Turbodúchadlo (spaľovací motor)

Turbodúchadlo alebo plniaci turboagregát, hovorovo turbo, z gréckeho "τύρβη" (turbulencia) je turbínou poháňané dúchadlo, ktoré stláča vzduch. K veľkému rozšíreniu tohto zariadenia došlo vďaka použitiu v spaľovacích motoroch kvôli zvýšeniu celkového výkonu pomocou zväčšenia množstva nasávaného vzduchu, ktorý s palivom vchádza do spaľovacích priestorov motora. Hlavnou výhodou turbodúchadiel je významný nárast výkonu, spojený iba s malým zvýšením hmotnosti. Turbodúchadlo využíva nevyužitú energiu výfukových plynov prúdiacich z motora, a tým zvyšuje celkovú účinnosť pohonnej jednotky. Nevýhodou je to, že pri benzínových motoroch sa pri použití turbodúchadla musí znižovať kompresný pomer aby nedochádzalo k samovznieteniu paliva. To potom nepriaznivo vplýva na účinnosť motora v nízkych otáčkach, kedy turbodúchadlo nedodáva potrebné množstvo vzduchu. Naftové motory týmto problémom netrpia, lebo sú principiálne založené na samovznietení paliva – nafty. Pre obidva typy motorov však turbodúchadlo predstavuje veľkú výhodu vo vyšších nadmorských výškach, kde je nižší tlak vzduchu. Tento dôvod bol aj príčinou vývoja tohto zariadenia pôvodne pre letecké motory.
Podobný efekt je pri motoroch možné dosiahnuť aj kompresorom, ale rozdiel medzi nimi je v tom, že kompresor je poháňaný prevodom od kľukového hriadeľa a turbodúchadlo je poháňané turbínou, ktorú roztáčajú prúdiace výfukové plyny.
Turbodúchadlá sa najčastejšie používajú v osobných a nákladných automobiloch, lokomotívach, lietadlách a stavebných strojoch. Takisto nachádzajú uplatnenie v palivových článkoch.
História.
Prepĺňanie sa datuje už z konca 19. storočia, kedy si v roku 1885 Gottlieb Daimler patentoval techniku, ktorá využívala čerpadlo poháňané ozubeným kolesom, ktoré dodávalo vzduch do motora s vnútorným spaľovaním. Turbodúchadlo bolo vyvinuté švajčiarskym inžinierom Alfredom Büchim (1879 – 1959), ktorý bol hlavým výskumníkom dieselového motora v továrni Gebruder Sulzer v meste Winterhur, a ktorý v roku 1905 získal patent na použitie kompresora poháňaného prúdiacimi výfukovými plynmi. Ten vzduchom prepĺňal spaľovací motor pre zvýšenie výkonu, ale trvalo ďalších 20 rokov, kým bola táto idea uskutočnená. Počas prvej svetovej vojny francúzsky inžinier Auguste Rateau vybavoval turbodúchadlami motory Renault, ktoré poháňali viaceré francúzske bojové lietadlá. V roku 1918 inžinier spoločnosti General Electric, Sanford Alexander Moss zapojil turbodúchadlo do leteckého motora V12 "Liberty". Tento motor bol testovaný na vrchu Pikes Peak s výškou , kde spoločnosť demonštrovala možnosť zmenšenia výkonových strát vo vyšších nadmorských výškach, kde je nižší atmosférický tlak a aj hustota vzduchu. General Electric tento systém nazvala "turbosupercharging". V tom čase boli všetky zariadenia na prepĺňanie nazývané "superchargers" (kompresory), ale v dnešnej dobe termín "supercharger" (kompresor) označuje iba mechanicky poháňané zariadenia na prepĺňanie.
Turbodúchadlá boli po prvýkrát použité v sériovej výrobe leteckých motorov ako napr. Napier Lion v 20. rokoch. Boli však menej častejšie použité ako motorom poháňané odstredivé kompresory. Lode a lokomotívy vybavené turbodúchadlom preplňovanými naftovými motormi sa začali objavovať v 20. rokoch. Turbodúchadlá boli tiež používané v letectve, a to najviac v USA. Počas druhej svetovej vojny patrili medzi lietadlá, ktoré boli vybavené turbodúchadlami B-17 Flying Fortress, B-24 Liberator, P-38 Lightning a P-47 Thunderbolt.
Turbodúchadlo vs. kompresor.
