στην θα καύση. Σε αντίθεση με έναν κινητήρα φυσικής εισαγωγής που βασίζεται μόνο στην ατμοσφαιρική πίεση για την εισαγωγή αέρα στους κυλίνδρους, ο υπερτροφοδοτούμενος χρησιμοποιεί την ενέργεια των καυσαερίων για να συμπιέσει τον αέρα που εισάγεται.

Η βασική αρχή λειτουργίας βασίζεται σε ένα απλό γεγονός: όσο περισσότερο αέρας εισάγεται στον κινητήρα, τόσο περισσότερο καύσιμο μπορεί να καεί και συνεπώς τόσο περισσότερη ισχύς παράγεται. Ο εγκέφαλος (ECU) του σύγχρονου αυτοκινήτου διαρκώς μετρά και ρυθμίζει την αναλογία αέρα-καυσίμου που πρέπει να φτάσει στην θήκη καύσης για να επιτευχθούν οι επιθυμητές επιδόσεις. Ωστόσο, κάθε κινητήρας περιορίζεται από το σύστημα τροφοδοσίας αέρα και από την ποσότητα αέρα που μπορεί να εισέλθει φυσικά στους κυλίνδρους.

Ο υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής επιλύει αυτόν τον περιορισμό συμπιέζοντας τον αέρα πριν εισέλθει στον κινητήρα. Όταν ο αέρας συμπιέζεται, τα μόρια οξυγόνου ενώνονται στενότερα μεταξύ τους, και ο ίδιος όγκος χώρου περιέχει περισσότερα μόρια οξυγόνου. Αυτό σημαίνει ότι μπορείς να εισάγεις την ίδια ποσότητα αέρα σε μικρότερο χώρο ή περισσότερο αέρα στον ίδιο χώρο — ακριβώς αυτό που προσφέρει ο υπερτροφοδοτούμενος μηχανισμός.

Διαφορές μεταξύ κινητήρων με υπερτροφοδότηση και φυσικής εισαγωγής

Μια βασική διαφορά μεταξύ ενός πετρελαιοκινητήρα με υπερτροφοδότηση και ενός βενζινοκινητήρα με φυσική εισαγωγή είναι ο χρόνος και ο τρόπος με τον οποίο ο αέρα συμπιέζεται. Στους πετρελαιοκινητήρες, ο αέρας συμπιέζεται πριν την έγχυση καυσίμου, και ο λόγος συμπίεσης είναι σημαντικά μεγαλύτερος από ό,τι στους βενζινοκινητήρες. Για έναν πετρελαιοκινητήρα, ο υπερτροφοδοτούμενος γίνεται πρακτικά απαραίτητος για απόδοση και αποδοτικότητα, όχι απλώς ως πρόσθετο ισχύος.

Στους βενζινοκινητήρες, ο υπερτροφοδοτούμενος κυρίως προσφέρει σημαντική αύξηση της ισχύος επιτρέποντας σε ένα μικρότερο κινητήρα να αποδώσει την ίδια ισχύ με έναν μεγάλο ατμοσφαιρικό κινητήρα. Για παράδειγμα, ένας υπερτροφοδοτούμενος κινητήρας 1,5 λίτρου μπορεί να αποδώσει την ισχύ ενός ατμοσφαιρικού 2,5 λίτρου κινητήρα, διατηρώντας τα οφέλη ενός μικρότερου κινητήρα: μειωμένο βάρος, χαμηλότερη κατανάλωση σε κανονική οδήγηση και μικρότερες εκπομπές.

Αυτή η βελτιωμένη απόδοση της διαδικασίας καύσης επιτρέπει στους κατασκευαστές να εφαρμόζουν το «downsizing» – μείωση του κυβισμού διατηρώντας ή και αυξάνοντας τις επιδόσεις. Ένας μικρότερος υπερτροφοδοτούμενος κινητήρας ζυγίζει λιγότερο, καταλαμβάνει μικρότερο χώρο στο θάλαμο του κινητήρα και μπορεί να αποφέρει συνολική βελτίωση στην κατανάλωση, ειδικά στην αστική οδήγηση όπου ο υπερτροφοδοτούμενος κινητήρας δεν λειτουργεί συνεχώς στο μέγιστο.

Πόση πρόσθετη ισχύς προσφέρει ο υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής

Η ερώτηση πόση ισχύς προσθέτει πραγματικά ένας υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής είναι πολύπλοκη και εξαρτάται από πολλούς τεχνικούς παράγοντες. Γενικά, ένας τυπικός υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής μπορεί να προσφέρει αύξηση ισχύος μεταξύ 20 και 40% σε σχέση με έναν ίδιο κινητήρα χωρίς υπερτροφοδότηση. Για παράδειγμα, ένας κινητήρας ατμοσφαιρικός που αποδίδει 100 CP μπορεί να φτάσει τους 120-140 CP σε έκδοση με turbo, ή ακόμη περισσότερο.

