Γράφει ο Αλέξανδρος Καλτσάς, Διευθυντής του Τομέα Μηχανικών & Πληροφορικής.

Στοβιλοσυμπιεστής (turbocharger) αριστερά και Υπερσυμπιεστής (supercharger) δεξιά

Πριν λίγες μέρες κλήθηκα να απαντήσω σε ερώτημα σπουδαστή κατά πόσο δουλεύουν σωστά οι σχετικά χαμηλού κόστους ηλεκτρικές τουρμπίνες (turbo) για αυτοκίνητα και μοτοσυκλέτες που κυκλοφορούν σε διάφορα καταστήματα ηλεκτρονικών αγορών του εξωτερικού. Ενδεικτικά να αναφερθεί ότι οι τιμές ξεκινάνε από  €300 για τις οικονομικές επιλογές και €5000+ για τις πιο ακριβές. Από την εμπειρία μου γνωρίζω πως κατασκευαστές οχημάτων χρησιμοποιούν ηλεκτρικά οδηγούμενες τουρμπίνες και συμπιεστές. Γιατί λοιπόν δεν βλέπουμε να κυκλοφορούν περισσότερο οι ηλεκτρικές τουρμπίνες στην αγορά, ιδιαίτερα από τη στιγμή που η εγκατάσταση ενός ηλεκτρικού τούρμπο είναι πολύ πιο απλή και εύκολη σε σχέση με μία “κανονική” τουρμπίνα ή υπερσυμπιεστή (κομπρέσορα);

Τι προσφέρει μία τουρμπίνα σε έναν κινητήρα.

Τι προσφέρει μία τουρμπίνα σε έναν κινητήρα όμως; Εν ολίγης τον βοηθά να αποδίδει καλύτερα. Να βγάζει μεγαλύτερη ισχύ, ιπποδύναμη. Πως το κάνει αυτό; Αναγκάζοντας περισσότερο αέρα να εισέρθει στον κινητήρα. Αυξάνοντας την ποσότητα του αέρα μπορούμε να αυξήσουμε την ποσότητα καυσίμου που καίγεται, οπότε να έχουμε μεγαλύτερη ισχύ από τον κινητήρα μας. Αυτό ονομάζεται υπερπλήρωση (ή υπερτροφοδότηση) ενός κινητήρα. Οι κινητήρες που χρησιμοποιούν υπερπλήρωση αντονομάζονται υπερτροφοδοτούμενοι. Οι κινητήρες χωρίς υπερπλήρωση ονομάζονται ατμοσφαιρικοί.

Μία τουρμπίνα, ένας υπερσυμπιεστής, δεν είναι κάτι διαφορετικό από μία αντλία που πιέζει τον αέρα να εισέρθει στον κινητήρα. Για λόγους απλότητας έτσι θα αντιμετωπίσουμε μία τουρμπίνα στο παρόν άρθρο. Σαν μία αντλία αέρα.

Όπως κάθε αντλία, για να μετακινήσει ένα ρευστό (αέρα στην συγκεκριμένη περίπτωση) πρέπει να την τροφοδοτήσουμε με ενέργεια, με ισχύ. Στις τουρμπίνες η ισχύς αυτή προέρχεται από τα καυσαέρια του κινητήρα. Οι κομπρέσορες από την άλλη συνδέονται μηχανικά (συνήθως μέσω ιμάντα) με τον κινητήρα. Και οι δύο μέθοδοι παροχής ισχύος προς τις αντλίες αυτές έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Για παράδειγμα οι τουρμπίνες εκμεταλλεύονται την ενέργεια των καυσαερίων που θα χάνονταν προς το περιβάλλον χωρίς να επιβαρύνουν πολύ τον κινητήρα. Δεν μπορούν να αποδώσουν όμως ικανοποιητική πίεση στις χαμηλές στροφές του κινητήρα και παρουσιάζουν καθυστέρηση στην παραγωγή της πίεσης (turbo lag). Οι κομπρέσορες λειτουργούν ικανοποιητικά σε μεγαλύτερο εύρος στροφών του κινητήρα, αλλά όχι τόσο καλά στις υψηλές στροφές. Επίσης επιβαρύνουν τον κινητήρα πολύ περισσότερο.

Εικόνα 2. Ηλεκτρική τουρμπίνα των 12 volt της τάξης των 400 €

Προκειμένου να απαντηθεί το αρχικό ερώτημα ως πρώτη κίνηση ήταν η ταξινόμηση των τουρμπίνων από την φθηνότερη προς την ακριβότερη, σύμφωνα την διαθεσιμότητα τους και την εμφάνιση τους στο διαδίκτυο. Στην συνέχεια έγινε ανάλυση των τεχνικών τους χαρακτηριστικών. Αμέσως έγινε αντιληπτό πως οι φτηνές με τις ακριβές υλοποιήσεις είχαν τεράστια διαφορά στην ισχύ του ηλεκτροκινητήρα της τουρμπίνας. Στις υλοποιήσεις της τάξης των €400 η ισχύς ήταν γύρω στα 500 watt. Στις ακριβές υλοποιήσεις (€2500) η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα είναι της τάξης των 7000 watt (περισσότερο από 10 φορές πάνω) και συνοδεύονται από δικό τους κουτί με μπαταρίες υψηλής έντασης αποφόρτισης. Τα 7000 watt σε ιπποδύναμη αντιστοιχούν σε περισσότερους από  9 ίππους (hp).

