Velký přehled všech typů turbodmychadel. V čem se liší?

Twin turbo, bi-turbo, twin power, twin-scroll. A co třeba elektrické turbo? V čem spočívají výhody či naopak nevýhody jednotlivých řešení?

 

Nedávné masivní nasazení turbodmychadel ve spalovacích motorech s sebou přineslo také nové pojmy, které se dříve nepoužívaly. Snad každý, kdo se zajímá o auta, je jistě slyšel, ovšem už ne každý ví, co znamenají. Také jde o to, zda jsou skloňovaná řešení přínosná či jde pouze a jen o snahu výrobců aut mít něco „originálního“ a tím tak pomoci všemocnému marketingu. Jiná řešení se naopak uplatňovala už dříve a dnes se objevují pouze výjimečně, většinou ve spojení s drahými auty s víceválcovými pohonnými jednotkami.

V základu jsou všechny turbodmychadla stejné. To znamená, že se vždy skládají z turbínové skříně, která je téměř výhradně vyrobena z litiny, a dmychadlové skříně, ta je většinou z hliníku. Obě jsou spojeny takzvaným ložiskovým uzlem. V něm rotuje dvoudílný hřídel, uložený zpravidla ve dvou radiálních a jednom axiálním ložisku. Většinou kluzném, ovšem existují i konstrukce s kuličkovým ložiskem.

 

Single turbodmychadlo – nejstarší a nejjednodušší

Pod pojmem „single“ turbodmychadlo se téměř vždy ukrývá jednoduché turbodmychadlo, v principu stejné, jaké používají auta už od 70. let. Z hlediska naladění motoru má však jisté limity. Malý průměr rotoru znamená také malé setrvačné hmoty. Turbodmychadlo je vždy vázané na kinetickou energii výfukových plynů. Je-li průměr jeho skříně a tedy i rotoru malý, vykazuje nízkou setrvačnost, takže k roztočení stačí relativně malá kinetická energie výfukových plynů. Takový motor pak poskytuje vysoký točivý moment už v nízkých otáčkách, takže při jízdě vyniká pružností. Naopak výkon ve špičce od něj čekat nemůžeme, neboť jak roste energie výfukových plynů, točí se rotor turba stále rychleji. Maximální otáčky, dané konstrukcí, tak dosáhne při nižších otáčkách motoru než turbodmychadlo větších rozměrů. S nimi totiž souvisí také dimenzování ložisek rotoru, tedy pokud nejsou vyrobeny z nějakých extrémně odolných „kosmických“ materiálů.

Je-li turbodmychadlo velké, pracuje až ve vysokých otáčkách motoru. Dříve se říkalo, že je naladěno takzvaně na „plnou hltnost motoru“. Takto přeplňované agregáty poskytují vysoký výkon ve špičce navíc - čím vyšší otáčky motoru máte, tím lépe táhnou. Otáčky turbodmychadla tak lze omezovat až při vyšších otáčkách motoru. V dřevních dobách přeplňování byla všechna turbodmychadla takto koncipovaná. Třeba původní Audi Quattro opravdu táhne až od nějakých 4500 otáček výše. Do té doby jede úplně obyčejně. Navíc přechod k plnému nástupu turba je velmi prudký.

Zlepšení může přinést nahrazení kluzných ložisek kuličkovými. Vykazují nižší tření a navíc umožňují dosáhnout menší vůli mezi vnitřní plochou skříně turbodmychadla a lopatkami rotoru. Tím se zvýší účinnost celého zařízení.

 

Výhody

• Cena

• Zástavbové rozměry

• Jednoduchost celého zařízení

• Spolehlivost 

Nevýhody

• Kompromis z hlediska charakteristiky motoru pružnost/výkon

• Kompromis z hlediska reakce (turboefekt)

 

Twin turbo (bi-turbo) – dva jsou více než jeden

 

Myšlenka použít namísto jednoho turbodmychadla dvě je stará desítky let. Kromě známého Maserati Biturba nabízely toto řešení také špičkové japonské sportovní automobily (Nissan 300 ZX Z32, Toyota Supra A80 či Mazda RX-7 FD). Dnes toto najdete třeba na motorech BMW X5 M či X6 M, Renaultu 1.6 dCi nebo Opelu 1.6 CDTi. A dále Volkswagen 2.0 Bi-TDI. V nedávné minulosti také na BMW 335i.

