Turbopunjači
U današnje vrijeme često se susrećemo sa pojmovima poput: turbopunjači, turbokompresori, varijabilni turbopunjači, kompresori...
Svim tim izrazima jedno je zajedničko. Omogućuju prisilno punjenje motora zrakom i samim time povećavaju snagu motora odnosnu njegovu iskoristivost.
Da bi motor radio, potrebno je unutar cilindra stvoriti eksploziju smjese goriva i zraka, no da bi došlo do eksplozije, u cilindru se treba naći dovoljna količina zraka i goriva. Ova smjesa kod atmosferskih motora u cilindar ulazi zbog razlike u tlakovima koji je usisavaju putem jedne grane, a nakon eksplozije, ponovno zbog razlike tlakova istiskuju na drugi ventil.
No od samog predstavljanja motora s unutarnjim sagorijevanjem inženjeri i istraživači unapređuju njihove mogućnosti. Jedno od prvih unapređenja koje se logično nametalo bilo je povećanje snage motora a da mu se ne mijenja zapremnina. Logičan pristup kaže da će eksplozija u cilindru biti veća i snažnija te proizvesti više rada ukoliko u njoj eksplodira više smjese.
Korijeni turbopunjača sežu u daleku prošlost. Još su Gottlieb Daimler i Rudolf Diesel 1885. i 1896. godine istraživali mogućnosti povećanja snage motora i smanjenja potrošnje goriva predkompresijom zraka. Alfred Buchi je 1952. godine prvi uspio primijeniti turbopunjač pogonjen ispušnim plinovima i postići povećanje snage od preko 40% u odnosu na atmosferski motor. Prvi turbopunjač za teretna vozila 1938. godine proizvela je tvrtka "Swiss Machine Works Saurer". Chevrolet Corveir Monza i Oldsmobile Jetfire, bili su prvi osobni automobili sa ugrađenim turbopunjačem.
Postoje dvije vrste punjača:
Turbopunjači ili popularno zvani "turbine" pokreću ispušni plinovi motora iz ispušne grane. Ispušni plinovi prolaze kroz kučište i dolaze na lopatice turbine. Te lopatice nalaze se na istoj osovini kao i lopatice kompresora. Ispušni plinovi svojim strujanjem počinju pokretati lopatice turbine, a samim time i lopatice kompresora. Kada ta vrtnja postane veća, (vrtnju regulira protok ispušnih plinova), lopatice kompresora počinju usisavati zrak, (najčešće iz hladnjaka stlačenog zraka - intercoolera), i upuhivati ga u cilindar motora. Što više zraka može doprijeti u cilindar motora, stvara se veća sila izgaranja i shodno tome se povećava snaga.
Teoretski izgleda vrlo jednostavno, ali praksa je pokazala da ipak nije sve jednostavno kako se na prvi pogled čini.
Blokirajući jednostavan protok plinova prema ispušnoj grani, turbopunjači tjeraju motor da radi protiv većeg povratnog tlaka, što donekle umanjuje snagu koju motor ostvaruje. Drugi problem je mogućnost preuranjene detonacije smjese zbog velikih temperatura koje se postižu pod visokim tlakom i rotacijama turbine, no riješen je korištenjem ventila koji u trenucima prevelikog opterećenja otpuštaju dio plina te smanjuju tlak u sustavu tzv. pop off ili blow off ventil.
Daljni problem jest famozna "turbo rupa". Turbo rupa je zapravo vrijeme inercije turbine, odnosno vrijeme koje prođe od trenutka kada ispušni plinovi krenu iz motora, do trenutka kada zavrte lopatice. Turbo rupa se najbolje osjeti, kada se u laganoj vožnji iznenada pričepi gas. Prvih sekundu - dvije nema reakcije, a nakon toga motor počinje vući. Kod prvih turbomotora, ta rupa je bila više izražena nego danas. Turbopunjači su u početku bili relativno veliki, i njihova inertnost je bila veća.
Slijedeći problem se javlja i zbog vrlo velikih okretaja koje turbina postiže. Primjerice, 20 i više tisuća okretaja nisu nikakav problem, i zbog toga je potrebno osigurati kvalitetno podmazivanje, odnosno, ulje, koje može izdržati tako velika opterećenja. (turbopunjač se podmazuje uljem iz motora).
U turbo eri povijesti formule 1, vozači su također bili suočeni sa nedostacima turbopunjača. Mnogi su piloti upravo zbog turbo rupe morali promijeniti način vožnje. Naime, ulazeći u zavoj, noga se micala s gasa, (kočilo se desnom nogom), protok ispušnih plinova je opao, tlak u turbini također, i na izlasku, kada je potrebno da se što prije ubrza, pritiskom na gas u prvi tren nije se ništa događalo, tek dok su plinovi opet zavrtili lopatice i napunili pritisak - gubilo se puno vremena. Zbog toga je morao biti mijenjan stil vožnje i kočenje lijevom nogom, kako bi desna uvijek bila na gasu.
Tokom razvoja, ta inertnost odnosno "rupa" se smanjila, ali ipak još uvijek postoji.
Jedan od prvih načina rješavanja turbo rupe, bila je upotreba turbine promjenjive geometrije. Kod takve turbine, pomoću posebnih krilaca unutar kučišta, ispušni plinovi se efikasnije usmjeravaju prema lopaticama, i vrijeme reakcije je skraćeno, ali ne i potpuno anulirano.
Drugi način jest korištenjem dvije turbine. Jedna koja ima brži odziv na niskim okretajima (manja - radi brže reakcije) i druga (veća) koja pospješuje punjenje na visokim okretajima, kada tlak plinova poraste.
Intercooler ili hladnjak stlačenog zraka ima zadaću da zrak iz okoline što više ohladi, kako bi ga turbopunjač u što većoj količini mogao usisati i sabiti u cilindar. Što je zrak hladniji, to ga više stane u cilindar.
U drugu grupu punjača spadaju kompresori ili superchargeri. Oni, dakle obavljaju istu funkciju kao i turbopunjači, ali pri tome ne koriste brzinu prolaska ispušnih plinova za svoje pokretanje, već su preko remena povezani sa radilicom motora. Njihova najveća prednost je ta da u potpunost anuliraju problem turbo rupe, jer zbog direktne povezanosti sa radilicom motora u svakom trenutku imaju stalan pritisak u cilindar. No da sve ne bi bilo savršeno, i oni imaju nedostataka. Kompresori zbog remenske veze, opterećuju motor i smanjuju mu snagu, (jer su jedna vrsta potrošaća), izvedba takvog motora u pravilu je skuplja od izvedbe sa turbopunjačem, generiraju veliku buku, i takav motor više troši, od turbomotora iste snage.
Najnoviji način prednabijanja jest upravo kombiniranje kompresorske i turbo tehnike. Napravljen je već i prvi serijski motor oznake TSI koji iz obujma 1.4 litre razvija 170ks, moment od 240 Nm u rasponu od 1750 do 4500 o/min i maksimalnu brzine vrtnje 7000 o/min, uz prosjek potrošnje od 7.2 litre
Turbopunjači danas predstavljaju najjednostavniji i najjeftiniji način povećanja snage motora bez povećanja zapremnine, i zbog toga im se predviđa još svjetlija budućnost.
text by Dražen
c/p sa F1racing.com.hr
