PŘEPLŇOVÁNÍ – PŘÍMÝ STŘET S REALITOU (Část 1.)
Žijeme v době, kde více než 90% trhu s dieselovými osobními a užitkovými automobily je vybaveno přeplňovacímy systémy (ve valné většině je řeč o turbodmychadlech). To, co je ve světě dieselových motorů již po dlouhou dobu standardem, bylo až do nedávna ojedinělou záležitostí na poli benzinových motorů a povětšinou výsadou prémiových nebo sportovních aplikací. Situace se ale začíná velmi radikálně měnit a přední automobilky pouštějí do oběhu stále více přeplňovaných benzinových motorů, které ve většině případů nahrazují jejich atmosférické předchůdce o vyšším objemu. Vítejte v éře Downsizingu! Milovníkům motorů, jež doprovází tiché hvízdaní ‚turba‘ a křivek točivého momentu plochých jako dívky na prvním stupni základní školy, začínají zlaté časy. Otázkou tedy zůstává, co stojí za tímto trendem. Odpověď nalezneme, pokud se zamyslíme nad principem samotného přeplňování a nad jeho největšími benefity.
Zarytí fandové závodních a sportovních vozů by dozajista přispěchali s odpovědí, že přeplňování zvedá výkonovou křivku motoru, a má pozitivní vliv na průběh točivého momentu, a tím poskytuje mnohem vetší volnost v návrhu převodových stupňů a celou řadou dalších pádných argumentů o blahodárném vlivu turbodmychydla na nejduležitější charakteristiky motoru v oblasti “performance”. Pravdou ovšem zůstává, že i navzdory všem těmto výhodám největším benefitem přeplňování, který řídí trend downsizingu, je výrazná pomoc při plnění dnes stále přísnějších emisních norem. Tyto normy (jako Euro5,Euro6, Tier4 a Tier5 a další) dnes zásadním způsobem ovlivňují a v mnohých případech i řídí vývoj novodobých spalovacích motorů a jsou trnem v oku mnohým automobilkám. Možná si říkáte, proč by emisní normy měly být trnem v oku obrovským automobilovým konglomerátům . Odpověď je velice prostá. Pokuty za nedodržení určitého procentuálního podílu motorového portofolia značky splňující tyto normy jsou velmi vysoké a při dnešních objemech vyrobených motorů a automobilů se šplhají do astronomických hodnot. Dokonce i značky jako Ferrari a Masserati přemýšlí o nahrazení většiny svého motorového portfolia motory přeplňovanými ,což je špatná zpráva pro zaryté fanoušky těchto dechberoucích atmosférických motorů.
Dost už bylo tlachaní o obecných věcech! Pojďme se tedy podívat na to, jaké základní rozdíly můžeme najít mezi přeplňovaným a atmosférickým motorem. Na začátek si řekněme, že pro nějaké zachování pořádku a orientace budeme postupovat od sání, přes samostatný blok motoru, až po výfukovou stranu.
Prvním nejzásadnějším a zcela nečekaným rozdílem je, že přeplňované motory jsou vybaveny turbodmychadlem nebo mechanickým kompressorem, narozdíl od motorů atmosférických. V tomto článku se zaměříme jen na motory vybavené turbodmychadlem.
Sací trakt motoru přeplňováneho se zcela zásadním způsobem liší od motoru atmosférického. Začněme tedy tím, že vzduch vstupující do turbomotoru musí nejprve projít vzduchovým filtrem, který bývá nejčastěji umístěný ve‘ Filter boxu‘ (seriové aplikace), nebo otevřeným filtrem (většinou zavodní,tuningové aplikace), dále pak vzduch pokračuje do vstupu kompresorové části turbodmychadla, a po stlačení v difuzoru kompressoru pokračuje do chladiče vzduchu. Takto schlazený vzduch vstupuje do airboxu (uklidňovací komory). Zatímco u motorů atmosférických vzduch vstupuje přes vzduchový filtr přímo do airboxu (uklidňovací komory), ten je u motorů atmosférických podstatně větší, protože se objem vzduchu v komoře využívá pro tlumení resonančních vln přicházejících z jednotlivých valců, a taktéž k rezonančnímu nebo náporovému přeplňování válců.
