Turbo punjači i Kompresori

Turbopunjači i kompresori

Turbo? Ovaj termin se pored automobilizma i energetike koristi i u ostalim područjima i često se koristi kao sinonim za nešto što je bolje, kvalitetnije, brže. U ovom tekstu objašnjavamo ta dva pristupa povećanju snage i objašnjavamo pomoćne agregate kod oba sistema.

Turbo kompresori i mehanički kompresori

Uvod
Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila spomen pojma "turbo" ih u toku proteklih desetak godina uglavnom asocira na dizel motore. Takozvana "turbo" era završila je krajem 90-tih godina i od tada pa sve do danas turbo je stvarno ono što u velikoj većini slučajeva nagovješta da je u pitanju dizel motor.

Prvo što moramo naglasiti u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo kompresor ( turbopunjač ) se najčešće naziva samo turbo, a u engleskom je naziv koji se koristi "turbocharger", dok se mehanički kompresor može još nazivati i kompresor (Mercedes koristi naziv kompressor), punjač (G punjač – VW) dok se u engleskoj literaturi mehanički kompresori nazivaju "supercharger". Postoje rotacijski krilni kompresori, Rootov kompresor, Ro-kompresor, vijčani kompresor, spiralni kompresor (G-kompresor), turbo kompresor ( turbopunjač )

Turbine se koriste u energetici, avionskoj i automobilskoj industriji i ono što ih razlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadatci različiti, ali ono što ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko načina takozvanog "prednabijanja" tj. dodatnog sabijanja više zraka nego što prirodni pritisak omogućava. Motor sagorjeva mješavinu zraka i goriva, a taj zrak ulazi u motor kroz usisnu granu motora povučen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga povećala količinom zraka koriste se načini kao što su: turbopunjači, mehanički kompresori i tzv. "Ram Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbopunjača i turbo kompresora dok ćemo princip rada "Ram Air" sistema objasniti u narednih sljedećih rečenica.

"Ram Air"

Ovaj sistem ili u slobodnom prijevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trkački automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajućih filtera) izvede direktno negde na spojni dio automobila koji je okrenut smjeru kretanja i time se povećanjem brzine automobila proporcionalno povećava pritisak zraka koji ulazi u motor. Na primjer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozača, GT automobili imaju "grbe" na haubi koje direktno "ubacuju" zrak u motor automobila, a taj pritisak je direktno srazmjeran brzini kretanja automobila.


Ferrari 575M Maranello F1 - tipičan primjer GT automobila sa "Ram Air" sistemom

Kako dobiti više snage

Četiri mogućnosti sa jednom zajedničkom osobinom

Kada se govori o načinima povećanja snage motora, zajednički cilj je, svakako, sagorjeti što više smjese goriva i zraka u jedinici vremena. Postoje, praktično, četiri fundamentalno različita načina da se to ostvari.

1. Napraviti efikasan motor tako da se što je moguće više zraka i goriva unosi u njega kroz smanjenje restrikcija usisnih i ispušnih grana, umanjujući masu koja se rotira unutar motora, povećavajući energiju koju emitira svjećica i finog podešavanja timinga rada motora. Ovo su ciljevi svih "performance" dijelova koji povećavaju snagu motora – filteri zraka, programatori paljenja, ispušni sistemi itd. Ove modifikacije su popularne zato što dodaju snagu, izgledaju dobro i zvuče dobro. Također one se mogu raditi nezavisno što je dobro za budžet. Problem ovakvih modifikacija je što donose male dobitke, a često su ti dobitci u snazi beznačajni i ne mogu se osjetiti. Današnji moderni motori su po izlasku iz tvornice prilično dobro podešeni i nisu opremljeni previše restriktivnim usisnim ili ispušnim granama koje bi umaljile potrošnju goriva. Drugim rječima, ako tražite umjerene dobitke snage, potrebno je ići dublje od ovakvih modifikacija koje za cilj imaju samo blago povećanje efikasnosti motora.

2. Motoru se može povećati snaga tako što ćete ga ubrzati tj. motor će se okretati na većem broju okretaja. Ova tehnika je efikasna kada se inzistira na zadržavanju male mase i kompaktnosti motora, a istovremeno se traži veća snaga. Naravno svi trkački automobili imaju motore koji postižu visoke brojeve okretaja. Jedina mana ovog pristupa je da ako želite omogućiti motoru da se okreće na jako visokom broju okretaja potrebni su jako kvalitetni (i skupi) dijelovi koji će moći izdržati rad u takvim uvjetima. Povećani broj okretaja značajno povećava trošenje materijala što umanjuje pouzdanost motora i smanjuje mu rok trajanja. Većina normalnih automobila ima crveno polje ("blokadu motora") između 6000-7000 okretaja baš iz tog razloga da se poveća rok trajanja motora. Okretanje motora brže nego što je predviđeno je rizik za motor.

3. Još jedan način za povećanja snage motora je veoma očigledan. Korištenje većeg motora. Veći motori mogu sagorijevati više zraka i goriva i samim tim proizvode više snage. Naravno, da je to tako jednostavno svi bi pod haubama imali V12 motore sa 6000 ccm. Povećanje motora se lako može izvesti razbušivanjem (povećanjem promjera) cilindara i stavljanjem većih klipova, ili povećanjem hoda klipa, ali takva povećanja motora su veoma ograničena obzirom da konstrukcija motora ne dozvoljava preveliko povećanje tih parametara. Da bi se motor značajno povećao potrebno je imati fizički veći motor sa više cilindara, ali on donosi veće dimenzije, veću težinu i manje efikasnost potrošnje goriva.

