Preplňovanie motora. Čo je to turbodúchadlo a ako funguje mechanický kompresor.

Nie tak dávno sú časy, kedy vlastniť turbomotor znamenalo mať niečo viac, niečo lepšie a silnejšie ako má ostatná obyčajná väčšina. Časy sa však menia a dnes je už vlastníctvo turbomotora úplna samozrejmosť. V prípade dieslových motorov sa nové vozidlá bez preplňovania takmer ani nepredávajú, pri benzínových motoroch sa ale ešte stále nájdu automobilky, ktoré atmosférickemu plneniu stále dávajú pomerne veľký priestor. V tomto ohľade sú dnes najviac známe motory Mazda s technológiou Skyactiv, Toyota Valvematic či Suzuki so svojim DualJetom. Napriek nesporným kvalitám týchto motorov, hrajú dnes aj u benziniakov prvé husle turbomotory.

Dôvodov prečo sa turbomotory presadzujú čoraz viac je viacero. Okrem lepšieho výkonu, komfortu jazdy a vzhľadom na poskytovanú dyamiku jazdy aj o niečo nižšej priemernej spotreby, má dôležité slovo marketing a samozrejme ekológia (najmä tá na papieri). Turbomotor často funguje ako zaklínadlo dobrej dynamiky, priaznivej spotreby a samozrejme nižších emisií. Treba dodať, že preplňovanie znamená v mnohých ohľadoch naozaj zlepšenie, aj keď k všeobecnej dokonalosti často popisovanej v reklamných materiáloch automobiliek nejaký ten krôčik stále ešte chýba.

Prečo sa vlastne u automobilov používa preplňovanie?

Pozrime sa na jednoduchý príklad. Veľa z nás si určite pamätá na dieselové motory z osemdesiatych resp. deväťdesiatych rokov, kedy sa vo väčšej miere začínali uplatňovať v osobných automobiloch. Spomenúť možno obľúbené Ford Escort, Fiesta 1,6 D – 1,8 D, koncernové VW 1,6 D, 1,9 D až po 1,9 SDi, Opel 1,7 D, BMW 324 D či Mercedes Benz so svojimi 200 D, 220 D, 240 D či nezničiteľnými 300 D. Všetky motory možno na vtedajšie pomery označiť za vcelku úsporné (obzvlášť 1,9 SDi), zároveň však boli oproti objemovo porovnateľným benziniakom podstatne hlučnejšie a najmä lenivejšie. Zavedenie preplňovania zmenilo situáciu razom k lepšiemu. Zvýšená hlučnosť síce zostala, výrazne sa však zlepšili dynamické parametre motora a vzhľadom na vyšší výkon možno pozitívne hodnotiť aj priemernú spotrebu, ktorá sa pohybovala v podobných resp. ešte o niečo nižších číslach ako v prípade nepreplňovaných motorov. Laicky povedané, preplňovanie nám umožnilo dosiahnuť výkonové parametre podstatne väčšieho motora. V súčastnosti je úlohou preplňovania okrem zlepšenia aktívnej bezpečnosti vozidla a komfortu jazdy, najmä znižovanie tabuľkovej spotreby a škodlivých emisií.

Trocha histórie

Od vynájdenia turba trvalo automobilkám desiatky rokov, kým vo väčšom meradle nasadili preplňované motory do sériovo produkovaných osobných automobilov. Prvý patent o turbodúchadle pochádza z roku 1905. Prvé turbodúchadlo zostrojil doktor Alfred Buch v roku 1915. Do sériovej produkcie sa turbo dostalo v dvadsiatych rokoch minulého storočia, keď pomáhalo dopovať vzduchom valce motorov v nákladných lodiach a neskôr v tridsiatych rokoch dostalo slovo v dieselových lokomotívach. Výrazne urýchlenie rozmachu turbodúchadiel nastalo cez a po II. svetovej vojne. Lídrami bola firma Garrett AirResearch – výrobca turbodúchadiel Garrett, dnes Honeywell a v päťdesiatych rokoch sa do turbodúchadiel pustila aj nemecká Kühnle, Kopp & Kausch (neskôr KK&K AG), zaoberajúca sa do tej doby okrem iného turbínami pre energetiku. V pretekárskych špeciáloch sa turbodúchadla objavili už po prvej svetovej vojne. Priamo v meste kde sa konajú známe motoristické závody Indianapolis, si založil firmu na výrobu turbodúchadiel rakúsky prisťahovalec Louis Schwitzer, pričom už v päťdesiatych rokoch dodával turbodúchadla pre pracovné stroje Caterpillar a Cummins. Spomínané dve firmy KK&K AG a Schwitzer sa neskôr spojili a vytvorili po Honeywell druhú najväčšiu firmu na produkciu turbodúchadiel na svete Borg Warner Turbo & Emissions Systems. Čo sa týka osobných vozidiel, tak prvé sériovo vyrábané vozidlá s turbodieselovým motorom sa objavili až v roku 1978, keď v Európe debutoval Peugeot 604 a paradoxne v Spojených štátoch Mercedes-Benz 240 TD, kde ani vtedy a ani dnes dieselovým motorom ruže príliš nekvitnú. Dnes má turbomotor snáď každá automobilka, pričom trend je taký, že turbodúchadlá sú stále menšie a vyrába sa ich stále viac. Svetový líder Honeywell v súčasnosti vyrába cez desať miliónov turbodúchadiel ročne, pričom pred pätnástimi rokmi to nebola ani tretina. Turbodúchadlá už začal vyrábať aj nemecký Continental v spoločnom podniku s Magnou a taktiež Kolbenschmidt-Pierburg. Dopyt rastie najmä zvyšujúcim sa podielom turbom preplňovaných benzínových motorov. Pri turbodúchadlách platí, že približne každé dva – tri roky prichádza na trh nová generácia, ktorá prináša zlepšenie kľúčových vlastností. Treba dodať, že v preplňovaní spaľovacích motorov pre osobné a nákladné vozidlá sa v oveľa väčšej miere používa turbodúchadlo pred mechanickým kompresorom.

