Turbo punjači i kompresori

Problemi koji se javljaju kod turbo punjača

1.Previše pritiska
Kada se vazduh sabija u cilindre pod pritiskom koji pravi turbo punjač koje zatim klip dodatno sabija postoji povećana opasnost od samozapaljivanja smeše. Samozapaljivanje smeše se pojavljuje kada se smeša vazduha i goriva kompresuje preko kritične tačke čime dolazi do detonacije u cilindru iako svećica nije zapalila smešu što može oštetiti motor. Automobili sa turbo punjačima obično koriste visoko oktanska goriva (koja imaju veću otpornost ka samozapaljivanju) da bi izbegli ovaj problem. Problem se takođe može rešiti smanjenjem kompresije motora što naravno dovodi i do smanjenja snage motora.

2. Turbo Lag
Jedan od najlakše uočivih problema turbo punjača je da oni rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, već je potrebno da motor obezbedi odgovarajuću količinu gasova, a onda je potrebno još nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi počela sa radom što ima za rezultat da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritiskanju pedale gasa. Jedan od načina za smanjenje ovog efekta (lag = zadrška prim.prev.) je da se smanji intertnost pokretnih delova, tj. umanjenje njihove težine. Ovo omogućava turbini i kompresoru vazduha da se brzo zavrte i počnu ranije sa povećanjem snage motora.

3. Mali ili veliki turbo punjač?
Siguran način za smanjenje inertnosti turbine i kompresora vazduha je da se turbo punjač načini što manjim. Mali turbo punjač će daleko brže obezbediti pritisak i na manjem broju obrtaja motora, ali neće biti sposoban da obezbedi dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike količine vazduha da bi zadržao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da se mala turbina na visokom broju obrtaja motora može vrteti prebrzo što može dovesti do njenog oštećenja.
Veliki turbo punjač može da obezbedi veliki pritisak na visokom broju obrtaja motora, ali je on težak i inertan te mu je potrebno više vremena da ubrza svoju tešku turbinu i kompresor vazduha.

… i njihova rešenja

Ventil za ispuštanje viška vazduha (vejst gejt – eng. wastegate)
Većina automobilskih turbo punjača imaju ventil za ispuštanje viška vazduha koji omogućava manjim turbo punjačima da se ne vrte previše brzo na visokom broju obrtaja, a istovremeno time što su mali umanjuju lag. Ventil za ispuštanje viška vazduha omogućava izduvnim gasovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil „oseća“ promenu pritiska i ako pritisak pređe određenu granicu to je indikator da se turbina okreće prebrzo i tada ventil ispušta deo izduvnih gasova tako da ne prelaze preko turbine i time omogućava turbini da uspori.

Wastegate ventili – desno se nalazi fabrčki, levo je visoko performansni

Lageri
Neki turbo punjači koriste bolje lagere umesto umesto lagera u tečnosti kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obični lageri – to super precizno napravljeni lageri, a materijali od kojih se prave su posebne legure koje mogu da izdrže velike brzine i temperature koje proizvodi turbina. Oni omogućavaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoć korišćenja tečnosti umesto lagera koji se koriste u većini turbo punjača. Oni takođe omogućavaju korišćenje manjih i lakših osovina što opet pomaže turbo punjaču da se brže pokrene i time dodatno smanji turbo lag.

Lageri

Keramičke lopatice na turbinama
Keramičke lopatice na turbinama su lakše nego one od čelika koje se najčešće koriste na turbo punjačima. Naravno ovo opet omogućava brži start turbine što opet umanjuje lag. Lopatice od keramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitcubishi Lanceru EVO.

Interkuleri
Kada je vazduh kompresovan (po zakonima termodinamike) on se greje, a kada se vazduh greje on se širi. Tako jedan deo od povećanja pritiska turbo pujnača je rezultat zagrevanja vazduha pre nego on uđe u motor. Da bi se povećala snaga motora, cilj je povećati broj molekula vazduha u motor, a ne neophodno povećati pritisak vazduha. Interkuler je dodatna komponenta sistema koja liči na hladnjak, samo što vazduh prolazi kako kroz interkuler tako i oko njega. Vazduh koji treba da uđe u motor prolazi kroz interkuler i time se hladi, dok se spoljašnji vazduh pomoću ventilatora duva preko interkulera. Interkuler povećava snagu automobila tako što hladi vazduh pod pritiskom koji izlazi iz turbine pre nego što uđe u motor. To znači da turbo punjač koji radi na 0,5 bar pritiska uz pomoć interkulera ubacuje hladan vazduh na 0,5 koji sadrži daleko više molekula vazduha obzirom da hladniji vazduh je gušći nego topliji.

