Opel Twin Turbo: dva stupně ke zlaté

Jak ukázal náš přehled, přeplňování je častou cestou k zisku vysokého měrného výkonu. Zatím se v čele pomyslného žebříčku drží zážehové motory, ale s příchodem dvoustupňového přeplňování se otevírají dieselům nové možnosti.

Opel již před koncem minulého roku představil studii Vectra OPC Twin Turbo, která se však příští rok dostane do výroby. V Rüsselsheimu si s uvedením pospíšili, protože se očekávalo představení přeplňovaného dieselu BMW, využívající stejného principu sériově řazených turbodmychadel. BMW avizovalo uvedení dvoustupňově přeplňovaného třílitrového dieselu sice až na ženevském autosalonu, ale prodej BMW 535d s tímto motorem je ohlášen již na konec letošního roku (více ve starší zprávě).

Podrobnosti o motoru BMW zatím nejsou zveřejněny (názorný řez byl k vidění v Ženevě) a tak se zatím pojďme podívat na techniku Opelu. Již v první zprávě o novém motoru jsme uvedli, že to není zdaleka první uplatnění vícestupňového přeplňování ve spalovacím motoru, používá se například u velkých lodních motorů. (Slovo „velký“ má v tomto případě poněkud jinou dimenzi- některé lodní motory mají stavební výšku třípatrového domu). Protože první automobil se dvěma turby za sebou bylo velmi extrémní supersportovní Porsche 959, lze představenou dvojici automobilů považovat za průkopníky v sériovém uplatnění dvoustupňového přeplňování.

Zatímco BMW zušlechtilo řadový šestiválec 2993 cm³, u Opelu sáhli po moderním čtyřválci se zdvihovým objemem 1910 cm³ (vrtání x zdvih: 82 x 90,4 mm), který je výsledkem spolupráce koncernů Fiat a GM. Standardní motor 1.9 CDTI ECOTEC se bude vyrábět v motorárně automobilky Opel v německém Kaiserslauternu. K dispozici budou dvě výkonové verze: 88 kW a 110 kW. Oba motory dávají maximální točivý moment v rozmezí otáček 2000 ot/min až 2750 ot/min. Ten slabší disponuje točivým momentem až 280 Nm, silnější verze pak točivým momentem až 315 Nm. Více se dozvíte v našem starším článku.

Blok motoru v modré studii Vectra OPC zůstal zachován bez výraznějších změn, ale vyšší tlaky si vyžádaly zesílení pístů, ojnic a ložisek. Relativně malé změny do dotkly také kompresního poměru (17,2:1) a nastavení časování šestnácti ventilů je dokonce shodné se slabšími verzemi tohoto čtyřválce. To podstatné je vlastně vně motoru: nové sání a výfukové potrubí, které integrují složité provázání dvou turbodmychadel, dvou mezichladičů a dvojice klapek ve výfukovém a sacím potrubí. Na rozdíl od většiny vysokovýkonných dieselů dneška, není ani jedno z turbodmychadel vybaveno drahou proměnnou geometrií rozváděcích lopatek turbíny.

Jak to celé funguje?

Princip činnosti je nelépe patrný z trojice schémat, která najdete níže ve fotogalerii.

Schéma č. 1 – režim do 1800 ot/min

První schéma zobrazuje celý systém v pásmu nízkých otáček (do 1800 ot./min). V tomto režimu je klapka ve výfukovém potrubí (zvýrazněno červenou barvou) zcela uzavřena a výfukové plyny urychlují malé turbodmychadlo, které se díky menším rozměrům (tj. díky menšímu momentu setrvačnosti) snáze roztočí do pracovních otáček, motor má tedy rychlou odezvu na sešlápnutí pedálu akcelerátoru. Velké (nízkotlaké) turbodmychadlo se pouze „protáčí“ a nepřispívá k zvyšování tlaku v sání. Ventil v sacím potrubí (označeno modře) tedy zůstává uzavřen a všechen vzduch proudí přes malé dmychadlo. To dosahuje až 180.000 ot./min.