Trocha teórie

Preplňovanie slúži k zvýšeniu objemového resp. litrového výkonu motora. Litrový výkon motora slúži ako porovnávacia veličina, označuje sa Po a používa fyzikálne jednotky kW.dm-3 alebo kW.l-1. Veľkosť litrového výkonu vypočítame podľa vzorca:

{displaystyle P_{o}={frac {P_{e}}{V_{z}}}}

kde

  • Po – litrový/objemový výkon (kW.l-1)
  • Pe – efektívny výkon motora (kW)
  • Vz – zdvihový objem motora (l)

Ak teda máme motor o objeme 1,2 litra, ktorý mal bez prepĺňania výkon napr. 47 kW, jeho litrový/objemový výkon je 39,2 kW na 1 liter. Ak by motor s rovnakým objemom dostal preplňovanie a výkon by sa zvýšil na hodnotu napr. na 77 kW, znamenalo by to, že litrový/objemový výkon motora by vzrástol na hodnotu 64,2 kW.l-1.

Základnou úlohou preplňovania motora, je dostať do spaľovacieho priestoru valca podľa potreby čo najviac vzduchu a tým aj množstvo vstreknutého paliva za jednotku času. Výsledkom je vyšší výkon a krútiaci moment oproti objemovo porovnateľným atmosféricky plneným motorom, resp. dosiahnutie podobných parametrov výkonu a krútiaceho momentu z podstatne menšieho objemu motora. Okrem zvyšovania výkonu a znižovania objemu pomáha preplňovanie znižovať tzv. mernú spotrebu (t.j. množstvo spotrebovaného paliva v gramoch na kWh), hmotnosť samotného motora a priaznivý je aj vplyv na celkovú dynamiku/komfort jazdy. Preplňovanie totiž výrazne eliminuje zásadnú nevýhodu spaľovacieho motora. Ten má totiž v nízkych otáčkach relatívne nízke hodnoty krútiaceho momentu, ktorý je dôležitý pre zrýchlenie vozidla napr. pri predbiehaní. Preto sa výrobcovia motorov snažia optimalizovať účinok preplňovania, aby bola táto nevýhoda v čo najväčšej miere eliminovaná.

Aj zvyšovanie plniaceho tlaku nasávaného vzduchu má svoje obmedzenia. Vyšší tlak a väčšie množstvo vzduchu totiž znamená aj vyššie maximálne tlaky v spaľovacom priestore, a teda aj väčšie zaťaženie pre kľukový mechanizmus, hlavu valcov, tesnenia, guferá a taktiež pre samotný piest. Limitom stlačenia zmesi vo valci (tzv. kompresný pomer) je pri zážihovom motore aj samozápal – detonačné horenie palivovej zmesi a následné tzv. klepanie motora. Nezanedbateľným faktom sú aj vysoké teploty výfukových plynov na výstupe z motora, pričom týka sa to najmä zážihových/benzínových motorov. Pri maximálnych zaťaženiach motora sa tak musia ochladzovať výfukové plyny, čo sa robí buď bohatšou palivovou zmesou alebo v prípade nových motorov aj aktívnym chladením výfukového potrubia. Obmedzenie teplôt výfukových plynov musí byť vykonané nielen s ohľadom na životnosť turbodúchadla, ale aj životnosť a správnu funkciu katalyzátora. Ďalším problémom zvyšovania plniaceho tlaku je aj zvyšujúca sa teplota nasávaného vzduchu. Je všeobecne známe, že hustota vzduchu sa zvyšuje s klesajúcou teplotou. Z tohto dôvodu sa stlačený a tým pádom aj zohriaty vzduch pred vstupom do spaľovacieho priestoru ochladzuje v medzichladiči (Intercooler – tzv. IC-čko).

Existuje niekoľko spôsobov ako dostať do priestoru valca viac vzduchu. Preto sa spôsob preplňovania v zásade delí na päť skupín a k preplňovaniu sa využívajú:

  • kompresory s mechanickým pohonom,
  • turbodúchadlá,
  • kombinované zariadenia, kde na preplňovaní spolupracujú turbodúchadlo s mechanickým kompresorom,
  • inerčné zariadenie (využívajú dynamické javy v saní a výfuku Comprex),
  • náporové, kedy v sacom potrubí stúpa tlak vzduchu v závislosti na rastúcej rýchlosti – najčastejšie pri motocykloch.

V súčasných osobných aj nákladných motorových vozidlách sa najčastejšie používajú prvé dve skupiny, poprípade ich kombinácia – tretia skupina.

Kompresory s mechanickým pohonom

Mechanický kompresor – dúchadlo je poháňané od kľukového hriadeľa motora, väčšinou buď pomocou remeňa alebo ozubeným prevodom. To znamená, že na pohon kompresora sa odoberá časť výkonu motora. Pri porovnaní s motorom preplňovaným turbodúchadlom sa tak pri rovnakom plniacom tlaku dostane na kolesá menší výkon, keďže turbodúchadlo na rozdiel od mechanického kompresora využíva pre svoju činnosť aj tepelnú energiu výfukových plynov, ktorá by inak bez úžitku vyfučala do okolitého vzduchu. Ako príklad si môžeme uviesť model Mercedes C32 AMG W203, kde sa remenica kompresora otáča 3,3 x rýchlejšie ako kľukový hriadeľ motora a pri najvyšších otáčkach motora (6200 ot/min) spotrebováva z výkonu motora až 44 kW. Aj cez túto nepriaznivú skutočnosť však dokázal Mercedes dostať z motora V6 slušný výkon 260 kW.

