Preplňované motory: Zvýšenie výkonu a efektivity

Preplňované motory sú pre väčšinu súčasných automobilov úplnou samozrejmosťou. Dokonca nejeden model už pod kapotou motor bez turba ani len neponúka. Poďme sa bližšie pozrieť na to, prečo vlastne preplňujeme motory, ako fungujú a aké sú ich výhody a nevýhody.

Prečo vlastne preplňujeme 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 dopraviť vzduch do valca v potrebnom množstve.

Turbodúchadlo, skrátene nazývané aj turbo, je zariadenie na stláčanie vzduchu, ktoré zvyšuje výkon motora pomocou výfukových plynov na pohon turbíny. Turbodúchadlo sa používa na preplňovanie vznetových aj zážihových motorov. Zvyšuje ich výkon len s malým zvýšením hmotnosti.

História a vývoj turbodúchadiel

Vývoj núteného preplňovania trvá už viac ako sto rokov a počas jeho histórie konštruktéri prišli na radu vychytávok, ako účinnosť turbodúchadiel vylepšiť.

• Vznik a prvé použitie: Turbodúchadlo využíva nevyužitú energiu výfukových plynov. Tento proces zvyšuje celkový výkon pohonnej jednotky. Turbodúchadlá sa prvýkrát použili v dieselových motoroch. Tie sú založené na samovznietení paliva.
• Význam pre rôzne typy motorov: V prípade benzínových motorov je nevýhodou potreba používať nižší kompresný pomer, aby sa zabránilo predčasnému vznieteniu (detonačnému spaľovaniu) paliva, čo nepriaznivo ovplyvňuje účinnosť motora pri nízkych otáčkach, keď turbodúchadlo nedodáva potrebné množstvo vzduchu. Dieselové motory týmto problémom netrpia. Pre oba typy motorov je však turbodúchadlo veľkou výhodou vo väčších výškach, kde je tlak vzduchu nižší, čo bol hlavný dôvod vývoja tohto zariadenia pôvodne pre letecké motory.

V súčasnosti je turbodúchadlo súčasťou takmer každého motora. Stačí sa pozrieť na kufre áut - väčšina z nich má označenie TDI alebo TSI. Aj s nízkym objemom motora možno dosiahnuť celkom slušný výkon, čo je v dnešnej dobe downsizingu užitočné. Napríklad aj trojvalcový motor môže mať rovnaké hodnoty ako väčší štvorvalcový motor s atmosférickým plnením. Je to taká magická súčiastka, ale na jej výsledný výkon má vplyv veľa vecí.

Turbodúchadlo využíva kinetickú a tepelnú energiu výfukových plynov privádzaných na turbínu. 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.

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.

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

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.

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.

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. Natáčanie lopatiek VNT je bežné v naftových motoroch, u benzínovýh sa kvôli vyššej teplote spalín na sériové nasadenie čaká.

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.

Čo všetko potrebuje turbo k svojej činnosti?

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.

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.

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.

Princíp fungovania turbodúchadla

Turbodúchadlo sa skladá z dvoch dôležitých častí. Jednou z nich je turbína, ktorá sa dáva do pohybu výfukovými plynmi z motora. Turbodúchadlo je zvyčajne súčasťou sania. Výfukové plyny najprv prechádzajú cez turbo a potom odchádzajú preč. Prechádzajúce výfukové plyny uvedú do pohybu turbínový kotúč, ktorý uvedie do chodu kompresorový kotúč, ktorý stlačí vzduch vstupujúci do motora. Tým sa zmení nielen jeho tlak, ale aj špecifická hmotnosť, takže do motora sa môže pri nízkych otáčkach uvoľňovať bohatšia zmes

Samozrejme, ani turbo nie je stopercentne účinné, pretože stlačený vzduch sa zahrieva. Následne sa musí chladiť pomocou medzichladiča stlačeného vzduchu, čo jeho účinnosť dosť znižuje. Kvalitnejšie komponenty opäť dokážu minimalizovať straty. Turbína vo výfukovom systéme pôsobí aj ako prekážka pre výfukové plyny, čo vedie k vzniku protitlaku. Turbíny tak zvyčajne dosahujú maximálnu účinnosť okolo 80 %.

