Turbodúchadlo (spaľovací motor)

V automobilizme termín "boost" (plnenie) označuje rozdiel v tlaku prepĺňajúceho a atmosférického tlaku. Úroveň plnenia je označovaná v baroch, psi alebo niekedy v kPa.[20]

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.[20]

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).

Oneskorenie reakcie turbodúchadla, nazývané neodborne turbodiera alebo tiež turboefekt je doba, ktorá je potrebná k vytvoreniu dostatočného tlaku výfukových plynov, potrebných na roztočenie turbíny. Dostatok kinetickej energie, potrebnej k stlačeniu vzduchu vytvorí až turbína roztočená na určité otáčky.

Oneskorenie reakcie turbodúchadla sa dá eliminovať niekoľkými spôsobmi:

• znižovanie rotačnej zotrvačnosti turbodúchadla; napríklad použitím ľahších súčiastok, alebo súčiastok s menším priemerom dovoľuje rýchlejšiu odozvu.
• zmenšením trecích strát ložísk
• použitie turbodúchadla s delenou dúchadlovou časťou (twin scroll)
• použitie dvoch sekvenčných alebo paralelných turbodúchadiel
• použitie antilag systému

Antilag systém použvajú predovšetkým pretekárske automobily, u ktorých tento systém zabraňuje zníženiu otáčok turbodúchadla po ubraní plynu napríklad pri prejazde zákrut alebo pri preraďovaní, teda vzniku turbodiery. Funguje tak, že po ubraní plynu je vstreknuté palivo do výfuku pred turbodúchadlo, kde sa vznieti a znovu ho roztočí. Navonok sa tento spôsob javí strieľaním a plameňmi z výfuku.[21]

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.[22][23] 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.[24] 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.[25][26] 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.

Twin-turbo alebo aj bi-turbo je systém dvoch samostatných turbodúchadiel, ktoré pracujú v sekvenčnej alebo paralelnej konfigurácii.[27][28] V paralelnej konfigurácii je každé turbodúchadlo poháňané jednou výfukovou vetvou motora. V sekvenčnom nastavení funguje jedno turbodúchadlo pri nižších otáčkach a druhé je na vopred dané rýchlosti a zaťaženia motora.[28] Sekvenčne montované turbodúchadlá taktiež redukujú oneskorenie reakcie, ale požadujú zložité vedenie potrubí.[27]

Variabilná geometria (VGT) je technológia, ktorá umožňuje meniť sklon lopatiek rozvádzača turbíny turbodúchadla podľa jeho zaťaženia. Uhol lopatiek turbodúchadla nastavuje ovládací prvok, ktorý spomaľuje alebo zrýchľuje prietok vzduchu turbodúchadlom.[25][26]. VGT nevyžaduje ventil wastegate, preto býva častejšia pri naftových motoroch, ktoré majú nižšiu teplotu výfukových plynov.

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.

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.

Mnoho turbodúchadiel používa reguláciu odpúšťaním výfukových plynov (ventil wastegate), ktorý umožňuje malým turbodúchadlám redukovať efekt oneskorenia.[29] Ventil wastegate reguluje tok výfukových plynov vchádzajúcich do turbíny výfukovej časti turbodúchadla. Ten môže byť riadený solenoidom, ktorý ovláda riadiaca jednotka motora alebo regulátor plniaceho tlaku, ale väčšina sériovo vyrábaných automobilov používa pružinou zaťaženú membránu.

Recirkulačný bypass ventil

Turbodúchadlom prepĺňané motory pracujú najlepšie pri plne otvorenej škrtiacej klapke a potrebujú vysoké otáčky. Keď je však škrtiaca klapka zavretá, stlačený vzduch nemá kde prúdiť. V tejto situácii narastá tlak na úroveň, ktorá môže viesť k poškodeniu. Keď sa tlak ďalej zvyšuje, začne sa stlačený vzduch vracať späť na lopatky dúchadla a ďalej von. Spätné prúdenie turbodúchadlom môže zapríčiniť, že sa rýchlosť otáčok hriadele turbíny spomalí rýchlejšie ako normálne, čo môže zničiť turbodúchadlo.

Aby sa predchádzalo tejto udalosti je medzi turbodúchadlo a škrtiacu klapku umiestnený ventil, ktorý vypúšťa prebytočný tlak vzduchu. Tento ventil je známy ako blow-off ventil alebo dump ventil. Je to pretlakový ventil a je bežne ovládaný vákuom v sacom potrubí.

Hlavné použitie tohto ventilu je kvôli udržaniu roztočeného turbodúchadla pri vysokých otáčkach. Vzduch je obyčajne vrátený späť na vstup turbodúchadla (diverter, bypass ventil) alebo je vzduch vypúšťaný do okolia (blow-off ventil).

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[30] 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).

Prvým sériovo vyrábaným osobným automobilom s naftovým motorom preplňovaným turbodúchadlom bol model Mercedes-Benz 300SD vyrábaný od roku 1978 s turbodúchadlom Garrett.[31][32][33] V dnešnej dobe je množstvo naftových motorov preplňovaných turbodúchadlom, hlavne pre úspornosť paliva a lepšie jazdné vlastnosti.[32][33]

Prvý nákladný automobil s turbodúchadlom preplňovaným naftovým motorom vyrobila spoločnosť Schweizer Maschinenfabrik Saurer v roku 1938.[34]

Prvý motocykel s prepĺňaním turbodúchadlom bol Kawasaki ZR1 TC z roku 1978.[35] Niekoľko japonských motocyklových spoločností vyrábalo začiatkom 80. rokov turbodúchadlom prepĺňané motocykle ako napríklad motocykel Honda CX500 Turbo,[36] ktorý mal priečne uložený, vodou chladený vidlicový dvojvalec, ktorý bol tiež v ponuke v atmosférickej verzii.