Zapomenutý technický unikát: Dvakrát přeplňovaný čtyřválec Subaru uměl nevídané
Už od poloviny 80. let nabízelo Subaru motory přeplňované turbodmychadlem. Na sklonku roku 1993 představilo jediný dvakrát přeplňovaný benzinový čtyřválec světové automobilové produkce.
Psal se rok 1989, u nás se blížila sametová revoluce a Subaru uvedlo svůj druhý automobilový motor vybavený turbodmychadlem (prvním byla osmnáctistovka v Leone v letech 1983 až 1984). Myšlenka využít k přeplňování spaliny ale vznikla dávno předtím, avšak teprve v 70. letech se začala v automobilové technice více uplatňovat. Boom turbomotorů pak nastal o dekádu později, kdy skoro nebyla automobilka, která by takový motor nenabízela. Běžné bylo mít přeplňovaných agregátů v nabídce i více. Typické třeba pro Volvo, Saab, Renault, Fiat nebo Audi. V té době také japonské značky objevily výhody přeplňování.
Druhý přeplňovaný motor od Subaru byl ležatý dvoulitrový čtyřválec s protilehlými válci řady EJ20. Šlo o zcela novou konstrukci uvedenou v rámci představení modelu Legacy první generace, od základu nového a hlavně mnohem většího auta, než jaká Subaru do té doby nabízelo.
Primárně pro Legacy
Jako první se turbo na EJ20 objevilo na jeho variantě s rozvodem 2xDOHC na domácím trhu v modelech Legacy RS/GT. Při statickém kompresním poměru 8,5:1 poskytoval motor výkon ve verzi RS 162 kW, v komfortnější variantě GT byl snížen na stále působivých 147 kW. Od roku 1992 pohánělo EJ20 Turbo rychlou Imprezu WRX, konkrétně její první generaci, přičemž při stejném kompresním poměru výkon zvýšili dokonce na 176 kW. Maximum točivého momentu činilo 304 Nm. Šlo o špičkové hodnoty zmíněného agregátu. Později byl výkon zvýšen až na 191 kW, ale to byl už skutečný strop.
Mezitím ale Subaru uvedlo druhou generaci modelu Legacy, která byla v porovnání s původní o něco větší a tedy i těžší. Svoji roli zde sehrála i nastupující snaha o zvýšení pasivní i aktivní bezpečnosti aut, což byl v první polovině 90. let trend jasně viditelný u všech výrobců. Do výbavy se tak už tehdy dostaly airbagy, ABS, karoserie byla důsledně vyztužena. Změn výrobce udělal celou řadu.
Se zvýšenou hmotností se musel popasovat i původní přeplňovaný dvoulitr, přičemž v porovnání s předchůdcem dynamiky poněkud ubylo. Ve snaze kompenzovat zvýšenou hmotnost se zrodil nápad vyvinout motor EJ20 se dvěma turbodmychadly.
Případ pro dva
V průběhu roku 1993 tak začalo Subaru nabízet dvě přeplňované verze motoru EJ20. Jednak původní s jedním turbodmychadlem a jednak novou se dvěma. Přeplňování pomocí dvou turbodmychadel nebylo ničím novým. Šlo o takzvané sekvenční nebo také dvoustupňové přeplňování, které plnilo dva protichůdné požadavky: tím prvním byla snaha udělat motor pružný a tedy se silou už v nízkých otáčkách. To obnáší použití malého turbodmychadla, jemuž pro roztočení stačí nízká kinetická energie spalin. Zároveň ale od takto řešeného přeplňování nelze čekat nějak výrazné zvýšení výkonu.
Opakem je velké turbo. Takový motor trpí nedostatkem síly v nízkých a mnohdy i středních otáčkách, takže dynamiku předvede až v těch vysokých. Výhodou je výrazné zvýšení výkonu, nedostatkem malá pružnost a tedy nevhodný jízdní projev pro každodenní ježdění. Sekvenční (dvoustupňové) přeplňování splňuje obojí, ovšem za cenu vysoké ceny a značné technické složitosti.
Jako první použilo tuhle koncepci Porsche na supersportu 959, jehož plochý šestiválec 2,8 litru byl přímo odvozen od motoru úspěšných závodních vozů téhle značky. Sekvenční přeplňování dvěma nestejně velkými turbodmychadly nabídla od roku 1991 také Mazda u rotačního Wankelova motoru 13B-REW v kupé RX-7 FD.
Existuje ještě druhá koncepce přeplňování se dvěma turbodmychadly, která je dokonce starší než popisovaná dvoustupňová, a sice vybavit motor dvěma stejně velkými turby, z nichž každé je napojeno na polovinu počtu válců motoru. Turba tak mohou být menší, což velmi prospívá pružnosti motoru. Tenhle koncept existuje od roku 1981, kdy jej uvedlo Maserati Biturbo. O tom zase příště.
Japonský unikát
Subaru u motoru EJ20 twin-turbo tak trochu sloučilo obě zmíněné koncepce do jednoho celku. Uplatnilo sice princip sekvenčního (dvoustupňového) přeplňování, zároveň ale použilo dvě stejně velká turbodmychadla. Jedná se o první a vlastně jediný dvakrát přeplňovaný zážehový čtyřválec automobilové produkce. U vznětových čtyřválců použilo dvě turbodmychadla více značek (VW, PSA), u benzinových ale pouze Subaru. Pozor, nenechte se oklamat technikou BMW TwinPower Turbo, která využívá pouze jedno turbodmychadlo, akorát dvoukomorové (twin scroll).
Dvoulitr s jedním turbodmychadlem byl kritizován za omezenou dynamiku v nízkých otáčkách. A právě tohle měla odstranit verze se dvěma turbodmychadly. Ve skutečnosti ani nešlo tolik o to nabídnout co možná nejvyšší výkon, ale spíše poskytnout podobný výkon jako u verze s jedním turbem, ale zároveň při hmatatelně zlepšené pružnosti. Proto také původní verze EJ20 TT poskytovala při kompresním poměru 8,5:1 (stejném jako u jednoturbové verze) „jen“ 184 kW. Točivý moment ale vrcholil na 309 Nm sice až při 5000/min, jenže ve středních a také v nízkých otáčkách bylo síly více než u starší a jednodušší verze.
Labutí písní se pro motor EJ20 TT stal rok 1997, kdy to čtyřválec díky pístům s nízkým třením a turbodmychadlům IHI RHF5 „dotáhnul“ až na 206 kW a na maximum točivého momentu 343 Nm už ve 4000 otáčkách za minutu! Motor žil do roku 1998 a tedy do příchodu třetí generace Legacy.
Složité řízení
Zajistit součinnost obou turbodmychadel tak, aby byl rozvoj síly motoru plynulý a jízda tudíž maximálně komfortní bez rušivých vlivů, znamenalo uplatnit poměrně složitou regulaci. Změnila se také plnicí soustava, kdy verze s jedním turbem využívala chladič stlačeného vzduchu voda–vzduch, kdežto se dvěma turbodmychadly dostala rozměrnější chladič, ovšem typu vzduch–vzduch.
Každé turbodmychadlo je uloženo dole vedle motoru. Při pohledu zepředu a tedy od rozvodů je vpravo primární turbodmychadlo, vlevo se nachází sekundární. Plnicí soustava pracuje ve třech základních režimech: nízké otáčky, střední otáčky a vysoké otáčky.
Rozhoduje ovšem také zatížení motoru. Navíc jsou zde ještě dvě pomocné fáze, kdy se přeplňování přepíná z jednoho turbodmychadla na dvě a zase naopak ze dvou na jedno. Plnicí soustavu řídí několik ventilů. Jde především o ventil regulující množství a tedy i rychlost proudění spalin k sekundárnímu turbodmychadlu, škrticí ventil na výtlačné části sekundárního turbodmychadla a dále vyrovnávací ventil tlaku v sání. Navíc je zde obtokový ventil (wastegate) na primárním turbodmychadle.
Jak to pracuje
Nízké otáčky motoru a malé zatížení
V nízkých otáčkách, řekněme do 2000/min a malém zatížení (jízda s lehkou nohou na pedálu plynu) pracuje pouze primární turbodmychadlo. Pohánějí jej spaliny z obou řad válců. Ventil regulace spalin k turbíně sekundárního turbodmychadla je uzavřený. Sekundární turbo se netočí. Rovněž je uzavřen škrticí ventil stejně jako ventil vyrovnávání tlaku na výstupu z obou turbodmychadel.
Střední otáčky motoru
Jak se otáčky motoru zvyšují, roste také kinetická energie spalin. Ventil regulace spalin k turbíně sekundárního turbodmychadla se částečně otevře, takže část plynů může proudit přes turbínu sekundárního turba, které se začne otáčet. Na to reaguje vyrovnávací ventil tlaku v sání, který se otevře. Otevření škrticího ventilu na výtlačné části sekundárního turba se začíná otevírat dle pokynu signálu ze snímače diferenčního tlaku v sání. Ten vlastně určuje, které turbo bude více přeplňovat v aktuálním režimu. Zpětnou vazbou pro něj je zmíněný vyrovnávací ventil tlaku v sání.
Vysoké otáčky motoru
Při vysokých otáčkách motoru, od 4000 až 4500/min a zároveň vysokém zatížení se ventil regulace spalin k turbíně sekundárního turbodmychadla zcela otevře. Stejně tak škrticí ventil na výtlačné části. Tlaky jsou již vyrovnány, takže vyrovnávací ventil tlaku v sání se může zavřít. V tomhle režimu přeplňují obě turbodmychadla.
Zdroj: prospekty na Subaru Legacy GT/RS, servisní technické školení (představení) motoru EJ20 twin-turbo, Wikipedia, foto Subaru
