Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie?

ERIK STRÍŽ, 21.06.2018
Preplňované motory sú pre väčšinu súčasných automobilov úplnou samozrejmosťou. Dokonca nejeden model už pod kapotou motor bez turba ani len neponúka. Niekedy však jedno turbo nestačí a na rad tak musí nastúpiť viacnásobné preplňovanie.
Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie

Prečo vlastne preplňujeme motory? A prečo sa turbá stávajú samozrejmosťou, keď skoro všetci fanúšikovia motorizmu oceňujú tradičné atmosférické motory?

Odpoveď je jednoduchá: viac vzduchu vo valci dovolí spáliť viac paliva a motor tým pádom vytvorí vyšší výkon. Ešte dôležitejšie ale je, že malé preplňované motory pracujú pri nízkom zaťažení, teda väčšinu času, teoreticky efektívnejšie ako väčšie atmosférické motory. Úlohou konštruktérov je teda vzduch do valca v potrebnom množstve dopraviť. Práve tu nastupujú turbodúchadlá a kompresory.

Turbo v kocke

Turbodúchadlo využíva kinetickú a tepelnú energiu výfukové plyny privádzané na turbínu, pričom vznikajúci krútiaci moment sa cez hriadeľ prenáša na kompresorové koleso v saní motoru. Mechanické kompresory sú roztáčané priamo kľukovým mechanizmom. V posledných rokoch sa kvôli snahe výrobcov o čo možno najnižšiu spotrebu a emisie čo najplynulejší nástup krútiaceho momentu dostáva do popredia viacnásobné preplňovanie, a to v kombinácii kompresora s turbodúchadlom (predtým to robil Volkswagen, Toyota, dnes napríklad Volvo) alebo dvoch a viac turbodúchadiel. Častejšie sa používa preplňovanie vo forme viacerých turbodúchadiel, pričom je ich usporiadanie sériové alebo paralelné.

Dve sériovo zapojené turbá sa často používajú u menších naftových motoroch, uveďme napríklad štvorvalce Mercedes 250 CDI/204 k, Mazda 2.2 Skyactiv-D/175 k, Renault 1.6 dCi/160 k, VW 2.0 BiTDI/238 k a Opel 1.6 CDTi BiTurbo/160 k. Tromi turbami disponuje trojlitrový šesťvalec BMW 50d. Dve paralelne zapojené turbá potom využívajú veľké motory, napríklad šesť- a osemvalce od Audi či BMW.

Turbá sa bežne roztáčajú na 200 000 až 300 000 ot./min., pri voľnobehu má turbo zvyčajne okolo 40 000 ot./min.

Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie

Sériové zapojenie dvojitého preplňovania v motore značky Opel

Sériové usporiadanie turbodúchadiel

Najčastejšie prevedenie dvojitého prepňovanie je kombinácia väčšieho a menšieho turba, ktoré umiestnené za sebou. Menšie turbo má nižšiu zotrvačnosť, takže spaliny ho ľahšie roztočia už pri nízkych otáčkach, obvykle už pod 1500 ot./min. Motor tak dokáže v túto chvíľu vyvinúť vyšší krútiaci moment, než ako keby čakal na roztočenie veľkého turba. V stredných otáčkach sa otvorí cesta aj k väčšiemu turbu, pretože vtedy je už tlak spalín dostatočne vysoký. V otáčkach blízkych najvyššiemu výkonu, obvykle 4000 až 4800 ot./min. už spodiny putujú iba k väčšinu turbu, to malé by už na plnenie motora nemalo vplyv a navyše by hrozilo jeho preťaženie. Na rovnakom princípe funguje aj trojité preplňovanie, napríklad zmieňované BMW 50d, s tým rozdielom, že je rozdelené do troch fáz.

Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie

Paralelné zapojenie dvojitého preplňovania

Paralelné usporiadanie

Dvojité preplňovanie s paralelnými turbodúchadlami slúžia pre silné šesť a viacvalcové benzínové i naftové motory. V porovnaní s použitím iba jedného majú dve turbá zásadnú výhodu v tom, že môžu byť celkovo menšie a tým pádom môžu ďaleko rýchlejšie reagovať na zmenu zaťaženia, respektíve zmenu polohy akceleračného pedála. Zároveň dokíážu motoru rýchlo dodať potrebné vysoké množstvo vzduchu. U motorov typu V spravidla jedno turbo obsluhuje jeden rad valcov. Na obrázku je benzínový motor BMW V8 4.4, používaný v BMW radu 5 či 7.

Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie

Elektrické turbo je doplnok k tomu konvenčnému

Elektrické turbo

Budúcnosť preplňovania dosť pravdepodobne patrí elektrických turbodúchadlám. Jeden z prvých výrobcov, ktoré sa ich vývojom zaoberali, je spoločnosť Audi. Koncept RS5 TDI má trikrát preplňovaný šesťvalec 3.0 TDI (382 k a 750 Nm). Dve turbá sú konvenčné v sériovom zapojení, tretie je už elektrické. V ňom turbínu nahradzuje 7 kW elektromotor, ktorý je nezávislý na tlaku spalín a môže sa teda roztáčať doslova od voľnobehu a bez závislosti na spaľovacom motore. Motor preto môže mať ďaleko viac sily aj pri otáčkach motora 1500 ot./min, keď sa konvenčné turbodúchadlá iba rozbiehajú.

Ako zvýšiť efektivitu turba?

Vývoj núteného preplňovania trvá už viac ako sto rokov a počas jeho histórie konštruktéri prišli na radu vychytávok, ako účinnosť turbodúchadiel vylepšiť. Medzi tie najpopulárnejšie patrí zvyšovanie efektivity cez variabilnú geometriu prívodných lopatiek, táto technika je známa ako VGT, prípadne VNT (Variable Geometric Turbocharger, Variable Nozzle Turbine). Automobilka BMW využíva technológiu Twin-scroll (eventuálne sa nazýva Twin-flow a Twin-entry), ide o dvojkomorový systémm s dvomi oddelenými prívodnými kanálmi pre prívod spalín. Účinnosti preplňovania motoru napomáha aj medzichladič stlačeného vzduchu, niektoré motory používajú rovno dva.

Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie

Variabilná geometria prívodných lopatiek známa ako VGT, prípadne VNT (Variable Geometric Turbocharger, Variable Nozzle Turbine).

Natáčanie lopatiek VNT je bežné v naftových motoroch, u benzínovýh sa kvôli vyššej teplote spalín na sériové nasadenie čaká. Účelom je regulácia prúdu spalín k turbíne, za malého prúdu v nízkych otáčkach sa privretím lopatiek zvyšuje kinetická energia pôsobiaca na turbínu.

Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie

Technológia Twin-scroll od BMW

Twinscroll sa používa pri benzínových motoroch a využíva dve oddelené potrubia vedené do turba. Polovica spalín tak pôsobí na väčšom polomere turbíny, čo napomáha jej roztočeniu. Druhá polovica spalín pôsobí na menšom polomere turbíny, čím skracuje reakčný čas. Oddelenie prúdov navyše dovoľuje efektívnejšie využívať pulzáciu.

Čo všetko potrebuje turbo k svojej činnosti? A z čoho je vyrobené?

Ložiská a materiály

Dnes sa používajú tri druhy ložisiek. Dva typy hydrodynamických a jeden guličkový. Guličkové ložiská sa uplatňujú predovšetkým v prémiových automobilkách (Mercedes, BMW, Jaguar) a v pretekárskych strojoch, pretože sú výrazne drahšie. Ich výhodou je však nižšie trenie, vďaka ktorému sa turbo ľahšie roztočí.

Hriadele turbodúchadiel sú najčastejšie vyrobené z legovanej ocele. Turbína na strane spalín býva z takzvaného inconelu, teda zliatiny nikla a chrómu, kompesorové koleso na strane sania je z hliníka. Púzdro je zvyčajne zložené z liatiny, zliatiny hliníka a ocele. V prípade roztrhnutia rotoru sa musí zamedziť prieniku úlokmov von.

Ako funguje turbo a prečo existuje dvojité preplňovanie

Turbína s lopatkami

Mazanie a chladenie

Turbo zdieľa olej s motorom, mazané je však iba ložisko. Olej viacmenej slúži ako tlmič vibrácii a hlavne ako chladiace médium. Väčšina benzínových motorov a mnohé silné nafťáky používajú ešte dodatočné vodné chladenie. Kľúčovou úlohou je chladenie ložiska, ktorého teplota sa musí pohybovať maximálne okolo 250 °C.

Preplňovanie pomáha a stáva sa štandardom

Viacnásobné preplňovanie je možno tŕňom v oku zarytých priaznivcov atmoséfrických motorov, avšak jeho opodstatnenie netkvie iba v tom, že si automobilka môže zvýšiť cenu motora, ktorú zaplatí zákazník. Viacnásobné preplňovanie funguje v praxi skvele, otázniky môžu visieť iba nad životnosťou zložitých mechanizmov a s tým spojenými vyššími nárokmi na cenu servisu.

Najväčším strašiakom majiteľov jazdených áut s preplňovanými motormi je už dnes poškodenie turba, ktorého oprava sa často preklopí aj nad tisíc eur, v prípade „lepších“ áut hovoríme o niekoľkých tisícoch. Keď prídu do bazárov vylietané biturbá a odídu naraz, bude to pre majiteľa znamenať možno až potrebu vybavenia si úveru.