Seriál turbodmychadla: Jde to i bez turba (3. díl)

Myšlenka dodat motoru více vzduchu než sám svými písty dokáže nasát, se dočkala realizace už ve dvacátých letech minulého století, a to v závodních automobilech. V sériové produkci se ovšem mechanicky poháněný kompresor prosazoval mnohem obtížněji. Důvody jsou v zásadě dva. Prvním je, že k tomu, aby kompresor mohl plnit svoji funkci, vyžaduje jistý příkon. Ten mu v podobě pohonu dodává přímo spalovací motor, který přeplňuje. Ve výsledku tak kompresor vlastně snižuje mechanickou účinnost motoru, což vadí zejména u malých zdvihových objemů.

Druhým důvodem je, že kompresor jako takový je dost drahý, nemluvě o jeho prostorových nárocích. Za desítky let se objevila celá řada koncepcí mechanicky poháněných kompresorů. Od známého Rootsova dmychadla až po přeplňování využívající tlakové vlny (Mazda Comprex) či takzvané spirálové dmychadlo používané automobilkou Volkswagen na přelomu osmdesátých a devadesátých let. Ale vezměme to popořadě.

Výkon závislý na rychlosti

Ještě před tím, než se podíváme na jednotlivé druhy kompresorů, se musíme zmínit o jednom neobvyklém přeplňování. To nevyužívá žádná přídavná zařízení vhánějící do sacího traktu motoru další vzduch, nýbrž je jeho účinek přímo závislý na rychlosti jízdy. Jde o sací systém známý jako Ram-air. Princip je jednoduchý. Motor nasává vzduch nikoliv někde v hloubi motorového prostoru, či za maskou chladiče, jak bývá obvyklé, nýbrž v místě, kde vzduch obtékající vozidlo proudí co možná nejvyšší rychlostí. S jejím zvyšováním roste zároveň tlak vzduchu. Oboje je samozřejmě závislé na rychlosti. Teoreticky tedy, čím vozidlo jede rychleji, tím má jeho motor vyšší výkon. Podle některých zdrojů se výkonový přídavek pohybuje na hodnotě přibližně 14 až 15 kW při rychlosti asi 200 km/h. Z toho vyplývá, že tento druh přeplňování je vhodný spíše pro závodní automobily.

Tento princip lehkého přeplňování byl hojně využíván americkými muscle cary v šedesátých a sedmdesátých letech. Později pak ještě v devadesátých letech. Z moderních automobilů toto využívá třeba Ferrari 550 Maranello, Lotus Exige nebo úžasný McLaren F1.

Výhody: Cena, snadná zástavba

Nevýhody: Nejde o přeplňování jako takové. Účinné jen ve vysokých rychlostech

Starší než automobil sám

Nejrozšířenějším typem mechanického přeplňování je takzvané Rootsovo dmychadlo. Najdete jej ve vylepšené podobě třeba na motoru koncernu Volkswagen 1.4 TSI Twincharger, či starších čtyřválcích Mercedesu M111, případně M271. Vynalezli jej bratři Rootsovi, a to mnohem dříve, než vznikly první automobily. V původní podobě pracovalo Rootsovo dmychadlo ve funkci vzduchové pumpy a uplatňovalo se zejména v průmyslové výrobě.

Seriál turbodmychadla. První díl: Co nevíte o turbech? Dříve výkon, dnes spíše efektivita

Rootsův kompresor se skládá ze dvou rotorů. Každý z nich je osazen trojicí křídel nebo lopatek, chcete-li. Oba rotory se točí vlastně v tandemu, kdy křídlo jednoho rotoru zapadá do mezery mezi dvěma křídly druhého rotoru. Rotory nasávají vzduch od středu k okrajům skříně. Přitom však kupodivu nedochází ke stlačování vzduchu uvnitř skříně kompresoru. Smyslem je urychlit proud vzduchu, vstupujícího do sacího potrubí motoru. Teprve tady vzniká žádoucí přetlak.

