Vše o turbodmychadlech: K čemu slouží? Jaké druhy existují? A jaké je trápí problémy?
Turbodmychadla je dnes už naprosto běžnou součástí moderních motorů. Víte, jaká je jejich funkce? Jaké existují jejich druhy? A jaké je trápí problémy?
Turbodmychadla byla v minulosti technikou spjatou hlavně se silnými, sportovními modely, dnes už jsou však naprosto běžnou součástí motorů také u běžných aut, a to jak vznětových, tak těch zážehových. Kdy došlo k jejich rozšíření? Proč se turba natolik rozšířila? Jaké existují jejich druhy? A jaké je mohou trápit problémy?
- Historie turbodmychadel
- Popis a funkce turbodmychadla
- Z čeho se turbodmychadlo skládá?
- Jak se chovat, aby turbodmychadlo vydrželo?
První auta s turbodmychadlem
Přeplňování turbodmychadlem se v automobilech tolik rozšířilo až v novém tisíciletí, tak nová myšlenka to ale rozhodně není. Princip zařízení, které stlačuje do motoru vzduch a zároveň je poháněno výfukovými plyny je znám už od roku 1905, kdy si jej nechal patentovat Švýcar Dr. Alfred Büchi. Tehdejší technologie ale takové zařízení nedokázala vyrobit, a tak dlouho zůstávalo jen teoretickým řešením, místo turbodmychadla se raději užíval mechanický kompresor.
Zlom přišel až v třicátých letech, kdy se turba začala objevovat v letectví. Technika totiž výhodně kompenzovala ztrátu výkonu (výkonového deficitu) v souvislosti s rostoucí nadmořskou výškou. Z letadel se až po válce dostala do stavebních strojů (třeba buldozerů), v osobních automobilech turbodmychadlo debutovala až v šedesátých letech. Vůbec první jej použil Oldsmobile Cutlass, až po něm následovaly všechny ty Porsche 911, Saaby 99 Turbo nebo BMW 2002 Turbo, které novou techniku zpropagovaly výrazně více. Cutlass totiž v turboverzi JetFire byl příliš drahý a nespolehlivý.
V posledních letech se rozšiřují také tzv. elektrická turbodmychadla, tedy nikoliv poháněná výfukovými plyny, ale elektřinou. Označení je ale trochu zavádějící, nabízí se spíše elektrický kompresor.
Funkce turbodmychadla
Za prvotním rozšířením turbodmychadel v automobilech stála snaha o co nejvyšší výkon a točivý moment. Proto byly původně nastaveny takzvaně na plnou hltnost motoru, což v praxi znamenalo, že ve vysokých otáčkách sice měly agregáty neskutečnou sílu díky skokovému zátahu turba, ve středních otáčkách se ale nic moc nedělo.
Byla tedy u nich velká tzv. turbodíra (či turboefekt), neboli prodleva mezi okamžikem, kdy sešlápne plynový pedál, a okamžikem, kdy pocítí zátah motoru způsobený turbodmychadlem. Způsobuje ji doba, kterou potřebují plyny ve výfukovém systému k dosažení vyššího průtoku pro dodání energie turbíně a rotační setrvačnost turbíny.
To dnes jsou turbodmychadla užívána hlavně pro úspornost, která právě vedla k jejich masovému rozšíření. Umožnila zmenšit objem motorů, aniž by došlo k výraznému snížení jejich výkonu. Zkrátka umožnily trend downsizingu.
Z čeho se skládá?
Každé turbodmychadlo bez ohledu na dobu vzniku seskládá ze dvou hlavních částí, dmychadlové skříně a turbínové skříně. 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.
Každé turbodmychadlo se točí v ložiskách. Uložení jsou téměř vždy kluzná, mazaná hydrodynamicky, to znamená, že mezi vnitřní stěnou obalu ložiska a radiální plochou hřídele je olejový film. Existují ale výjimky, kdy je kluzné ložisko nahrazeno kuličkovým ložiskem.
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, což je pro agregát velice nebezpečný jev.
