Přeplňování (2. díl): turbodmychadla

V minulém díle jsme psali o základních problémech přeplňování motorů a jejich možných řešeních. Uvedli jsme také několik příkladů mechanicky přeplňovaných motorů. Dnešní dieselový věk se zasloužil o rozšíření přeplňování automobilových motorů turbodmychadlem a proto jim věnujeme celý dnešní díl.

Historie

Už na počátku století automobilu nedalo švýcarskému konstruktérovi Alfredovi Bűchovi spát, že přes 35% energie spalovacího motoru odchází nevyužito výfukem. V letech 1909 – 1925 navrhl první výfukové turbodmychadlo. Přeplňování turbodmychadlem se krátce před II. světovou válkou dostalo do letadel (bombardéry B17) a lodních motorů. Prvními přeplňovanými osobními automobily se staly Chevrolet Corvair Monza a Oldsmobile Jetfire v roce 1963. Jejich nespolehlivost je přes revoluční konstrukci přivedla k rychlému stažení z trhu.

V 70. letech se „turbo“ dostalo do světa motoristického sportu a popularitu mu zajistily závody formule 1. Nápis „turbo“ se stal synonymem nezkrotné síly a tehdejší „tuneři“ jím zkrášlovali své výtvory na čtyřech kolech i když ty často neměly nic takového pod kapotou. Velké automobilky, které chtěly získat na prestiži, nabízely koncem 70. let alespoň jeden vrcholný model s přeplňováním. K průkopníkům turbodmychadel patřilo Porsche, které mělo svůj model 911 Turbo na trhu už v roce 1975 a od té doby je Turbo vrcholným reprezentantem řady 911. Do běžných vozů přivedl tento způsob přeplňování Saab, když v roce 1976 představil svůj první přeplňovaný čtyřválec.Také Saab dodnes přeplňování ctí a snaží se svými propracovanými přeplňovanými čtyřválci konkurovat ostatním výrobcům, kteří v dané velikostní a výkonové třídě zpravidla nabízejí atmosférické motory většího objemu a často i se šesti válci (více na konci článku v popisu vybraných motorů).

Přeplňované motory z přelomu 70. a 80. let byly zpravidla konstruovány s cílem zvýšení výkonu, ale současně měly vyšší spotřebu. Pokračující ropná krize tehdejším turbům nepřála a majetnější řidiči sportovních vozů s turbem si jen těžko zvykali na (tehdy ještě velkou) turbo-prodlevu.

Novým impulsem se měl stát přeplňovaný vznětový motor, který přivedl na trh jako první Mercedes. Šlo o model 300 SD z roku 1978, který byl v roce 1981 následován prvním přeplňovaným dieselovým Volkswagenem Golf. Dalšími skoky kupředu byly na začátku 90. let motory TDI s zavedení proměnné geometrie lopatek dmychadla, stejně jako integrace elektroniky do řízení vznětových motorů.

Dnešní přeplňované motory využívají potenciál turbodmychadla pro snižování spotřeby paliva (tzv. "downsizing“- zmenšování objemu motoru, při zachování výkonu díky turbodmychadlu a současné snížení spotřeby) a s tím související omezení emisí (CO2).

Konstrukce

Turbodmychadlo se skládá z kompresoru a výfukové turbíny, které jsou uloženy na společném hřídeli. K turbíně jsou ve směru její osy přiváděny výfukové plyny, které oběžné kolo turbiny urychlují a předávají jí tak část své energie. Kompresor na druhém konci hřídele stlačuje vzduch, který tak proudí do spalovacího prostoru vyšším tlakem než je okolní atmosférický tlak. Hřídel turbodmychadla je uložen v ložiskách mazaných olejovým systémem motoru. Vysoké oběžné rychlosti turbíny a dmychadla (až 300.000 ot./min) a teplotní rozdíl až 1000°C mezi kompresorem a turbínou vyžadují vysoce přesnou výrobu a odolné materiály. Turbínové kolo je zpravidla vyrobeno z žárupevné niklové slitiny, oběžné kolo dmychadla je z hliníkové slitiny. Skříň turbíny a skříň ložisek je z temperované šedé litiny, skříň dmychadla s hliníkové slitiny. Některá turbodmychadla dnes bývají chlazena vodou (viz obrázek a modře vyznačený kanál ve střední části řezu turbodmychadla, nebo řez vodou chlazenou skříní turbíny).

Řízení a regulace plnícího tlaku

Moderní přeplňované motory mají maximum momentu položeno do nízkých otáček motoru (kolem 2000 ot/min). Aby toho bylo dosaženo, je těleso turbodmychadla dimenzováno na malé hmotnostní toky výfukových plynů, odpovídající nízkým otáčkám. S vyššími otáčkami a zatíženími by docházelo k nežádoucímu zvýšení plnícího tlaku a proto je třeba plnící tlak omezit. Méně efektivní řešení, kdy je odpouštěn již stlačený vzduch ze sání, je dnes nahrazováno odváděním přebytečného toku výfukových plynů při vyšších otáčkách motoru paralelním obtokovým kanálem. Průtočný průřez řídí obtokový ventil („waste-gate“), který je většinou zabudován do tělesa turbodmychadla. Jeho otevření se řídí tlakem v sacím potrubí. To je vidět na tomto obrázku, obtokový ventil je zcela vpravo v červené-turbínové-části, názorně je vidět také spojení s dmychadlovou částí. Také do této oblasti řízení motoru dnes zasahuje elektronika. Obtokový ventil je otevírán elektromagnetickým ventilem, který dostává informace z elektronické řídící jednotky motoru. Ta vyhodnocuje signály snímačů natočení škrtící klapky, klepání motoru, předstihu zážehu, množství a teploty nasávaného vzduchu (a mnohých dalších) a srovnává aktuální stav s polem charakteristik uloženým v řídící jednotce motoru. Případné odchylky odstraňuje vhodným regulačním zásahem změnou polohy obtokového ventilu. V kombinaci s regulací klepání motoru jsou získávány nejen požadované dynamické vlastnosti motoru, ale na vhodné (nízké) hodnotě je udržována teplota výfukových plynů. Použitím snímače absolutního tlaku může být regulována hodnota plnícího tlaku nezávisle na tlaku okolního vzduchu, čímž se koriguje nižší atmosférický tlak ve vyšších nadmořských výškách.

Ještě než opustíme regulaci plnícího tlaku obtokovým kanálem je tu důležitá poznámka. Není to tak jednoduché jak jsme popsali. Uvedený způsob regulace předpokládá, že turbodmychadlo je udržováno ve vyšších vlastních otáčkách v celém otáčkovém spektru motoru. Dávkování výkonu se řídí otevíráním škrtící klapky motoru (obtokový ventil se přizpůsobuje, nejdříve je zavřený a postupně s rostoucími otáčkami se otevírá). Výhodou tohoto řešení je velmi rychlá odezva na sešlápnutí pedálu akcelerátoru. Nevýhodou je větší protitlak ve výfukovém potrubí, protože roztočené turbo vlastně brání vyprazdňování válce motoru, tedy větší mechanické ztráty a větší spotřeba.

Druhým extrémem z hlediska dynamické odezvy motoru je situace, kdy je zpočátku obtokový ventil plně otevřen (a postupně se uzavírá), turbodmychadlo se sice otáčí, ale jen relativně nízkými otáčkami (bez výrazného nárůstu plnícího tlaku) a teprve po sešlápnutí pedálu akcelerátoru se turbo začíná urychlovat a dodávat požadovaný plnící tlak. Výhodou tohoto řešení je nižší protitlak ve výfukovém potrubí, nižší mechanické ztráty, nižší spotřeba. Nevýhodou pak delší čas potřebný pro roztočení turbodmychadla, tedy známý turbo-efekt.

Správné naladění turbodmychadla je stále jeden z největších oříšků konstrukce motoru a také zde v posledních letech výrazně pomáhají počítačové simulace, které umožňují s velkou přesností předpovědět, jak se bude reálný motor chovat v provozu, aniž by se cokoli vyrobilo. Zajímá-li vás teorie, která vede k návrhu turbodmychadla, vydejte se do některé prodejny vysokoškolských skript nebo odborné literatury. Na internetu najdete stručně popsanou teorii přeplňování v tomto PDF (3,9 MB).

U dnešních malých turbodmychadel je plný náběh účinku turbodmychadla k dispozici při akceleraci z nízkých do vyšších otáček v časech od 2 sekund výše.

Variabilní geometrie lopatek VGT

Vznětové motory v posledních deseti letech využívají velmi často přeplňování turbodmychadlem s proměnnou geometrií rozváděcích lopatek turbíny. Také toto zařízení slouží k omezování plnícího tlaku na sací straně. Řešení je zatím využíváno pouze pro vznětové motory, protože výfukové plyny zážehových motorů mají příliš vysoké teploty. Turbodmychadla VGT (Variable Geometry Turbocharger) využívají zákona kontinuity toku tekutin, který říká, že konstantní objem plynu proudí potrubím tím rychleji, čím menší má potrubí průřez. Tedy ve srovnání s regulací plnícího tlaku, u dmychadla VGT prochází turbinou stále celý objem výfukových plynů.

Při nízkých otáčkách motoru je požadován vysoký plnící tlak, takže je nastavitelnými lopatkami zmenšen průřez, kterým proudí výfukové plyny, tlak před lopatkami se zvýší, rychlost plynů se ve zúženém místě také zvýší a to způsobí roztočení turbodmychadla a tedy zvýšení plnícího tlaku na sací straně. Ve vysokých otáčkách motoru, kdy je třeba plnící tlak omezit, je průtočný průřez v místě rozváděcích lopatek maximálně zvětšen, tlak se tedy zmenší a turbodmychadlo se tak točí nižšími otáčkami. Ovládání natáčení lopatek bývá řešeno různými pneumatickými nebo elektrickými akčními členy.

A co ta spotřeba?

Jak již bylo uvedeno měrná spotřeba přeplňovaných motorů je dnes obecně nižší než u srovnatelných atmosféricky plněných motorů. Jak se ale nižší měrná spotřeba projevuje v praxi na absolutní spotřebě? Opět se dostáváme k požadavku vysokého točivého momentu v co nejnižších otáčkách. Přeplňovaný motor dodává vyšší točivé momenty ve srovnatelných otáčkách a tomu bývá přizpůsobena také převodovka. V praxi pak pro dosažení stejné rychlosti většinou přeplňovaný motor pracuje v nižších otáčkách, kde jsou nízké mechanické ztráty (ty se rostoucími otáčkami zvyšují) a tedy dosahuje i nižší spotřeby ve srovnání s atmosféricky plněným motorem (ten se pohybuje při stejných rychlostech ve vyšších otáčkách, musí tedy krýt vyšší ztráty a má pak i vyšší spotřebu). Známý pětiventilový čtyřválec 1.8 20V má například ve 2000 ot./min točivý moment necelých 150 Nm, přeplňovaná verze 1.8 20V turbo dosahuje již od 1750 ot/min konstantního točivého momentu 210 Nm. Během standardního evropského testu spotřeby se testovaný motor po většinu času pohybuje v nízkých otáčkách (a zatíženích) pro dodržení předepsaných rychlostí a to se pak projeví o několik desetin litru nižší spotřebou u turba.

Jak dál?

V současné době nabízí jeden z předních výrobců turbodmychadel, firma BorgWarner Turbo Systems (dříve KKK), turbodmychadla VGT, která odolávají teplotám do 850°C, v blízké budoucnosti bude možno jít až k teplotám kolem 900°C, což otevře cestu k zážehovým přeplňovaným motorům s variabilním nastavením lopatek turbodmychadla.

U zážehových motorů vybavených turbodmychadlem bude v následujících letech trend ve zvyšování teploty výfukových plynů. V současnosti je při maximálním výkonu motoru nastavena bohatá směs (lambda 0,75-0,85), protože část paliva musí chladit spalovací prostor. Snížením součinitele lambda na hodnotu 0,9-1,0 by bylo možno získat u zážehového motoru úsporu paliva až 20%. Tato změna s sebou přináší mj. zvýšení teploty výfukových plynů až k 1050°C (tedy hodnoty reálné jen pro novou generaci turbodmychadel a to přirozeně bez VGT).

Dalším trendem u vysokovýkonných vznětových motorů je vícestupňové přeplňování, které bylo v poslední době uvedeno Opelem (viz Vectra OPC níže) , nebo u nového šestiválcového třílitru v BMW 535d.

Na odstranění turbo-prodlevy by se v nejbližších letech mohla podílet také dmychadla, roztáčená elektricky. První prototypy již fungují (v nízkých otáčkách motoru je turbo poháněno pomocným elektromotorem) a možná to nebude trvat dlouho a dočkáme se i této techniky v osobním autě. Koneckonců, ani dvoustupňové přeplňování nebylo donedávna v sériovém autě představitelné...

