Kako funkcionira turbo i kompresor: vrste prisilnog punjenja

Sustavi prisilnog punjenja omogućuju znatno povećanje snage motora. U osnovi, cilj prisilnog punjenja motora je u cilindre dovesti više zraka nego što motor može sam usisati pri atmosferskom tlaku.

Zašto nam treba više zraka u komorci za izgaranje? Jednostavno rečeno, snaga motora ovisi o količini kisika (a time i zraka) koju možemo dovesti u reakciju s gorivom kako bismo proizveli snažnu eksploziju – odnosno izgaranje, ovisno o tome govorimo li o benzinu ili dizelu – koja gura klip.

Za to je potrebno komprimirati usisni zrak pomoću mehanizma za prisilno punjenje, koji može biti dvije vrste: turbo (također nazvan turbopunjač) ili kompresor.

Pogledajmo princip rada turba i kompresora. Tako ćete bolje razumjeti prednosti i nedostatke u svakom slučaju.

Prije toga valja podsjetiti da ni kompresor ni turbo nisu nove tehnologije.

Prisilno punjenje se u automobilizmu koristi od prvog desetljeća 20. stoljeća. Kod kompresora je prilagođen mehanizam koji se već koristio u drugim industrijskim primjenama. Što se tiče turbopunjača, njegov početni razvoj započeo je na motorima zrakoplova, kako bi se nadoknadila manja gustoća zraka s porastom nadmorske visine.

Tako funkcionira turbo

Turbo se u osnovi sastoji od dviju turbina spojenih čvrsto zajedničkom osovinom koje se okreću unutar kućišta. Princip rada je iskorištavanje kinetičke energije ispušnih plinova motora.

Ispušni plinovi prolaze kroz prvu turbinu i uzrokuju njezino okretanje. Budući da je druga turbina čvrsto spojena, i ona se okreće. U ovom slučaju, kretanje druge turbine iskorištava se za stvaranje tlaka tako da potiskuje zrak u usisni kolektor.

Postoji nekoliko važnih stvari koje treba znati o motorima s turbopunjačem. Logično, što je turbo veći, to može stvoriti veći tlak. Međutim, također će biti potrebno više ispušnih plinova da ubrzaju turbinu, što može uzrokovati kašnjenje odziva između pritiska na gas i učinkovite isporuke snage. To je ono što se naziva turbo lag.

Još nešto. Turbine se mogu okretati vrlo velikim brzinama, većim od 150.000 o/min. Stoga je pravilno podmazivanje turba (točnije, njegove osovine) toliko važno kako bi se izbjegli kvarovi. Zato je dobro vrlo jasno razumjeti važnost koju ima motorno ulje.

Mogući višak tlaka koji stvara turbo kontrolira se ventilom za rasterećenje. Podešavanje tog ventila, koji “ispušta” zrak, upravo omogućuje reguliranje podešenja ili tlaka puhanja turba.

Osim toga, radi poboljšanja učinkovitosti, motori s turbopunjačem obično imaju hladnjak zvan intercooler. Taj hladnjak hladi usisni zrak nakon prolaska kroz turbo, čija je temperatura porasla zbog kompresije, što smanjuje gustoću kisika.

Za kraj o turbopunjaču, treba spomenuti da je to sustav za povećanje učinkovitosti koji se posebno dobro slaže s dizelskim motorima, koji rade kompresijom smjese, a ne njezinom eksplozijom pomoću iskre svjećice.

Benzinski motori zahtijevaju smjesu s određenim omjerom kisika i goriva (za znatiželjnije, to se zove stehiometrijska smjesa) kako bi izgaranje bilo učinkovito, dok dizelski motor može izgorjeti sav kisik koji uspijete ubaciti u komoru za izgaranje.

Zapravo, već dugo na tržištu nema atmosferskih dizelskih motora. Kod benzinaca je turbo počeo dobivati na važnosti s pojavom elektroničkog ubrizgavanja, koje je omogućilo preciznije upravljanje smjesom nego kod turbo motora s karburatorom. Ali to bi bila neka druga priča. Danas postoje marke s izvrsnim benzinskim motorima bez turba. Primjer je 2.0 Skyactive iz Mazda koji smo isprobali u CX-30.

Vrste turba

Postoje različite vrste turbopunjača, ovisno o namjeni. Prema svojoj “geometriji” dijele se na fiksne ili promjenjive turbine.

• Turbopunjač fiksne geometrije. Kod ove vrste turbopunjača, protok zraka koji udara na turbinu koju pokreću ispušni plinovi uvijek je istog oblika. Izrada je jednostavnija jer ima manje pokretnih dijelova. Problem je u tome što kada motor radi pri niskim okretajima, protok ispušnih plinova nema dovoljno energije da brzo ubrza turbinu, pa dolazi do već spomenutog turbo-laga ili kašnjenja odziva turba.
• Turbopunjač promjenjive geometrije. Poznat je i kao VGT (prema engleskoj kratici Variable Geometry Turbocharger). Ima lamele u području turbine koje se pokreću pneumatski ili električki. Omogućuju promjenu načina na koji ispušni plinovi udaraju na nju, uglavnom kako bi ubrzali njezino kretanje kada je protok plinova slab. Uvelike uklanjaju kašnjenje odziva turba.
• Turbo Twin-Scroll: Nazivaju se i turbo s dvostrukim ulazom. Njihova je funkcija da upravljaju protokom plinova iz cilindara i razdvajaju ga kako se ne bi stvarao protutlak u usisnom kolektoru.

U ovom videu možete vidjeti kako funkcionira turbopunjač, konkretno promjenjive geometrije.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

Tako funkcionira kompresor

Prijeđimo sada na kompresor. Cilj je isti kao kod turba: dovesti komprimirani zrak u komoru za izgaranje. Ali ovdje se ne koristi energija ispušnih plinova, nego kompresorski mehanizam pokreće sam motor, obično pomoću remena spojenog na koljenasto vratilo.

Njegova primjena također seže u početak 20. stoljeća, kada su se koristili u modelima za utrke kao sredstvo za postizanje velike snage. Budući da ne ovise o ispušnim plinovima, ne pokazuju kašnjenje odziva. No pri visokim okretajima podrazumijevaju veliki gubitak snage motora, što smanjuje učinkovitost.

Vrste kompresora

Postoje različite vrste kompresora, ovisno o njihovoj arhitekturi.

• Kompresor tipa Roots. Naziva se i “lobasti”, po rotorima u obliku osmice koji se okreću u suprotnim smjerovima unutar kućišta i tjeraju zrak.
• Kompresor Eaton. Poznati su i kao “vijčani” kompresori. Sastoje se od dva elementa spiralnog oblika koji se okreću u zahvatu, tako da zrak koji ulazi između dvaju dijelova nailazi na volumen koji se smanjuje, što povećava tlak.

Druga vrsta kompresora, koju je Volkswagen neuspješno koristio u devedesetim godinama, jest G kompresor, poznat kao Scroll kompresor. Sastoje se od jedne fiksne i jedne unutarnje pokretne spirale koje su sabijale zrak pri pomicanju. Prestali su se primjenjivati zbog složenosti izrade i niske pouzdanosti.

Video o Roots kompresoru

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Video o Eaton kompresoru

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Što je bolje, turbo ili kompresor?

Ako ste došli do ovdje, moći ćete imati vlastito mišljenje o tome je li bolji turbo ili kompresor. Jer na ovo pitanje nema jednog jedinstvenog odgovora. Ovisi o vrsti motora i o tome što želite postići. Zapravo, kao što ćete vidjeti, neke marke koriste oba sustava zajedno.

Ukratko, kompresor omogućuje gotovo trenutačan odziv na pritisak na gas iz vrlo niskog režima. No glomazni su, a njihov pogon oduzima snagu motoru.

Turbopunjač ne “krade” energiju motoru, koristi onu ispušnih plinova, koja bi se inače izgubila. No javlja se problem kašnjenja odziva kada nema dovoljno ispušnih plinova koji bi pokretali turbinu, što je izraženije što je turbo veći. To prisiljava na rješenja poput korištenja više od jednog turbopunjača (manjeg za niske okretaje, većeg za veliku snagu pri visokim okretajima); Mercedes-Benz ili BMW su čak koristili i do tri turba u nekim svojim motorima.

Postoje i marke koje su se okrenule dvostrukom prisilnom punjenju kako bi kombinirale prednosti oba sustava. I to ne samo u sportskim modelima. Samo za primjer, mnogi modeli grupe Volkswagen koristili su kompresor i turbo u popularnom 1.4 motoru s četiri cilindra koji je, među ostalima, ugrađivao Volkswagen Golf.

Nova era elektrifikacije otvorila je vrata turbopunjačima s električnom potporom, poput EPC-a koji je Audi, s električnim kompresorom koji ubrzava turbinu kako bi smanjio turbo-lag pri niskim okretajima. Drugo rješenje, također viđeno u novijim sportskim modelima Audi s TDI motorom, jest kombinacija električnog kompresora i turba.

Jedan od najvećih stručnjaka za prisilno punjenje, BorgWarner, već je razvio svoju tehnologiju eBooster, koja upravo koristi električni kompresor za potporu turbu koji pokreću ispušni plinovi. Kako funkcionira, možete vidjeti u ovom videu.

https://youtu.be/iEGisoOnewg