jusahh kirjoitti:
Turbomoottorin hyötysuhde.
- Milloin bensiiniturbomoottorin hyötysuhde on parempi, kuin vapaasti hengittävän koneen ja mistä tämä johtuu? (Pumppaushäviöden vähentäminen, milloin?)
Riippuu liian monesta tekijästä jotta voisi sanoa täysin yleispätevästi, mutta jos verrataan muuten samanlaisia ja samankokoisia moottoreita niin ei koskaan (turbomoottorissa on toki enemmän tehoa). Vapariin voidaan valita korkeampi puristussuhde joka parantaa termodynaamista hyötysuhdetta. Pumppaushäviöt ovat aina suuret kun ilmamäärää joudutaan rajoittamaan kuten ottomoottorissa aina osakuormalla. Turbo ei auta tässä mitään vaan pikemminkin päinvastoin. Modernimmissa turboautoissa (T7 jne.) avataankin osakuormalla bypass-venttiili jotta kaasuläppää voidaan avata vähän enemmän ja kuristaa siten vähemmän. Diesel ja laihaseos ottomoottorit täysin erikseen (dieselhän palaa likelle lambda 1, palotilan ilmaylimäärä ei osallistu palamiseen).
- Maksimiteholla käsittääkseni turbokoneen hyötysuhde on huonompi, kuin vastaavan tehoisessa vaparikoneessa, turbokoneen korkeamman lämpökuorman (oltava rikkaampi seos) ja alemman puristussuhteen takia. Olenko oikeassa?
Kutakuinkin näin, joskin nykyaikaisilla palamistekniikoilla (suoraruiskutus, muuttuvat venttiiliajoitukset, fiksut moottorinohjaukset) voidaan monesti täyskuormallakin vakioautoissa käyttää bensaturboissa korkeita puristussuhteita ja lambda 1, kunnes pakolämpöjen hallintaan joudutaan käyttämään lisärikastusta. Ennakonkin voi säätää lähemmäs optimaalista palamisen ajoitusta (50% heat release n. 8 astetta YKK). Toisaalta tehokas vapari kiertää korkealle, jolloin kitkahäviöt ovat suuria. Tai sen litratilavuus on suuri joka taas tarkoittaa suuria pumppaus- ja kitkahäviöitä osakuormalla.
Riippuu siis verrataanko samankokoisia (vapari voittaa) vai samantehoisia moottoreita (turbo todnäk. voittaa, mutta riippuu millaisia teholukuja ja tehotiheyksiä yms. verrataan).
Turbomoottorin toiminta osakaasuulla. Ajetaan hyvin kevyellä kuormalla tasaista ajoa, 3500rpm, 60kmh esim.
- Tuotetaanko ahtimella ylipainetta ja vallitseeko kaasuläpän moottorin puolella ylipaine?
- Vai toimiiko moottori, kuten vapaasti hengittävä moottori?
- Onko turbomoottorin hyöysuhde osakuormalla parempi kuin vaparin ja miksi?
Riippuu ahtimen koosta tuottaako se ahtoputkeen ylipainetta, mutta käytännössä kyllä. Imusarjan paine on riippuvaine kuormasta, osakuormilla se on käytännössä aina alipaineen puolella ja kaasuläppä rajoittaa ilmamassaa. Toimii siis kuten vapaasti hengittävä moottori käytännössä.
Aiemmin todettiinkin jo, että osakuormalla hyötysuhde on huonompi. Tämä on kuitenkin kokonaisoptimointia. Toisaaltahan aina henkilöauton moottori on aivan totaalisen ylimitoitettu ja viettää valtaosan ajastaan mitättömän pienillä kuormilla (1-7 bar BMEP, kun maksimi nykyturboissa jo yli 20 bar). Tästä syystä käytännön hyötysuhde on auton moottorilla huono, vaikka sinänsä polttomoottorin hyötysuhde voidaankin saada erittäin korkeaksi, jopa yli 50%. Parempaan akselihyötysuhteeseen ei käytännössä mikään simple cycle lämpövoimakone pysty.
Downsizingillä pyritään juuri siihen, että moottorin kuorma olisi jo normaliajossakin korkeampi pienemmän litratilavuuden ansiosta. Eli vaikka hyötysuhde olisikin hieman huonompi kuin vastaavan kokoisessa vaparissa, niin sen kokoista vaparia ei kukaan sen painoiseen autoon matalan tehon ja väännön vuoksi huolisi jotta kiihtyvyysreserviä löytyisi..
Välijäähdytin
- Miten välijäähdytin nostaa moottorin tehoa? Oletetaan, että jäähdytin on tarpeeksi iso, jolloin sen painehäviö on pieni, jäähdytin siis "virtaa" riittävästi. Perustuuko tällöin välijäähdyttimen tehoparannus siihen, että ahtoilman tiheyttä nostetaan alentamalla ilman lämpötilaa? Tietyssä paineessa sylinteriin voidaan puskea tietty tilavuus ilmaa / sykli. Kylmempi ilma sisältää ennemmän happea -> voidaan polttaa enemmän polttoainetta. Välijäähdytin siis parantaa moottorin "virtausta" sallimalla suuremman ilmamassavirran sylinteriin? Onko muita ilmiöitä / huomioita?