4. Posljednji način za povećanje snage je unošenje veće količine smjese goriva i zraka prije njenog sagorjevanja, a rezultat je snaga koja je adekvatna klasičnom motoru sa većom zapreminom. Problem sa ovom tehnikom je da nije dovoljno reći da motor treba "usisati" više smjese, pritisak je uvjetovan atmosferskim pritiskom od 1 bar na 0m nadmorske visine. Kako se visina povećava zrak postaje sve rjeđi i time motor ima sve manje snage. Tu na scenu stupaju turbo kompresori ili turbopunjači. Kompresor, kao što mu ime kaže, kompresira (stlačuje/zbija) zrak i gorivo u prostor cilindra pod pritiskom većim od atmosferskog i time praktično dobva efekt povećanja snage kao da je motor veće zapremine nego što je. Drugo mali motor zadržava sve svoje osobine – lagan, kompaktan, efikasno troši gorivo, a opet uz pomoć kompresora daje veću snagu. Dodatno se može kontrolirati kada kompresor radi tako da, ukoliko ne pritišćete pedalu gasa do poda, motor radi sa svojim normalnim performansama i što je još važnije troši jako malo goriva.

Realno postoji daleko više od gore navedenih četiri načina povećanja snage, ali ovi načini su najkonvencionalniji. Možete, na primjer, koristiti kaloričnije gorivo što je ideja vodilja sistema koji koriste Nitro Oksid – poznatiji kao NOS ili drugih Top Fuel sistema.

Zlatna turbo era

Turbopunjač izumio je švicarac Alfred Buchi 1920 godine, a prve aplikacije koristile su se u vlakovima te nešto kasnije u avionima.

Turbopunjači su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putničkim automobilima ranih 1960-tih godina. Model je bio Chevrolet Corvair kojeg je proizvodio General Motors - GM. Automobil je imao lošu reputaciju zbog toga što je imao jako loše performanse pri malim brzinama, a ogroman turbo lag je onemogućavao normalnu vožnju.

Turbo lag je ono što je automobilskoj industriji radilo velike probleme i sprječavalo da se automobili koji su u to doba koristili turbopunjač proglase praktičnima. Turbopunjači su se u to doba obilato koristili u auto sportu - počevši od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do "endurance" utrka i na kraju same Formule 1. Međutim vozači trkačkih automobila su uspjevali su se izboriti sa prilično neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo rješenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozača. Turbine iz tog doba su bile vrlo velike i teške pa su samim time bile veoma inertne (trome). Takve turbine se nisu mogle zavrtjeti ispod 3500 okretaja, pa je opseg rada motora do 3500 okretaja bio vrlo slab obzirom da je u to doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi se izbjeglo pregrjevanje glave cilindara.

Porsche je pionir kada se govori o relativno praktičnim turbo automobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji je koristio rješenje do kojega su došli Porscheovi inženjeri. Mehanizam se zasnivao na tome da se koriste takozvana "recirkulacija" crijeva koja su omogućavala turbini da se zavrti prije početka rada pa se time smanjivao lag. Model iz 1978. Porsche 911 Turbo 3.3 koji je nasljedio model 3.0 turbo je unio još jedan novitet – intercooler (hladnjak stlačenog zraka) koji je dodatno umanjio lag i doprinjeo povećanju snage motora.

Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbopunjača je evoluirala u pravcu kultiviranijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbopunjačima koristi još jedan sistem smanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbopunjači koristili su primitivna mehanička rješenja sa wastegate ventilom kako bi izbjegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i početkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogućena fina kontrola pritiska turbine pa je s tim sistemom omogućeno da, na primjer, turbo isporučuje 1,4 bar ispod 3000 okretaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 okretaja, a 1,8 bar iznad 4500 okretaja. Takvom finom kontrolom je postignut linearan rast snage što je doprinjelo normalnom osjećaju u vožnji automobila sa turbopunjačem.

Kako radi turbopunjač?


Turbopunjač/turbo kompresor

Turbopunjači su jedan od nekoliko sistema za dodatan unos zraka u motor tj. one kompresuju (smanjuju zapreminu) zraka koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine zraka koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljava motoru da ima više zraka u cilindru, a samim tim više goriva treba da bi se napravila odgovarajuća smjesa. Samim time, dobiva se više snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbopunjačem po definiciji proizvodi više snage od motora koji nema turbopunjač, a to značajno poboljšava odnos snaga / težina motora.


Presjek motora sa turbopunjačem
Air filter - filter zraka, Turbocharger - turbopunjač, Intake - usisna grana, Exhaust - ispušna grana

Da bi turbopunjači postigli odgovarajuću kompresiju, turbopunjač koristi ispušne plinove motora da bi zavrtio svoju turbinu koja opet ubrzava unos zraka. Turbina turbopunjača obično se vrti od 100 do 150 tisuća okretaja u minuti, a kako je direktno povezana na ispušnu granu motora temperature na kojima turbina radi vrlo su visoke.