Na rozdiel od turbodúchadla, nie je kompresor poháňaný prúdiacimi výfukovými plynmi, ale je poháňaný mechanicky z motora. Medzi typy pohonu kompresora patria remene, reťaze, hriadele alebo ozubené kolesá. Kompresor je tak mechanickou záťažou motora. Napríklad motoru Rolls-Royce Merlin odoberá jednostupňový odstredivý kompresor 110 kW/150 koní. Za cenu týchto 110 kW/150 koní motor vyvinie navyše ďalších 400 koní, čo je vo výsledku 250-koňový rozdiel k dobru.
Ďalšou významnou nevýhodou kompresorov je nižšia adiabatická účinnosť v porovnaní s turbodúchadlom. Adiabatická účinnosť je veličina, ktorá udáva schopnosť stlačiť vzduch bez dodania nadmerného tepla tomuto vzduchu. Proces kompresie vzduchu vždy produkuje teplo ako vedľajší produkt tohto procesu, ale účinnejšie kompresory produkujú menej tepla.
Princíp funkcie.
Vo väčšine piestových motorov je nasávaný vzduch "ťahaný" do motora prostredníctvom pohybu piestu z hornej do dolnej úvrate, podobne ako je to pri injekčnej striekačke. Množstvo vzduchu, ktoré je v danom cykle nasané, závisí od zdvihového objemu valca a objemovej účinnosti motora. Cieľom turbodúchadla je zvýšiť objemovú účinnosť motora zvýšením hustoty nasávaného plynu (zvyčajne vzduchu).
Obežné koleso dúchadla stláča nasávaný vzduch z okolia predtým, ako sa vzduch dostane do zberača nasávacieho potrubia pri zvýšenom tlaku. To má za následok väčšie množstvo vzduchu vchádzajúceho do valcov. Výkon potrebný na jeho otáčanie radiálneho kompresora pochádza z turbíny, ktorú roztáčajú prúdiace výfukové plyny.
Turbodúchadlá sa používajú v automobilovom priemysle aj na zníženie spotreby pri zachovaní výkonu spaľovacieho motora. To sa dosahuje obnovovaním nevyužitej energie vo výfuku, ktorá je dodávaná do nasávania motora. Narastajúca teplota turbodúchadlom stláčaného vzduchu dáva vyššiu účinnosť.
Regulácia turbodúchadiel je veľmi komplexná a bola vyvíjaná počas viac ako 100 rokov svojho použitia. Moderné turbodúchadlá môžu používať odpúšťacie, obtokové resp. regulačné ventily (wastegate, blow-off ventily) a variabilnú geometriu lopatiek.
Regulovanie hustoty nasávaného vzduchu je často spájané so stratou atmosférického tlaku zvýšením nadmorskej výšky. Preto bolo prirodzene turbodúchadlo používané v leteckých motoroch. Ako lietadlo stúpa do vyšších nadmorských výšok, tlak okolitého vzduchu rýchlo klesá. Pri nadmorskej výške je tlak o polovicu menší ako na úrovni morskej hladiny, čo má za následok iba polovičný výkon motora.
Nárast tlaku / plnenie.
V automobilizme termín "boost" (plnenie) označuje rozdiel v tlaku prepĺňajúceho a atmosférického tlaku. Úroveň plnenia je označovaná v baroch, psi alebo niekedy v kPa.
V leteckých motoroch je prepĺňanie dôležité kvôli udržiavaniu tlaku v sacom potrubí pri narastajúcej nadmorskej výške. Tlak v sacom potrubí tak môže dosahovať aj 100 kPa.
Na zabránenie detonačnému spaľovaniu (klepanie motora) a podobných fyzických poškodení motora, sa nemôže tlak v sacom potrubí veľmi zvýšiť. Preto sa tlak v sacom potrubí reguluje určitými prostriedkami. Otváranie obtokového ventilu wastegate dovoľuje nadmernú energiu smerujúcu na turbínou prepustiť okolo turbodúchadla rovno do výfukového potrubia alebo do vzduchu kvôli zmenšeniu plniaceho tlaku. Ventil wastegate môže byť ovládaný buď manuálne (najčastejšie v lietadlách) alebo ovládacím prvkom (v automobiloch je často riadený riadiacou jednotkou motora).
Oneskorenie reakcie turbodúchadla.
Oneskorenie reakcie turbodúchadla, nazývané neodborne turbodiera alebo tiež turboefekt je doba, ktorá je potrebná k vytvoreniu dostatočného tlaku výfukových plynov, potrebných na roztočenie turbíny. Dostatok kinetickej energie, potrebnej k stlačeniu vzduchu vytvorí až turbína roztočená na určité otáčky.
Oneskorenie reakcie turbodúchadla sa dá eliminovať niekoľkými spôsobmi:
Antilag systém použvajú predovšetkým pretekárske automobily, u ktorých tento systém zabraňuje zníženiu otáčok turbodúchadla po ubraní plynu napríklad pri prejazde zákrut alebo pri preraďovaní, teda vzniku turbodiery. Funguje tak, že po ubraní plynu je vstreknuté palivo do výfuku pred turbodúchadlo, kde sa vznieti a znovu ho roztočí. Navonok sa tento spôsob javí strieľaním a plameňmi z výfuku.
Pracovné režimy turbodúchadla.
Turbodúchadlo v závislosti od konfigurácie piestového spaľovacieho motora a geometrie výfukového potrubia môže pracovať v niektorom z nasledovných režimov:
Hlavné komponenty turbodúchadla.
Turbodúchadlo pozostáva z troch hlavných komponentov:
Mnoho turbodúchadiel používa ďalšie technológie, ako sú ventily wastegate, blow-off ventily a medzichladiče.
Turbína.
Energia, ktorú poskytuje turbína je prevedená z entalpie a kinetickej energie plynu. Ložiská turbíny dosahujú pri prúdení výfukových plynov do 250 000 otáčok za minútu. Veľkosť a tvar môžu určovať výkonové charakteristiky turbodúchadla. Tak vysoké otáčky predstavujú problém pre klasické guličkové ložiská, ktoré by mohli explodovať. Preto sa používajú fluidné ložiská, v ktorých sú pohybujúce časti oddelené a zároveň chladené tenkou vrstvou oleja. Olej sa väčšinou odoberá z mazacej sústavy motora a musí byť po prechode turbodúchadlom chladený olejovým chladičom.
Výkon turbodúchadla je úzko spätý s jeho veľkosťou. Väčšie turbodúchadlá sa viac zohrievajú a ich väčšia turbína poskytuje väčší tlak, ale pri nízkych otáčkach trpia oneskorením. Malé turbodúchadlá sa otáčajú rýchlo, ale nemajú taký výkon pri akcelerácii vo vysokých otáčkach. Na spojenie výhod malých a veľkých turbín sa používajú pokročilé návrhy, ako dvojité turbodúchadlá, turbodúchadlá s delenou dúchadlovou časťou alebo turbodúchadlá s variabilnou geometriou lopatiek.
Twin-turbo.
Twin-turbo alebo aj bi-turbo je systém dvoch samostatných turbodúchadiel, ktoré pracujú v sekvenčnej alebo paralelnej konfigurácii. V paralelnej konfigurácii je každé turbodúchadlo poháňané jednou výfukovou vetvou motora. V sekvenčnom nastavení funguje jedno turbodúchadlo pri nižších otáčkach a druhé je na vopred dané rýchlosti a zaťaženia motora. Sekvenčne montované turbodúchadlá taktiež redukujú oneskorenie reakcie, ale požadujú zložité vedenie potrubí.
Variabilná geometria lopatiek.
Variabilná geometria (VGT) je technológia, ktorá umožňuje meniť sklon lopatiek rozvádzača turbíny turbodúchadla podľa jeho zaťaženia. Uhol lopatiek turbodúchadla nastavuje ovládací prvok, ktorý spomaľuje alebo zrýchľuje prietok vzduchu turbodúchadlom.. VGT nevyžaduje ventil wastegate, preto býva častejšia pri naftových motoroch, ktoré majú nižšiu teplotu výfukových plynov.
Ďalšie technológie používané pri inštalácii turbodúchadla.
Medzichladenie.
Pri stláčaní nasávaného vzduchu turbodúchadlom sa nasávaný vzduch prehrieva a takisto je ohrievaný prestupom tepla z výfukových plynov. Extrémne vysoká teplota nasávaného vzduchu môže prispieť ku klepaniu motora (detonačnému spaľovaniu), ktoré mechanicky ničí motor.
Popri turbodúchadlách sa často používajú medzichladiče, ktoré ochladzujú stlačený vzduch. Medzichladiče sú často testované kvôli trhlinám počas bežných servisných intervalov, a to predovšetkým pri nákladných automobiloch, kde má tento jav za následok 20% zníženie šetrenia paliva.
Vodné vstrekovanie.
Ako alternatíva k medzichladeniu stláčaného vzduchu je vstrekovanie vody do nasávaného vzduchu, ktorá tak schladzuje nasávaný vzduch. Táto metóda je používané v automobiloch a lietadlách.
