Turbodúchadlo (spaľovací motor)

Turbodúchadlo alebo plniaci turboagregát, hovorovo turbo, z gréckeho "τύρβη" (turbulencia) je turbínou poháňané dúchadlo, ktoré stláča plyn. 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 4 300 m n. m., 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.

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 5 486 m n. m. 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).

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.

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.

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).

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.