Turbodúchadlo: Na čo slúži, aké má výhody a čo je to turbolag?

Turbodúchadlo alebo hovorovo "turbo" je zariadenie, ktoré zvyšuje výkon spaľovacieho motora tak, že vháňa vzduch do spaľovacej komory.

Zvýšenie výkonu spočíva v tom, že motor dostáva z rovnakého objemu vzduchu oveľa viac molekúl kyslíka, pretože vzduch je natlakovaný a vďaka tomu je zmes výbušnejšia, motor ľahšie akceleruje a nepotrebuje väčšie množstvo paliva.

Okrem turbodúchadla (v angličtine turbocharger) sa používa na preplňovanie motora aj kompresor (v angličtine "supercharger") alebo kombinácia turbodúchadla a kompresoru.

Aký je rozdiel medzi turbodúchadlom a kompresorom?

Kľúčový rozdiel medzi turbodúchadlom a kompresorom je ten, že kompresor je poháňaný mechanicky prostredníctvom remeňa pripojeného ku kľukovému hriadeľu, zatiaľ čo turbodúchadlo je poháňané výfukovýmy plynmi z motora.

Keďže kompresor využíva na svoj pohon energiu z motora, znamená to, že nejakú energiu motoru uberie, no v konečnom dôsledku jej dodá viac. Ďaľšou nevýhodou kompresora je jeho nižšia adiabatická účinnosť v porovnaní s turbodúchadlom.

Adiabatická účinnosť je schopnosť kompresora stláčať vzduch bez toho, aby do vzduchu pridal prebytočné teplo. Čím je teplota vzduchu nižšia, tým je vzduch hustejší a obsahuje viac molekúl kyslíka. Kompresory teda dodávajú do vzduchu viac tepla ako turbodúchadlá, čo znamená, že nie sú tak účinné.

Ako už bolo spomenuté, turbodúchadlo nie je poháňané mechanicky, ale výfukovými plynmi, a preto neodoberá energiu z motora, čo je oveľa efektívnejšie. Oproti kompresoru má však nevýhodu, a tou je takzvaný turbolag.

Čo je to turbolag?

Turbolag Je čas potrebný na zmenu výkonu, teda čaš medzi požiadavkou zvýšenia výkonu (zošliapnutím plynového pedálu) a nástupom výkonu, ktorý sa v porovnaní s prirodzeným nasávaním zhoršuje.

Je to čas, ktorý potrebuje výfukový systém a turbodúchadlo, aby sa vytvoril požadovaný impulz, ktorý navýši výkon. Kompresory tento problém nemajú, pretože sú poháňané piamo motorom a odozva na plyn je teda okamžitá.

Nízke otáčky motora nie sú turbolag

Niekedy sa nízke otáčky motora mylne zamieňajú za turbolag. Ak sú otáčky motora veľmi nízke, čakanie na zrýchlenie po zošliapnutí plynového pedálu môže trvať aj niekoľko sekúnd. Toto čakanie však nie je turbolag, ale nesprávny výber prevodovej rýchlosti.

Turbodúchadlá sa spoliehajú na hromadenie tlaku výfukových plynov na pohon turbíny (vrtuľky), čo nie je možné dosiahnuť počas voľnobehu alebo nízkych otáčok motora. Keď motor dosiahne dostatočné otáčky, začne sa turbína otáčať tak, aby vznikol väčší sací tlak ako je ten atmosférický.

Cieľom turbodúchadla je zlepšiť objemovú účinnosť motora zvýšením hustoty nasávaného vzduchu, čo umožní väčšiu výkonnosť na jeden cyklus motora.

Pridá väčšia turbína/vrtuľka viac výkonu?

Veľkosť a tvar turbíny (točí sa až 300 000 ot/min) ovplyvňuje niektoré výkonové charakteristiky turbodúchadla. Rozmery turbíny tiež určujú množstvo vzduchu, ktoré bude prúdiť systémom. Vo všeobecnosti platí, že čím väčšia turbína je, tým väčšia je kapacita prúdenia vzduchu.

