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

Přeplňovaný motor se stává nedílnou součástí moderního auta. A je jedno, zda spaluje benzin či naftu. Jde o hlavní stavební prvek směru známého jako downsizing. Čím se turbodmychadla odlišují? Z čeho se skládají a jaké případné problémy?

Svého času působilo slovo „turbo“ na automobilové nadšence takřka magicky. Dobře si vzpomínám, jak jsem coby dítě velebil vozy LIAZ, pokud měly na kabině pod nápisem výrobce ještě štítek se slovem „turbo“. A to samé platilo o traktorech. Zetor Turbo, to bylo v 80. letech v naší zemi poznamenané reálným socialismem prostě něco. Tehdy skutečně slovo „turbo“ mohlo tvořit takřka synonymum ke slovům dynamika, síla, výkon a rychlost. Přesuňme se ale do současnosti, případně nedávné minulosti.

V roce 2010 mělo podle dostupných údajů firmy SPECIAL TURBO a. s., která už přes 20 let působí jako autorizovaný dodavatel a servisní centrum turbodmychadel předních světových výrobců, každé čtvrté vozidlo turbodmychadlem přeplňovaný motor. Letos už vozí pod kapotou turbodmychadlo dokonce dvě třetiny všech aut. Dnes využívají přeplňování turbodmychadlem i firmy, které se v minulosti jeho masovému nasazení urputně bránily. Příkladem může být BMW či Ferrari, jakkoliv historicky vzato obě společnosti přeplňování nabízely u vybraných modelů už v 70 a 80. letech.

Možná vás to překvapí, ale princip zařízení, které stlačuje do motoru vzduch a zároveň je poháněno výfukovými plyny je znám už od roku 1905. Tehdy si jej poprvé nechal patentovat Švýcar Dr. Alfred Büchi. Někdejší úroveň strojírenství a technologie ale takové zařízení nedokázala vyrobit. Dlouhá léta proto zůstalo jen u teorie, případně u přeplňování mechanicky poháněným kompresorem.

Zlom nastal až v průběhu 30. let. Prvního reálného uplatnění se turbodmychadlo dočkalo v letectví. Konkrétně na amerických bombardérech B-29, B-24, B-17 či B-25 pro něž turbodmychadla vyráběla firma General Electric. V roce 1936 byla založena společnost Garrett, známý výrobce turbodmychadel. Od roku 1954 dodávala turbodmychadla pro buldozery či jiné stavební stroje. O osm let později bylo do sériové výroby připraveno první turbodmychadlo pro osobní vůz značky Cadillac. K dalšímu rozvoji došlo v sedmé dekádě minulého století, přičemž zájem o turbodmychadla trvá dodnes.

Cílem je efektivita

V počátcích se turbodmychadlo používalo hlavně kvůli zvýšení výkonu a točivého momentu agregátu. Jako takové bylo nastaveno takzvaně na plnou hltnost motoru. To znamenalo, že čím vyšší otáčky agregát točil, tím turbo více přeplňovalo. Popsaná koncepce byla dobrá z hlediska vysokých výkonů, avšak její odvrácenou stranou byla pružnost motoru ve středních a tedy nejpoužívanějších otáčkách. Scénář byl téměř vždycky stejný. Do určitých otáček se nic nedělo, pak turbo najednou zabralo a následovalo skokové zvýšení akcelerace. Přesně v tomto duchu se projevoval třeba jedno vačkový pětiválec původního Audi Quattro (Ur-Quattro).

Dnes je cílem přeplňování v prvé řadě efektivita, pak teprve samotný výkon. Firma SPECIAL TURBO a. s. ve svých materiálech uvádí, že přibližně 13 až 17 procent energie získané z paliva a následně obsažené ve výfukových plynech je díky turbodmychadlu „vráceno“ ve formě stlačeného vzduchu. Účinnost současných turbodmychadel je 45 až 55 procent, což představuje velmi dobrou hodnotu. Jednou z výhod přeplňování je rovněž kompenzace ztráty výkonu (výkonového deficitu) v souvislosti s rostoucí nadmořskou výškou. Úbytek výkonu je přibližně desetiprocentní na každých 1000 metrů nadmořské výšky. To je také důvod, proč jiný výkon naměříte u hladiny moře, řekněme na pláži v italském Bibione, a jiný na horním dojezdu lanovek ve Val di Fiemme ve výšce 2489 metrů nad mořem (tedy pokud byste tam s autem vyjeli). Dnes navíc vstupují do hry požadavky na nízké emise, které lze u přeplňovaného motoru snáze plnit.