Wastegate.
Mnoho turbodúchadiel používa reguláciu odpúšťaním výfukových plynov (ventil wastegate), ktorý umožňuje malým turbodúchadlám redukovať efekt oneskorenia. Ventil wastegate reguluje tok výfukových plynov vchádzajúcich do turbíny výfukovej časti turbodúchadla. Ten môže byť riadený solenoidom, ktorý ovláda riadiaca jednotka motora alebo regulátor plniaceho tlaku, ale väčšina sériovo vyrábaných automobilov používa pružinou zaťaženú membránu.
Blow-off ventil/diverter/bypass/dump ventil.
Turbodúchadlom prepĺňané motory pracujú najlepšie pri plne otvorenej škrtiacej klapke a potrebujú vysoké otáčky. Keď je však škrtiaca klapka zavretá, stlačený vzduch nemá kde prúdiť. V tejto situácii narastá tlak na úroveň, ktorá môže viesť k poškodeniu. Keď sa tlak ďalej zvyšuje, začne sa stlačený vzduch vracať späť na lopatky dúchadla a ďalej von. Spätné prúdenie turbodúchadlom môže zapríčiniť, že sa rýchlosť otáčok hriadele turbíny spomalí rýchlejšie ako normálne, čo môže zničiť turbodúchadlo.
Aby sa predchádzalo tejto udalosti je medzi turbodúchadlo a škrtiacu klapku umiestnený ventil, ktorý vypúšťa prebytočný tlak vzduchu. Tento ventil je známy ako blow-off ventil alebo dump ventil. Je to pretlakový ventil a je bežne ovládaný vákuom v sacom potrubí.
Hlavné použitie tohto ventilu je kvôli udržaniu roztočeného turbodúchadla pri vysokých otáčkach. Vzduch je obyčajne vrátený späť na vstup turbodúchadla (diverter, bypass ventil) alebo je vzduch vypúšťaný do okolia (blow-off ventil).
Použitie.
Benzínové motory.
Prvé osobné automobily s prepĺňaným benzínovým motorom boli modely Oldsmobile Jetfire, ktorých motory Oldsmobile V8 používali turbodúchadlo montované na hliníkovom osemvalci s objemom 3,52 litra. V roku 1962 automobilka Chevrolet začala vybavovať svoj model Chevrolet Corvair turbodúchadlom, ktorý niesol názov Monza Spider a neskôr ako Monza. V Európe sa prepĺňanie turbodúchadlom dostalo do modelov Porsche 930 či Saab 99 Turbo. V Severnej Amerike bol turbodúchadlom prepĺňaný populárny model Buick Regal/T Type/Grand National. Dnes je prepĺňanie turbodúchadlom bežne používané mnohými automobilkami na naftových či benzínových motoroch. Prepĺňanie turbodúchadlom môže byť použité ná nárast výkonu pri zachovaní rovnakého objemu alebo kvôli šetreniu paliva znížením zdvihového objemu (napríklad Chevrolet Cruze s atmosférickým benzínovým motorom s objemom 1.8 litra má rovnaký výkon, 138 koní, ako jeho 1.4 litrový turbodúchadlom prepĺňaný motor).
Naftové motory.
Prvým sériovo vyrábaným osobným automobilom s naftovým motorom preplňovaným turbodúchadlom bol model Mercedes-Benz 300SD vyrábaný od roku 1978 s turbodúchadlom Garrett. V dnešnej dobe je množstvo naftových motorov preplňovaných turbodúchadlom, hlavne pre úspornosť paliva a lepšie jazdné vlastnosti.
Prvý nákladný automobil s turbodúchadlom preplňovaným naftovým motorom vyrobila spoločnosť Schweizer Maschinenfabrik Saurer v roku 1938.
Motocykle.
Prvý motocykel s prepĺňaním turbodúchadlom bol Kawasaki ZR1 TC z roku 1978. Niekoľko japonských motocyklových spoločností vyrábalo začiatkom 80. rokov turbodúchadlom prepĺňané motocykle ako napríklad motocykel Honda CX500 Turbo, ktorý mal priečne uložený, vodou chladený vidlicový dvojvalec, ktorý bol tiež v ponuke v atmosférickej verzii.
Výrobcovia.
Garrett (dnes Honeywell) a BorgWarner sú najväčšími výrobcami turbodúchadiel v USA a Európe. Medzi ďalších výrobcov patria: