Turbo punjač!?

Da li znate kako funkcioniše turbopunjač?

Verovatno ste se često pitali kako to turbopunjač povećava snagu motora… Pa, hajde da to objasnimo.

Ovaj sistem, u pojednostavljenoj formi, nije teško razumeti. Imamo turbinu i kompresor, gde svaka od ove dve „elise“ počiva na krajevima metalne osovine, tako da se zajednički okreću.

Turbina se nalazi unutar toka izduvnih gasova koji izlaze iz cilindara. Kako motor „duva“ vreo gas kroz lopatice turbine, one se vrte, u isto vreme rotirajući osovinu i drugu, kompresorsku turbinu. Ona je postavljena u usisni sistem motora, tako da što se brže okreće, „pumpa“ više vazduha u cilindre. S više vazduha, moguće je sagorevanje veće količine goriva. Naravno, samim tim imamo i povećan priliv snage.

Svi mi koji smo ručno pumpali gume, dobro znamo da se vazduh greje kada se sabija. Što je vazduh topliji, manja mu je gustina, te je iz tog razloga manje efikasan pri sagorevanju goriva.

Da bi se ohladio, vazduh se sabija u usisni sistem uz pomoć kompresora, prelazi preko izmenjivača toplote ili međuhladnjaka, koji eliminišu višak toplote i kanališu taj višak na drugu stranu.

Takođe je neophodno prisustvo regulacionog ventila turbokompresora, da bi se oslobodio višak pritiska, koji se šalje u izduvni sistem.

Dakle, na turbo možemo gledati kao na sredstvo da se na kraju uz sagorevanje nešto više goriva kreira više snage u odnosu na ekvivalentni atmosferski motor. Postizanje većeg efekta sa manje uloženog, odavno je cilj inženjera. Nekada, sve se svodilo na generisanje što veće snage.

Osamdesetih, pojavile su se brojne „turbo“ varijante postojećih modela, ali i tada su se razmatrale i neke druge stvari i rešenja. Turbopunjači su bili relativno grubi u to vreme i svi su patili od takozvane „turbo rupe“.

Da bi ubacivao više vazduha i goriva, osnovni mehanizam turbopunjača diktira da izduvni gasovi moraju da izlaze velikom brzinom. Samim tim, postoji inicijalni period, pri niskim obrtajima kolenastog vratila, kada turbopunjač ne funkcioniše optimalno. Hondin odgovor na ovaj problem je došao 1988, kada je japanska kompanija uvela turbopunjač varijabilne geometrije na modelu Legend 2.0 V6.

Honda je takođe shvatila da je „turbo rupa“ u najvećoj meri posledica odnosa širine i dužine preseka turbopunjača, odnosno odnosa između površine ulaznog otvora izduvne turbine i radijusa lopatica. Povećavanje ovog odnosa kroz upotrebu turbine otvorenog protoka će povećati vreme potrebno da se ona „zavrti“, ali i povećati krajnje performanse tako što će biti omogućen protok veće količine vazduha.

Smanjivanje odnosa između površine ulaznog otvora izduvne turbine i radijusa lopatica uz pomoć manje turbine s oštrije uglovanim lopaticama, smanjiće vreme potrebno da se turbina „zavrti“, ali će u isto vreme redukovati krajnje performanse. U Hondi su shvatili da uz pomoć radnog mehanizma mogu menjati ugao lopatica, što pruža bolje „ubrzanje“ turbine a zatim i više obrtaje motora. Kontrola pritiska na ovaj način čini regulacioni ventil suvišnim.

Drugačiji metod hvatanja ukoštac s istim problemima je jednostavno korišćenje dva turbopunjača, jednog manjeg i jednog većeg.

Maserati Bitrubo iz 1981. je prvi serijski automobil koji je koristio tandem turbopunjača, ali su oni bili jednostavno instalirani na obe strane cilindarskih redova V6 motora, što je poznato kao paralelno turbopunjenje.

Sekvencijalno turbopunjenje, s druge strane, aktivira mali punjač pri niskim obrtajima kolenastog vratila, redukujući „turbo rupu“.  Kako se obrtaji podižu, tok izduvnih gasova se usmerava u veći punjač, da bi bu se unapred podigli obrtaji. Zatim, pri visokim obrtajima kolenastog vratila, sva količina izduvnih gasova se šalje u veću turbinu koja isporučuje željeni visok pritisak.

Porsche 959 je bio prvi automobil koji je koristio sekvencijalne turbo punjače, 1986. godine. Mazdini modeli Eunos Cosmo (1990.) i FD RX-7 (1992.), pratili su ovaj primer, ali automobil koji je popularizovao ovu tehnologiju je Toyota Supra Mk4 s 2JZ-GTE motorom.