Schéma č. 2 – režim od 1800 ot/min do 3000 ot./min

V přechodovém pásmu od 1800 ot/min do 3000 ot./min dochází k postupnému otevírání klapky ve výfukovém potrubí, takže horké plyny teď již urychlují nejen malé (vysokotlaké), ale i velké (nízkotlaké) dmychadlo. V sacím traktu se naplno uplatňuje efekt dvou turbodmychadel. Nejprve je přivedený vzduch stlačen velkým dmychadlem (nižší tlaky) a po průchodu prvním mezichladičem (označen písmeny LLK) vstupuje „předstlačený“ vzduch do druhého-vysokotlakého-turba. Ještě než se vzduch dostane do spalovacího prostoru, projde dalším výměníkem, který dále zlepšuje plnící účinnost motoru. Protože velké turbo dodávává stále nižší tlak, než malé turbodmychadlo, zůstává zpětný ventil uzavřen.

Schéma č. 3 – režim nad 3000 ot./min

V této oblasti dojde k úplnému otevření klapky ve výfukovém potrubí, takže plyny odcházejí z motoru snazší cestou skrz velké turbodmychadlo, které má nižší zpětný tlak. Vysoké otáčky velkého turbodmychadla a menší otáčky sekundárního dmychadla změní tlakové poměry v sacím potrubí a zpětný ventil se otevře. Kompresor malého dmychadla je vyřazen z činnosti. Sice se úplně nezastaví, ale jeho otáčky jsou nízké, takže významně nepřispívá k přetlaku v sání.

Z technického hlediska je nejobtížnějším úkolem vhodné naladění celého systému. Za nastavením regulace realizovaném klapkou ve výfukovém potrubí a ventilem v sacím potrubí stojí velké know-how motorářů Opelu. Další výzvou konstruktérů bylo provedení elektromotorem ovládané klapky, která pracuje v extrémně nepříznivém prostředí. Klapka je neustále obtékána horkými výfukovými plyny pod vysokým tlakem.

Klíčem k výkonu je střední efektivní tlak

Zatímco jednostupňové přeplňování je dnes schopno dodávat přetlak v sání nejvýše 2,5 baru, dvoustupňový systém Opelu dodává 3,2 baru.

To vede k vyššímu střednímu efektivnímu tlaku, který ovlivňuje výsledný výkon motoru. U dnešních atmosféricky plněných zážehových motorů je dosahován střední efektivní tlak 8 až 12 barů, přeplňované zážehové motory se pohybují v rozmezí 11 až 16 barů, a nejlepší přeplňované vznětové motory mívají tuto veličinu někde mezi 17 až 19 bary. Dvoustupňově přeplňovaný motor Vectry dosahuje středního efektivního tlaku 26 barů, což se projevuje na vysokém měrném výkonu 81,7 kW/l (srovnání se současnou motorářskou špičkou v této disciplíně najdete zde). Opel momentálně vede peloton vysokovýkonných agregátů nejvyšším měrným výkonem mezi vznětovými motory a neohrozí jej ani připravované BMW.

Motor 1.9 CDTI Twin Turbo dosahuje výkonu 156 kW při 3800 ot/min a největšího točivého momentu 400 Nm v širokém pásmu od 1400 do 3600 ot/min. Původní hodnoty kolem 460 Nm musely být umravněny, kvůli omezeným možnostem šestistupňové manuální převodovky. Turboefekt by měl být tomuto agregátu naprosto cizí. Vectra Twin Turbo zrychluje z 0 na 100 km/h za 6,5 s, maximální rychlost je elektronicky omezena na 250 km/h. Kombinovaná spotřeba činí rovných 6 litrů na 100 km, což je stejná hodnota jako u běžných jedna-devítek CDTI. Tak jako ony, bude mít i silná Vectra možnost doobjednání bezúdržbového filtru pevných částic. Slabší 132 kilowattovou verzí dvoustupňově přeplňovaného dieselu má být v budoucnu údajně vybavena také nová Astra.

Všechny uvedené informace vypadají velmi optimisticky. Velkou neznámou zůstává cena a životnost.