A zatímco původní konstrukce Rootsova kompresoru je relativně přímočará, s jeho účinností to už tak slavné není. Důvodem je princip. Vzduch vstupující do skříně kompresoru totiž v některých pozicích rotorů působí proti jejich otáčení, takže je vlastně brzdí. A to tak, že naráží do křídel (lopatek) rotorů.

Hlavním důvodem, proč se kompresor Roots rozšířil více než jiné typy hledejte v jeho relativní jednoduchosti. Postupem doby se také podařilo odstranit některé jeho slabiny a tím zvýšit účinnost přeplňování.

Bez příslušenství se neobejde

Jak kompresor Roots vypadá v praxi, si ukážeme na motoru VW 1.4 TSI Twincharger. Jak jistě víte, tento agregát se již nevyrábí, avšak je unikátní kombinací přeplňování turbodmychadlem, které se uplatní ve vyšších otáčkách. Do 2400 otáček je kompresor u motoru 1.4 TSI trvale připojený, přičemž plnicí tlak je regulován jeho přemosťovací klapkou. Maximální otáčky, v nichž může u tohoto motoru kompresor přeplňovat, jsou 3500/min^-1. Mezi jimi a zmíněnými 2400 otáčkami již není kompresor trvale připojený, nýbrž pouze aktivní v závislosti na aktuálních jízdních podmínkách.

Pohon kompresoru zajišťuje drážkový řemen, a to od řemenice pohonu vodní pumpy. Její součástí je elektromagnetická spojka, která pohon kompresoru připojuje. Převod mezi řemenicí na klikovém hřídeli a řemenicí kompresoru je 5:1. To znamená, že rotory kompresoru se točí pětkrát většími otáčkami než klikový hřídel. Maximální otáčky kompresoru jsou u motoru 1.4 TSI Twincharger 17500/min^-1. Pro zajímavost, maximální plnicí tlak činí 0,175 MPa (1,75 bar).

Jednou z nevýhod, kromě jen průměrné účinnosti, je u kompresoru zvýšený hluk. Z toho důvodu je na sací i výtlačné straně kompresoru motoru 1.4 TSI použit tlumič hluku. Navíc je vnější skříň, obalující samotný kovový domeček kompresoru, vyložena izolační pěnou pohlcující hluk. I tak ale může posádka hluk kompresoru vnímat. Děje se tak zpravidla při intenzivní akceleraci mezi dvěma až třemi tisíci otáček.

Výhody: cena, snadná zástavba

Nevýhody: Nízká účinnost, nízký plnicí tlak, potřebuje velký příkon ve vysokých otáčkách, nepříjemný hluk

Kde ho najdete: Mercedes-Benz M111 a M271, Jaguar XJR R6 nebo V8, VW 1.4 TSI Twincharger

Čtyři jsou víc než tři

Původní dmychadlo Roots mělo celou řadu nectností. Důvodem, proč se dnes poměrně hojně používá, hledejte v jeho dalším vývoji. O něj se zasloužila zejména známá americká firma Eaton, patřící k předním dodavatelům těchto systémů v automobilovém průmyslu. V jejím podání se dmychadlo Roots jmenuje Eaton TVS (Twin-Vortices Series) a je vyráběno od roku 2008. Jde již o šestou generaci Rootsova dmychadla v podání Eatonu.

Odlišností v porovnání s konvenčním Rootsem je hned několik. Předně každý z rotorů je vybaven čtveřicí křídel (lopatek) namísto tří. Dále je změněný úhel zakřivení lopatek z původních šedesáti stupňů na páté generaci na sto šedesát.

Dmychadlo Eaton TVS poskytuje dle údajů americké firmy o dvacet procent vyšší průtok vzduchu než předchozí pátá generace. Tím se zároveň zvýšil plnicí tlak. Zároveň ale dmychadlo potřebuje nižší příkon než dříve, a to i přesto, že pracovní otáčky jsou vyšší. Je to dáno jeho vyšší mechanickou účinností. Jako příklad můžeme uvést motor Corvette ZR1. Zatímco pátá generace Rootse od Eaton potřebovala ke svému provozu v nejvyšších otáčkách výkon 85 kW, dmychadlu TVS stačí pouhých 55 kW. A to už je docela rozdíl.

Dmychadlo TVS je také tišší. Je to možné díky provedení vnitřního převodu. Ozubená kola ve stálém záběru jsou totiž dělená, čímž dochází k vymezování vůle v jejich vzájemně spojeném ozubení. Jde o takzvaný nůžkový převod (seasers) případně frikční převod s vymezovací talířovou pružinou vloženou mezi obě části ozubeného kola. Toto řešení je hojně používané u rozvodových mechanismů motorů japonských a korejských (Mazda, Hyundai).

Výhody: Vysoká účinnost, nízká hlučnost

Nevýhody: vyšší cena v porovnání s klasickým Rootsem

Kde ho najdete: Corvette ZR1, Cadillac CTS-V, Audi 3.0 V6 TFSI (Audi S4), Jaguar XFR, Lotus Evora S

Šroubovicí proti Roots

Alternativou k Rootsovu dmychadlu, stejně jako k jeho výrazně vylepšené verzi Eaton TVS, je kompresor, jehož rotor je tvořený dvěma proti sobě umístěnými šroubovicemi na principu „samce“ a „samice“. Jedna má zpravidla tři lopatky, druhá do ní zapadající obyčejně pět. Možné jsou ale i jiné kombinace.

Princip šroubového dmychadla existuje už od roku 1878. Avšak jako u mnoha jiných vynálezů nebyla v době myšlenky potřebná technologie, která by to dokázala vyrobit. Až teprve v průběhu třicátých let uvedl šroubové dmychadlo do praxe Alf Lysholm. Zároveň původní návrh podstatně vylepšil. A právě podle něj se dnes šroubové dmychadlo jmenuje Lysholmovo.

Seriál turbodmychadla: Problémy s turbem? Jen o nevypínání motoru po dojezdu to není (2. díl)

Jak už víte z textu výše, Lysholmovo neboli šroubové dmychadlo se skládá z dvojice vzájemně spojených rotorů, jejichž lopatky tvoří šroubovici. Oba jsou vzájemně velice těsně sesazeny. Při rotaci proudí vzduch mezi plochami šroubovic a jejich domečkem (obalem). Přitom je stlačován, a to od středu k vnějšku, tedy přesně obráceně, než jak je tomu u Rootsova dmychadla a jeho derivátu Eaton TVS. Současně dochází ke stále se zmenšujícímu prostoru, čímž se zvyšuje tlak vzduchu uvnitř kompresoru. Díky tomu poskytuje Lysholmovo dmychadlo vyšší plnicí tlak než Rootsovo. Zároveň je mechanicky účinnější, nabízí širší rozsah využitelných otáček a obvykle i menší rozměry.

Nevýhodou je jeho značná cena, neboť jeho výroba je mnohem náročnější na přesnost a kvalitu obrábění a celkovou úroveň technologie výroby. Uplatní se tak hlavně u vysokovýkonných vozů, vyráběných v malých počtech a také u firem zabývajících se profesionálním automobilovým tuningem. Asi nejznámějším uživatelem Lyshlomova kompresoru je dodnes úžasná Mazda Xedos9 Miller.

Výhody: Vysoká mechanická účinnost, vysoký plnicí tlak, široký rozsah využitelných otáček

Nevýhody: Drahá a technologicky náročná výroba

Kde ho najdete: Mercedes-Benz C32 AMG, Ford GT, Mazda Xedos9 Miller

Úlety

Mazda Comprex a Volkswagen G-Lader

Kromě systémů Roots, Eaton TVS či Lysholm jste se mohli v minulosti setkat s celou řadou druhů přeplňování. Asi nejaktivnějšími značkami byly v této oblasti Mazda a Volkswagen.