Ωστόσο, το πραγματικό κέρδος ισχύος διαφέρει ανάλογα με διάφορους παράγοντες:

• Μέγεθος υπερτροφοδοτούμενου: Μεγαλύτερες τουρμπίνες μπορούν να συμπιέσουν περισσότερο αέρα, αλλά μπορεί να υπάρξει «turbo lag» (καθυστερημένη απόκριση)
• Πίεση υπερπροφοράς: Όσο πιο πολύ συμπιέζεται ο αέρας, τόσο αυξάνεται η ισχύς, αλλά και οι μηχανικοί στρες στον κινητήρα
• Σύστημα ψύξης αέρα: Ένα αποδοτικό intercooler ψύχει τον αέρα συμπιεσμένου, αυξάνοντας τη πυκνότητα και κατά συνέπεια την ισχύ
• Διαμόρφωση κινητήρα: Το ECU πρέπει να επαναπρογραμματιστεί για να διαχειρίζεται σωστά την πρόσθετη ποσότητα αέρα και καυσίμου
• Ανοχή εξαρτημάτων: οι έμβολες, οι κώνες, το σφυρόμενο έμβολο πρέπει να αντέχουν την επιπλέον ισχύ και πίεση

Πέρα από την απόλυτη ισχύ, ο υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής βελτιώνει σημαντικά και την ροπή (Nm). Αυτή η αυξημένη ροπή σε μεσαίες και χαμηλές στροφές κάνει το αυτοκίνητο να φαίνεται πολύ πιο ισχυρό στην καθημερινή οδήγηση, παρέχοντας καλύτερες επιταχύνσεις και βελτιωμένες δυνατότητες προσπεράσεων.

Πώς λειτουργεί ένας υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής – εξαρτήματα και αρχές

Βασική δομή

Ένας υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής αποτελείται από δύο κύρια μέρη ενωμένα με μια εργοστασιακή ράβδωση από χάλυβα υψηλής αντοχής:

Μέρος τουρμπίνας (θερμή πλευρά): Είναι το μέρος συνδεδεμένο με το σύστημα εξαγωγής. Τα καυσαέρια, θερμά και υπό πίεση, κατευθύνονται προς τη ρότορα της τουρμπίνας. Αυτά τα αέρη, κινούνται με πολύ υψηλές ταχύτητες και θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 900°C, και προσκρούουν τα πτερύγια της τουρμπίνας δίνοντας στροφές από 80.000 έως 200.000 rpm ανάλογα με το μέγεθος.

Μέρος συμπιεστή (ψυχρή πλευρά): Από την άλλη πλευρά του άξονα βρίσκεται ο συμπιεστής, που τραβάει αέρα από το περιβάλλον και τον συμπιέζει. Όταν η τουρμπίνα στρέφει τον άξονα, ο συμπιεστής γυρίζει με την ίδια ταχύτητα, τραβώντας αέρα και συμπιέζοντάς τον πριν σταλεί στον κινητήρα.

Διαδικασία λειτουργίας βήμα-βήμα

1. Αποβολή καυσαερίων: Όταν ο κινητήρας λειτουργεί, οι έμβολες ωθούν τα καυσαέρια στους αγωγούς εξαγωγής. Τα αέρια, ακόμα πολύ θερμά και υπό πίεση, κατευθύνονται προς την τουρμπίνα αντί να πάνε άμεσα στις εξαγωγές.

2. Κίνηση της τουρμπίνας: Η κινητική ενέργεια από τα καυσαέρια χτυπά τα πτερύγια της τουρμπίνας, κάνοντάς την να περιστρατεί με τεράστιες ταχύτητες. Το σχήμα των πτερύγιων έχει σχεδιαστεί για να αποσπάσει τη μέγιστη ενέργεια από τη ροή των αερίων. Μετά την περιστροφή, τα καυσαέρια συνεχίζουν προς το σύστημα εξαγωγής και τον καταλύτη.

3. Αναρρόφηση και συμπίεση αέρα: Ο άξονας συνδέεται άκαμπτα με τον τουρμπινοστροφέ, έτσι ο ρότορας του συμπιεστή περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα. Αυτό δημιουργεί ένα κενό που τραβά τον αέρα από το εξωτερικό μέσω του φίλτρου αέρα και τον συμπιέζει σε πολύ μεγάλες ταχύτητες.

4. Διόγκωση αέρα: Το περίβλημα του συμπιεστή έχει σχεδιαστεί ειδικά για να μετατρέπει τον αέρα με μεγάλη ταχύτητα και χαμηλή πίεση σε ρεύμα αέρα με υψηλή πίεση και χαμηλή ταχύτητα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διάχυση και είναι κρίσιμη για την απόδοση της τουρμπίνας. Ο αέρα που συμπιέζεται γίνεται πιο πυκνός και θερμότερος.

5. Ψύξη αέρα (προαιρετικά αλλά συνιστάται): Στα περισσότερα σύγχρονα συστήματα, ο συμπιεσμένος αέρας περνά στη συνέχεια από έναν intercooler - ένα θερμοδοχείο που ψύχει τον αέρα. Ο ψυχρός αέρας είναι πιο πυκνός, οπότε η ψύξη βελτιώνει ακόμη περισσότερο την απόδοση. Ένας intercooler μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία του αέρα κατά 50-70°C.

6. Εισαγωγή στον κινητήρα: Τελικά, ο συμπιεσμένος και δροσερός αέρας πιέζεται στους βενζινοκινητήρες μέσω της βαλβίδας γκαζιού και της θύρας εισαγωγής. Ο εγκέφαλος εντοπίζει την αυξημένη ποσότητα αέρα και εγχύει αναλογικά περισσότερη καύσιμο. Το πλουσιότερο μείγμα αέρα-καυσίμου παράγει ισχυρότερη καύση και αυξημένη ισχύ.

Σύστημα λίπανσης και ψύξης

Ο άξονας της τουρμπίνας περιστρέφεται με πολύ μεγάλες ταχύτητες, ώστε η τριβή να καταστρέψει τα ρουλεμάν χωρίς κατάλληλη λίπανση. Για τον λόγο αυτό, ο υπερτροφοδοτούμενος συνδέεται με το σύστημα λίπανσης του κινητήρα μέσω ειδικής γραμμής παροχής λαδιού. Το πιεσμένο λάδι σχηματίζει ένα λεπτό φιλμ γύρω από τον άξονα, επιτρέποντάς του να περιστραφεί χωρίς επαφή μετάλλου με μέταλλο.

Επιπλέον, το λάδι βοηθά στην ψύξη των εσωτερικών εξαρτημάτων της τουρμπίνας, που φτάνουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Ορισμένες σύγχρονες τουρμπίνες διαθέτουν και ψύξη με υγρό από τον κινητήρα, βελτιώνοντας τη διάρκεια ζωής και επιτρέποντας μεγαλύτερα επίπεδα υπερπροχώρησης.

Πλεονεκτήματα και τεχνικές παρατηρήσεις

Πλεονεκτήματα της υπερτροφοδότησης

• Αύξηση ισχύος χωρίς αύξηση μεγέθους: πιο πολλή ισχύς από τον ίδιο κινητήρα
• Βελτιωμένη απόδοση: μικρότεροι κινητήρες μπορεί να είναι αποδοτικότεροι από μεγάλους ατμοσφαιρικούς
• Μείωση εκπομπών: μικρότεροι κινητήρες σημαίνουν συνήθως χαμηλότερες εκπομπές σε συνθήκες οδήγησης
• Ροπές αυξημένες σε χαμηλούς/μεσαίους στροφές: χρήσιμο στην κίνηση και στις προσπεράσεις
• Μείωση βάρους: μικρότερος κινητήρας → ελαφρύτερο αυτοκίνητο → βελτιωμένη συμπεριφορά στο δυναμικό οδήγησης

Παράμετροι συντήρησης

Οι σύγχρονοι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες είναι αρκετά αξιόπιστοι, αλλά απαιτούν τήρηση ορισμένων κανόνων συντήρησης:

• Αλλαγή λαδιού στις συνιστώμενες χρονικές περιόδους με ποιοτικό ελαιώδη
• Άφησε τον κινητήρα να idles για 30-60 δευτερόλεπτα πριν σβήσεις μετά παρατεταμένη οδήγηση
• Χρήση καύσιμου με την προτεινόμενη διαβάθμιση οκτανίων
• Έλεγχος και αντικατάσταση του φίλτρου αέρα σύμφωνα με το πρόγραμμα

Η παράλειψη αυτών των πτυχών μπορεί να οδηγήσει σε φθορά της τουρμπίνας, και η ολική αντικατάσταση μπορεί να κοστίσει μεταξύ 5.000 και 15.000 RON, ανάλογα με το μοντέλο και τη μάρκα του οχήματος.

Συμπερασματικά, ο υπερτροφοδοτούμενος υπερσυμπιεστής αποτελεί μία από τις πιο αποδοτικές μεθόδους για την αύξηση της ισχύος και της απόδοσης ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης, μετατρέποντας την ενέργεια από τα καυσαέρια σε πρόσθετη ισχύ. Με σωστή συντήρηση και ορθή χρήση, ένα υπερτροφοδοτούμενο σύστημα μπορεί να λειτουργεί άψογα καθ’ όλη τη ζωή του οχήματος.