V automobilových motoroch sa môžeme stretnúť s rôznymi konštrukciami mechanického kompresora. Medzi najviac používané patrí Rootsove, Lysholmovo a krídlové dúchadlo alebo kompresor s tzv. špirálovým G-dúchadlom, ktoré vyvinula a používala automobilka Volkswagen. V súčastnosti používajú mechanické preplňovanie hlavne automobilky Mercedes (používa dúchadlá Lysholm, ktoré vyrába japonská firma IHI), VW, Audi a tiež Jaguar (ktorý používa Rootsove dúchadlá). Dúchadlá môžu byť v prípade potreby (nízkeho zaťaženia) elektromagneticky odpájané, čím sa eliminuje stratový odber výkonu motora. Ďalšou nevýhodou okrem čiastočného odberu výkonu je aj o niečo väčšia hlučnosť, ktorá vzniká pri pohybe a vzájomnom trení rôznych mechanických častí kompresora. Medzi výhody kompresorom preplňovaných motorov patrí rýchla reakcia motora na stlačenie akcelerátora (nekoná sa žiadna tzv. turbodiera) a tiež lineárny nárast výkonu/ťahu motora bez výraznejšieho turboefektu. Motor s preplňovaním mechanickým kompresorom tak v podstate pripomína atmosferický motor väčšieho objemu a výkonu. Najmä pre náročnejších motoristov je pocitovo správanie motora s kompresorom o niečo prirodzenejšie a akčnejšie ako v prípade motora s turbodúchadlom, aj keď treba dodať, že moderné turbomotory vybavené najnovšími turbodúchadlami tento nedostatok takmer eliminovali.

 

Turbodúchadlo

Turbodúchadlo je podobne ako mechanický kompresor točivý stroj, ktorý ale na rozdiel od kompresora využíva pre svoj pohon tepelnú a kinetickú energiu obsiahnutú vo výfukových plynoch. Takýmto spôsobom zlepšuje energetickú bilanciu spaľovacieho motora, dochádza tiež ku zvýšeniu termickej účinnosti a logicky k zníženiu špecifickej spotreby paliva. Podstatným spôsobom, podobne ako mechanický kompresor, zlepšuje turbodúchadlo momentovú charakteristiku a tým aj pružnosť motora, čoho dôsledkom je zlepšenie jazdných vlastností a aktívnej bezpečnosti vozidla.

Turbodúchadlo sa skladá z troch hlavných častí:

  • dúchadlová – sacia časť (slúži k nasávaniu čerstvého vzduchu, stlačeniu a jeho dodávke do spaľovacieho priestoru),
  • ložisková časť (zabezpečuje uloženie, chladenie a mazanie rotačných skupín),
  • turbínová – výfuková časť (zaisťuje pohon turbodúchadla).

V prípade turbodúchadiel je často mylne udávané, že vyššia efektivitu motora sa dosahuje najmä využívaním kinetickej energie výfukových plynov. Jedná sa však o zásadný omyl, keďže turbína generuje pri otáčaní protitlak, ktorý je potrebné prekonať. Turbodúchadlo tak na roztočenie turbíny výfukovými plynmi berie energiu od valcov, ktoré majú v tom čase pracovný zdvih. Ak by turbodúchadlo spracovávalo len kinetickú energiu výfukových plynov, bol by celý systém energeticky záporný, keďže účinnosť turba sa pohybuje okolo 70-80%. Zvyšných 20-30% sa totiž mení na teplo stlačeného vzduchu a časť energie odoberajú aj mechanické odpory rotujúcich hmôt. Za vyššou účinnosťou motora v spojení s turbodúchadlom tak stoja najmä nasledovné faktory:

  • Využitie tepelnej energie výfukových plynov. Zhorením palivovej zmesi vzniká teplo a horúce výfukové plyny expandujú. Dochádza tým k zvýšeniu tlaku na vstupnej strane turbodúchadla oproti nižšiemu tlaku na výstupnej strane, kadiaľ unikajú výfukové plyny ďalej do výfukového potrubia. Vzniknutý podtlak spôsobuje únik spalín preč zo spaľovacieho priestoru. Pomer tlaku pred a za turbodúchadlom je od 1,5-2:1. Inými slovami, väčšina horúcich spalín by z motora unikla aj bez pomoci pohybujúceho sa piestu. A práve táto energia je hlavným zdrojom na rozpohybovanie – roztočenie turbínového kolesa. Z tohto dôvodu je turbodúchadlo umiestnené čo najbližšie pri motore, aby sa teplota expandujúcich spalín čo najmenej znížila. Samozrejme aj množstvo odoberaného tepla má svoje hranice, keďže zbytkové teplo výfukových plynov sa využíva napr. na ohrev a správnu funkciu katalyzátora či vypaľovanie sadzí v DPF filtroch.
  • Vďaka vyššiemu výkonu a krútiacemu momentu môže byť na rovnaké parametre motor menší ako v prípade atmosférického plnenia. Menší motor má zvyčajne menšie mechanické odpory a je tiež ľahší, čo prispieva k lepšej celkovej účinnosti.
  • V prípade benzínových motorov vybavených škrtiacou klapkou pomáha turbodúchadlo znižovať aj pneumatický odpor – tzv. čerpacie straty vznikajúce v sacom trakte. Zážihové motory pracujú s tzv. kvantitatívnou reguláciou, čo znamená, že výkon motora sa reguluje množstvom zmesi – pri menšom množstve zmesi sa uvoľní menej energie a teda motor dosiahne menší výkon. Problém nastáva hlavne pri nízkom zaťažení, kedy uškrtený motor vykazuje značné pneumatické straty – vzduch musí prúdiť cez malú medzeru, ktorú reguluje škrtiaca klapka. Riešením je buď variabilný zdvih ventilov, ktorý nahradzuje škrtiacu klapku alebo použitie turbodúchadla. V prípade turbodúchadla je totiž možné použiť menší turbom dopovaný motor, ktorý častejšie pracuje pod väčším zaťažením  – s viac otvorenou škrtiacou klapkou.