Starostlivosť o turbo a prevencia pred turbo efektom

Používanie turbodúchadla má aj svoje neduhy. Pri úplnom zošliapnutí plynového pedála a zrýchľovaní dochádza k hlučnému momentu, ktorý je známy aj ako turboefekt. Na zvýšenie výkonu turbodúchadla je potrebné zvýšiť objem výfukových plynov, ktoré roztočia turbodúchadlo. Ide teda o bežný jav pri prepínaní medzi nízkymi a vysokými otáčkami.

Samozrejme, existuje niekoľko spôsobov, ako proti turboefektu bojovať. Jedným z nich je zníženie zotrvačnosti otáčania turbíny, napríklad použitím ľahších dielov alebo zmenšením jej priemeru. Najjednoduchším riešením je nepoužívať turbo a nahradiť ho kompresorom, ktorý pracuje oveľa menej efektívne. Niektoré benzínové motory využívajú výhody mechanického kompresora a turbodúchadla súčasne.

Keďže turbodúchadlo sa bežne otáča v rozmedzí od 10 000 do 150 000 otáčok za minútu, nemožno použiť konvenčné ložiská. Tie sú nahradené takzvanými fluidnými ložiskami. Jednotlivé časti sú vymedzené a mazané prúdiacim olejom, ktorý zároveň chladí turbo. Na zníženie trenia sa môžu použiť aj presné guľôčkové ložiská.

Niektorí výrobcovia používajú namiesto jedného veľkého turbodúchadla dve menšie, ktoré nemajú taký problém so zotrvačnosťou a otáčaním. Jedno sa používa pre celý rozsah otáčok, druhé sa pridáva pri vyšších otáčkach.

Viaceré usporiadania turbodúchadiel pre viacvalcové motory:

• Dve rôzne turbodúchadlá v akomkoľvek usporiadaní vždy preplňujú všetky valce. Menšie pracuje pri nižších otáčkach, obe pracujú súčasne pri stredných otáčkach a len väčšie pracuje pri vysokých otáčkach. Stlačený vzduch z oboch turbodúchadiel sa mieša v spoločnom sacom potrubí a vypúšťa sa do jednotlivých valcov. Toto usporiadanie sa najčastejšie označuje ako BiTurbo.
• Ďalším možným usporiadaním je systém dvoch rovnako veľkých turbodúchadiel, z ktorých každé je umiestnené za jedným radom valcov a využíva výfukové plyny z tohto radu valcov (vo vidlicových motoroch). Toto riešenie sa nazýva dvojité turbo. Stlačený vzduch sa spája napríklad v medzichladiči, odkiaľ ide jedným spoločným potrubím do škrtiacej klapky.

Vo vzťahu k otáčkam je dôležitá variabilná geometria lopatiek turbodúchadla. Dáva mu možnosť nakláňať lopatky podľa zaťaženia motora, aby ho čo najlepšie využilo.

Repasované turbo ako životaschopná alternatíva

Každý moderný motor má turbodúchadlo. Aj to má však svoje limity, a preto existuje niekoľko spôsobov, ako v prípade jeho poruchy problém vyriešiť. V závislosti na štýle používania a použití vo vozidle môže turbo vydržať približne 300 000 km.

Najlacnejším riešením je navštíviť vrakovisko a vyhľadať požadovaný typ. Nemožno však zaručiť jeho funkčnosť, správny typ ani uplatniť žiadnu záruku. Rovnako nie je možné zistiť skutočný počet najazdených kilometrov alebo úroveň údržby vozidla všetkých jeho majiteľov. Ďalšou možnosťou je zakúpenie nového turba priamo od výrobcu. V tomto prípade je potrebná vysoká investícia.