Interkuler

Dvostruki (Twin) Turbo – Paralelni ili sekvencijalni?

Korišćenje duplih turbo punjača je pitanje željene efikasnosti i mogućnosti da se oni negde fizički i postave. Za veće motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbo punjača umesto jednog velikog – kao što je to Porše radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora takođe je poželjno koristiti dupli turbo zato što jedan turbo opslužuje jednu stranu motora i time se skraćuje dužina creva turbo punjača što umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turbo imaju takav sistem koji izduvne gasove sa jedne turbine vode ka drugoj turbini i to je takozvani koncept “povratne sprege” koja obezbeđuje balansirani dovod snage u obe strane motora. Motori koji imaju paralelni dupli turbo su motori koji imaju po jednu turbinu za svaku stranu motora. S druge strane sekvencijalni dupli turbo je dizajniran da ubrza odgovor turbine i dodatno umanji lag. Takav sistem radi kako mu ime kaže sekvencijalno tj. na malom broju obrtaja radi mala turbina, a veća nije aktivna i time se postiže brz odgovor na srednjem broju obrtaja. Kada se količina izduvnih gasova dovoljno poveća uključuje se i druga turbina koja na dodatno povećava pritisak. Ono što je mana kod sekvencijalnih duplih turboa je velika količina creva koja je potrebna da bi sistem radio (izduvni gasovi moraju da dopru do obe turbine posebno kao i izlazi iz obe turbine moraju doći do usisnih grana motora) i samim tim je u poslednje vreme napuštena tehnika od strane proizvođača. Auotomobili koji koriste ovakav sistem turbina su Porše 959, Mazda RX7 treće generacije, Tojota Supra i Subaru Legasi.

Sekvencijalni twin turbo – motor Mazde RX7

Paralelni twin turbo – motor Toyote Supre

Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo – LPT)
Poslednjih nekoliko godina je ovo veoma popularan način korišćenja turbina. Saab kao pionir u ovoj oblasti je prvi put iskoristio LPT u masovnoj proizvodnji 1992. godine kada je prikazao, tada, novi model Saab 9000 2,3l Turbo Ecopower. Taj motor je imao samo 170KS, tj. 20KS više u odnosu na identiačan motor bez turbo punjača, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvođači želeli što veću cifru snage ili obrtnog momenta, Saab je pametno zaključio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoć malog turba motor ima solidan obrtni momenat što omogućava dobro ubrzanje, ali je daleko lakši za vožnju obzirom da je turbo lag praktično nepostojeći, a odogovor na komandu gasa kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krive obrtnog momenta produžio odnos menjača pa je time dodatno uspeo i da umanji potrošnju i svede je na manje od atmosferskog motora iste veličine.

U prošlosti, loše vozne osobine i visoka potrošnja goriva su sprečavale da se turbo punjači koriste u automobilima koji su namenjeni širokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend je potpuno drugačiji zbog potražnje za većim prostorom i komforom što je dovelo do povećanja težine automobila pa da bi se perfromanse zadržale na prethodnom nivou potrebno je više snage, a za to se ili ugrađuje veći motor ili se dodaje turbo punjač. Kada u igru uđe i cena tj. želja za što manjim troškovima svakog proizvođača turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja će u narednim godinama biti sve više izražena. Masovno korišćenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donelo veliki broj inovacija ut istovremeno smanjenje cene turbina, pa se proizvođači u poslednje vreme sve češće okreću turbo motorima. Na primer novi Opel ima 2.0 Turbo motor, a u najavi je i 1,6l Turbo. Alfa Romeo u najavi ima nekoliko motora koji koriste Turbo i Twin Turbo. VW koncern je pored 1,8 Turbo motora u gamu uvrstio i 2,0 Turbo, itd.

Takođe, dužni smo i da nabrojimo nekoliko većih proizvođača turbo punjača: Garett, KKK i IHI.