Tartu Kutsehariduskeskus Autode ja masinate remondi osakond Aleksander Andrejev TURBOKOMPRESSOR Iseseisev töö Õppetaja Paul Kütimaa Tartu 2012 Aleksander Andrejev AT112 SISSEJUHATUS Turbokompressorit ehk turbo-ülelaadimist kasutatakse (auto, laeva, lennuki jne) kolbmootori võimsuse suurendamiseks, kus mootori töötsükli sisselasketaktil kõrgema rõhuga õhu surumiseks silindrisse, kasutatakse sama mootori silindrites töötsükli läbinud heitgaasideenergial pöörleva turbiini poolt käivitatud kompressorit. Turbokompressori eelis mehaaniliselt käitatava kompressori ees, on kolbmootori suurem kasutegur ja parem võimsuse/kaalu suhe ning mis peamine, kasutatakse ära mootori tavaliselt kaotsi minev heitgaaside energia.
NIMETATAKSE SILINDRI TÖÖMAHUKS. RUUMI, MIS JÄÄB PEALEPOOLE KOLBI, SELLE ÜLEMISES SURNUD SEISUS NIMETATAKSE PÕLEMISKAMBRI MAHUKS. TÖÖMAHU JA PÕLEMISKAMBRI MAHU SUMMAT NIMETATAKSE ÜLDMAHUKS. MITMESILINDRILISTE MOOTORI KÕIGI SILINDRITE TÖÖMAHTUDE SUMMAT NIMETATAKSE MOOTORI TÖÖMAHUKS. VÄIKSEMATEL MOOTORITEL TÄHISTATAKSE TÖÖMAHTU KUUPSENTIMEETRITES, SUUREMATEL MOOTORITEL LIITRITES. · SURVEASTE ON PARAMEETER, MIS ISELOOMUSTAB SISEPÕLEMISMOOTORI (KOLBMOOTORI) MAKSIMAALSE JA MINIMAALSE PÕLEMISKAMBRI MAHU SUHET. · SILINDER - SILINDER MOODUSTAB RUUMI, KUS TOIMUB KÜTTESEGU PÕLEMINE JA SOOJUSENERGIA MUUNDAMINE MEHAANILISEKS TÖÖKS. · KOLB - KOLB ON SILINDRIS TIHEDALT LIIKUV VAHESEIN. MOOTORI TÖÖTAMISEL SOORITAB KOLB SILINDRIS SIRGJOONELISELT EDASI- TAGASI LIIKUMIST. · KEPS - KUJUTAB ENDAST KANGI MIS SEOB KOLVI EDASI TAGASI LIIKUMISE VÄNTVÕLLI PÖÖRLEVAKS LIIKUMISEKS JA VASTUPIDI,
nimetatakse silindri töömahuks. Ruumi, mis jääb pealepoole kolbi, selle ülemises surnud seisus nimetatakse põlemiskambri mahuks. Töömahu ja põlemiskambri mahu summat nimetatakse üldmahuks. Mitmesilindriliste mootori kõigi silindrite töömahtude summat nimetatakse mootori töömahuks. Väiksematel mootoritel tähistatakse töömahtu kuupsentimeetrites, suurematel mootoritel liitrites. Surveaste on parameeter, mis iseloomustab sisepõlemismootori (kolbmootori) maksimaalse ja minimaalse põlemiskambri mahu suhet. Silinder - Silinder moodustab ruumi, kus toimub küttesegu põlemine ja soojusenergia muundamine mehaaniliseks tööks. Kolb - Kolb on silindris tihedalt liikuv vahesein. Mootori töötamisel sooritab kolb silindris sirgjooneliselt edasi- tagasi liikumist. Keps - kujutab endast kangi mis seob kolvi edasi tagasi liikumise väntvõlli pöörlevaks liikumiseks ja vastupidi, olenevalt sellest, mis sugune neist on liikumise allikas.
Aine agregaatolek on määratud tema olekuparameetritega. Igale kindlale rõhule ja temperatuurile vastab kindel aine agregaatolek. Aine agregaatoleku väljendamiseks kasutatakse kõige sagedamini pt-diagrammi: 74. Vee-veeauru piirkõverate kujutamine T-s diagrammil 75. Vee isobaarilise kuumutamise ja ülekuumendamise kujutamine T-s diagrammil. 76. Mida tuntakse Otto ringprotsessi all. Otto ringprotsessi kujutamine T-s ja p-v diagrammil. Kolbmootori ringprotsessi, kus soojus suunatakse protsessi püsival mahul, nimetatakse Otto ringprotsessiks. 77. Surveastme mõiste Surveaste on parameeter, mis iseloomustab sisepõlemismootori (kolbmootori) maksimaalse ja minimaalse põlemiskambri mahu suhet. 78. Indikaatorrõhu mõiste See on rõhk, mille juures tehtav isobaariline töö mahumuutuse intervallis (v1-v2) oleks võrdne ringprotsessi kasuliku tööga 79. Mida tuntakse Dieseli ringprotsessi all
Igale kindlale rõhule ja temperatuurile vastab kindel aine agregaatolek. Aine agregaatoleku väljendamiseks kasutatakse kõige sagedamini pt-diagrammi: 75. Vee-veeauru piirkõverate kujutamine T-s diagrammil 76. Vee isobaarilise kuumutamise ja ülekuumendamise kujutamine T-s diagrammil. Isobaariline kuumutamine ülekuuumutamine 77. Mida tuntakse Otto ringprotsessi all. otto ringprotsessi kujutamine T-s ja p-v diagrammil. Kolbmootori ringprotsessi, kus soojus suunatakse protsessi püsival mahul, nimetatakse Otto ringprotsessiks. 78. Surveastme mõiste Surveaste on parameeter, mis iseloomustab sisepõlemismootori (kolbmootori) maksimaalse ja minimaalse põlemiskambri mahu suhet. 79. Indikaatorrõhu mõiste See on rõhk, mille juures tehtav isobaariline töö mahumuutuse intervallis (v1-v2) oleks võrdne ringprotsessi kasuliku tööga 80. Mida tuntakse Dieseli ringprotsessi all
turbokompressoritest lähemalt uurida. Turbokompressorit ehk turbo-ülelaadimist kasutatakse autode, laevade, lennukite kolbmootorite võimsuse suurendamiseks, kus mootori töötsükli sisselasketaktil kõrgema rõhuga õhu surumiseks silindrisse, kasutatakse sama mootori silindrites töötsükli läbinud heitgaaside energial pöörleva turbiini poolt käivitatud kompressorit. Turbokompressori eelis mehaaniliselt käitatava kompressori ees on kolbmootori suurem kasutegur ja parem võimsuse/kaalu suhe ning mis peamine, kasutatakse ära mootori tavaliselt kaotsi minev heitgaaside energia. TURBOMOOTORI AJALUGU Turbokompressorite ajalugu algas umbes siis, kui ka esimeste sisepõlemismootorite ehitamine. 1885 - 1896 Gottlieb Daimler ja Rudolph Diesel uurisid võimalusi suurendada toodetavat võimsust ja vähendada tarbitava kütuse kulu põlemiskambrisse suunatava õhu kokkusurumise abil. 1952
..13,6% . (9) (d) Inimesed kasutavad etanooli jookides. See takistab kütusepiirtituse tootmist. Puudustega on võimalik arvestada ning eelised õigustavad uuringuid kütusepiirituse teemal. KUIDAS PIIRITUSEMOOTOR SAAVUTAB EFEKTIIVSUST Piiritusemootori efektiivsus on saavutatud kasutades ära etanooli omapära kütusena. Esiteks, etanool vajab aurustumiseks kolm korda rohkem soojusenergiat, kui vajab bensiin: vastavalt 663 kJ ja 251 kJ. (3),(5) Piiritusemootoril on vara kolbmootori survetaktil kütuse sissepritse. Survetaktil tekkib soojusenergia mida diiselmootor kasutab süüte eesmärgil. Piiritusemootor kasutab seda energiat kütuse aurustumiseks. See aurustumise energiavajadus on nii suur, et kõik jahtub survetaktil kolvi ees. Jahtuv etanooli/õhu segu tõmbub kokku ja annab vähem takistust survetaktil kui seda bensiinimootoril. Energiat ei ole piisavalt, et tekiks süütamine nagu juhtub diiselmootoris. On tarvis süüteküünlad ja kõrge
Kütus süttib koheselt kokkupuutel kuuma kokkusurutud õhuga. [8] 4. Kütus süttib, gaasid silindris kuumenevad ja paisuvad, surudes kolbi alla poole. [8] 9 5. Väljalaske klapid avanevad ja heitgaasid eemaldatakse silindrist. [8] 5. STIRLING RINGPROTSESS Stirlingi ringprotsesil toimub kütuse põlemine väljaspool kolbmootori silindrit. Stirlingmootori tööpõhimõte seisneb silindris oleva gaasi isotermsel perioodilisel kuumutamisel ja jahutamisel ning soojuse isohoorsel suunamisel läbi poorse regeneraatori silindri ühest ruumiosast teise. Regeneraatori abil antakse termodünaamilisele kehale soojust või eemaldatakse seda protsessisiseselt. Kui kõrge temperatuuriga gaas läbib regeneraatori, siis gaas jahtub, kuid regeneraator kuumeneb. Regeneraatorisse akumuleeruvat energiat
a) aeglasekäigulised mootorid ( C = 3.5...6.5 m/s); p b) keskmise kiirusega mootorid ( C = 6.5...9.0 m/s ) p c) kiirekäigulised mootorid (C = 9.0...15.0 m/s); 1 p 12) jahutussüsteemi järgi: õhkjahutusega, b) vedelikjahutusega, 13) kolvikäigupikkuse järgi: a) lühikäiguline mootor (S/D < 1), b) ristkäiguline mootor (S = D), c) pikakäiguline mootor (S/D >1). 3. Kolbmootori põhisõlmed ja nende inglisekeelsed nimetused Kolbmootor DOC: E exhaust camshaft, Abgasventil, Nockenwelle S spark, Zündkerze
mis jäävad alla 1, neil ristlõige väheneb(düüsi ristlõige) vooluse suunas. Kriitiline punkt on M=1. Kriitiline kiirus- need kiirused, millega ta väljub düüsi avast. Drosseldamine- TD keha d-ks (mujumine) nim. TD tagastamatut üleminekut kõrgemalt rõhult, soojuslikult isoleeritud tingimustes ilma tööta. Entalpia ei muutu. Ideaalse gaasi puhul temp. ei muutu küll aga muutub küll aga reaalsete gaaside korral. Gaasiturbiini ringprotsess ja põhimõtte skeem Eelpool vaadledud kolbmootori puuduseks oli kolvi edasi tagasi liikumine (väntvõlli olemasolu). See takistab suure võimsuse ja pööretearvuga kompaksete mootorite loomist, kuna tekivad suured inertsjõud. Sisepõlemis mootorites kõik põhiprotsessid toimusid mootori silindris. Gaasiturbiin seadmetes toimuvad protsessid erinevates agregaatides: -kompenseemine kompressoris 1 (tsentrifugaal kompressor) -põlemine toimub põlemiskambris 2, kütust pumbatakse pumba 5 abil
Välise soojusallika puhul piirab termodünaamilise keha kõrgeimat võimalikku temperatuuri tööprotsessis silindri konstruktsioonimaterjal (metall), selle tugevusomadused. Sisepõlemismootoris jahutatakse mootori elemente (silindrit, põlemiskambrit) ja põletatakse kütust otse ruumis (silindris), mistõttu termodünaamilise keha ülemist piirtemperatuuri ei määra enam materjali tugevusomadused ja see võib olla märksa kõrgem kui välissoojusallika korral. Kolbmootori põhielemendid on silinder ja kolb, kolvi mehaaniline töö kantakse võllile üle väntmehhanismi kaudu. Otto ringprotsess 1) 1.-2. Küttesegu isoentroopne komplimeerimine silindris 2) 2. Segu süütamine 3) 2.-3. Isohoorne põlemine 4) 3.-4. Gaaside adiabaatiline paisumine (lükkavad silindrit) 5) 4.-1. Soojuse isohoorne eemaldamine mootori silindrist. Paisumistöö – komplimeerimistöö = kasulik töö