V posledných rokoch si získalo veľkú popularitu znižovanie zdvihového objemu motorov – tzv downsizing a tomuto trendu sa samozrejme museli prispôsobiť aj samotné turbodúchadlá. Ešte pred piatimi rokmi boli zmenšené turbodúchadlá pre pretekárske motory vyrobené z titánu, horčíka a veľmi tenkých nerezových ocelí. Vážili len tretinu toho čo bežne používané turbá. V súčastnosti sa tieto materiály dostávajú aj do bežnej sériovej produkcie. Použitie titánu je hlavne doménou turbodúchadiel pre benzínové – zážihové motory, pri ktorých sú požiadavky na vysokoteplotnú odolnosť materiálov podstatne vyššie ako pri dieselových motoroch. Týka sa to hlavne zliatin titánu na výfukovej strane turbíny, pri vysoko namáhaných motoroch sa používa titán aj na strane kompresora. Pri menej výkonných benzínových a väčšine dieselových motoroch sú rotory turbín vyrobené z lacnejšej zliatiny niklu, ktoré disponujú výhodným pomerom pevnosti a hmotnosti a tiež veľmi dobre odolávajú vysokej odstredivej sile. Pri benzínových motoroch dosahuje teplota spalín aj 1000 °C, v dieselových motoroch je horná hranica niekde okolo 850 °C. Zvyšovanie teploty výfukových plynov vstupujúcich do turbodúchadla kladie vysoké nároky na tepelnú a mechanickú odolnosť použitých komponentov. Konkrétne materiál titán sa pre svoju nízku hmotnosť a veľkú pevnosť používa v konštrukcii lietadiel, vďaka odolnosti voči korózii a pôsobeniu soli sa z neho vyrábajú aj lodné skrutky a jeho chemickú stálosť využívajú reaktory pre chemický priemysel. Nikel je nenahraditeľný pri výrobe nerezovej ocele a vysoko legovaných zliatin, typické je jeho použitie v niektorých druhoch elektrických akumulátorov a chemických katalyzátorov.

S rastúcim priemyselným uplatnením hliníkových zliatin tiež stúpa význam horčíka, ktorý sa používa na ich legovanie. Najnovšie turbodúchadla sú schopné udržať vysokú účinnosť až k hranici 300 000 ot/min, čo mimochodom znamená nárast za posledných desať rokov o viac ako 25% a za posledných dvadsať rokov o dvojnásobok. Tým podstatne vzrástla účinnosť preplňovania, pretože práve schopnosť dodávať potrebný tlak vo vysokých otáčkach umožnila celkové zmenšenie turbodúchadla. Redukcia hmotnosti znamená aj nižšiu zotrvačnosť, čo vedie k zlepšeniu reakcii v nízkych otáčkach. Rovnako k zrýchleniu reakcií a k obmedzeniu mechanických strát prispievajú postupné inovácie klzných resp. guličkových ložísk so zníženým trením. Rýchla odozva a schopnosť plniť valce vzduchom pri nízkych otáčkach tiež pomáha znižovať emisie NOx.

Samozrejme samotné kvalitné materiály by k neustálemu pokroku turbodúchadiel nestačili. Nemenej dôležitá je aj optimalizácia v aerodynamike prúdenia plynov cez turbodúchadlo. Aerodynamika je dôležitá najmä pre účinnosť, prevádzkové vlastnosti a rýchlosť reakcií turbodúchadla, ktoré majú výrazný vplyv na výkon a priebeh krútiaceho momentu motora. A práve rozsah využiteľných otáčok je veľmi dôležitý parameter výrazne ovplyvňujúci celkový jazdný prejav motora. Dôležitá je aj rýchlosť reakcií na stlačenie akcelerátora, ktorá má značné oneskorenie najmä v nížších otáčkach – tzv. turbodiera. Spôsobené je to protitlakom vznikajúcim od roztáčajúcej sa turbíny. Pozornosť pri vývoji nových typov turbodúchadiel sa upriamuje aj na eliminovanie turboefektu a dosiahnutie plynulého záťahu turbomotorov z čo najnižších otáčok. Postupne sa pre dieselové motory stali štandardom turbodúchadlá s premenlivou geometriou lopatiek statora. Nároky motoristov, ale aj emisnej legislatívy však neustále rastú a tak sa začali objavovať motory s dvomi, tromi, či dokonca štyrmi turbodúchadlami (twinturbo, triturbo, quadroturbo). Používa sa tiež kombinácia kompresora a turbodúchadla, kedy kompresor pracuje najmä v nízkych otáčkach a postupne so zvyšujúcimi sa otáčkami preberá funkciu iba samotné turbodúchadlo (motor VW 1,4 TSi – 125 kW).

V prípade použitia dvoch turbodúchadiel – Twinturbo môžu byť tieto osadené buď paralelne (napr. pri motore do V – dve menšie turbá nahrádzajú jedno väčšie) alebo sériovo – za sebou. Vtedy sa používa jedno malé a jedno väčšie turbo. Malé turbo s nízkou zotrvačnosťou sa roztáča na prevádzkové parametre už pri nízkych otáčkach. Väčšie turbodúchadlo prichádza k slovu postupne s rastúcimi otáčkami, pričom od určitej hranice dodáva do valcov motora väčšinu nasávaného vzduchu. V prípade menšieho turba býva regulácia plniaceho tlaku zvyčajne pomocou naklápania lopatiek a v prípade väčšieho turba pomocou obtokových ventilov. V roku 2004 predstavená dvojturbová E60-ka 535d s max. výkonom 200 kW a krútiacim momentom 560 Nm udivovala motoristov výbornou dynamikou ako v nízkych tak aj vo vysokých otáčkach. Vývoj nespal a automobilka BMW predstavila začiatkom roka 2012 tromi turbami preplňovaný dieslový trojliter 50d – Triturbo, ktorý dosahuje max. výkon 280 kW a krútiaci moment 740 Nm. Akoby to nestačilo, na jar 2016 predstavila opäť automobilka BMW dieslový šesťvalec 50d radu B57 preplňovaný rovno štvoricou turbodúchadiel – Quadroturbo (dve malé turbá s variabilnou geometriou lopatie a dve veľké turbá s obtokovým kanálom). Takýto nadopovaný diesel dosahuje max. výkon 294 kW a krútiaci moment 760 Nm, pričom tesne nad voľnobehom je k dispozícii krútiaca sila motora 450 Nm. Ako pokročil vývoj v preplňovaných motoroch svedčí aj laické porovnanie najsilnejšieho dieselu v osobných automobiloch v roku 2003, ktorým bol desaťvalec 5,0 TDi s výkonom 230 kW a max. krútiacim momentom 750 Nm so spomínaným trojlitrom 50d od BMW.

Nevýhoda viac turbových zostáv je vyššia hmotnosť, rozmery, náročnejšia konštrukcia – regulácia a tiež predpoklad drahších servisných nákladov pri vyššom kilometrovom nájazde.

Fungovanie turbodúchadla

Turbodúchadlo podobne ako mechanický kompresor stláča vzduch prúdiaci do valcov motora. Výfukové plyny roztáčajú lopatky turbíny, niekedy až k hodnote 300 000 ot/min. Turbodúchadlo je priamo napojené na výfukové potrubie motora. Na spoločnom hriadeli sa nachádza turbína, cez ktorú prúdia výfukové plyny a tiež dúchadlo, ktoré nasáva čerstvý vzduch a ďalej ho stláča cez sacie potrubie priamo do valcov. Vysoké otáčky turbíny či dúchadla vyžadujú precízne uloženie. Používajú sa špeciálne klzné – plávajúce ložiská, ktoré držia hriadeľ na tenkej vrstve oleja alebo kedysi zriedkavejšie, dnes naopak čím ďalej častejšie používané guľôčkové ložiská, napr. Mercedes Benz 350 CDI. Uloženie ložísk vyžaduje stály prívod mazacieho oleja, ktorý zabezpečuje mazanie a zároveň aj chladenie ložísk hriadeľa. Hriadeľ rotora turba sa tak otáča takmer bez trenia. Na prvý pohľad to znie jednoducho, ale práve v tej jednoduchosti je problém. Keby nebolo turbodúchadlo regulované, tak by sa so zvyšujúcimi otáčkami zvyšovalo aj množstvo natlakovaného vzduchu do valcov motora. Piesty takéhoto jednoduchého turbomotora by potom pri vysokých otáčkach stlačovali nasávaný vzduch (zmes) pod obrovským tlakom, čo by malo pre mechanické súčiastky motora deštrukčné následky. Turbodúchadlo je teda potrebné regulovať. Ďalšou nevýhodou, hlavne z hľadiska komfortu jazdy je tzv. „turboefekt“ alebo „turbodiera“. Mnohý z nás už počuli výraz, motor má výrazný turboefekt. Pod týmto slovným spojením si môžme predstaviť napr. staršie prevedenia motorov TDi, ktorým sa v nízkych otáčkach príliš nechcelo (na stlačenie akcelerátora reagovali len slabým ťahom), aby naopak s blížiacou sa hranicou 2000 ot/min výrazne ožili a posádku doslova opreli do sedadiel. Turbodierou sa pre zmenu rozumie doba, ktorá je potrebná k vytvoreniu dostatočného tlaku výfukových spalín, potrebných na roztočenie turbíny. Až roztočená turbína na príslušné otáčky môže poskytnúť dostatok kinetickej energie potrebnej k stlačeniu nasávaného vzduchu. Inými slovami, roztáčajúca turbína generuje protitlak a tak sa po stlačení akcelerátora chvíľu čaká, kým príde očakávaný ťah motora. Samozrejme ako všetko, aj tieto pre bezpečnosť a komfort jazdy nežiadúce javy sa dajú do značnej miery eliminovať a v súčastnosti už existujú preplňované motory, ktoré ťahajú skoro lineárne od veľmi nízkych otáčok a reakcia na stlačenie akcelerátora je veľmi rýchla.

Twin Scroll turbo

Dvojkomorové turbodúchadlo TwinScroll sa vyznačuje oddelenými zvodmi na turbínovej strane cez ktoré prúdia výfukové spaliny. Tieto zvody sa spájajú až tesne pred vstupom do turbodúchadla. Tým pádom nedochádza ku vzájomnému ovplyvňovaniu výfukových plynov smerom k turbodúchadlu, čím sa eliminuje vznik nežiadúcich pulzácii. Výhodou turbodúchadla typu twin-scroll je najmä lepšia plniaca účinnosť v nízkych otáčkach a rýchlejšie reakcie motora.

Ešte pár viet o nežiadúcich pulzáciach. Po zhorení palivovej zmesi sa otvorí výfukový ventil a z valca začnú prúdiť výfukové plyny. Vo výfukovom potrubí vznikne tlakový pulz. Ten sa šíri výfukovým potrubím, pričom v určitých odstupoch vzniká podtlak. Ideálne je, ak sa podarí výfukové potrubie navrhnúť tak, že najväčší podtlak vznikne blízko valca a v čase, kedy sa otvorí výfukový ventil a pomôže odviesť spaliny z vyfukujúceho valca. Inými slovami, podtlak spôsobený unikajúcimi plynmi z jedného valca by pomohol vyplachovať iný valec. Ak výfukové potrubie nie je správne navrhnuté, tlakový impulz z jedného valca môže negatívne ovplyvniť/zhoršovať vyplachovanie druhého valca, čo je nežiadúce, keďže sa znižuje účinnosť a zvyšuje teplota spaľovania. Pri turbomotoroch, kde je dôležité umiestniť turbodúchadlo čo najbližšie k motoru sa tento problém neraz dostával na vedľajšiu koľaj z dôvodu náročnej konštrukcie výfukového potrubia a vyšších výrobných nákladov. V prípade turbodúchadla typu TwinScroll, ktoré má odelené zvody je optimalizácia prúdenia výfukových plynov jednoduchšia.

Pre zaujímavosť, sa môžeme pozrieť na výfukové potrubie benzínového motora Skyactiv od Mazdy. Keďže sa jedná o atmosféricky plnený motor, je optimálne navrhnuté výfukové potrubie dôležité na čo najlepšie odvádzanie výfukových spalín, keďže tie sú odvádzané len svojou tepelnou energiou a zdvihom piestu a nepomáha im žiadne fúkanie turba. Ako vidieť na obrázku, jedná sa o veľmi zložitú spleť rúrok rôzneho priemeru a dĺžky.

Regulácia plniaceho tlaku turbodúchadla

Prvým spôsobom je tzv. škrtiaca klapka. Škrtiaca klapka ako už sám názov napovedá obmedzuje množstvo vzduchu, ktoré prúdi do motora a tým pádom znižuje plniaci tlak pri vysokých otáčkach. Z dôvodu veľkého pneumatického odporu, ktorý vzniká zúžením vstupu pre nasávaný vzduch je toto riešenie z energetického hľadiska značne nehospodárne. Výhodou tohto systému je obstojná eliminácia turbodiery a turboefektu, keďže turbína je roztočená už od nízkych otáčok.

Druhý spôsob, ešte donedávna najpoužívanejší, má názov wastegate (obtokový kanál – ventil). Wastegate je ventil, ktorý prepúšťa výfukové plyny cestou mimo turbínu pri vyšších otáčkach motora. Tak docielime toho, že maximálnych otáčok môže turbo dosiahnuť už pri nižších otáčkach motora. Tento spôsob tak umožňuje použitie menšieho turba s nižšou zotrvačnosťou – kratšie oneskorenie/rýchlejšie reakcie na stlačenie akcelerátora a zároveň sa do značnej miery eliminuje príliš veľký plniaci tlak turba pri vyšších otáčkach motora. Nevýhodou menšieho turba je však nižšia plniaca účinnosť pri vyšších otáčkach, čo sa prejaví na rýchlejšom vädnutí motora nad 3000-4000 ot/min.

Tretí spôsob a v súčastnosti najrozšírenejší (pri dieslových motoroch) je regulácia pomocou premenlivej geometrie lopatiek VGT. Najčastejšie sa používajú turbodúchadlá s reguláciou resp. natáčaním rozvádzacích lopatiek statora. Jedná sa o účinný spôsob, ktorý pomáha rozširovať použiteľný rozsah otáčok motora. Systém pracuje na princípe, že rovnaký objem plynu môže prúdiť potrubím s rôznym priemerom pod rôznym tlakom. Obecne platí, že čím užšie potrubie, tím vyšší tlak. Pri nízkych otáčkach motora sa pomocou rozvádzacích lopatiek zmenší prierez, čím sa zvýši rýchlosť prúdenia výfukových plynov. Tie sú následne usmernené tak, aby na turbínové koleso prichádzali tangenciálne a to na koniec lopatiek. Naopak, aby pri vysokých otáčkach motora nedošlo ku kritickým otáčkam turbodúchadla, a následne k príliš vysokému tlaku plnenia, zväčší sa prierez a prúd spalín sa usmerní na „päty“ lopatiek. Problémom väčšieho vyžitia systému VGT je obmedzenie v podobe maximálnej teploty prechádzajúcich výfukových plynov. Preto je systém VGT v súčastnosti využívaný hlavne pri dieselových motoroch, z dôvodu podstatne nižšej teploty prúdiacich výfukových plynov – približne do 850 °C.

V prípade zážihových/benzínových motorov sa variabilná geometria z dôvodu vysokých teplôt výfukových plynov (až do 1000 °C) bežne nevyužíva, a tak plniaci tlak je zväčša el. regulovaný pomocou obtokového kanálu – wastegate. Vývoj však pokročil a tak sa aj v prípade benzínových motorov objavilo turbodúchadlo s VGT. Ako prvé sériové benzínové auto vybavené turbodúchadlom s variabilnou geometriou lopatiek statora bolo Porsche 911 Turbo predstavené v roku 2006. K zvládnutiu vysokých teplôt výfukových spalín pomohli konštruktérom z Porsche špeciálne materiály používané v kozmickom priemysle. Nevýhodou takýchto materiálov je samozrejme cena. V tak drahom aute akým bolo (je) Porsche 911 Turbo ale nebola vysoká cena kozmických materiálov až tak citeľná. V prípade bežných vozidiel by však znamenala výraznú položku z celého vozidla. Naozaj veľkosériového predstavenia sa tak variabilné turbo v benzínovom motore dočkalo až nedávno, predstavením motora 1,5 TSi koncernom VW. Okrem pokroku v materiálovom inžinierstve pomohla nasadeniu turba s VGT aj úprava spaľovacieho cyklu. V prípade motora 1,5 TSi 96 kW pracujúcom v tzv. Millerovom cykle resp. Cykle B podľa VW sa podarilo max. teplotu výfukových plynov znížiť na cca 880 °C, čo je len mierne viac ako v prípade dieslových motorov.