Εικόνα 3. Ηλεκτρική τουρμπίνα των 48 volt της τάξης των 2500 € με πακέτο μπαταριών

Μία συσκευή υπερτροφοδότησης ενός κινητήρα (είτε πρόκειται για τουρμπίνα είτε για κομπρέσορα) συμπεριφέρεται όπως είπαμε σαν μία αντλία αέρα. Πρέπει να μετακινεί προς τον κινητήρα μεγάλη ποσότητα αέρα σε πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής. Αυτό απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας που σημαίνει πως η ισχύς που χρειάζεται η “αντλία” θα είναι μεγάλη. Πόση είναι όμως η ισχύς αυτή που χρειάζεται η τουρμπίνα ή ο κομπρέσορας; Σε γενικές γραμμές είναι κάτι που δεν μπορεί να υπολογιστεί με εύκολο τρόπο για την καθεαυτό συσκευή. Μπορούμε με σχετική ευκολία όμως να υπολογίσουμε την ισχύ του ρευστού (αέρα) μετά την έξοδό του από την “αντλία”. Όλη αυτή η ισχύς έχει περάσει από την αντλία στο ρευστό (αέρα). Στην Μηχανική Ρευστών η ισχύς που αποκτά ένα ρευστό από την αντλία δίνεται από την παρακάτω σχέση:

P = Q *Δ_p

όπου Q είναι ο ρυθμός ροής του ρευστού σε m³/sec (κυβικά μέτρα το δευτερόλεπτο), Δp η διαφορά της πίεσης του ρευστού στην εισαγωγή και στην εξαγωγή της αντλίας σε Pascal  και P η ισχύ σε Watt.

Ας μελετήσουμε ένα παράδειγμα. Ας υποθέσουμε πως έχουμε ένα όχημα 2.000 cm³ με βενζινοκινητήρα και εργοστασιακή τουρμπίνα. Τυπικά ένα τέτοιο όχημα θα έχει μία πίεση στην έξοδο της τουρμπίνας γύρω στα 0,7 bar στις 4500 στροφές. Σε κάθε περιστροφή του στροφάλου ο κινητήρας μας χρειάζεται 1000  cm³ αέρα. Στις 4.500 RPM ο κινητήρας μας περιστρέφεται 75 φορές το δευτερόλεπτο (4.500 RPM/60 sec= 75 Hz). Αυτό σημαίνει πως ο κινητήρας μας θέλει αέρα 1000×75 = 75.000  cm³/sec ή 0,075 m³/sec (κυβικά μέτρα αέρα το δευτ). Η διαφορά στην πίεση είναι 0,7 bar ή 70.000 Pa. Από τα δεδομένα που έχουμε η ισχύς P που θα έχει αποκτήσει ο αέρας από την “αντλία” είναι:

P = Q *Δ_p = 0,075 * 70.000 = 5250Watt ή 7,04 H_p

Βλέπουμε λοιπόν πως η ισχύς που έδωσε η τουρμπίνα στον αέρα είναι αρκετά μεγάλη! Και αυτή είναι η ισχύς που έχει ο αέρας! Η ισχύς που πρέπει να δώσουμε στην τουρμπίνα θα είναι μεγαλύτερη. Μία τιμή των 7 με 10 kWatt (9 με 13 H_p) για μία τυπική τουρμπίνα (ή υπερσυμπιεστή) δεν είναι μακριά από την πραγματικότητα.

Τι δείχνουν οι παραπάνω αριθμοί; Δείχνουν πως τα συστήματα υπερπλήρωσης (ό,τι τύπου και να είναι) απαιτούν μεγάλα ποσά ισχύος για να μπορέσουν να παράξουν την απαιτούμενη πίεση. Αυτό σημαίνει πως και μία ηλεκτρική τουρμπίνα θα πρέπει να έχει έναν ηλεκτροκινητήρα με παραπλήσια ισχύ με αυτήν που υπολογίσαμε.

Αμέσως μπορούμε να απορρίψουμε (όσον αφορά ένα αυτοκίνητο) οποιαδήποτε ηλεκτρική τουρμπίνα με ισχύ κάτω από 2 kwatt. Δεν θα μπορέσει να παράξει πίεση. Ίσως μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάποια μοτοσυκλέτα μικρού κυβισμού. Και πάλι όμως για μικρό χρονικό διάστημα, διότι οι φτηνές τροφοδοτούνται από την μπαταρία με 12 volt. Αυτό σημαίνει ένα ρεύμα της τάξης των 50 με 100 ampere που πολύ γρήγορα μπορεί να εξαντλήσει μία μπαταρία, και να ζορίσει αρκετά τη γεννήτρια του οχήματος.

Οι ακριβές ηλεκτρικές τουρμπίνες δουλεύουν. Κάνουν αυτό που υπόσχονται. Είναι υψηλής ισχύος και έχουν δική τους πηγή τροφοδοσίας (μπορεί να την φορτίζουν από την γεννήτρια του οχήματος, όταν δεν χρησιμοποιείται η τουρμπίνα). Και σε αυτή την περίπτωση όμως η τουρμπίνα δε μπορεί να λειτουργήσει για το χρονικό διάστημα που λειτουργεί μία “κανονική” τουρμπίνα.

Σε πολλές περιπτώσεις οι τουρμπίνες αυτές διαφημίζουν πως εξαλείφουν το turbo lag. Λειτουργούν σε συνεργασία με την κύρια τουρμπίνα του κινητήρα. Οι ηλεκτρικές τουρμπίνες μπορούν να φτάσουν σε πολύ υψηλό ρυθμό περιστροφής πολύ πιο γρήγορα. Τροφοδοτούν τον κινητήρα με πίεση αέρα για κάποιο χρονικό διάστημα, μέχρι να φτάσει σε σημείο λειτουργία η κύρια τουρμπίνα. Έτσι για παράδειγμα λειτουργεί και το σύστημα υπερπλήρωσης του κινητήρα στο Audi SQ7.

Σπούδασε μηχανοτρονική στο ΙΕΚ ΔΕΛΤΑ.