Osnove:

Najlakši način da dobijete više snage iz motora je da povećate količinu zraka i goriva koje motor može sagorijeti. Jedan od načina je da se poveća zapremina bilo povećanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj način nije moguć ili isplativ, turbopunjač je jednostavnije i kompaktnije rješenje.

Turbopunjači omogućavaju motoru da sagori više goriva i zraka tako što u postojeću zapreminu motora sabijanjem ubacuje više goriva i zraka. Mjera 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 zraka (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomoću turba dobijete 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. Dio neefikasnosti potiče od toga što zrak koji pokreće turbinu nije „besplatan“, tj. zrak koji turbina posuđuje iz ispušne grane motora ima svoju cijenu. Cijena je da motor mora uložiti više energije da izbaci zrak s obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj ispušni plin mora savladati.

Turbine na visini

Turbopunjači pomažu na velikim visinama gdje je zrak dodatno razrijeđen. Normalni motori će na takvom razrijeđenom zraku imati manje snage na raspolaganju zato što će manje zraka biti u cilindru, dok se kod motora sa turbopunjačem ta razlika bitno smanjuje (i dalje postoji pad snage, samo je manji) zato što će turbina iako je zrak rjeđi ugurati daleko više tog rjeđeg zraka zato što je on lakši pa će time malo kompenzirati gubitak gustoće zraka.

Stariji automobili sa karburatorom automatski povećavaju dotok goriva da bi parirali većem dotoku zraka u motor, dok moderni automobili sa elektronskim ubrizgavanjem goriva također to rade, ali će to povećanje dotoka goriva biti srazmjerno podatku koji šalje mjerač protoka zraka (MAP/MAF senzori) koji mjeri kao što mu i ime kaže koliko je zraka ušlo u motor pa će odnos zraka i goriva kod takvih motora biti uvijek jako blizu idealnom. Ukoliko turbina radi na visokom pritisku i elektronsko ubrizgavanje nema dovoljno jaku pumpu koja može dopremiti potrebnu količinu goriva u cilindre ili softver koji upravlja ubrizgavanjem goriva neće dozvoliti toliku količinu goriva ili brizgaljke za unos goriva u cilindar nemaju dovoljno veliku protočnu moć motor neće moći maksimalno iskoristiti turbopunjač pa će se ostali dijelovi sistema za ubrizgavanje goriva morati dodatno modificirati da iskoriste pun potencijal turbopunjača.

Način rada turbopunjača

Turbopunjač je pričvršćen na ispušnu granu motora, a ti ispušni plinovi okreću turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi između filtera za zrak i usisne grane motora i taj kompresor tlači zrak koji se ubacuje u cilindre. Ispuh iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okreću samu turbinu i što više zraka prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okreće. Sa druge strane osovine na koju je prikvačena turbina nalazi se kompresor koji pumpa zrak u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlači zrak u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okreće. Da bi izdržala 150000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pričvršćena vrlo pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja vjerovatno eksplodirala pa tako turbopunjači koriste ulje koje je u vrlo tankom sloju između ležaja (lagera) i osovine i pomoću kojeg se kuglagerima po kojima se osovina kreće samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge dijelove turbopunjača.


Izgled turbopunjača
S lijeve strane je kompresor koji tlači zrak, a s desne strane je turbina koja pomoću ispušnih plinova pokreće kompresor pomoću osovine koja ih povezuje.


Način rada turbopunjača


Pera impelera (elisa) na turbini

Problemi koji se javljaju kod turbopunjača...

1.Previše pritiska

Kada se zrak tlači u cilindre pod pritiskom koji radi turbopunjač koje zatim klip dodatno tlači, postoji povećana opasnost od samozapaljivanja smjese. Samozapaljivanje smjese se pojavljuje kada se pomiješani zrak i gorivo stlače preko kritične točke čime dolazi do detonacije u cilindru iako svjećica nije zapalila smjesu što može oštetiti motor. Automobili sa turbopunjačima obično koriste visoko oktanska goriva (koja imaju veću otpornost samozapaljenju) da bi izbjegli ovaj problem. Problem se također može riješiti smanjenjem kompresije motora što naravno dovodi i do smanjenja snage motora.

2. Turbo Lag

Jedan od najlakše uočljivih problema turbopunjača je da oni ne rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, nego je potrebno da motor osigura odgovarajuću količinu plinova, a onda je potrebno još nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi počela sa radom, a rezultat je da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritisku na pedalu gasa. Jedan od načina za smanjenje ovog efekta (lag = zadrška) je da se smanji inertnost pokretnih dijelova, tj. smanjenje njihove težine. Ovo omogućava turbini i kompresoru zraka da se brzo zavrte i počnu ranije sa povećanjem snage motora.

3. Mali ili veliki turbopunjač?

Siguran način za smanjenje inertnosti turbine i kompresora zraka je da se turbopunjač napravi što manji. Mali turbopunjač će daleko brže osigurati pritisak i na manjem broju okretaja motora, ali neće biti sposoban da osigura dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike količine zraka da bi zadržao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da se mala turbina na visokom broju okretaja motora može prebrzo okretati što može dovesti do njenog oštećenja.
Veliki turbopunjač može osigurati visoki pritisak na visokom broju okretaja motora, ali je on težak i inertan te mu je potrebno više vremena da ubrza svoju tešku turbinu i kompresor zraka.

... i njihova rješenja

1. Ventil za ispuštanje viška zraka (wastegate)
Velika većina automobilskih turbopunjača imaju ventil za ispuštanje viška zraka koji omogućava manjim turbopunjačima da se ne vrte previše brzo na visokom broju okretaja, a istovremeno time što su mali smanjuju lag. Ventil za ispuštanje viška zraka omogućava ispušnim plinovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil "osjeća" promjenu pritiska i ako pritisak prijeđe određenu granicu to je indikator da se turbina okreće prebrzo i tada ventil ispušta dio ispušnih plinova tako da ne prelaze preko turbine i time omogućava turbini da uspori okretaje.


Wastegate ventil


"Performance" wastegate ventil

2. Ventil za ispuštanje viška zraka (Blowoff valve/ BOV, ponegdje i hooter valve, dump valve)

Služi da bi ispustio pritisak u usisnoj grani, te da ne zaustavi (do kraja) vrtnju turbine nakon otpustanja gasa. S obzirom sa se turbina ne moze u trenu zaustaviti kada se otpustio pedala gasa, ona nastavlja nabijati (doduse slabije) zrak i tada se taj isti odbija od zatvorenog leptira i puše u ispusne lopatice turbine, što ih naglo usporava. Događaju se dvije stvari:

1. "Krepa" turbina jer se doslovce odlomi komadic lopatice ili cak krepa lager (uljna karika).

2. Uspori se vrtnja pa kad ponovno pritisnete pedalu gasa, cekate određeno vrijeme da se opet nabije tlak. To pogotovo ima utjecaja kod većih turbina.
Postoji više vrsta blowoff ventila, od potpuno otvorenih, do recirkulirajućih, a najbolji su recirkulirajući jer se masa zraka ne ispušta van već se vrti u krug kroz turbinu i drzi je u okretajima do slijedećeg prebacivanja brzine.


Blowoff ventil

Ležajevi

Neki turbopunjači koriste bolje ležajeve umjesto ležajeva u tekućini kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obični ležajevi, to super precizno napravljeni ležajevi, a materijali od kojih se proizvode su posebne legure koje mogu izdržati velike brzine i temperature koje proizvodi turbina. Oni omogućavaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoć korišćenja tekućina umesto ležaja koji se koriste u većini turbopunjača. Oni također omogućavaju korištenje manjih i lakših osovina što opet pomaže turbopunjaču da se brže pokrene i time dodatno smanji turbo lag.


Lezajevi

Keramičke lopatice na turbinama

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

Intercooleri (hladnjaci stlačenog zraka)

Kada je zrak sabijen (po zakonima termodinamike) on se grije, a kada se zrak grije on se širi. Tako jedan dio od povećanja pritiska turbopunjača je rezultat zagrijavanja zraka prije nego što uđe u motor. Da bi se povećala snaga motora, cilj je povećati broj molekula zraka u motoru, a ne neophodno povećati pritisak zraka. Intercooler je dodatna komponenta sistema koja nalikuje na hladnjak, samo što zrak prolazi kako kroz intercooler tako i oko njega. Zrak koji treba ući u motor prolazi kroz intercooler i time se hladi, dok se vanjski zrak pomoću ventilatora "puše" preko intercoolera. Intercooler povećava snagu automobila tako što hladi zrak pod pritiskom koji izlazi iz turbine prije nego što uđe u motor. To znači da turbopunjač koji radi na 0,5 bar pritiska uz pomoć interkulera ubacuje hladan zrak na 0,5 koji sadrži daleko više molekula zraka obzirom da hladniji zrak je gušći nego topliji.


Intercooler

Dvostruki (Twin) Turbo – Paralelni ili sekvencijalni?

Korištenje duplih turbopunjača je pitanje željene efikasnosti i mogućnosti da se oni negdje fizički i postave. Za veće motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbopunjača umjesto jednog velikog – kao što je to Porsche radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora također je poželjno koristiti dupli turbo zato što jedan turbo opslužuje jednu stranu motora i time se skraćuje dužina crijeva turbopunjača što umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turbo imaju takav sistem koji ispušne plinove sa jedne turbine vode prema drugoj turbini i to je takozvani koncept “povratne povezanosti” koja osigurava balansirani dovod snage u obje 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 samo ime govori, sekvencijalno tj. na malom broju okretaja radi mala turbina, a veća nije aktivna i time se postiže brz odgovor na srednjem broju okretaja. Kada se količina ispušnih plinova dovoljno poveća uključuje se i druga turbina koja dodatno povećava pritisak. Ono što je mana kod sekvencijalnih duplih turbopunjača je velika količina crijeva koja je potrebna da bi sistem radio (ispušni plinovi moraju doći do obje turbine posebno kao što i izlazi iz obje turbine moraju doći do usisnih grana motora) i samim tim je u posljednje vrijeme napuštena ta vrsta prednabijanja od strane proizvođača automobila, osim inovativnog BMW-a koji u novom BMW-u 335i to koristi. Automobili koji koriste ovakav sistem turbina su Porsche 959, Mazda RX-7 treće generacije, Toyota Supra, Nissan Skyline GT-R, Subaru Legacy, Mitsubishi 3000GT i još neki.


Sekvencijalni twin turbo - motor Mazde RX7


Paralelni twin turbo - motor Toyote Supre

Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT)

Posljednjih nekoliko godina ovo je vrlo popularan način korištenja turbina. Saab kao pionir u ovoj klasi 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 identičan motor bez turbopunjača, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvođači željeli što veću snagu ili okretni moment, Saab je pametno zaključio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoć malog turba motor ima solidan okretni momenat što omogućava dobro ubrzanje, ali je daleko lakši za vožnju obzirom da je turbo lag praktično nepostojeći, a odogovor na reakciju gasa je kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krivuljee okretnog momenta produžio odnos mjenjača pa je time dodatno uspio i smanjiti potrošnju goriva i svesti je na manju od atmosferskog motora iste veličine.

Turbopunjač promjenjive geometrije

Postoji više naziva za turbopunjač promjenjive geometrije, a to su VNT (Variable Nozzle Turbine), VTG (Variable Turbine Geometry), VGT (Variable Geometry Turbo), VVT (Variable Vane Turbine) i VATN Variable Area Turbine Nozzle. Zakretanjem statorskih lopatica mijenja se smjer ulaza plinova u rotor turbine i kompenzira promjena obodne brzine rotora. Tako se u cijelom radnom području postiže najpovoljniji kut ustrujavanja plinova i učinkovitost turbopunjača. Zakretanjem lopatica sprečava se i lokalno probijanje zvučnog zida na vrhu lopatica rotora. Naime, kad je relativna brzina na ulazu u rotor velika, tada ona na profilu lopatice može doseći brzinu zvuka. Tada nastaje nepravilno vrtloženje i zagušenje na ulazu u rotor. Lopatice se zakreću polužnim mehanizmom spojenim na membranski sklop, koji reagira na porast tlaka plinova na izlasku iz kompresora. Sve to omogućuje gotovo neprimjetan turbo lag i visoku učinkovitost u višim okretajima motora. Prvi automobil sa VNT turbopunjačem bio je Shelby CSX-VNT, a proizvođač je bio Garrett. Proizvodili su se i Dodge Shadow te Dodge Daytona sa VNT turbopunjačima, no Chrysler je prekinuo proizvodnju zbog većih zahtjeva za V6 motorima u tim automobilima. VGT turbopunjači redovito se koriste u automobilima sa dizel motorima, a kod benzinaca je nakon dosta vremena Porsche sa svojim novim 911 Turbo (997) napravio automobil koji ima VNT turbopunjače. Proizvođači su izbjegavali ugradnju VNT turbopunjača u benzinske motore zbog visokog broja okretaja motora te zbog puno većih temperatura ispušnih plinova. Novi Porsche 911 (997) Turbo koristi dva BorgWarner-ov VGT turbopunjača.


U prošlosti, loše vozne osobine i visoka potrošnja goriva su sprječavale da se turbopunjači 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 turbopunjač. Kada u igru uđe i cijena tj. želja za što manjim troškovima svakog proizvođača turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja će idućih godina biti sve više izražena. Masovno korištenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donijelo veliki broj inovacija uz istovremeno smanjenje cijene turbina, pa se proizvođači u posljednje vrijeme sve češće okreću turbo motorima. Na primjer novi Opeli ima 2.0 i 2.8 turbo motore, a u novi i 1,6 litarski turbo motor će koristiti Opell Corsa OPC. 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.

Također, dužni smo nabrojati nekoliko većih proizvođača turbopunjača: Garrett, BorgWarner, Holset, Kühnle, Kopp & Kausch (KKK) i Ishikawajima Harima Heavy Industries (IHI) i razni drugi.

Mehanički kompresori

Kratka povijest mehaničkih kompresora

Ukoliko se pitate tko je napravio prvi kompresor, odgovor je Gottlieb Daimler (da, da, Daimler-Benz, u novije vrijeme poznatije i kao Daimler-Chrysler). Ovaj Njemački inženjer je patentirao pumpu koja je omogućavala povećanu kompresiju smjese unutar komore cilindara. Taj sistem nije nazvao "turbopunjač", ali ono što je opisao u dokumentu je opis rođenja prvog automobilskog kompresora. Gottlieb je svoj automobilski kompresor dizajnirao po ugledu na dvo-rotorni industrijskoj "zračnoj pumpi" koja je izmišljena i patentirana 40 godina ranije od strane Francis Roots iz Indiane, SAD 1860. godine. Isti princip koristi se i danas, a odmah zatim je i Njemački inženjer Heinrich Krigar izumio pumpu za zrak pomoću koje se i danas koristi u tzv. Lysholm kompresorima. Ubrzo nakon toga kompresori su poronašli veliku primjenu tokom I svjetskog rata u avionskim motorima, a poslije rata Mercedes 1921. godine postiže veliki uspjeh time što počinje serijsku proizvodnju automobila koji ima motor sa mehaničkim kompresorom. Na trkačkoj sceni, automobili koji su koristili kompresore su imali mnogo uspjeha. 1924. godine kompresori su se pojavili u Indy 500, a širom svijeta trkački automobili su masovno koristili novu tehniku povećanja snage motora. Sredinom 30-tih godina prošlog tisućljeća, Robert Paxton McCulloch je osnovao McCulloch engineering koja je prva specijalizirana firma koja je proizvodila kompresore koji su se koristili na motorima u Američkim putničkim vozilima i to je trenutak u kojem turbopunjači postaju ono što su i danas. Poslije II svjetskog rata kompresori su donjeli novu živost u sportska natjecanja širom svijeta. Alfa Romeo i British Racing Motors (BRM) su koristili turbo kompresore na njihovim "Grand Prix" bolidima, a na kojima je nedugo zatim njihova upotreba i zabranjena, dok u Indy ligi takvog ograničenja nije bilo pa su automobili sa kompresorima osvojli veliki broj nagrada. 50-tih godina McCulloch je osnovao Paxton engineering kao posebnu firmu koja je preuzela razvoj kompresora na sebe i kao cilj je imala proizvodnju jeftinog kompresora koji bi se lako plasirao na širokom tržištu. Poslije potrošenih 700.000$ i dvije godine testiranja, model VS57 kompresora je bio spreman da se predstavi javnosti i to 1953. godine. U početku je funkcionirao samo na Fordovim automobilma proizvedenim 1950. – 1953. godine, a 1954. su počeli sa prodajom kompleta za skoro sve komercijalne modele automobila koji su imali 6 ili 8 cilindara. Nakon velikog uspjeha tog VS57, Paxton engineering je nastavio sa proizvodnjom velikog broja novih modela.


Paxton VS 57 kompresor

Načini kompresije zraka

Roots kompresor

Roots kompresor je prvotno zamišljen kao uređaj za ventilaciju u industrijskim zgradama. Sastoji se od dvije lopatice koje se okreću u suprotnom pravcu i praktično "zgrću" zrak sa ulaza i izbacuju ga na izlaz. Ovaj kompresor je "fiksne zapremine" tj. On pokreće fiksnu količinu zraka u jedinici vremena pa je on neovisan od broja okretaja motora tj. veoma je dobar za korištenje na malom i srednjem broju okretaja što ga čini idealnim u primjeni na kamionskim i teretnim vozilima. Ovakvi kompresori su i samo-podmazujući, a uz to su i najjednostavniji konstrukcijski pa im je cijena umjerena i vrlosu pouzdani. Iz tog razloga ovakav tip kompresora koriste GM, Ford, Mercedes i Toyota. Jedina mana ovog tipa kompresora je ta da stvara velike količine topline. Jedan od razloga je što ovaj kompresor parktično samo ubrzava zrak, ali se sama kompresija odigrava u usisnoj grani motora tj. van kompresora.


Roots kompresor

Kompresor sa “dva vijka”

Ovakav kompresor sa na prvi pogled ne razlikuje previše od Roots kompresora, kako izvana tako i iznutra. Ova dva pristupa jesu slična, međutim postoje i značajne razlike. Centralni dio ovog kompresora su dva rotora tj. “vijka” koji se okreću jedan prema drugom i tako uvlače zrak sa ulaza u kompresor, a okretanjem vijaka se zrak pomiče pri njegovom izlazu i istovremeno se stlačuje. U ovom slučaju kompresija zraka se odigrava unutar samog kompresora pa ovakav dizajn stvara manje topline od Roots kompresora, a on još bolje funkcionira na malom i srednjem broju okretaja pa se i ovaj kompresor koristi kod kamionskih i drugih teretnih vozila. Za razliku od Roots kompresora gdje se lopatice dodiruju kod ovog tipa kompresora nema fizičkog kontakta između dijelova tj. vijaka pa je samim tim i nepostojeće trošenje bilo kojeg elementa. Samim tim i pouzdanost ovog tipa je vrlo velika. Jedina mana ovog dizajna je da ovaj kompresor radi uvijek (i kretanje na leru ili kočenje) pa u tim trenutcima on praktično koristi snagu motora i smanjuje je da bi zrak koji je stlačen bio izbačen pomoću ventila koji zaobilazi usisnu granu.


Kompresor sa "dva vijka".


Način rada kompresora sa "dva vijka".


Centrifugalni kompresor




Turbo kompresor sa impelerom

Iako je ovaj tip kompresora zasnovan na mnogo novijoj tehnologiji nego prethodna dva, ovo je prvi uspješno primjenjen kompresor u automobilskoj industriji. Nasuprot prethodnim kompresorima ovaj nema “fiksnu zapreminu” tj. ne pokreće istu količinu zraka u jedinici vremena. On funkcionira kao veoma brzi propeler (elisa) tj. impeler (propeler koji ima obratnu funkciju) usisavajući zrak u sredinu kompresora, a izbacujući ga po vanjskom kružnom dijelu impelera koji se okreće na velikim brzinama (preko 40000 okretaja u minuti). Zrak pod centrifugalnom silom kreće se po obodu elisa impelera sve do vanjskog kružnog dijela (oboda) gde se taj zrak usmjerava prema izlazu, a pri tome pomoću venturijeve cijevi stlačuje se zrak. Zrak se dalje kreće prema izlazu duž ljevka koji se sužava i time smanjuje brzinu zraka i dodatno povećeva pritisak. Ovaj dizajn ima nekoliko vrlo bitnih osobina. Vrlo je jednostavan i samim tim pouzdan, zatim proizvodi jako malo topline zato što se kompresija odigrava unutar kompresora, a istovremeno je veoma kompaktan i svestran zbog toga što se može “otkačiti” i time dozvoliti da motor direktno kroz kompresor usisava zrak bez rada kompresora. Također je vrlo termalno efikasan, tj. proizvodi kompresirani zrak koji ima najnižu temperaturu od sva tri predstavljena dizajna. Jedina mana je što je potrebna velika brzina impelera da bi kompresor počeo sa proizvodnjom dovoljno kompresiranog zraka, pa je veoma neefikasan na malom broju okretaja, ali mu efikasnost raste sa brojem okretaja. Ovakvi kompresori nisu samo-podmazjući već je potrebno da se priključe na sistem za protok ulja iz motora, premda neki proizvođači poizvode ovakve kompresore koji imaju mogućnost samo-podmazivanja.


Izgled impelera

G punjač (G-Lader) - Nastanak i razvoj

S obzirom da su Vokswagen-ovi modeli Polo G40, Golf 2 G60 kao i Corrado G60 bili veoma popularni i svojevrsne ikone sa početka 90-tih, evo kratkog opisa kako G-punjač radi.

U vrijeme kad je u modi svih proizvođača automobila bila ugradnja turbopunjača, vodeći čovjek tadašnjeg Volkswagenovog odjela za razvoj, preuzeo je osnovnu ideju punjaču u obliku zavojnice popularno zvanu G-Lader (scroll-type supercharger) koji je izumio Franzose Léon Creux u Francuskoj 1905. godine za potrebe avio-industrije. Vidio je mogućnosti koje nudi ovakav punjač u odnosu na tadašenju alternativu - turbopunjačima. Prvi pokušaji s spiralnim punjačem obećavali su riješenja postavljenih zahtjeva šefova iz VW-a: spontan odaziv u donjem dijelu okretaja, snaga raspoloživa duž cijelog područja okretaja, smanjena buka, idealno za masovnu proizvodnju, upotrebljivo za različite koncepte motora.

1987. godine, počinje maloserijska proizvodnja motora s G-punjačem u VW Polo GT G40 sa snagom od 115 KS. Naziv G40 je nastao od oblika i jer dužina zavojnice u "ubrzavajućem pužu" (nalik na G) ima i širinu u radnom dijelu punjača, koja iznosi 40 mm.

1988. godine slijedi ugradnja G60 punjača sa većim "ubrzavajućim pužem" (60 mm široko radno područje) u VW Corrado 1,8 sa 160 KS. U istoj godini je proizveden i VW Golf Rallye s G60 motorm i pogonom na sve kotače, u otprilike 5000 primjeraka, prvenstveno zbog homologacije za rally trke, ali zbog restrikcija koje su se zahtijevale na usisu, zaustavljena su službena prisustvovanja na utrkama, te je tako oslobođen prostor za Audi Quattro. 1989. godine G60 se ugrađuje u VW Passat GT Syncro, a godinu poslije i u VW Golf GTI G60.

Najsnažniji motor pogonjen G-punjačem je proizveden od strane VW Motorsporta, 1,8 16v G60 snage 210 KS i okretnim momentom od 250 Nm pri 5000 okretaja u minuti, a isporučivan je u verzijama VW Golfa II sa petorim vratima.

I u današnje vrijeme tehnika G-punjača odolijeva zubu vremena, iako je Volkswagen već odavno prestao s njegovom proizvodnjom. Glavni razlozi za to su relativno visoki troškovi proizvodnje i ne tako zanemarujuća mogućnost kvarova (snaga vozila se često precjenjivala od strane vozača). Ono što je još zanimljivo je da G punjač prati prilično loša reputacija kao kvarljivog uređaja, a kako Njemačkie VW web stranice kažu krivac je loše zamišljena osovina oko koje se okreće remen za pokretanje punjača i preporučuju ugradnju druge koja riješava doslovno sve probleme.

G punjač - Tehnički podatci

G-G60 je mehanički pogonjen punjač (kompresor) koji je ime dobio po obliku slova G, a 60 označava širinu spiralnih propelera izraženih u milimetrima. U spiralnom kompresoru, usisani zrak iz motora prolazi kroz kučište, nalik pužu, gdje se sabija do 0,7 bara. Ovaj kompresor, koji sam troši i do 18 KS, pogonjen je zupčastim remenom. Velika prednost mu je snaga duž svih brojeva okretaja. A slabosti? Kada motor dosegne 5800 o/min, mala spirala u kompresoru se vrti na 11000 okr/min, te je to granično područje na kojem počinju kritične vibracije u kompresoru te to može biti kobno za cijeli motor. Inače, za G60 motore, najveći okretni moment je na 5600 okretaja u minuti. Postojao je manji G-Lader, zvan G40 i veći zvan G60.


Izgled G punjača

Turbo kompresor i mehanički kompresor u zajedničkom radu

Da, postoji i takva varijanta, a znalcima će prvo pasti na pamet Lancia Delta S4. Mehanički kompresor radi na niskim okretajima motora, a turbo kompresor na višim. U primjeni je i kod novog Golfa V GT, a u Volkswagenu to nazivaju Twinchargerom. Iz 1.4 motora mehanički kompresor i turbo kompresor "izvlače" 170 KS i 240 Nm okretnog momenta. Omogučavajući veću snagu uz male gubitke mehanički kompresor radi na niskim okretajima motora sve do trenutka kada ispušni plinovi budu dovoljni da pokrenu turbopunjač koji proizvodi bolje rezultate na višim okretajima, dok se mehanički kompresor u tom trenutku putem elektro-magnetnog kvačila odvaja sa radilice kako ne bi proizvodio gubitke snage, a elektronski kontrolirani ventil preusmjerava sav zrak u turbopunjač. Motor ovisno o broja okretaja može snagu razvijati uz pomoć jednog ili oba uređaja. U režimu do 2400 okretaja snagu osigurava mehanički kompresor, a u sljedećem režimu se uključuje i turbopunjač, koji zajedno sa mehaničkim kompresorom radi sve do 3500 okretaja kada isključuje mehanički kompresor sa radilice, a u režimu do 7000 okretaja turbopunjač osigurava dodatni pritisak punjenja.


Prikaz rada Twinchargera


Turbo kompresor ili mehanički kompresor

To je jedno od češćih pitanja i koja, na žalost, nemaju jednostavan odgovor. Točnije odgovor je jednostavan, ali on glasi: "ovisi". Ovaj dio teksta će navesti prednosti i mane turbo kompresora i mehaničkih kompresora i pomoći Vam da sagledate u kojim slučajevima je bolje primijeniti odgovarajući sistem.


Lag

Nedostatak laga je jedna od najvećih prednosti mehaničkih kompresora u odnosu na turbo kompresore. Turbo kompresori su pogonjeni ispušnim plinovima pa se zbog toga pojavljuje ta zadrška dok se impeler ne zavrti do brzine koja omogućava odgovarajuću kompresiju zraka. Mehanički kompresori se pogone remenom koji je sa druge strane prikvačen na radilicu i time praktično rade od najmanjeg broja okretaja.

Efikasnost

Ovo je najveća prednost turbo kompresora. Turbo kompresori su u principu ekonomičniji zato što se pokreću pomoću ispušnih plinova koji su da kažemo, besplatni tj. ne služe ničemu, dok mehanički kompresor koristi snagu radilice i time umanjuje snagu koja je dostupna za pokretanje automobila. Turbopunjači ipak nisu potpuno efikasni zato što okretanje lopatica turbine proizvodi podpritisak na ispušnoj grani tako da motor ima određni otpor kada izbacuje ispušne plinove.

Toplina

Kako je turbopunjač montiran na ispušnu granu koja je uvijek vrlo topla time se samo kućište turbine grije, a time se dodatno zrak koji turbo sabija dodatno grije što negativno utječe na gustoću sabijenog zraka pa se često koristi intercooler kako bi se taj zrak ohladio, a time se komplicira instalacija sistema. Kod mehaničkih kompresora centrifugalni kompresor generira vrlo hladan sabijeni zrak, pa ne postoji potreba za montiranjem intercoolera za pritiske ispod 0,8 bar-a, dok u slučaju korištenja Roots kompresora sabijeni zrak ima daleko veću temperaturu pa je potrebno koristiti intercooler i pri malim pritiscima.

Udar snage

Kako turbopunjači imaju zadršku (lag) postoji tkz. udar snage kada se wastegate zatvori tj. kada turbopunjač "prestane" sa radom. Ovaj udar je vrlo štetan za automobil, a posebno za nosače motora, ovjes i sistem za upravljanje i može učiniti automobil teško upravljivim.

Povratni pritisak

Turbopunjači svojom montažom na ispušnoj grani proizvode parazitski povratni pritisak u samoj grani i time motor troši više energije da bi izbacio ispušne plinove za onoliko koliko je potrebno da se taj parazitski pritisak savlada. Taj pritisak smanjuje efikasnost turbopunjača.

Pouzdanost

Mehanički kompresori su, generalno, daleko pouzdaniji od turbopunjača. Kada se automobil (i motor) ugasi topli motor i ispušna grana mogu visokom temperaturom oštetiti ulje koje je unutar turbopunjača koje podmazuje ležajeve. Dodatno, veliki broj okretaja turbine (do 150000 okretaja u minuti) može dovesti do problema sa ležajevima u turbini time skratiti životni vijek turbopunjača.

Maksimalna snaga

Turbopunjači su slavu stekli zato što imaju mogućnost da se okreću vrlo brzo i time proizvode fantastično visoke pritiske sabijanja (preko 2 bar-a) i time naravno rade daleko više snage nego mehanički kompresori.

Mogućnost poboljšanja performansi samih turbopunjača/mehaničkih kompresora - tuning

Mehanički kompresori, nisu previše pogodni za dodatni tuning nakon ugradnje, te omogućuju samo manje "intervencije" na sistemima za ubrizgavanje goriva i paljenje, te podizanje pritiska sabijanja. Na turbopunjačima se također ne može ići u nedogled sa podizanjem pritiska sabijanja zraka, ali se proizvode tkz. hibridni turbopunjači (hybrid turbochargers). Oni omogućuju gotovo trenutnu reakciju bez lag-a, te više pritiska na višim okretajima motora. Izvana su identični normalnim turbopunjačima, dok se promjene dovijaju iznutra, počevši od drugačije aerodinamičke konfiguracije u dijelu kompresorskog i turbinskog kućišta, do materijala koji su upotrijebljeni u izradi te preciznosti izrade takvog turbopunjača.