Kuličky proti oleji

Každé turbodmychadlo bez ohledu na dobu vzniku se skládá ze dvou hlavních částí. Dmychadlové skříně a turbínové skříně. Která je která, lze poznat na první pohled podle odlišného materiálu. Zatímco turbínová skříň je vyrobena téměř výhradně z litiny, dmychadlová skříň pak z hliníkových slitin. Vzájemně spojeny jsou ložiskovým uzlem, v němž rotuje dvoudílný hřídel spojující turbínové a dmychadlové kolo. Turbínové kolo tvoří s hřídelem v zásadě jeden celek. Vzájemné spojení je provedeno inertním svařováním. Naopak dmychadlové kolo je ke hřídeli přišroubováno. Každé turbodmychadlo se točí v ložiskách. U větších typů se používají zpravidla dvě radiální a jedno axiální, u menších turbodmychadel nové generace postačí jedno radiální a jedno axiální ložisko. Uložení jsou téměř vždy kluzná, mazaná hydrodynamicky. Co to znamená? Mezi vnitřní stěnou obalu ložiska a radiální plochou hřídele je olejový film. Pokud by mezi hřídelí a ložiskem olej nebyl, došlo by k okamžitému zadření ložisek a patrně i dalšího poškození ostatních částí turbodmychadla (rozlámání lopatek aj.).

Existují ale výjimky. Kluzné ložisko může být nahrazeno kuličkovým ložiskem. Najdete jej třeba u turbodmychadla Garrett GTB22, jímž je osazen motor Mercedes-Benz OM642, neboli 300 BlueTec.

Předností turbodmychadla s kuličkovým ložiskem je extrémně rychlá odezva a také vyšší účinnost. Proč?

Při použití kluzného ložiska s hydrodynamickým mazáním musí mít rotor (ať už dmychadla nebo turbíny) vůči skříni poněkud větší vůli. Tu vyžaduje právě kluzné ložisko, v němž v okamžiku poklesu tlaku oleje v mazací soustavě (při vypnutí motoru a tedy zastavení olejového čerpadla) dojde vinou gravitace k radiálnímu posunu hřídele v ložiskové pánvi (hospodsky bychom řekli, že hřídel v ložisku spadne dolů). Při tom nesmí dojít ke kontaktu lopatek dmychadla a turbíny se skříní. Při natočení motoru začne proudit do ložiska olej, který vůli opět vymezí, takže rotační část ložisek hřídele se dostane opět přesně do středu ložiskové pánve. Použití kluzného ložiska zároveň zvyšuje ztráty výkonu třením – jde o hlavní nevýhodu tohoto typu turbodmychadla v porovnání s turbodmychadlem s kuličkovými ložisky.

U kuličkového ložiska k žádnému vymezení vůle po natočení motoru nedochází, neboť i v klidovém stavu je hřídel, respektive rotační část ložiska přesně v ose svého pouzdra, přičemž mezi oběma jsou vloženy kuličky. Díky tomu mohou být také rotory dmychadla a turbíny ve skříni usazeny pouze s nezbytně velkou vůlí. Právě velice těsné sesazení „vrtulí“ ve skříních znamená také vysokou účinnost, neboť masa výfukových plynů neproudí z části okolo turbíny. To stejné samozřejmě platí v opačném smyslu i na dmychadlové, tedy výtlačné straně.

VGT (VNT) nebo WGT

Nezbytnou součástí každého turbodmychadla je regulace jeho plnicího tlaku a tedy i otáček rotoru. Pokud by nebyla, hrozilo by jeho poškození. Dále by v případě neúměrně vysokého přetlaku docházelo u zážehového motoru k detonačnímu spalování, lidově zvaného klepání motoru. A to je pro agregát velmi nebezpečný jev!

Jak se tedy plnicí tlak reguluje či lépe řečeno omezuje? Nejjednodušší je při určitém tlaku vzduchu na výstupní části otevřít kanál, který přemostí turbínu. Výfukové plyny tak proudí nikoliv skrz ni, nýbrž kolem ní. Tento způsob regulace je znám jako obtok neboli anglicky wastegate (odtud se někdy používání označení WGT). Obtokový kanál je za normálních okolností uzavřen klapkou ovládanou pneumaticky. Tomu se říká pasivní regulace. Jak začala pronikat elektronika do řízení motoru, objevilo se turbodmychadlo s aktivní regulací tlaku. Mechanika byla stejná, včetně ovládání klapky, pouze podtlak do ovládacího členu byl řízen elektromagnetickým taktovacím ventilem.