Mazda Comprex – využívá pulzních vln

S příchodem krásně kulaté Mazdy 626, tehdejšího snu našich začínajících podnikatelů, vyjel nejen úžasně hebký šestiválec 2,5 litru či čtyřválce 1.8 a 2.0 16V, nýbrž i neobvyklý vznětový motor. Jde o agregát známý jako RF Comprex (Compression and expansit). Jednalo se o čtyřválcový vznětový dvoulitr s rozvodem OHC a komůrkovým vstřikováním rotačním čerpadlem licence Bosch VE. Tím nejzajímavějším ovšem bylo přeplňování. To využívalo pulzního dmychadla Comprex podle patentu Asea Brown Boveri. Při kompresním poměru 21,1:1 motor dosahoval nijak zázračného výkonu 56 kW při 4000 otáčkách za minutu a maxima točivého momentu 172 N.m v polovičních otáčkách.

Tehdy bylo uváděno, že pulzní dmychadlo Comprex spojuje výhody mechanicky poháněných dmychadel (Roots, Lysholm) a turbodmychadel. Comprex využívá tlakovou energii výfukových plynů. Probíhá v něm jak komprese, tak i expanze. K přenosu energie dochází tlakovými vlnami v komorách, vytvořených podélnými lopatkami rotoru. Čím je komor na rotoru více, tím je účinek tlakových vln plynulejší a přeplňování je dosaženo již při nízkých otáčkách. Rotor dmychadla Comprex je poháněn od motoru řemenem stejně jako u jiných kompresorů. Malá účinnost a zároveň složitost vedla k tomu, že se systém přeplňování využívající tlakové energie výfukových plynů neosvědčil.

Volkswagen Spirálové dmychadlo (tzv. G-dmychadlo) – využití dávného francouzského patentu

Jestliže dmychadlo Comprex najdete pouze u Mazdy, spirálové dmychadlo je pro změnu záležitostí výhradně Volkswagenu. Ano, značky Mazda a Volkswagen už léta ukazují, že se nebojí experimentovat, byť se jim to ne vždy vyplácí. Spirálové dmychadlo vynalezl už v roce 1905 francouzský vynálezce Louis Creux. Stejně jako u Lysholmu ale až technologie poloviny osmdesátých let minulého století dovolila takový kompresor vyrobit. Na vývoji G-dmychadla pracovala automobilka Volkswagen už od sedmdesátých let. Poprvé se objevilo na motoru 1,3 litru sportovního Pola G40 v roce 1985. Známější je ale jeho aplikace na motoru 1,8 litru (takzvaný motor PG) od roku 1988 v kupé Corrado a následně i Golfu GTI G60 nebo Rallye, případně v Passatu B3 G60. Označení „G“ odkazuje přímo na tvar dmychadla, tvořeného spirálou, konající rotační a zároveň posuvný pohyb na principu paralelogramu obdobně tvarované uvnitř skříně. Jsou zde dva výstředníkové hřídele, jeden hlavní a jeden pomocný, spojené drobným ozubeným řemenem. Pohon dmychadla zajišťuje řemen pohonu příslušenství, mazání je olejem od motoru, ovšem nízkým tlakem. V opačném případě by to vedlo k vytlačení hřídelových těsnění dmychadla. Čísla uvádějí výšku spirálového rotoru v milimetrech. Byla to právě velice malá vůle sesazení mezi rotorem tvaru spirály a jeho skříní, která stála za vysokou účinností toho dmychadla. Takzvané „géčko“ žilo v Corradu až do roku 1993, v Polu G40 ještě o rok déle.

V praxi kolem spirálového dmychadla vznikla řada otazníků zejména ohledně životnosti. Ano, v prvních Corradech byla mizerná, avšak v těch posledních je už dokonce třetí modifikace tohoto zařízení. Jízda v G60 je ve všech ohledech zvláštní. Od zvuku, který někteří považují za úžasný, jiní za otravný, až po fakt, že čím vyšší otáčky motor točí, tím více táhne. V praxi je to trochu jako starý dobrý řadový šestiválec BMW. Motor G60 (PG) byl navíc docela úsporný, takže nebyl problém jezdit i po městě s lehkou nohou za 8 až 9 l na 100 km. A to měl výkon 118 kW, tedy 160 koní.