Turbo punjači i kompresori

Kako radi turbo punjač?

Slika 2: Turbo punjač – turbo

Turbo punjači su jedan od nekoliko sistema za dodatno unošenje vazduha u motor tj. one kompresuju (smanjuju zapreminu) vazduha koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine vazduha koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljava motoru da ima više vazduha u cilindru, a samim tim više goriva treba da bi se napravila odgovarajuća smesa. Samim time, dobija se više snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbo punjačem po definiciji proizvodi više snage od motora koji nema turbo punjač, a to značajno poboljšava odnos snaga / težina motora.

Slika 3: Uprošćena shema motora sa turbo punjačem
Air filter – filter vazduha, Turbocharger – turbo punjač, Intake – usisna grana, Exaust – izduvna grana

Da bi turbo punjači postigli odgovarajuću kompresiju, turbo punjač koristi izduvne gasove motora da bi zavrteo svoju turbinu koja opet ubrzava unos vazduha. Turbina turbo punjača se obično vrti od 100 do 150 hiljada obrtaja u minuti, a kako je direktno povezana na izduvnu granu motora temperature na kojima turbina radi su veoma visoke.

Osnove:
Najlakši način da dobijete više snage iz motora je da povećate količinu vazduha i goriva koje motor može da sagori. Jedan od načina je da se poveća zapremina bilo povećanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj način nije moguć ili isplativ, turbo punjač je jednostavnije i kompaktnije rešenje.

Turbo punjači omogućavaju motoru da sagori više goriva i vazduha tako što u postojeću zapreminu motora sabijanjem ubacuje više goriva i vazduha. Mera za sabijenost je u barima (metrički sistem) ili psi (kolonijalni sistem – funte po kvadratnom inču).
1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar.

Tipičan pritisak turbina je obično oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar što znači da se u motor ubacuje 50% više vazduha (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomoću turba dobijate 1,5 bar tj. 50% povećanja pritiska). Za očekivati je da će i snaga skočiti za 50%, međutim sistem nije 100% efikasan tako da su povećanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti potiče od toga što vazduh koji pokreće turbinu nije „besplatan“, tj. vazduh koji turbina pozajmljuje iz izduvne grane motora ima svoju cenu. Cena je da motor mora da uloži više energije da izbaci vazduh obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj izdvuni gas mora da savlada.

Turbine na visini

Turbo punjači pomažu na velikim visinama gde je vazduh dodatno razređen. Normalni motori će na takvom razređenom vazduhu imati manje snage na raspolaganju zato što će manje vazduha biti u cilindru, dok se kod motora sa turbo punjačem ta razlika daleko smanjuje (i dalje postoji pad snage, samo je manji) zato što će turbina iako je vazduh ređi ugurati daleko više tog ređeg vazduha zato što je on lakši pa će time malo kompenzovati gubitak gustine vazduha.

Stariji automobili sa karburatorom automatski povećavaju dotok goriva da bi parirali većem dotoku vazduha u motor, dok moderni automobili sa elektronskim ubrizgavanjem goriva takođe to rade, ali će to povećanje dotoka goriva biti srazmerno podatku koji šalje protokomer vazduha koji meri kao što mu i ime kaže koliko je vazduha ušlo u motor pa će odnos vazduha i goriva kod takvih motora biti uvek veoma blizu idealnom. Ukoliko turbina radi na visokom pritisku i elektronsko ubrizgavanje nema dovoljno jaku pumpu koja može da dopremi potrebnu količinu goriva u cilindre ili softver koji upravlja ubrizgavanjem goriva neće da dozvoli toliku količinu goriva ili brizgaljke za unos goriva u cilindar nemaju dovoljno veliku protočnu moć motor neće moći da maksimalno iskoristi turbo punjač pa će nostali delovi sistema za ubrizgavanje goriva morati dodatno da se modifikuju da iskoriste pun potencijal turbo punjača.

Način funkcionisanja turbo punjača:

Turbo punjač je pričvršćen na izduvnu granu motora, a ti izduvni gasovi okreću turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi između filtera za vazduh i usisne grane motora i taj kompresor sabija vazduh koji se ubacuje u cilindre. Izduv iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okreću samu turbinu i što više vazduha prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okreće. Sa druge strane osovine na koju je prikačena turbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlači vazduh u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okreće. Da bi izdržala 150000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pričvršćena veoma pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punjači koriste fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju između lagera i osovine i pomoću koga se kuglagerima po kojima se osovina kreće samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punjača.

Slika 4. Izgled turbo punjača
Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne strane je turbina koja pomoću izduvnih gasova
pokreće kompresor pomoću osovine koja ih povezuje.

Slika 5: Sistem rada turbo punjača

Pera impelera na turbini