Plnicí tlak se omezuje různými způsoby. Tím nejjednodušším je takzvaná pasivní regulace, neboli wastegate (obtok). V tomto případě je při určitém tlaku vzduchu na výstupní části otevřít kanál, který přemostí turbínu. Díky tomu výfukové plyny neproudí skrz ni, nýbrž kolem ní. Pak je tu i aktivní regulace tlaku, která se rozšířila spolu s expanzí elektroniky v motorech. Mechanika je stejná, včetně ovládání klapky, pouze podtlak do ovládacího členu je řízen elektromagnetickým taktovacím ventilem.
Hlavně ve vznětových motorech se pak rozšířila turba, jejichž plnicí tlak je řízen proměnnou geometrií rozváděcích lopatek (VGT – Variable Geometry Turbine nebo VNT – Variable Nozzle Turbine). Změna polohy lopatek se děje opět elektropneumaticky, případně u pozdějších systémů elektromotoricky krokovým motorkem. To je sice přesnější, ale také choulostivější řešení, hlavně kvůli vysokým teplotám v okolí turba. Z toho důvodu se tento druh zatím rozšířil hlavně u vznětových agregátů, u nichž je teplota spalin nižší. Volkswagen jej ale už využívá u vybraných verzí zážehového čtyřválce 1.5 TSI.
Stále častější je dnes také kombinace několika turbodmychadel v jednom motoru, konkrétně třeba řadový vznětový šestiválec od BMW má hned čtyři turba. Nejčastějším řešením je dnes dvojice turbodmychadel (twin-turbo či biturbo), která ideálně kombinuje pružností motoru a výkonem ve špičce. V tomto ohledu se používají dvě koncepce, buď s dvojicí nestejně velkých turbodmychadel nebo dvěma stejně velkými. První řešení pomáhá hlavně pružnosti, druhé síle v nejpoužívanějších otáčkách.
Dvojice turbodmychadel je ale poměrně nákladné řešení, a tak je možnost použití tzv. twin-scroll turba. To má zdvojený kanál turbíny, který elminuje jistou prodlevu v „dodávkách“ spalin.
Jak se chovat, aby turbo vydrželo?
Jak už bylo naznačeno, turbodmychadlo je poměrně choulostivá část motoru, hlavně kvůli práci ve vysokých teplotách, a tak se řidičům doporučuje několik rad, aby jim v jejich automobilu vydrželo.
Zásadním doporučením je nevypínat turbodmychadlem přeplňovaný motor hned po jízdě za vyšší zátěže. Při vypnutí motoru se zastaví olejové čerpadlo, tudíž olej přestane proudit. Ten nejen že maže, nýbrž i účinně odvádí teplo, tedy chladí. Vinou toto dochází k nárůstu teploty v ložiskovém uzlu, což má za následek, že olej, který zde zůstal, začíná vlivem vysoké teploty karbonovat. A zakarbonovaný olej působí na kluzná ložiska turbodmychadla jako brusná pasta. Škodlivé je ale také brzké vytáčení motoru, pokud není dostatečně zahřátý.
S životností turbodmychadla přímo souvisí stav oleje a potažmo mazací soustavy. Stačí, aby měl motor snížený tlak mazání a jako první to odnese kromě hlavy motoru právě turbodmychadlo. Turbodmychadlu, respektive jeho ložiskům také velice škodí laxní přístup k výměnám oleje. A také sacího filtru. Proto doporučujeme důsledně dodržovat interval výměny oleje a dávat si pozor, zda oleje není málo.
Závadu turbodmychadla přitom lze do určité míry poznat podle zvuku. Pískání turba v kombinaci s pocitovým sníženým výkonu může značit uhnutou lopatku dmychadla, případně jiné poškození dmychadlového kola.
Za špatnou funkci turbodmychadla ovšem mnohdy nemůže turbodmychadlo jako takové, nýbrž jeho pomocná zařízení. Tím nejvýznamnějším je regulace, respektive systém omezující plnicí tlak. U turbodmychadel VNT (VGT) je dobře známé zatuhávání mechanismu pohyblivých lopatek.