Elektrické turbodúchadlo

Tento typ turbodúchadla je poháňaný z nezávislého zdroja, ktorý môže získavať energiu napr. rekuperáciou pri brzdení. Výhodou elektroturba je skutočnosť, že na rozdiel od bežných turbodúchadiel môže fungovať už od voľnobežných otáčok. Elektrické turbo sa zvyčajne nachádza v blízkosti medzichladiča stlačeného vzduchu a aby po deaktivácii zbytočne nezvyšovalo čerpacie straty, prúdi následne vzduch okolo tzv. by-passom. Elektroturbo pomáha eliminovať turbodieru, zlepšovať linearitu ťahu, znižovať spotrebu paliva o cca 2-3% a tiež rozširovať využiteľné otáčky motora. Nevýhodou je zložitejšia konštrukcia a tiež pomerne náročná zástavba, keďže elektromotor má výkon okolo 2 kW a káblami tečie v špičke až 200 Ampérový prúd. Aby sa dosiahlo menšieho prúdového zaťaženia a teda tenších káblov, používajú el. turbá samostatnú 48 V sieť.

Z uvedených informácii je zrejmé, že el. turbo nemôže úplne nahradiť klasické turbodúchadlo, keďže pre svoju činnosť potrebuje energiu a tú treba vyrobiť resp. odniekiaľ čerpať. Z tohto dôvodu sa el. turbo využíva len ako pomocná sila, o preplňovanie sa po väčšinu času stará resp. starajú konvenčné turbodúchadlá poháňané výfukovými plynmi. V praxi tak elektrické turbo tlačí vzduch len asi sekundu až dve po stlačení akcelerátora do približne dvoch tisíc otáčok. Vo vyšších otáčkach resp. po uplynutí 1-2 s už funkciu preplňovania naplno preberá klasické turbodúchadlo. Max. otáčky el. turba sa pohybujú okolo 70.000 ot/min a rýchlosť roztočenia je cca 200-250 milisekúnd. Výsledkom asistenčnej služby el. turba je výrazné skrátenie reakcií motora na stlačenie akcelerátora, maximum krútiaceho momentu dostupné už z nízkych otáčok (tesne nad voľnobehom) a tým pádom lepšia celková akcelerácia vozidla. Zo súčasných vozidiel obsahuje el. turbo napr. Audi SQ7 4,0 V8 TDi s max. výkonom 320 kW a krútiacim momentom 900 Nm, Audi RS5 TDI 3,0 V6 TDi 283 kW (750 Nm), Audi A6 3,0 V6 TDi 240 kW (650 Nm) a aplikáciu elektrického turba ohlásil aj Mercedes v prípade svojich nových benzínových motorov radu M256. Určitú formu elektrického turba používa aj automobilka Volvo v systéme PowerPulse. Ten obsahuje 400W elektrický kompresor a 1,7 litrový zásobník stlačeného vzduchu. Tento systém pomáha tlakovým impulzom stlačeného vzduchu prúdiaceho do výfukového potrubia rýchlejšie roztočiť turbodúchadlo, a tak motor akčnejšie reaguje na stlačenie akcelerátora v nižších otáčkach.

Najčastejšie poruchy turbodúchadiel

Nadmerne opotrebované turbodúchadlo sa zvyčajne prejavuje zvýšenou spotrebou oleja, prienikom oleja do sacieho traktu, slabším/kolísavým výkonom či zvýšenou hlučnosťou (hlasnejšie pískanie pri ubratí alebo pridaní plynu). V praxi je ale dosť obtiažne rozpoznať, či zvýšenú hlučnosť/pískanie spôsobuje len drobné poškodenie nábežných hrán lopatiek bez výraznejšieho vplyvu na vyváženie rotora a z dlhodobejšieho hľadiska aj na fungovanie turbodúchadla, alebo či už sa jedná a skutočné chvenie rotora z dôvodu nadmerne opotrebených ložísk, ktoré už znamená blízky koniec a potreby vymeniť/repasovať turbo.

Poruchy na regulácii plniaceho tlaku zvyčajne ohlasuje kontrolka ale aj výpadky resp. výraznejšie kolísanie ťahu motora a v niektorých prípadoch aj prechod do núdzového režimu. Turbodúchadlo je veľmi citlivé na kvalitu oleja, preto sa neodporúča príliš veriť rôznym long life režimom a olej vymeniť najlepšie po najazdení 15 tisíc km. Niektoré motory vďaka veľkej olejovej náplni a robustnému olejovému filtru zvládnu aj cez 20 000 km, pri niektorých je olej lepšie vymeniť už po odjazdení 10 000 km – napr. 1,6 HDI 16V. Treba si uvedomiť, že vyjazdený olej obsahuje množstvo nežiadúcich prísad akými sú rôzne kyseliny, občas aj palivo (naftu) ale hlavne karbónové usadeniny, ktoré negatívne ovplyvňujú životnosť nielen turbodúchadla, ale aj samotného motora. Samozrejme, nepriaznivý vplyv má aj nedostatok, resp. príliš nízka hladina oleja. Dôležitá je tiež čistota vzduchového filtra, keďže príliš zaprášený už nedokáže filtrovať všetky prachové častice a prepúšťa ich do sania, kde ich následne absorbuje motorový olej. Ešte viac zrýchlené opotrebovanie prinášajú turbu aj rôzne pre daný motor nevhodné športové filtre, ktoré obsahujú väčšie otvory pre prúdiaci vzduch, čím sa ale dostávajú do sania rôzne prachové častice, ktoré postupne obrusujú jemné lopatky rotora turba, čo znižuje jeho plniacu účinnosť. O absorbovaní týchto prachových častíc motorovým olejom ani nehovoriac, pretože takáto olejovo-prachová zmes si svoju brúsiacu úlohu „plní“ nielen na ložiskách turba, ale aj stenách valcov a ostatných častí motora. Veľmi často dôjde k predčasnému opotrebovaniu turbodúchadla aj následkom neodborného chiptuningu, kedy sa nadmerne zvyšujú otáčky a plniaci tlak turba. Na životnosť turba má negatívny vplyv aj nedostatočné mazanie samotného turba. V tlakových turbkách sa môže upchať sitko alebo sa v trupke ktorá je blízko výfukového potrubia olej prepaľuje a vzniknuté karbónové usadeniny trupku postupne upchávajú. Tento problém sa najčastejšie vyskytuje v prípade dieselu 1,6 HDI 16V, známeho z Peugeot, Citroen, Ford, Volvo a niektorých úžitkových Fiatov, kde je najproblematickejším miestom holender blízko turbodúchadla. Podobným problémom trpia aj motory 1,8 T (Škoda, Audi, VW, Seat). Samozrejme zvýšené riziko vytvárania karbónových usadenín stúpa s častým zaťažovaním motora. V prípade ak sa montuje nové turbo, treba si najskôr preveriť stav prívodu mazacieho oleja, keďže práve upchatý prívod maziva zničil staré turbo. Po samotnom namontovaní turba sa odporúča naplniť prívod olejom, až je turbo po naštartovaní motora okamžite mazané.