Další komponentou, která je povětšinou částí sacího traktu turbomotorů je blow off nebo pop off ventil. Ten se nachází na výstupu z kompresorové části turbodmychadla a slouží k regulaci turbodmychadla na straně sání (upouští zbytečný vzduch, který by zpomaloval turbodmychadlo ve chvíli, kdy je škrtící klapka zavřená, a tím padem by zhoršoval odezvu na plyn). Tyto ventily jsou ovládány tlakem za škrtící klapkou. Umístění škrtící klapky u turbomotoru je pak naprostá alchymie! Zatímco u motorů atmosférických máte jen dvě možnosti, a to mít jednu centrální škrtící klapku umístěnou mezi vzduchovým filtrem a airboxem (uklidňovací komorou), anebo pak mít vlastní klapku pro každý válec, které jsou umístěny mezi hlavou motoru a airboxem. U turbomotorů už to tak jednoznačné není. Můžete mít centrální škrtící klapku umístěnou před vstupem do kompresorové části turbodmychadla (což je asi vůbec nejhorší varianta), nebo pak centrální klapku umístěnou mezi výstupem z mezichladiče a airboxem (uklidňovací komorou), což je asi nejčastější varianta. Jedním z nejvýhodnějších, ale také technicky nejhůř proveditelných řešení, je mít soustavu škrtících klapek. Jednu na vstupu do kompresorové části turbodmychadla a jednu na jejím výstupu. Tohle provedení je možné videt na legendárním motoru F1 BMW M12/M13 o objemu 1,5l a výkonu více než 900hp při plnícím tlaku přesahující 4bary! Poloha škrtící klapky v sání motoru je velmi důležitá a je to jeden z klíčových prvků ovlivňujících pružnost turbomotoru tzn. reakci na plyn. Další rozdíly na straně sání jsou pak v již zmíněné velikosti airboxu a délce runnerů (sacícho potrubí vedoucího z airboxu do jednotlivých válců). To vše musí být u atmosférických motorů mnohem přesneji naladěno a vypočítáno, kvůli využití efektu rezonančního nebo náporového přeplňování motoru.
Co se týče konstrukce samotného motoru, je zde hned několik hlavních rozdílů. Klikový hřídel turbomotoru by měl být tužší a více nadimenzovaný, nebo by měly být použity materiály s lepšími vlastnostmi. To vše díky vyšším spalovacím tlakům, kterých se u přeplňovaných motorů běžně dosahuje. Podobné pravidlo pak platí i pro ojnice a písty. Kapacita mazacího a chladícího okruhu pak záleží na dané výkonové aplikaci. Obecným zvykem ale je, že turbomotory mají separátně mazací větev, která jde přímo z olejového filtru do turbodmychadla, a pak zpět do olejové vany. Další variantou je pak olejový okruh, který se dělí až po průchodu motorem. V takovém případě je nutné mít před vstupem do turbodmychadla separovaný olejový filtr (čistota oleje má zásadní vliv na životnost turbodmychadla).
Ne nadarmo se říká, že hlava dělá výkon! A proto je zde hned několik rozdílů v konstrukci hlavy motoru, které je třeba dodržet. Hlavním rozdílem je velikost sacích a výfukových kanálů. Turbomotor by měl mít logicky vetší sací i výfukové kanály vzhledem k množství vzduchu, které se musí dostat do válce. Tvar sacího kanálu je velice specifický pro oba dva typy motorů a nelze specifikovat idealní tvar pro oba typy. Pokud ovšem chceme dosáhnout maximálního výkonu, je trend jasný: Velký, co nejpřímější kanál zajištuje nejlepší plnění válce. Od velikosti sacího a výfukového kanálu se pak odvíjí i velikost ventilů a ventilových sedel. Ventily turbomotoru by měly být opět lépe nadimenzované a lépe chlazené díky větším teplotám a spalovacím tlakům ve válci.
Poslední částí je pak výfukový trakt. Svody atmosférického motoru jsou komplikované samy o sobě. Můžete je přizpůsobit vašim požadavkům na výkonové parametry motoru. Lze ladit jak průměr a délku svodů, tak spojování do jednotlivých uzlů. Výsledkem je maximální využití rezonančního přeplňování motoru, díky pulzacím výfukových plynů ve svodech. Opět nelze přesně určit, jaký typ a kombinace je nejvýhodnější, protože vše záleží na naladění sacího potrubí, spalovacích tlacích, účinnosti vyplachování válce, časování vetilů a dalších. Pokud se vám zdál tento popis složitý, tak věřte, že rozdíl v návrhu svodů vysokovýkonného turbomotoru je v porovnání s atmosférickým motorem stejný jako výpočet reaktoru atomové elektrárny proti počítání slovní úlohy. Pulzace z jednotlivých válců motoru ovlivňují roztáčení turbínového kola. Tyto pulzace se mohou navzájem rušit a ovlivňovat, a to může mít nepříznivý vliv na účinnost turbodmychadla, a tím i výkon motoru. Vzájemné ovlivňování se jednotlivých pulzů je řízeno počtem válců pořadím zapalování válcu a hlavně teplotou ve výfukovém potrubí (která se neustále mění). Díky tomuto jevu pak můžeme mít několik variant svodů. Krátké svody řešené povětšinou jako odlitek dohromady z turbínovou stranou turbodmychadla, kátké svody, které se sbíhají do jednoho uzlu na vstupu do turbínové strany turbodmychadla a nebo pak delší svody sbíhající se postupně přes několik uzlů do jednoho konečného a vstupujícich do turbínové strany turbodmychadla. Každá z těchto variant má své výhody a nevýhody, které jsi popíšeme v dalším pokračováni článku. Spávný návrh výfukového potrubí velice důležitý a může zajistit využití výše zmíněných efektů rezonancí a pulzací ve prospěch zvýšení výkonu a účinnosti.
Posledním hlavním rozdílem je přítomnost tzv. wastegate ventilu ve výfukovém potrubí. Wastegate ventil je jednoduchý obtokový ventil, kterým můžeme odklonit výfukové plyny z lopatek turbínového kola, a tím účinně regulovat turbodmychadlo na turbínové straně (regulovat průběh křivky točivého momentu a výkonu motoru). Předcházíme tím taktéž přetočení turbodmychadla. Wastegate ventil je ve většině případů (sériové aplikace) částí turbodmychadla. Je nejčastěji ovládán pomocí aktuátoru v závilosti na tlaku v sací větvi. Jednoduše řečeno, pokud dosáhneme stanovného plnící tlaku v sání, tlakové čidlo to zaregistruje a přivede signál do ovládací jednotky, která začne otevírat wastegate ventil a tím regulovat rychlost turbínového kola. Dále existují i tzv. externí wastegate ventily, které se používají u závodních aplikací, a jsou umístěny mimo turbodmychadlo. Používají se pro lepší a účinější odvod výfukových plynů, kde samotný ventil není vystavený tak velkému teplotnímu namáhání a nejsou zde žádné limity zhlediska zástavby.
Závěrem bych chtěl podotknout, že systém přeplňování, který jsem zde popsal, se nazývá ‚single stage‘ a toto je jen jedna z jeho variant, proto prosím neberte tento článek jako dogma. Je to pouze snaha přiblížit Vám blíže tuto problematiku a seznámit Vás se základními principy přeplňování.
V dalším pokračování článku se podíváme na základní komponenty a princip fungování turbodmychadla.
.
« BMW M3 F80 – Bude vypadat takto? VW Golf GTI od BBM Motorsport »
