Dieselové motory bývaly pověstné svou účinností, ale byly pomalé. Ano, palivo využívali hospodárně, ale chyběla jim dynamika. Tato myšlenka se dramaticky změnila. Jaký je hlavní důvod? Popularita turbodmychadel.
Moderní vznětové motory se vyznačují výbušným točivým momentem a rychlou odezvou. Tady nejde jen o jeden detail. Důležitou roli hraje vysokotlaký systém přímého vstřikování. Turbodmychadlo je však „srdcem“, které pohání motor. Zajímavé je, že přeplňování turbodmychadlem není ojedinělou vlastností vznětových motorů. Týmy Formule 1 tuto technologii využívají již mnoho let k tomu, aby ze svých jednotek vymáčkly více koňských sil. Technologie je univerzální. Jeho použití v automobilovém průmyslu se však výrazně vyvinulo.
Mechanismus nuceného zesílení
Abyste pochopili důležitost turbodmychadla, musíte vědět, jak motor vyrábí výkon. Vzniká v důsledku spalování. Přesněji řečeno, hoří směs paliva a vzduchu. Více směsi znamená větší výkon.
Historicky toho inženýři dosáhli dvěma způsoby. Zvětšili objem válce. Přidali válce. Místo řadového čtyřválce byl instalován motor V8. Velký objem motoru. Tyto metody fungují. Ale přidávají váhu a složitost.
Existuje ještě třetí cesta. Do stávajících válců lze vtlačit více vzduchu. To je práce turbodmychadla.
Motory s přirozeným sáním se při nasávání vzduchu spoléhají na atmosférický tlak, zatímco přeplňované motory využívají k nasávání vzduchu výfukové plyny. Jde o uzavřenou smyčku účinnosti. Energie z výfuku, která by se jinak rozptýlila do atmosféry, je zachycena. Otáčí turbínou. Turbína pohání kompresor. Kompresor tlačí hustý vzduch do spalovací komory.
Postup krok za krokem
Pokud si tento proces představíte, je snadné pochopit, jak funguje. Neděje se to kouzlem. Je výsledkem specifické série fyzikálních událostí.
- Proud výfukových plynů: Horké výfukové plyny opouštějí motor a narážejí na lopatky turbíny. Tlak způsobuje, že se turbína roztočí na neuvěřitelně vysoké otáčky.
- Komprese: Turbína je spojena s kolem kompresoru přes hřídel. Jak se turbína otáčí, kompresor nasává okolní vzduch a stlačuje jej.
- Chlazení: Stlačený vzduch jej ohřívá. Horký vzduch je méně hustý. K vyřešení tohoto problému je vzduch směrován přes mezichladič (intercooler). Tím se sníží teplota. Chladnější vzduch je hustší. Vysoká hustota vzduchu znamená, že na krychlový centimetr je více molekul kyslíku.
- Zapalování: Do válce vstupuje hustý studený vzduch. Do tohoto média vstřikuje motorovou naftu pod tlakem vstřikovač. Výsledkem je silnější explozivní spalování.
“Hlavní výhodou je hustota. Chlazení stlačeného vzduchu maximalizuje množství kyslíku dostupného pro spalování, aniž by se zvětšovala velikost motoru.”
Překonání hystereze pomocí turbíny s proměnnou geometrií
Dřívější turbodmychadla měla nevýhody. Zpoždění (turbo zpoždění). Nejedná se o softwarovou závadu. To je fyzika. Při nízkých otáčkách motoru je proudění výfukových plynů slabé. Nestačí rychle roztočit turbínu. Řidič sešlápne plynový pedál. Motor váhá. Pak se náhle turbína roztočí. Síla přichází pozdě.
Inženýři tento problém vyřešili použitím turbín s proměnnou geometrií (VGT). Lopatky uvnitř skříně turbíny mohou měnit svůj úhel. Při nízkých rychlostech lopatky zužují výfukový kanál. Tím se zvyšuje rychlost plynu. Turbína se i přes malý průtok otáčí rychleji. Při vysokých rychlostech se čepele otevírají. Tím se zabrání „profouknutí“ motoru v důsledku protitlaku.
Tato technologie eliminuje mrtvou zónu mezi volnoběhem a špičkovým výkonem. Dieselové motory díky tomu reagují způsobem, jakým nikdy předtím nebyly.
Dvoustupňový přístup BMW
Někteří výrobci chtějí jít ještě dál. BMW představilo systém s dvěma turbodmychadly s variabilní geometrií v 535d. Jedná se o dvoustupňovou instalaci. Využívá dvě turbodmychadla různých velikostí.
Malá turbína se okamžitě roztočí při nízkých otáčkách. Poskytuje okamžitý točivý moment a rychlou akceleraci pro jízdu ve městě. Pracuje efektivně v rozsahu nízkých otáček, což je u velkých turbín obtížné dosáhnout.
S rostoucími otáčkami motoru a zdvihovým objemem se větší turbodmychadlo stává účinnějším. Zvládá vysoké nároky na proudění vzduchu při jízdě vysokou rychlostí. Systém plynule přepíná mezi dvěma jednotkami. Výsledkem je silný výkon v celém rozsahu otáček. Při nízkých rychlostech nedochází k žádnému zpoždění.