V prípadoch, keď došlo k totálnej deštrukcii turba (rozletené lopatky a pod), je potrebné dôkladne vyčistiť celé sanie vrátane medzichladiča, aby rôzne úlomky neboli opäť nasaté a nezničili rotor nového turba. Takéto čistenie je však pomerne obtiažne a tak je najmä v prípade veľmi drahých turbodúchadiel na zváženie výmena celého sania vrátane medzichladiča. Obtiažnosť výmeny je veľmi závislá od typu motora, umiestnenia turba a samozrejme počtu použitých turbodúchadiel. Pozitívnou správou je, že vďaka väčšiemu počtu vyrobených kusov sa cena nových turbodúchadiel postupne znižuje a pri starších vozidlách pomáha zlacňovať opravu aj bohatá ponuka repasovaných kusov.

Zopár rád ako predchádzať resp. spomaliť opotrebovanie turbodúchadla

1. Po naštartovaní  je treba nechať turbodúchadlu niekoľko minút na tzv. prípravu-pokojnejšie jazdiť, kým mu poriadne „naložíte“. Platí to aj v prípade naštartovania zohriateho motora, kedy tiež treba nechať turbodúchadlu niekoľko sekúnd na premazanie. Rovnako platí, že nezvyšujte otáčky – nepridávajte plyn pred vypnutím motora, keďže po jeho vypnutí dobieha turbo takpovediac nasucho.

2. Po rýchlej jazde treba dožičiť turbodúchadlu odpočinok. Momentálne používané turbodúchadla sú väčšinou chladené motorovým olejom resp. okolitým vzduchom, a tak sa pri poriadnej jazde značne zahrejú. Pri jazde sa turbo prirodzene chladí, problém nastáva pri okamžitom vypnutí po takejto náročnej jazde (napr. odstavení na diaľničnej pumpe či križovatke). Po takomto náhlom vypnutí bude turbodúchadlo dlhšiu dobu vystavené nadmerným teplotám, čo znamená riziko deformácie mechanických častí turba, ale aj spečenie zostatkového oleja na karbón. Ten jednak môže upchať prívodné kanáliky, ale tiež bude fungovať ako brúsna pasta a spôsobí rýchlejšie opotrebenie ložísk turba. Dôležité je teda nechať bežať motor  niekoľko desiatok sekúnd na voľnobeh alebo niekoľko kilometrov pred zastavením zvoľniť tempo – turbodúchadlo sa za tú dobu ochladí o niekoľko sto stupňov Celzia. Obzvlášť platí toto pravidlo v prípade, ak je vozidlo vybavené start/stop systémom, ten je treba v tejto situácii deaktivovať. Najmodernejšie turbodúchadlá chladené vodou sú na tento spôsob necitlivého vypnutia oveľa odolnejšie, obzvlášť tie, ktorých chladiaci okruh je v činnosti ešte nejaký čas po vypnutí motora.

3. Dôležitá je pravidelná výmena motorového oleja. Turbodúchadlo je veľmi citlivé na starý resp. jazdením znehodnotený olej, preto sa neodporúča príliš veriť rôznym long life režimom a olej vymeniť najneskôr po najazdení 15 resp. 20 tisíc km, v niektorých prípadoch aj skôr. Dôvodom je skutočnosť, že olej po odjazdení 15-20 tisíc km obsahuje množstvo nežiadúcich prísad, ako je napr. karbón, rôzne kyseliny, zvyšky paliva a pod. čo výrazne ovplyvňuje životnosť ložísk turbodúchadla a taktiež pri niektorých motoroch upcháva olejové potrubie/sitko vedúce do turbodúchadla.

4. V prípade motorov s variabilnou geometriou rozvádzacích lopatiek statora (čo je dnes väčšina hlavne pri dieseloch), je potreba zohriaty motor raz za čas trocha viac vytočiť – napr. prudšie akcelerovať a pod. Vytočenie motora pri jazde – pod záťažou znamená pohyb regulačných lopatiek medzi krajnými polohami, čím sa zníži ich riziko zatuhnutia. Obzvlášť to platí, ak ste priaznivec kľudnej a šetrnej jazdy.

5. Ako už bolo vyššie v článku spomínané, potrebné je pravidelne meniť vzduchový filter – ideálne s každou výmenou oleja a používať len kvalitné resp. preverené značky filtrov. Použitie tzv. športového filtra si treba riadne preveriť – poradiť sa s odborníkom a následne zvážiť.

MJ



Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *

error: Content is protected !!