Ideálnym riešením je preto kúpa repasovaného turbodúchadla. To stojí zhruba polovicu až tretinu ceny originálneho nového dielu, ale kvalita je porovnateľná alebo dokonca rovnaká.

Problémy a údržba pri generálnej oprave turbodúchadla

• Údržba obalu turbodúchadla: pri repasovanom turbodúchadle sa zachováva obal, ktorý sa zvyčajne nepoškodí a je veľmi odolný.
• Problémy s ložiskami: ložiská sú vystavené extrémnym teplotným zmenám. Ich správne mazanie je kľúčové, preto sa zvyčajne menia spolu s obalom ložisiek.
• Problémy s lopatkami turbodúchadla: Zanesenie nečistotami môže spôsobiť stuhnutie lopatiek a regulačného mechanizmu, čo narúša ich reguláciu. V dôsledku toho sa zvyčajne vymieňa kotúč, lopatky a regulačný mechanizmus lopatiek.
• Vyváženie turbodúchadla: Po týchto úpravách je nevyhnutné dôkladné testovanie turbodúchadla, aby zodpovedalo normám výrobcu.

V rámci testovania repasovaného dielu sa jadro turbodúchadla (CHRA) vyvažuje pomocou vyvažovačky. Tým sa overí správna funkcia rotačnej časti turbodúchadla, vyváženie a minimalizácia vibrácií. Počas ďalšej skúšky, a to celkového plniaceho tlaku, sa meria množstvo vzduchu dodávaného dúchadlom do motora. Počas testu sa simuluje chod motora pri rôznych otáčkach a zaťaženiach a meria sa množstvo vzduchu z dúchadla do motora cez medzichladič. Namerané hodnoty musia byť v súlade s normami a hodnotami stanovenými výrobcom vozidla.

Starostlivá údržba turbodúchadla je kľúčom k jeho dlhej životnosti a spoľahlivosti. Preto odporúčame pravidelne kontrolovať ložiská, mazať ich a zabezpečiť, aby motor po jazde na vysoký výkon stihol vychladnúť. Výber repasovaného turbodúchadla je ekologický krok, ktorý znižuje množstvo odpadu a zároveň poskytuje funkčnú alternatívu originálneho dielu.

Príznaky problémov s turbodúchadlom

Hneď na úvod: problémy s turbodúchadlom sa dajú zachytiť skôr, než sa zmenia na drahú opravu. Keď totiž včas spozorujete zmenu zvuku, dym z výfuku či stratu ťahu, dokážete ušetriť stovky eur a zároveň ochránite motor, DPF aj katalyzátor.

Turbodúchadlo využíva energiu výfukových plynov. Teda: výfuková turbína roztočí hriadeľ, ktorý poháňa kompresor a ten stláča nasávaný vzduch. Zároveň riadiaca jednotka cez wastegate alebo variabilnú geometriu (VGT) upravuje tlak, aby motor dostal ideálne množstvo vzduchu.

Príznaky:

Preto si každý nový zvuk či dym zapíšte (kedy sa objaví, pri akej teplote, v akom zaťažení). Skontrolujte olejové mapy v spojoch a na hadiciach. Prehmatajte intercooler. Zmerajte MAF/MAP v živých dátach (ak máte OBD). Bez OBD: sledujte dynamiku - motor by mal ťahať plynule. Po demontáži hadice sania jemne skontrolujte axiálny a radiálny pohyb hriadeľa.

Až potom navrhneme riešenie: oprava príčiny + výmena/repas turba. Po každom zásahu do turba meníme olej a filter.

Zahrievajte plynulo. Nedávajte plný plyn za studena. Po záťaži dochlaďte. Meňte olej skôr, než káže papier. Mestský nájazd = 10-15 tis. Nerežte plyn na doraz v nízkych otáčkach. Pozor na chip-tuning.

Mýty vs. fakty:

• Je normálne, že turbo „píska“? Ľahké syčanie vzduchu pri záťaži áno, „siréna“ nie.
• Môžem jazdiť s chybou P0299? Krátko do servisu áno, dlhodobo nie.
• Pomôže výmena iba aktuátora? Ak je príčinou len aktuátor, pomôže.

Prepĺňať či neprepĺňať?

Problematika prepĺňania sa tiahne naprieč celým spektrom strojov so spaľovacími motormi. Väčšina pracovných strojov je pre svoje vlastnosti poháňaná prepĺňanými naftovými motormi. Na automobilovom trhu však má majoritný podiel benzínový motor a o jeho prepĺňaní a neprepĺňaní sa vedú dlhé polemiky.

Atmosférický motor dostáva vzduch do valcov priamo z atmosféry bez prechodu mechanickým systémom. Do valcov v prepĺňanom motore prúdi vzduch pod vyšším tlakom. Na stlačovanie vzduchu slúži mechanicky poháňaný kompresor alebo turbodúchadlo.

Oba základné systémy prepĺňania (mechanický kompresor a turbokompresor) majú svoje nevýhody. Keďže kompresor je poháňaný priamo motorom, isté percento výkonu je využívané len na jeho pohon. To sa negatívne odráža na spotrebe a je hlavným dôvodom, prečo zostal kompresor v úzadí.

Turbodúchadlo poháňa nevyužitá energia výfukových plynov, vďaka čomu môže ponúknuť vyšší výkon za menej paliva. Problémom turbodúchadiel však bola dlhý čas tzv. turbodiera. V nízkych otáčkach turbodúchadlo pracovalo príliš slabo a jeho nástup bol často dramatický a náhly. Motor s turbodúchadlom má tiež podstatne zložitejší nasávací i výfukový systém., čo sa odráža i na cene a nárokoch na údržbu.

V dnešnej dobe sa však premyslenými technológiami podarilo veľkú väčšinu neduhov odstrániť. Pri naftových motoroch je výber jednoznačný. Prepĺňanie turbodúchadlom dokonale sadne charakteru vznetového motora a dovoľuje mu podstatne lepšie využívať svoj potenciál. Preto sa už dnes atmosférické naftové motory takmer vôbec nevyrábajú.

Pri zážihových motoroch je problematika trochu zložitejšia. Motoristickí fanúšikovia sú rozdelení do dvoch táborov. Niektorí nedajú dopustiť na turbomotory a ich vysoký výkon, iní sa zase vyžívajú v lineárnom priebehu výkonu a nezameniteľnom zvuku atmosférických motorov.

Pre svoje nevýhody bolo turbodúchadlo dlhé roky výsadou športových automobilov. To však už vôbec nie je pravda. Dnes sa motory dopované turbom montujú i do najmenších mestských vozidiel. Podiel prepĺňaných motorov na trhu kontinuálne stúpa. Môže za to najmä legislatívny tlak na emisné limity, keďže moderný turbomotor vie v porovnaní s atmosférickým agregátom spravidla ponúknuť rovnaký výkon za menej paliva.

Kritici prepĺňaných motorov často hovoria o utlmenej duši a zvuku preplňovaných motorov. A často majú pravdu. Športové Porsche 911 Turbo je dlhé roky jedným z priekopníkov turbomotorov. No i jeho najnovšia verzia sa v ostrosti a emóciách pri jazde nevie vyrovnať svojmu atmosférickému súperovi v podobe 911 GT3.

tags: #motory #plnene #turboduchadlom

Populárne príspevky:

• Zdravé recepty so šampiňónmi
• Šťavnaté mäso z vrecka
• Barbie torta z bábovkovej formy
• Zaváranie čučoriedok s medom
• Celozrnná Bublanina Recept