V devadesátých letech došlo k prudkému rozvoji vznětových motorů. A protože hojně využívaly přeplňování, měnily se současně také nároky na něj. Objevila se první turbodmychadla, u nichž je plnicí tlak řízen proměnnou geometrií rozváděcích lopatek. Označují se VGT (Variable Geometry Turbine) nebo VNT (Variable Nozzle Turbine). Pohyblivé lopatky jsou situovány na statoru turbíny na jakémsi věnci, přičemž se změnou jejich polohy, či přesněji řečeno úhlu, dochází ke zrychlení, respektive zpomalení toku proudících výfukových plynů. Mění se tak jejich kinetická energie a následně i otáčky turbíny. Zjednodušeně řečeno, lopatky vlastně mění průřez turbíny.

Změna polohy lopatek se děje opět elektropneumaticky, případně u pozdějších systémů elektromotoricky krokovým motorkem. Druhý jmenovaný princip ovládání je mnohem přesnější, leč také choulostivější. Kvůli značné teplotě panující v okolí turbodmychadla.

Možná se ptáte, proč se turbodmychadla s variabilní geometrií používají téměř výhradně u vznětových motorů. Důvodem je vysoká teplota spalin u zážehových motorů, řádově přes 1000 stupňů Celsia. Naproti tomu u dieselu je teplota spalin běžně do 800 stupňů Celsia. Snad jediným zážehovým motorem, který využívá turbodmychadlo s proměnnou geometrií, je přeplňovaný ležatý šestiválec pro Porsche 911 Turbo S. Dosud není dostupné v aftermarketu, takže pokud jste nuceni jej vyměnit, musíte jej koupit přímo od Porsche.

Čarování s lopatkami

Zvláštní řešení představuje turbodmychadlo VGT od firmy HOLSET. Jak je zřejmé z označení, i tady je plnicí tlak omezován nastavitelnými lopatkami, nicméně trochu jinak – posouvá se totiž celá stěna turbínové skříně. Lopatky jsou v tomto případě pouze vodící. U běžné konstrukce, třeba od Garrettu, jsou lopatky umístěny radiálně. V tomto případě axiálně. Označení VGT je u daného turbodmychadla nejen označením, ale zároveň i patentovanou technologií firmy HOLSET. Toto do jisté míry unikátní turbodmychadlo u osobních aut nenajdete. Pouze u motorů pro těžké užitkové vozy, například Iveco Cursor. Dále jej používají některé agregáty v nákladních vozidlech značek Scania či MAN.

Jinou zajímavostí je turbodmychadlo, které kombinuje obtok s rozváděcí klapkou (lopatkou). Příkladem je Garrett VAT25 použitý na motoru PSA XU10J4TE, který poháněl v první polovině 90. let vrcholný a zároveň dost vzácný Peugeot 405 T16. Zmíněná klapka je zde pouze jedna na rozdíl od klasické regulace VGT (VNT). Smyslem celého systému bylo navodit co možná nejpříznivější stavy toku výfukových plynů před turbínou. V poloze „d“ se turbína chovala tak jako by byla bez klapky, v poloze „c“ docházelo k urychlení toku výfukových plynů z důvodu zmenšení průřezu. Tím bylo docíleno rychlejšího roztočení turbíny a tedy snížení nepříjemného turboefektu (viz obrázek Peugeotu).

Jeden motor, dvě turba

Na přelomu 70 a 80. let se na trhu objevil vůz Maserati Biturbo. Už z názvu je zřejmě, jaký motor tento vůz poháněl. Šlo o historicky první uplatnění dvojitého přeplňování v osobním automobilu. V průběhu 80. a 90. let vznikly dvě odlišné koncepce. Zejména u vidlicových motorů se uplatnilo řešení se dvěma stejně velkými turbodmychadly, kdy každé přeplňovalo jednu řadu válců. Příkladem je třeba vidlicový šestiválcový motor VG30DETT pohánějící vrcholný Nissan 300 ZX Twin Turbo (Z32) z roku 1989. V daném případě odpovídalo jedno turbodmychadlo vlastně tříválcovému agregátu. Tím byla zaručena rychlá reakce a tedy zlepšení pružnosti motoru, stejně jako dosažení slušného maximálního výkonu. Druhou cestou byly dvě za sebou umístěná turbodmychadla odlišných rozměrů. Tedy dvoustupňové přeplňování. Menší turbodmychadlo se uplatnilo v nízkých až středních otáčkách, větší při vysokých. Tento koncept přetrvává do dnešních dnů. Vrcholem techniky přeplňování u osobních automobilů je použití tří turbodmychadel na motoru BMW M50d (N57X).

Příště si povíme více o turbodmychadlech z hlediska jejich dlouhodobého užívání. Co je trápí, jak se to projevu a také jak se k turbu chovat, aby vám v motoru vydrželo správně fungovat co možná nejdéle.