Existují dvě koncepce. Dnes převládá ta, která pracuje s dvojicí nestejně velkých turbodmychadel. V nízkých otáčkách motor přeplňuje to menší, ve středních pracují obě, aby se ve vysokých účastnilo přeplňování pouze větší z turbodmychadel. Popsaná koncepce skvěle splňuje protichůdné nároky na vysoký výkon motoru ve špičce a zároveň pružnost agregátu v nízkých otáčkách. 

U víceválcových motorů se lze setkat také s řešením, kdy jsou obě turbodmychadla stejně velká, ale každé přeplňuje pouze polovinu válců. Takto to mají již zmíněná BMW X5 M a X6 M, ale také třeba Porsche 911 Turbo 993 (poslední se vzduchem chlazeným motorem). Tato koncepce ovšem spíše než k vysokému výkonu přispívá k pružnosti motoru v nejpoužívanějších otáčkách. Třeba Porsche toto kdysi použilo u zmíněného „vzducháče“ Turbo právě ke zlepšení reakce šestiválce v nízkých otáčkách. Ta byla u těchto superaut opakovaným terčem kritiky, a to i v řadě 964 (911 z let 1988 až 1994).

 

Výhody 

• Vynikající kompromis mezi pružností motoru a výkonem ve špičce

• Rychlá reakce na přidání plynu, plynulý tah motoru napříč otáčkami 

Nevýhody

• Cena

• Složitá regulace

• Vyšší náklady na případné opravy

• Zástavbové nároky

• Existuje levnější cesta k téměř stejnému cíli

 

Turbodmychadlo Twin-scroll – single turbo s vlastnostmi skoro jako twin turbo 

 

Turbodmychadla Twin-scroll se poprvé objevila v masovějším měřítku v minulé dekádě. Princip je ovšem známý už déle. Volně přeložit bychom to mohli jako turbodmychadlo se zdvojeným kanálem turbíny. Nebo také se dvěma komorami turbíny. Vtip spočívá v tom, že kanál, vedoucí k turbínovému kolu, se rozdělí na dvě části. U čtyřválcového motoru jsou výfukové svody řešeny tak, že ty z 1. a 4. válce vedou do jednoho kanálu, zatímco svody z druhého a zároveň i třetího válce jsou spojeny s druhým kanálem. 

V čem vlastně spočívá výhoda tohoto řešení? V zásadě lze říci, že se tímto eliminuje jistá prodleva v „dodávkách“ spalin, zapříčiněná prostou činností čtyřtaktního motoru. Pokusíme se to vysvětlit následovně -v okamžiku, kdy je píst prvního válce na konci expanze, tedy v dolní úvrati, začínají se otevírat výfukové ventily, jimiž zakrátko začnou proudit spaliny. Ve stejném okamžiku je píst druhého válce naopak na konci výfukového zdvihu, jeho výfukové ventily se pro změnu zavírají. Je zde však doba jistého překrytí, kdy jsou výfukové ventily obou sousedních válců otevřeny současně. Samozřejmě při vhodném nastavení zpravidla proměnného časování rozvodu.

 

U klasického řešení, tedy s jednoduchým kanálem turbíny, by v takové situaci docházelo k interferenci neboli prolínání, takže by tok výfukových plynů z prvního válce „brzdil“ plyny z druhého válce. Výsledkem by byl nižší tlak, což je nežádoucí. To by ve výsledku snižovalo účinnost celého zařízení. V zásadě tak lze říci, že twin-scroll spojuje cenové výhody single turbo s energetickými twin turbo. Byť samozřejmě jen částečně. Dvě nestejně velká turbodmychadla přirozeně nahradit nemůže. Tak jednoduché to zase není.

U motorů BMW se lze také setkat s označením „twin power“. Není to nic jiného než další marketingem vymyšlený termín pro twin-scroll. V lidech má evokovat myšlenku, že značka z hlavního města Bavorska používá řešení, které jiní nemají. Pravda to samozřejmě není a být nemůže. Ani BMW si turbodmychadla nevyrábí samo, nýbrž je kupuje, kde se dá. Stejně jako všichni ostatní (snad s výjimkou Mitsubishi).