Výkon turbodúchadla je úzko spojený s jeho veľkosťou. Veľké turbodúchadlá potrebujú väčší tlak, čo spôsobuje pri nízkej rýchlosti turbolag. Malé turbodúchadlá sa rýchlo otáčajú, ale nemusia mať pri vysokej akcelerácii rovnaký výkon.

Pre efektívne kombinovanie výhod veľkých a malých turbodúchadiel sa používajú dvojité turbodúchadlá alebo turbodúchadlá s variabilnou geometriou lopatiek.

Bi-turbo, Twin-turbo:

Twin-turbo alebo Bi-turbo sú dve turbodúchadlá pracujúce buď paralelne (spoločne) alebo sekvenčne (samostatne). V paralelnej konfigurácii je jedno turbodúchadlo poháňané jednou polovicou a druhé druhou polovicou výfukových plynov z motora a obe pracujú naraz. Menšie turbodúchadlá majú menší turbolag než väčšie turbodúchadlá, preto sa často používajú dve malé turbodúchadlá.

V sekvenčnej konfigurácií, beží jedno menšie turbodúchadlo pri nízkych otáčkach a druhé väčšie sa zapne pri väčších vopred stanovených otáčkach motora. Sekvenčné turbodúchadlá znižujú turbolag, ale vyžadujú zložité sady potrubí na napájanie oboch turbodúchadiel.

Turbodúchadlo Twin-scroll:

Tento typ turbodúchadla má v turbínovej časti dva kanály pre prívod výfukových plynov. K jednému aj druhému kanálu Twin-turba vedú výfukové zvody z valcov tak, aby podtlak neuberal energiu výfukovým plynom jedného valca, zatiaľ čo sa výfukový ventil iného valca ešte nezatvoril, no jeho sací ventil sa už začal otvárať.

Ak je zapaľovanie vo valcoch v poradí 1-3-4-2, povedú do jedného kanála zvody z valcov 1 a 4 a do druhého kanálu zvody z válcov 2 a 3. V takomto prípade nedôjde k úbytku energie výfukových plynov, pretože valec 3, ktorý by uberal energiu výfukovým plynom z valca 1, nie je napojený na rovnaké potrubie.

Nevýhodou pri Twin-scroll turbodúchadle je jeho náročnosť, ale aj to, že je potrebné mať párny počet valcov, aby do každého kanálu prúdili výfukové plyny z rovnakého počtu valcov.

Turbodúchadlo s variabilnou geometriou lopatiek:

Turbodúchadlo s variabilnou geometriou lopatiek používa pohyblivé lopatky na nastavenie prietoku vzduchu do turbíny a napodobňuje tak turbodúchadlo optimálnej veľkosti v celej výkonovej krivke. Výsledkom je turbodúchadlo bez pozorovateľného turbolagu.

Na čo slúži Wastegate?

Obtokový ventil (Wastegate) odkláňa výfukové plyny od turbíny turbodúchadla. Odklonom výfukových plynov sa riadi rýchlosť otáčok turbíny. Hlavnou funkciou obtokového ventilu je regulácia plniaceho tlaku, aby tak nedošlo k poškodeniu motora alebo turbodúchadla.

Na čo slúži Blow-off ventil?

Blow-off ventil je ventil, ktorý uvoľnuje tlak v turbodúchadlom preplňovaných motoroch. Tento ventil pomáha vyprázdniť priestor medzi turbodúchadlom a škrtiacou klapkou tak, že stlačený vzduch vypustí do okolia, aby sa tak znížilo opotrebovanie turbodúchadla.

Pri vypúštaní vzduchu vniká charakteristické syčanie alebo pískot.

Prečo teda motory preplňovať?

Preplňovanie dokáže zvýšiť výkon motora a znížiť jeho spotrebu, avšak niektorí výrobcovia stále preferujú veľké atmosférické benzínové motory. Naftové motory bez preplňovania sa už v dnešnej dobe nevyrábajú, pretože v porovnaní s tými benzínovými majú veľmi nízke výkony.

Pozri si krátku animáciu ako funguje motor preplňovaný turbodúchadlom: