Část populace má hlavy přeplňované školními zbytečnostmi, část měst je přeplněna odpadky a část motorů je přeplňována turbem či kompresorem. Proč přeplňování zvyšuje výkon při zachování stejného objemu? Co je turboefekt a proč se kompresor chová lépe než turbo?
Více vzduchu, více výkonu
Věřím, že většina čtenářů je s účelem přeplňování obeznámena, proto jen ve zkratce: slouží ke zvýšení objemového výkonu, tzn. jednotky výkonu (kW, případně koně) lomeno jednotkou objemu (cm3/l, jeden litr = 1 dm3). Pokud má tedy litrový motor výkon 50 kW, je poměr výkonu a objemu objem 50 kW/l.
Zajímavější je způsob, jakým toho dosáhneme. Základním úkolem dmychadla je dostat do prostoru válce maximum směsi benzínu se vzduchem. Poměr složek této směsi je víceméně neměnný jak pro přeplňované, tak pro atmosférické motory. Poměr benzínu a vzduchu udává koeficient lambda, který je roven hodnotě 14,7, pro diesely o něco málo méně. V takto vzniklé směsi je tedy na každý gram benzínu 14,7 gramů vzduchu. Toto je ustálený poměr ingrediencí, který nejčastěji pořádá váš spalovací miláček, nicméně v reálu se používají i chudší směsi ve chvíli, kdy není potřeba výkonu, třeba při zastavení, a potom se poměr mění.
Bohatší směs se naopak využije při chlazení komponent, protože všechno palivo se nespálí a nespálená část se pouze změní v plyn. Značení se potom odvozuje od aktuálního poměru vzduchu ku palivu, pokud je vzduchu 1,1 x více, než u ideální směsi, zapíše se jako lambda + 0,1, případně lambda 1,1. Pokud je naopak směs bohatší, hodnoty jsou nižší než lambda.
Pokud tedy chceme dostat do spalovacího prostoru více paliva, potřebujeme i více vzduchu, což se řeší právě dmychadlem. Přeplňování se v zásadě dělí na pět skupin – kompresory s mechanickým pohonem, turbodmychadla, kombinovaná zařízení, inerční zařízení (využívají dynamických jevů v sání a výfuku) a náporové, kdy se motor plní sám v závislosti na rychlosti. Nás budou zajímat první dvě skupiny, které se používají v běžných vozech.
Kompresory s mechanickým pohonem
Jak už sám název našeptává, kompresory s mechanickým pohonem jsou motorem poháněny přímo. Děje se tak za pomoci v podstatě libovolného propojení výstupu z motoru a kompresoru, v reálu toto propojení většinou obstarává soukolí vedoucí od klikové hřídele (zpravidla řemen). Právě tento článek s sebou nese úskalí, kvůli němuž je mechanický pohon kompresoru odsouván do pozadí na úkor turba. Asi největším problémem mechanického pohonu je to, že při stejných podmínkách nedodá na kola stejný výkon, jako turbo. Turbo totiž využívá nevyužité energie (o tom dále), zatímco kompresor je poháněn přímo motorem a tedy mu ubírá na výkonu. Naštěstí kompresor více výkonu přidá, než ubere.
Pokud tedy chceme dosáhnout stejného výkonu jako u turbomotorů, bude to na úkor spotřeby paliva, která bude u motoru s kompresorem vyšší. Zajímavý řešením je odpojování kompresoru při nízkém zatížení jednoduchým rozpojením pohonu kompresoru a opětovným spojením v případě potřeby, nicméně podle mě je to ale jenom další slepá ulička. Jinou nevýhodou je hluk, který je logickým dopadem pohybu a tření dalších mechanických částí. Na druhé misce je ale i velká výhoda – okamžitá reakce na zvýšení otáček nezná tzv. turboefekt (opět si vysvětlíme dále). Motor s kompresorem se zkrátka chová jako silnější atmosférický motor a je tedy pro řidiče jako celek lepší než turbo.
Od kompresorů se však pomalu, ale jistě upouští; v současné době drží kompresory ve větších sériích už snad jen Jaguar a Mercedes-Benz.
Turbodmychadla
Jediný zásadní principiálním rozdílem turbodmychadel a mechanického přeplňování je systém pohonu kompresoru. Jak jsme si již řekli, hlavní rozdíl je v energii, kterou ten který systém využívá. Zatímco v kompresorech jde o energii, která vychází z motoru klikovou hřídelí, turbo roztáčí jinak nevyužitá energie, jež proudí výfukem. Celé to spočívá na principu ne zrovna nepodobném tomu, co nám generuje proud do našich zásuvek, na principu turbíny. Turbína dmychadla je připojena k výfukovému potrubí a mění nevyužitá procenta energie uvolněné spálením pohonné hmoty na své vlastní roztočení, čímž pohání kompresor, který stlačuje vzduch do motoru.
Zdroj: HowStuffWorks
Zní to jednoduše, ale pořád je to fyzika a ve fyzice se vždy vyskytují problémy. S navyšujícími se otáčkami přibývá ve výfuku zplodin a z tohoto důvodu by měly takto jednoduše konstruované turbomotory nejvyšší kompresi (tj. největší přísun vzduchu) při nejvyšších otáčkách, kde by bylo položeno i maximum výkonu. To by mělo pro mechanické součásti motoru přímo katastrofální následky. Výkon je navíc kvůli úspornosti potřeba mít v nízkých otáčkách, proto se používá několik „fíglů“, jak přimět turbo pracovat s nižšími tlaky efektivněji.
Prvním je škrtící klapka. Škrtící klapka, jak už sám název napovídá, omezuje množství vzduchu, které proudí do motoru a tím pádem snižuje tlak při vysokých otáčkách. Tohle řešení není to pravé ořechové, protože je velice nehospodárné, omezuje totiž přístup vzduchu, který jsme již předtím stlačili, takže část energie přijde nazmar. Na druhou stranu dobře eliminuje turboefekt, protože turbína je roztočena stále. Dalším způsobem je obtokový kanál, který se s narůstajícími otáčkami otevírá, a část proudu exhalací teče jím. Tak docílíme toho, že maximálních otáček může turbo dosáhnout již při nízkých otáčkách motoru.
Třetí řešení je nejzajímavější, říká se mu proměnná geometrie lopatek. Stejné objemy plynů proudí potrubím s různým průměrem pod různým tlakem. Obecně platí, že čím užší potrubí, tím vyšší tlak. Právě toho využívá systém VGT, tedy proměnné geometrie lopatek. Díky tomu, že zúží prostor výfuku, zplodiny tu proudí pod vyšším tlakem a mohou tak roztáčet turbo při nižších otáčkách. Problémem většího vyžití systému VGT je maximální teplota procházejících plynů, kterou jsou schopny splnit jen vznětové motory.
Turboefekt kazí dojem
Všechno samozřejmě nemůže být dokonalé, takže i přeplňování má svá úskalí, největším z nich je tzv. „turboefekt“. Turboefektem se rozumí doba, která je třeba k vytvoření dostatečného tlaku ve výfuku potřebného k roztočení turbíny. Až roztočená turbína může poskytovat dostatek energie potřebné ke stlačení vzduchu kompresorem. Turboefekt se dá zmenšovat několika způsoby – buď necháme turbo roztočené stále a tlak regulujeme škrtící klapkou, nebo roztáčíme turbo elektricky, nebo zapojíme do motoru dvě turba – jedno malé a jedno větší. Malé bude roztočené při nízkých otáčkách a postupně se s rostoucími otáčkami budou zvyšovat i otáčky velkého turba, které při horní hranici už bude pracovat samo. V praxi byl tento systém uveden např. v BMW 535d.
A co vy? Preferujte raději turbo, nebo vyšší objem?