Kui kruvi vette tagasi jõuab,tõuseb järsult koormus ning masinad koormatakse üle. Troopikas sõites tulebvähendada tarbitava kütuse hulka, sest merevesi on soe ja õhujahuti ei suudaõhku nii madalale jahutada, kui oleks vaja. Õhku mahub silindrisse vähem ja seega põletatakse vähem kütust. Madalal farvaatril sõites tuleb ka ülekoormus, sest põhjast peegelduvad lained ja keerised, mis takistavadkruvi pööremist. 63.Surveaste - on parameeter, mis iseloomustab sisepõlemismootori(kolbmootori) maksimaalse ja minimaalse põlemiskambri mahu suhet.Ottomootori surveaste on umbes 6 - 7, sets peale seda süttib kütus juba ise ilma sädemeta. Diiselmootoril on surveaste 8- 12+ 64.Ballast (ingl), pallast, meresõidu puhul vajaliku püstivuse ja trimmi saavutamiseks alaliselt või ajutiselt laevale paigutatav last. Pallast võib olla vedel (ballastvesi) või tahke (känkmalm, kivid, liiv km). Veolaevad võtavad tankidesse vett, kui sõidavad ilma lastita (sõidavad "ballastis"), et
v2 v1 v A Villu Vares Energia ja keskkond Otto ringprotsessi termiline kasutegur sõltub mootori surveastmest ja adiabaadi astendajast, st töötava termodünaamilise keha omadustest. Nii surveastme kui adiabaadi astendaja suurenemisel tõuseb ka termiline kasutegur. 5.1.5 Diiselmootor. Dieseli ringprotsess ja segaringprotsess Teiseks kolbmootori tehniliseks lahenduseks on Saksa inseneri Rudolf Dieseli poolt 1897.a. ehitatud aeglasekäiguline kompressor-mootor (vt Joonis 5 .41), mida tänapäeval tuntakse tema looja nime järgi. Kui Otto mootoris komprimeeritakse survetaktil küttesegu, siis diiselmootoris õhku. Kütuse süütamiseks ei kasutata sundsüüdet, vaid see toimub isesüttimise teel komprimeerimistakti lõpus. Kolbmootori Dieseli ringprotsessis (vt Joonis 5 .42) suunatakse soojus protsessi püsival rõhul
kontrollkulu või tegelik keskmine ekspluatat - siooniline kütusekulu. Enamasti on neist antud; esimene, s. o. minimaalne kütusekulu liitrites 100 krn läbi- miseks ökonoomseimal kiirusel. Ekspluatatsioonis on tege- mist aga peamiselt tegeliku keskmise kütusekuluga. See OB esimesest ca 20% suurem ja sõltub sõiduteest, koormusest, sõiduviisist, mootorratta tehnilisest seisukorrast jt. tegu- ritest. Mootorite töötsüklid. Eespool märkisime, et kolbmootori pidevaks töötamiseks peab soojuse muundumisprotsess silindris perioodiliselt korduma. See on võimalik, kui silind- ris järgnevad üksteisele järgmised protsessid: silindri täitu- mine kütteseguga, segu kokkusurumine, segu põlemine ja paisumine ning põlemis jääkide ehk heitgaaside eemalda-' mine silindrist. Neid nelja isenimelist protsessi, mis peavad mootori silindris kindlas järjestuses korduma, nimetatakse mootori töötsükliks. Sõltuvalt sellest, kui mitu kol-
annaabi.ee 