 

Výhody

• Vyšší účinnost a přitom cena podobná jako u single turbo

• Nároky na zastavění do motorového prostoru

• Spolehlivost

Nevýhody

• Náročnější na vyřešení svodu výfukových plynů z jednotlivých válců (složitější výfukové svody)

• Plně nahradit dvoustupňové přeplňování nedokáže

• Obtížněji vyřešitelné u motoru s větším počtem válců

 

Turbodmychadlo s variabilní geometrií (VGT, VNT) – Najdete jej hlavně u dieselů

 

Turbodmychadla s variabilní geometrií lopatek statoru turbíny, jak se to celé přesně nazývá, se poprvé v autech se vznětovými motory objevila v první polovině 90. let. Jednotka s pohybujícími se lopatkami plně supluje funkci obtoku nebo také wastegatu. V závislosti na poloze lopatek, které jsou pohyblivě uloženy v prstenci, se mění úhel toku výfukových plynů na kolo turbíny. S tím zároveň dochází ke změně kinetické energie plynů, s čímž přímo souvisí regulace otáček turbíny a tedy i plnicího tlaku turbodmychadla.

Regulace otáček prostřednictvím pohyblivých lopatek se uplatňuje téměř výhradně u vznětových motorů. Důvodem je náchylnost mechanismu lopatek na extrémně vysoké teploty. A teplota spalin zážehových motorů je o několik stovek stupňů vyšší než u dieselů. Výjimky přesto existují. Jednou z nich je motor Porsche 911 997 Turbo. A v nedávné době se u Borg Warneru objevila aplikace proměnné geometrie také na dvoukomorové turbodmychadlo (twin scroll).

 

Výhody

• Jemnější regulace otáček v širším rozsahu otáček motoru

• Stojí skoro stejně jako jednoduché turbodmychadlo 

Nevýhody

• Je určeno hlavně pro diesely. Pro použití v zážehových motorech vyžaduje uplatnění drahých materiálů na mechanismus lopatek z důvodu vyšší teploty spalin

• Omezená spolehlivost. Při nadměrné recirkulaci výfukových plynů (EGR) dochází k zalepování mechanismu lopatek karbonovými úsadami.

 

Elektrické „turbodmychadlo“ – není turbodmychadlem v pravém slova smyslu

 

Sice se mu říká turbodmychadlo, ale správně by mělo být pouze dmychadlo nebo lépe elektrický kompresor. Vždyť výfukové plyny nejsou u tohoto systému vůbec potřeba, neboť k roztáčení dmychadla se používá elektromotor. Elektrické dmychadlo nabízí celou řadu předností. Tou nejvýznamnější je téměř naprostá absence výkonové prodlevy. Tím, že se k pohonu nevyužívají výfukové plyny, je tepelné zatížení tohoto zařízení v porovnání s turbodmychadlem zanedbatelné. Elektricky poháněný kompresor umí regulovat otáčky a tím i plnicí tlak zcela plynule, pouhou změnou otáček elektromotoru. Nepotřebuje tedy žádná dodatečná zařízení – wastegate či variabilní lopatky VGT jako turbodmychadlo.

Prvním motorem s elektrickým přeplňováním je osmiválec Audi 4.0 TDI biturbo. Ten využívá systém EAV. Do 3000 otáček za minut, kdy není plnicí tlak dvojice turbodmychadel dostatečný, proudí od menšího z nich pouze mírně stlačený vzduchu. A to přes chladič do elektrického dmychadla, které jen lehce stlačený vzduch dále stlačí a následně dopraví do motoru. Od 3000 otáček za minutu výše je již plní tlak turbodmychadel dost velký na to, aby motor přeplňovala, takže elektrické dmychadlo již není potřeba. V tomto režimu dojde k jeho přemostění klapkou, tudíž od výměníku (intercooleru) turbodmychadel již vzduch proudí do spalovacích prostorů přímou cestou.

Systém EAV pracuje s příkonem 7 kW a ke své činnosti vyžaduje napájecí napětí 48 voltů stejnosměrných. Jde o dílčí napájení, nikoliv o celou palubní sít vozidla. Ta zůstává na obvyklých 12 voltech. Za účelem potřeby napětí 48 voltů má vůz se systémem EAV pod zavazadlovým prostorem uložený speciální 48voltový akumulátor typu lithium-ion o kapacitě 4,7 kWh.

 

Výhody

• Naprostá absence prodlevy ve výkonu i v nejnižších otáčkách.

• Nepotřebuje dodatečná zařízení k regulaci plnicího tlaku

• Obejde se bez nadměrné tepelné zátěže

Nevýhody

• Vyšší cena

• Exotická technologie (otazníky nad spolehlivostí)

• Turbodmychadlo s VGT nebo twin-scroll dokážou téměř to samé s nižšími náklady

 

       

   

    

zdroj. auto.cz