Některé zajímavé turbodmychadlem přeplňované motory minulosti a současnosti

Přeplňované motory Volvo a Saab

Přeplňované motory jsou oblíbené u severských automobilek Volvo a Saab. Volvo nyní disponuje jednak turbodmychadlem přeplňovanými vznětovými a zážehovými pětiválci, ale mnohem zajímavější je přeplňovaný řadový šestiválec , který tvoří vrchol nabídky limuzín S80 a SUV XC90. Tento motor se totiž švédským inženýrům podařilo zabudovat ne podélně, ale napříč, jakoby to byl běžný čtyřválec.

Druhý švédský výrobce sází na turbodmychadla od roku 1976, kdy byl představen první přeplňovaný motor SaabOd té doby pracují v SAABu soustavně na vylepšených přeplňovaných čtyřválcích. Od počátku 90. let je standardem této firmy šestnáctiventilový přeplňovaný motor o objemu 2.0 litru. Na obrázku je verze z roku 1991. Konstrukce současných motorů Saabů 9-5 2.3 Ecopower je zřejmá z tohoto obrázku. Saab nabízel donedávna také přeplňovaný zážehový šestiválec. Na tomto motoru je zajímavé tzv. asymetrické přeplňování. Z firemního schématu je vidět jeho funkce. U dvouřadového motoru do V se běžně používají dvě turbodmychadla (každá řada jedno dmychadlo), Saab šel jinou cestou. Jediné turbo je poháněno výfukovými plyny z bližší řady válců, ale plnící tlak je přirozeně dodáván do obou řad válců. Řez tímto motorem najdete zde.

Smart CDI

Přeplňování turbodmychadlem už dávno není výsadou sportovních vysokovýkonných motorů. Postupně se dostalo do dieselů a s masovější produkcí se z neobvyklého řešení stal standard. Nejmenším současným turbodieselem již není produkt francouzského PSA či německého Volkswagenu. Od roku 1999 vyjíždí z berlínské motorárny koncernu DaimlerChrysler tříválce 0,8 l CDI, dodávané do Smartů City-Coupé, nyní nově pojmenovaných ForTwo. Tento diesel se vstřikováním common-rail je přeplňován turbodmychadlem KKK KP31 s obtokovým ventilem a integrovaným výfukovým potrubím. Nejvyšší výkon tohoto minimotoru je 30 kW při 4200 ot/min a zajímavá je i hodnota maxima točivého momentu 100 Nm při 1800 ot./min. Turbodmychadlo je schopno dosáhnout až 290.000 ot./min. Kombinovaná spotřeba Smartu CDI jen lehce přesahuje magickou třílitrovou hranici-její hodnota je 3,4 l/100 km. Zajímavé je také to, že všechny tři další (zážehové) motory dodávané do nejmenších Smartů jsou turbodmychadlem přeplňované tříválce.

Volkswagen Polo 3L

První „třílitrové“ auto začal vyrábět před několika lety Volkswagen. Jeho tříválec 1191 cm³ je vybaven přímým vstřikováním paliva systému čerpadlo/tryska a na zvýšení účinnosti se podílí turbodmychadlo Garrett, dodávající maximální plnící tlak 1 bar. Nejvyšší výkon 45 kW při 4000 ot/min, maximální točivý moment 140 Nm při 1800 ot./min.

Renault 1.5 dCi

Renault si v malých dieselech rozhodně nenechal ujet vlak. Jeho řada maloobjemových motorů K9K se vstřikováním common-rail má nyní již tři výkonové varianty. Základem je přeplňovaný motor bez mezichladiče o výkonu 48 kW při 4000 ot/min a s největším točivým momentem 160 Nm při 2000 ot./min. maximální plnící tlak 1,05 bar. Silnější verze mají mezichladič. Turbodmychadlo KKK K35(na obrázku je dobře vidět i obtokový ventil) dává u silnější 60 kW verze maximální plnící tlak 1,2 bar. Kompaktní sestava turbodmychadla má hmotnost pouze 2,6 kg. Nově je v nabídce také verze o výkonu 74 kW (zde je jeho vnější charakteristika), která nabízí maximum točivého momentu 200 Nm při 1900 ot./min. To je hodnota, kterou měly nejlepší motory TDI ze zdvihového objemu 1,9 l před 10 lety. V nejsilnější verzi 1.5 dCi najdeme turbodmychadlo s proměnnou geometrií rozvaděcích lopatek, nejvyšší plnící tlak 1,25 bar, o 17% účinnější mezichladič (proti 60 kW verzi), ale také vyšší vstřikovací tlaky (1600 bar místo 1400 bar u 1,5 dCi (60 kW)).

Opel Vectra OPC Twinturbo

Opel se odvážně pustil do dvoustupňového přeplňování. Zatím jediný automobil s dvoustupňovým přeplňováním bylo supersportovní Porsche 959 na konci 80. let a dodejme, že šlo o velmi drahé Porsche (cena cca 460.000 DM). I když u Opelu jde zatím jen o studii, sériová výroba by měla začít již v příštím roce. A o co vlastně jde? Opel zařadil dvě turbodmychadla sériově za sebe. Plnící tlak je v nízkých otáčkách dodáván pouze prvním-menším-turbodmychadlem, které je naladěno na maximum momentu v extrémně nízkých otáčkách. Ve středních otáčkách (1800-3000 ot./min) se přidává účinek druhého, velkého dmychadla a nad 3000 ot./min pracuje již jen velké turbo. Výsledek: ze zdvihového objemu 1910 cm³ výkon 156 kW při 4000 ot./min a maximální točivý moment 400 Nm při těžko představitelných 1400 ot./min, maximální plnící tlak 3,2 bar. BMW nedávno oznámilo, že motor v BMW 535d s přeplňováním založeným na podobném principu, bude do konce roku v prodeji. Jeho podrobný popis najdete v samostatném článku.

Audi 2,7 V6 Biturbo

Zajímavým představitelem současných zážehových přeplňovaných šestiválců je motor dodávaný do Audi A6. Tento třicetiventilový šestiválec do V (úhel rozevření válců 90°) dává z objemu 2671 cm³ maximální výkon 184 kW při 5800 ot./min. Maximum točivého momentu 350 Nm je k dispozici při 1800 ot./min. O výborné hodnoty se zasloužila dvě turbodmychadla, každé pro jednu řadu válců, doplněná dvěma mezichladiči stlačeného vzduchu. Automobil s trvalým pohonem všech kol zrychluje z klidu na 100 km/h za 6,8 s, nejvíce jede 248 km/h a s ohledem na hmotné hnací ústrojí lze také kombinovanou spotřebu 11,5 l/100 km hodnotit jako dobrou.

Porsche 911 Turbo

Na automobil který udělal turbu jméno jsme přirozeně nemohli zapomenout. Aktuální provedení Porsche 911 Turbo se prodává od roku 2000 jak jinak než s přeplňovaným šestiválcem boxer, ale už několik let vodou chlazeným. Přeplňování zajišťují 2 upravená turbodmychadla KKK K16dodávající maximální plnící tlak 1,85 bar. Každé z nich obsluhuje jednu řadu válců. Sání má k dispozici 2 samostatné mezichladiče. Maximální výkon 309 kW při 6000 ot./min je trvale přenášen na všechna kola. Nejvyšší točivý moment je 560 Nm při 2700-5600 ot./min. Co víc si přát pro klidnou jízdu bez nutnosti častého řazení :-).

Porsche Turbo v číslech

Rok výroby objem výkon typ turba 

1974-1977 3.0 l 191 kW 1 x 3LDZ

1978-1989 3.3 l 221 kW 1 x 3LDZ

1991-1992 3.3 l 235 kW 1 x K27.2

1993-1994 3.6 l 265 kW 1 x K27

1995-1998 3.6 l 300 kW 2 x K16

2000- dosud 3.6 l 309 kW 2 x K16 

(výrobce dmychadel: KKK dnes BorgWarner TurboSystems)

První díl tohoto seriálu najdete v článku:Přeplňování (1. díl): teorie+mechanické přeplňování

V tomto článku byly využity materiály firem Audi, BorgWarner Turbo Systems, Garrett, BMW, Opel, Porsche, Renault, Saab, Smart Škoda a Volkswagen. Dále byla použita kniha Františka Vlka, Vozidlové spalovací motory a různá vysokoškolská skripta.