Turbo snaga!

Turbo i biturbo samo su neki od pojmova koje posljednjih godina učestalo susrećemo kod naprednih automobilskih motora. No, znamo li uistinu što se skriva iza navedenih pojmova? U našem serijalu o motorima s prednabijanjem snage donosimo vam sve što ste željeli znati o tim malenim ali snažnim rotorskim puhalima.

Još pred samo petnaestak godina klasični atmosferski motori predstavljali su većinu ugrađenih automobilskih motora. No, ubrzani razvoj tehnologije benzinskih i dizelskih motora omogućio je sve učestaliju ugradnju turbo punjača i mehaničkih kompresora u automobilske motore radi povećanja snage. Takvi motori se zajednički nazivaju motorima s prednabijanjem snage jer im ugradnja dodatnih malenih rotora omogućava ogromno povećanje snage bez značajnijih zahvata na pojedinim komponentama. Iako u svakodnevnom prometu često susrećemo automobile s oznakom «turbo», znamo li uistinu kako funkcioniraju takvi motori? U našem serijalu donosimo vam sve što ste željeli znati o tim malenim rotorima koji automobilima daju ogromnu dodatnu snagu. U ovom članku usredotočiti ćemo se na turbo motore.

Princip rada

Da bismo pojasnili ulogu turba moramo se usredotočiti na osnovne principe rada motora. Kako bi uopće došlo do zapaljenja smjese goriva i zraka u komori za izgaranje motora, potreban je određeni omjer zraka i goriva. Optimalni omjer naziva se stehiometrijski omjer i iznosi 14.7 :1. Dakle, za pravilno i potpuno izgaranje jednog kilograma goriva potrebno je 14.7 kilograma zraka. Pojednostavljeno govoreći, što više zraka dospije u komoru za izgaranje potrebna je i veća količina goriva za pravilno izgaranje. Većim obostranim udjelima dolazi do snažnijih kontroliranih eksplozija unutar cilindara te se oslobađa i veća snaga. Zato, kako bi se ostvario veliki dodatni potisak snage bez značajnijih preinaka, u motore se ugrađuju dodatni «punjači» snage. Dakle, turbo punjač (engl. turbocharger), točnije turbo puhalo ili turbo rotor, je dodatak motora koji omogućava povećanje snage na slijedeći način. Turbo puhalo se sastoji u biti od rotora i kompresora postavljenih na zajedničkoj osovini. Rotor je smješten na ispušnoj grani motora te se zakreće ispušnim plinovima motora, zakrećući istovremeno kompresor smješten na usisnoj grani motora. Kompresor uvlači i tlači usisani zrak pod tlakom većim od atmosferskog kako bi veća količina mogla stati u komoru za izgaranje. Brzine okretanja rotora i kompresora mogu dostići i do 300.000 o/min, a tlakovi prednabijanja i preko 2.5 bara. Zato turbo motori moraju imati efikasno riješeno podmazivanje kompletnog sustava. No budući da se zrak «tlačenjem» zagrijava i širi, potrebno ga je ohladiti kako bi mu se smanjio obujam. Zato se iza kompresora u nizu ugrađuje hladnjak stlačenog zraka, takozvani intercooler, koji će zrak ohladiti i smanjiti mu obujam kako bi ga što veća količina ušla u komoru za izgaranje. U cilindru će dodatne količine zraka i goriva uzrokovati kontrolirane eksplozije i trenutni priliv ogromne snage motora.

Efekt «turbo rupe»

Ovisno o dodatnoj snazi koja se želi dobiti, u motore se ugrađuju turbo puhala različite veličine rotora i kompresora s različitim tlakovima prednabijanja. Što je veći tlak prednabijanja, veća je i brzina vrtnje kompresora te motor oslobađa i više snage. Također, što je veći promjer kompresora biti će u konačnici i veća snaga motora. No, većina turbo motora pati od efekta znanog pod pojmom „turbo rupa“. Ako ste vozili neki od modernih turbo dizelaša onda ste zasigurno primijetili kako pri vrlo niskim okretajima, tik iznad okretaja praznog hoda, motor nema dovoljno snage za pokretanje automobila već je na rubu gašenja. Zato je za uspješno kretanje potrebno okretaje malo podignuti. Budući da se rotor zakreće ispušnim plinovima motora, pri niskim okretajima količina nije dovoljna da bi se rotor dovoljno zakrenuo i omogućio odgovarajuću dodatnu snagu motora. Navedeno se kod skupljih automobila rješava na nekoliko načina. Ugradnjom:

a) rotora manjeg promjera

b) dva ili tri rotora

c) kombinacijom turbo puhala i mehaničkog kompresora te

d) turbo puhalom promjenjive geometrije

e) ugradnjom keramičkih krilaca rotora

a) Manjem rotoru turbo puhala potrebna je i manja količina ispušnih plinova kako bi se dovoljno zakrenuo pri nižim količinama ispušnih plinova, odnosno nižim okretajima. No, mali rotor čak i uz veliki tlak prednabijanja ne može stlačiti veliku količinu zraka te omogućiti suviše veliku snagu.

b) Kod reprezentativnih modela ugrađuju se dva (bi-turbo, twin-turbo) ili čak tri (tri-turbo) puhala u motoru. U prvom slučaju u pravilu jedan je rotor manjeg promjera, a drugi većeg. Na taj način kod niskih okretaja snagu opskrbljuje manji, kod srednjih oba, a kod većih okretaja veći. Tako možemo govoriti o kombiniranom serijskom i paralelnom principu rada puhala. Tri turbo puhala omogućavaju enormno povećanje snage, ali također se moraju kombinirati po serijskom i paralelnom principu.

c) Po istom principu rade kombinirano turbo puhalo i kompresor pri čemu je kompresor namijenjen nižim okretajima. O kompresoru više pročitajte u našem slijedećem osvrtu.

d) VGT-Variable Geometry Turbo je termin koji se upotrebljava za turbo puhala sa zakretnim krilicima na kućištu rotora kroz koja prolazi zrak do rotora. Naime, pri niskim okretajima krilca su otvorena vrlo malo kako bi mala količina ispušnih plinova prolaskom kroz krilca dobila veću brzinu te lakše zakrenula rotor. Pri višim okretajima krilca se otvaraju u potpunosti omogućavajući protok maksimalne količine ispušnih plinova.

e) najskuplji i najsofisticiraniji automobili koriste turbo motore s keramičkim krilicima rotora radi smanjenja inertnosti kod nižih okretaja i manje količine ispušnih plinova

Manje poznati pojmovi

Moderni turbo motori opremljeni su i slijedećim dodacima.

Wastegate ventil - budući da prevelika količina ispušnih plinova i velika vrtnja turbo rotora mogu uzrokovati toplinska i mehanička oštećenja na rotoru i ostalim komponentama motora, wastegate ventil, koji se ugrađuje na dovod ispušnih plinova, omogućava odvod dijela plinova kada se tlak prednabijanja približi elektronički određenoj vrijednosti čime i vrtnja kompresora ostaje u granicama normale.

Blow-off ventil - nalazi se na usisnom dijelu blizu kompresora te prilikom otpuštanja papučice gasa smanjuje pritisak na kompresoru otpuštajući zrak u atmosferu ili ponovno do rotora.

Twin scroll - naziv za višestruko kućište rotora gdje se ispušni plinovi mogu dovoditi do rotora kroz zasebne ispušne grane pojedinih cilindara.

Primjena

Turbo puhala imaju široku primjenu. Ugrađuju se u dizelske i u benzinske motore kopnenih vozila, vlakova, zrakoplova, plovila… Iako omogućavaju ogromnu dodatnu snagu i okretni moment motora imaju i jednu veliku manu koja je usko povezana sa startanjem i gašenjem automobila. Budući da se pod punim gasom rotori i kompresori mogu okretati i do 300.000 o/min potrebno je mnogo vremena kako bi se brzina vrtnje vratila u normalu. Zato primjerice nakon snažnog pritiskanja gasa treba posljednjih nekoliko kilometara prije gašenja motora voziti lagano te prilikom parkiranja ostaviti motor da radi 30-ak sekundi. Ne pridržavamo li se navedenog i ugasimo li motor prije vremena puhalo se primjerice još uvijek vrti 20-ak tisuća okretaja u minuti, ali bez podmazivanja. Zato s turbo motorima treba postupati prema određenim zakonitostima.

Posljednjih nekoliko godina svjedočimo pravoj renesansi benzinskih turbo motora, a zašto je tomu tako pročitajte u jednom od slijedećih članaka.