- Mikä on selkein merkki siitä, että välijäähdyttimen jäähdytyskapasiteetti on liian pieni? Onko jotain abs. arvoa vaikka imuilman lämpötilalle / imusarjan ilman ja ulkoilman lämpötilan suhteelle?
Tuossa jo aiemmin todettiinkin, että ensisijaisesti siitä syystä että ilman tiheys kasvaa sen jäähtyessä. Samaan tilavuusvirtaan (joka on se mitä sylinterin tilavuus ja kanavien virtauskapasiteetti rajoittaa) mahtuu suurempi ilmamassa. Palamisen tuottaman työn kannalta taas ratkaisee ilmamassa ja sen sallima polttoainemassa. Ahtoilma kuumenee ahtimessa huomattavasti, ei niinkään minkään lämmönjohtumisen vuoksi vaan jo pelkkä adiabaattinen puristus nostaa lämpötilaa ihan perus ideaalikaasun tilanyhtälön mukaisesti (pV = nRT). Lisäksi kompressorin hyötysuhde on alle 100% (yleensä luokkaa 75% maksimihyötysuhteen alueella ja enää 60% maksimivirtauksen eli maksimitehon tienoilla), mikä lisää lämmönsiirtoa. Tämä puristustehohan tietysti otetaan turbiinilta, joten mitä huonompi on ahtimen hyötysuhde, niin sitä korkeampi on pakopaine koska hukkaporttia täytyy pitää kiinni jotta ahdin saa kaiken tarvitsemansa energian.
Toinen tärkeä tekijä on tietysti nakutusherkkyys. Nakutusilmiö on kemiallinen tapahtuma, ja yksi tärkeimmistä siihen vaikuttavista seikoista on puristuksen loppulämpötila. Tämä riippuu tietysti taas puristuksen alkulämpötilasta, joka on pitkälti ahtoilman lämpötilan määräämä. Eli viileämpi ahtoilma laskee nakutusherkkyyttä. Etanolin nakutuskestävyys on sen verran korkea, että pienemmillä tehoilla tällä ei ole niin suurta merkitystä kuin bensalla (sanotaan nyt vaikka alle 300hv 4-syl turbokoneesa), mutta suuremman tiheyden etu ei silti katoa.
Lopuksi ahtoilman lämpötila tietysti vaikuttaa myös pakokaasun lämpötilaan (samat atomithan sieltä ulos tulevat, polttoaine ja hieman voiteluöljyä mukaan lisättynä vain), joten kylmempi ahtoilma laskee myös sitä. Etanolilla tämä taaskaan ei ole kohtuullisilla viritysasteilla kovinkaan merkittävä asia johtuen suuremmasta polttoainemassasta, etanolin korkeasta höyrystymisentalpiasta ja sen nakutuskestävyyden sallimasta (sekä palamisnopeuden ansiosta parantuneesta) optimaalisemmasta palamisen ajoituksesta. Bensaa ja dieseliä polttavissa moottoreissa tälläkin on suurempi merkitys.
Ei tuohon välijäähdyttimen tehon loppumiseen mitään yleispätevää sääntöä sinänsä ole, mutta itse pitäisin sellaista välijäähdytystä hyvänä jolla ahtoilman lämpötila ei nouse paljoa yli 10C yli ulkoilman lämpötilan pidemmässäkään vedossa. Käytännössä monen vanhemman vakioauton coolerilla (esim. OG9-3 jossa aivan surkea) puhutaan jopa kymmenien asteiden lämmönnoususta kun veto on vähänkin pidempi. OG9-5 cooleri on vähän parempi kuin OG9-3 mutta ei sekään hyvä ole. 9-3SS on jo selvästi parempi vakiocooleri, etenkin dieselissä. Absoluuttiarvona ahtoilman lämpötilalle pitäisin bensaturbossa 40C hyvänä tuloksena. 60-70C alkaa sen sijaan olla jo aivan liikaa, kasvavan nakutusherkkyyden takia. Etanolikäyttöisenä sen sijaan lähinnä hävitään tehoa ilman tiheyden laskemisen vuoksi, nakutusta ei esiintynyt omassa n. 500hv Audissa (2.7BiT) vaikka ahtoilman lämpötila nousi yli 100C eräässä dynossa olemattoman dynoflektin takia. Ilmamassaa ja tehoa sen sijaan jäi puuttumaan luokkaa 20%..
. Omat ajatukseni perustuvat 10-15 vuoden takaisiin termodynamiikan ja konetekniikan kursseihin TKK:lla, ja elämä on vienyt kyllä sen jälkeen sekä akateemisessa maailmassa että töissä ihan eri suuntaan. Onneksi kotona saa sentään harrastaa. 
