Turbodmychadlo

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 16. 10. 2013, 11:37

Turbodmychadlo v řezu. Červeně označená čast vlevo je radiální plynová turbína, část vpravo je dmychadlo

Turbodmychadlo je zvláštní typ čerpadla určeného k čerpání plynů, jehož pohonnou jednotku tvoří turbína. K velkému rozšíření zařízení došlo jeho použitím u spalovacích motorů pro zvýšení celkového výkonu motoru pomocí zvětšení množství vzduchu a paliva vstupujícího do spalovacího prostoru. Hlavní výhodou turbodmychadel je významný nárůst výkonu motoru, spojený s pouze malým zvětšením hmotnosti. Turbodmychadlo totiž využívá jinak nevyužitou energii výfukových plynů a tím zvyšuje celkovou účinnost pohonné jednotky. Nevýhodou je u benzínových motorů nutnost použití nižší komprese kompresní poměr z titulu jak vyššího mechanického namáhání, tak hlavně eliminace samozážehu paliva. To nepříznivě ovlivňuje účinnost motoru v nízkých otáčkách, kdy turbodmychadlo nedodává potřebné množství vzduchu. Dieselové motory s turbodmychadlem tímto problémem netrpí - jsou principiálně založené na samovznícení paliva. Pro oba typy motorů ale turbodmychadlo představuje velkou výhodu ve větších nadmořských výškách, kde je nižší tlak vzduchu, což byl také hlavní důvod vývoje tohoto zařízení původně pro letecké motory.

Princip turbodmychadla

Turbodmychadlo je dmychadlo poháněné výfukovými plyny. Skládá se ze dvou hlavních částí – turbínové a dmychadlové. Dmychadlo stlačuje vzduch vstupující do motoru a výrazně tak zvyšuje jeho objemovou účinnost oproti klasickému nepřeplňovanému motoru. Turbína pohánějící dmychadlo je roztáčena výfukovými plyny vystupujícími z motoru a je zpravidla umístěna na stejné hřídeli. Turbodmychadlo zvyšuje tlak vzduchu vstupujícího do motoru a tím i jeho měrnou hmotnost. Je tedy možné do motoru pustit při stejných otáčkách a objemu více paliva při zachování stejného poměru směsi. Při jednom cyklu tedy dojde k reakci většího molárního množství plynů. To je hlavní příčinou výrazného nárůstu výkonu motoru. Nárůst tlaku (angl. boost) se měří v pascalech, barech nebo PSI. Například při teoretické účinnosti 100 % by turbodmychadlo produkující nárůst tlaku 100 kPa (= 1 bar nebo 14,7 PSI) zdvojnásobilo výkon motoru. Turbína ve výfukovém systému ale představuje překážku a kvůli vznikajícím zpětným tlakům je vlastní motor bržděn. Ani turbína nemá stoprocentní účinnost jak z principu, tak kvůli menšímu tlakovému spádu na turbíně spůsobeném dalšími díly výfukového potrubí jak před (katalyzátor), tak i za turbínou. Turbodmychadla většinou dosahují účinnosti kolem 80 %. V automobilovém průmyslu se většinou používají turbodmychadla zvyšující tlak maximálně o 1,2 barů, i když jsou dosažitelné vyšší tlaky. Typické turbodmychadlo vzhledem ke své konstrukci začne zvyšovat tlak teprve od 2500 otáček motoru za minutu (1800 u turbodieselových motorů). Hlavní nevýhodou velkých plnicích tlaků je, že při stlačování vzduchu dochází k jeho zahřívání. Tento nárůst teploty palivové směsi je limitujícím faktorem u benzínových motorů, kde příliš vysoká teplota směsi způsobí její samovznícení ve válci ještě předtím, než má být správně zapálena jiskrou. Pro oba typy motorů ale znamená vyšší teplota směsi snížení účinnosti motoru, protože zahřátý vzduch má větší tlak při stejném molárním množství. Do motoru se tak dostane fakticky méně vzduchu s vyšší teplotou a motor by spaloval bohatší směs. Navíc teplota limituje samovznícení směsi. Tento problém se většinou řeší použitím mezichladiče stlačeného vzduchu (intercooler), který teplotu opět sníží.

Konstrukce

Dmychadlo se otáčí velmi rychle – 10 000 až 300 000 ot./min. v závislosti na velikosti, váze rotujících částí, nárůstu tlaku a konstrukci turbodmychadla. Tak vysoké otáčky by představovaly problém pro klasická kuličková ložiska, která by mohla explodovat. Proto se používají fluidní ložiska, ve kterých jsou pohybující se části odděleny a zároveň chlazeny tenkou vrstvou oleje. Olej se většinou bere z mazací soustavy motoru a musí být po průchodu turbodmychadlem chlazen olejovým chladičem. Aby se zabránilo poškození turbodmychadla a motoru při uzavření škrticí klapky (např. při řazení u manuálních převodovek), kdy vzduch stlačený turbodmychadlem nemá kam proudit, jsou přeplňované motory vybaveny přepouštěcím ventilem. Při zavření škrtící klapky za ní vznikne podtlak, který se využije k otevření přepouštěcího ventilu. Přebytečný vzduch se tak vyfoukne ven z motoru nebo zpět do sání. Při tom vzniká charakteristický zvuk. Pro regulaci otáček turbodmychadla a tím i regulaci tlaku se používá systém, který přepouští nadbytečné výfukové plyny za turbínu turbodmychadla. Ventil je řízen tlakem produkovaným dmychadlem.

Spolehlivost

Dokud je olej protékající turbodmychadlem čistý a výfukové plyny nejsou příliš horké, dokáže být turbodmychadlo velice spolehlivé, ale správné zacházení je důležité. Po jízdě na vysoký výkon se musí motor před vypnutím nechat běžet ještě zhruba 2 minuty na volnoběh a umožnit tak dochlazení turbodmychadla. Pokud se tak nestane a motor se vypne, olej přestane cirkulovat a zůstane v přehřátém turbodmychadle, kde může dojít k jeho přepálení. Přepálený olej potom může ucpat svůj přívod a způsobit tak poškození turbodmychadla. Taktéž může docházet k deformacím lopatek nedochlazeného dmychadla.

Prodleva

Prodlevu turbodmychadla cítí řidič jako prodlevu mezi okamžikem, kdy sešlápne plynový pedál, a okamžikem, kdy pocítí zátah motoru způsobený turbodmychadlem. To je způsobeno dobou, kterou potřebují plyny ve výfukovém systému k dosažení vyššího tlaku, a také rotační setrvačností turbíny. Mechanicky poháněný kompresor tímto problémem netrpí. Tento efekt se nazývá turboefekt, vyskytuje se pouze u automobilů, který pohání přeplňovaný motor s turbodmychadlem. Prodlevu je možné snížit různými způsoby. Jedním z nich je snížení rotační setrvačnosti turbíny, například použitím lehčích částí nebo zmenšením jejího průměru (a korespondujícím zvětšením délky). Některé závodní okruhové vozy také využívají systém, který zabraňuje snížení otáček turbodmychadla po ubrání plynu například při průjezdu zatáček, čímž se zabraňuje vzniku turboefektu. Funguje tak, že po ubrání plynu dojde ke vstříknutí paliva před turbodmychadlo do výfuku, kde se vznítí a znovu ho roztočí. Navenek se to projevuje typickými plameny z výfuku. Také se používají namísto fluidních ložisek precizní kuličková ložiska, která snižují tření. Někteří výrobci používají namísto jednoho velkého turbodmychadla dvě menší, která nemají takový problém se setrvačností a roztáčením. Jedno se používá pro celý rozsah otáček a druhé se k němu přidá ve vyšších otáčkách. Turbodmychadla také mohou být rozdělena tak, aby každé z nich dodávalo vzduch pro polovinu válců, tak jako např. u motoru Volvo 2.8 T6, nebo třeba Maseratti Biturbo. Další možné rozdělení spočívá v systému dvou turbodmychadel, kdy každé je umístěno za jednou řadou válců a využívá výfukových plynů této řady válců (u vidlicových motorů), ale stlačený vzduch je spojen např. v mezichladiči, odkud již jde jednou společnou trubkou do škrtící klapky, jako je tomu například u vozu Renault Safrane Biturbo. U některých benzinových motorů jsou využívány výhody mechanického kompresoru a turbodmychadla zároveň. Malý kompresor pracuje pouze v nižších otáčkách, aby nedocházelo k prodlevě, poté práci plynule převezme turbodmychadlo. Tento systém využívají například motory TSI koncernu VW.

Související články

• Kompresor (motor)