U velikoj meri rešivši problem „turbo rupe“, proizvođači automobila su počeli ozbiljno da shvataju ideju volumetrijske efikasnosti. Manji motor s turbopunjačem, koji isporučuje snagu ekvivalentnu većoj atmosferskoj jedinici, u potpunosti ima smisla. Pojačan je da bi kreirao upotrebljivu snagu pri nižim obrtajima kolenastog vratila, ima manju recipročnu masu i uživa u manjim gubicima u okviru trenja i pumpanja. Toplotna efikasnost je poboljšana, jer motor u osnovi zadržava energiju koja bi se inače izgubila kroz izduvnu cev.

Međutim, turbomotori smanjene radne zapremine, kao što su Fiatov TwinAir od 0,875 l iz 2011. ili Fordov 1,0-litarski trocilindraš „Fox“ iz 2012., uskoro su kod vozača proizveli efekat „podizanja obrva“. Skepsa je počela da se stvara, jer oni nisu uspevali da ostvare nominalne fabričke brojke koje se tiču potrošnje goriva.

Na prvom mestu, to ima veze sa stilom vožnje. Turbomotor je pravi „gutač“ goriva kada je stopalo „teško“ na papučici gasa. Energija za silovito ubrzanje se ne može proizvesti ni iz čega, a to je nešto što raniji NEDC laboratorijski testni ciklus nikada nije uzimao u obzir.

Ipak, to nije sve. Iz razloga što turbo sabija dolazeći vazduh, sistem ubrizgavanja goriva automatski dodaje više goriva da bi odnos u mešavini koja se sagoreva u cilindrima bio korektan. E, ovde počinju problemi. Kako pritisak u komorama za sagorevanje raste, povećava se rizik od detonantnog sagorevanja, koje može biti veoma štetno po motor.

Ovaj fenomen se naziva „pretpaljenje“, a do njega dolazi kada mešavina goriva i vazduha ulazi u takozvano kompresiono paljenje. Ovo krerira dva plamena fronta u cilindru, jedan koji želimo (koji proizvodi svećica) i drugi koji nikako ne želimo (pretpaljenje). Da bi se ovo preveniralo, kontrolna jedinica motora primenjuje jednostavan „lek“ – ubrizgava više goriva u komoru za sagorevanje da bi se stvari „ohladile“. To se zove „obogaćivanje smeše“, i mada pomaže produžavanju veka motora, u isto vreme nimalo ne pomaže ekonomičnosti.

Neki proizvođači, kao što je Mazda i već izvesno vreme Toyota, odoleli su „primamljivim“ turbomotorima smanjene radne zapremine (downsized), a te odluke bi se mogle ispostaviti veoma inteligentnim.

Naime, očekuje se da će Euro 7 regulativa, koja na snagu treba da stupi 2026, „eutanazirati“ male turbomotore, dok će umesto njih biti promovisan striktan odnos vazduha i goriva (Lambda 1) kroz kompletno mapiranje motora; zapravo se radi o stehiometrijskom sagorevanju goriva 14,7:1, koje obogaćivanje smeše stavlja van zakona. Ovo je generisalo neke pametne solucije koje dolaze od proizvođača kao što su Garrett i BorgWarner.

Naime, reč je o korišćenju električne arhitekture od 48 V, da bi se turbo „zavrteo“ gotovo istovremeno, redukujući na taj način emisiju iz „hladnog starta“ i eliminišući „turbo rupu“. Pri višim obrtajima kolenastog vratila, ovaj e-turbo prebacuje polaritet, kako bi se motor pretvorio u generator, šaljući energiju u električni podsistem. Ovo rešenje bi trebalo da se nađe u serijskim automobilima u narednih godinu-dve, a cilj je tačno određivanje veličine turbine turbopunjača za konsistentnu Lambda 1 nominalnu snagu.

Dakle, trenutno se nalazimo tu gde smo. Turbopunjač je svakako u velikoj meri evoluirao u poslednjih 48 godina, ali u čistoj konceptualnoj formi, njegovi dani su odbrojani.

Nova, elektrifikovana era punjenja pod pritiskom će trajati onoliko dugo koliko budu postojali motori s unutrašnjim sagorevanjem.

Četiri koraka kreiranja turbo efekta:

Tok
Izduvni gasovi pod naponom izlaze iz motora i usmeravaju se u turbopunjač. Ovo je poznato kao „vrela strana“ turba.

Ubrzavanje
Turbina se okreće unutar toka izduvnih gasova dostižući do 250.000 o/min i 1050°C. Izduvni gasovi dalje idu u katalizatore.

Usisavanje
Kompresor se vrti istom brzinom, uvlačeći veliku količinu svežeg vazduha koji se zagreva kako se komprimuje.

Sabijanje
Vazduh se hladi i pod pritiskom unosi u komoru za sagorevanje. Više vazduha uz više goriva za posledicu ima razvijanje veće snage.

Prosto, zar ne?

Text: Pavle Barta