Turbodmychadlo

Jména

První konstruktéři turbodmychadel je nazývali "turbodmychadla". Přeplňování je vzduchový kompresor, který slouží k vhánění vzduchu do motoru. Domnívali se, že přidáním turbíny k otáčení turbodmychadla vznikne "turbodmychadlo". Brzy se tento termín zkrátil na "turbodmychadlo". To nyní může způsobovat určité zmatky. Termín "turbodmychadlo" se někdy používá pro označení motoru, který používá jak turbodmychadlo poháněné klikovým hřídelem, tak turbodmychadlo poháněné výfukovými plyny. Tomu se také říká dvojité přeplňování.

Některé společnosti, jako například Teledyne Continental Motors, stále používají termín turbosupercharger pro označení svých turbodmychadel.

 

Operace

Motor vytváří výkon spalováním směsi vzduchu a paliva. Vzduch a palivo se přivádějí do válců, kde se spalují. Když hoří, tlačí píst dolů. Píst otáčí klikovým hřídelem a vytváří výkon. U automobilových motorů se měří výkon v koňských silách.

Motory s přirozeným vstřikováním (s normálním vstřikováním)

Motor, který nepoužívá turbodmychadlo nebo přeplňování, se nazývá motor s přirozeným nebo normálním sáním. Obvykle se při uvádění specifikací motoru uvádí poznámka pouze v případě, že motor používá turbodmychadlo nebo přeplňování. Většina automobilových motorů je přirozeně nasávaná. Jejich výkon je omezen množstvím vzduchu, které mohou písty vtáhnout do válců.

Přeplňované motory

Turbodmychadlo je malé čerpadlo s ventilátorem, které se otáčí kolem hřídele. Čerpadlo je poháněno tlakem výfukových plynů. Turbodmychadlo se skládá z turbíny a kompresoru. Obě jsou namontovány na stejné hřídeli. Turbína je tepelný motor. Převádí teplo a tlak výfukových plynů na otáčky. Tato rotace se používá k otáčení kompresoru. Kompresor nasává venkovní vzduch. Stlačuje nebo komprimuje vzduch. Poté posílá vzduch do motoru. Protože se zvýšil tlak vzduchu, může se do válců dostat více vzduchu a paliva. Někdy se tomu říká zvýšený tlak.Díky většímu množství paliva, které lze spálit, může motor vyvinout větší výkon. Tím se zvýší výkon motoru.

Poškození motoru

Pokud je tlak vzduchu ve válcích příliš vysoký, může dojít k poškození motoru. Pokud je do turbíny posíláno příliš mnoho výfukových plynů, může kompresor vytvořit příliš vysoký tlak. Aby k tomu nedocházelo, používá se wastegate. Zpětná klapka omezí množství výfukových plynů posílaných do turbíny.

 

Historie

Turbodmychadlo vynalezl švýcarský inženýr Alfred Büchi. Jeho patent byl přihlášen k použití v roce 1905. Dieselové lodě a lokomotivy s turbodmychadly se začaly objevovat ve 20. letech 20. století.

Letectví

Během první světové války francouzský inženýr Auguste Rateau úspěšně montoval turbodmychadla do motorů Renault pohánějících různé francouzské stíhačky.

V roce 1918 připojil inženýr společnosti General Electric Sanford Moss k leteckému motoru Liberty turbodmychadlo. Motor byl testován na Pikes Peak v Coloradu ve výšce 4 300 m. Zkouška měla ukázat, že turbodmychadlo dokáže přidat výkon, který letadla ve velkých výškách ztrácejí. Spalovací motory ztrácejí výkon, protože ve velké výšce je nízký tlak vnějšího vzduchu. Do motoru lze nasát méně vzduchu a paliva.

Turbodmychadla byla poprvé použita v sériových leteckých motorech ve 30. letech 20. století.

Výrobní automobily

První nákladní automobil s turbodmychadlem vyrobila v roce 1938 švýcarská strojírna Saurer. První sériově vyráběné přeplňované automobilové motory pochází od společnosti General Motors z roku 1962. Oldsmobile Cutlass Jetfire byl vybaven turbodmychadlem Garrett AiResearch a Chevrolet Corvair Monza Spyder turbodmychadlem TRW.

V roce 1974 vystavila společnost Porsche na pařížském autosalonu model 911Turbo. Bylo to v době vrcholící ropné krize. Model 911Turbo byl prvním sériově vyráběným sportovním vozem s výfukovým turbodmychadlem a regulátorem tlaku. Regulátorem tlaku byl wastegate. Prvními sériově vyráběnými automobily s turbodieselem byly Mercedes 300SD s turbodmychadlem Garrett a Peugeot 604. Oba byly představeny v roce 1978. Dnes je většina automobilových dieselů přeplňována turbodmychadlem.

Závodní vozy

První úspěšný závodní motor s turbodmychadlem byl zřejmě vyroben v roce 1952. Fred Agabashian se s dieselovým speciálem Cummins kvalifikoval na pole position v závodě Indianapolis 500. Vedl po dobu 175 mil (282 km). Poté bylo turbo poškozeno úlomky pneumatik. Offenhauserovy přeplňované motory se poprvé objevily v Indianapolis v roce 1966. Jejich první vítězství přišlo v roce 1968 s turbodmychadlem Garrett AiResearch. Vozy s turbodmychadlem dominovaly závodům 24 hodin Le Mans v letech 1976-1988 a poté v letech 2000-2007.

Vůz Ferrari Turbo F1 1984 Ferrari 126C4/M2 na Festivalu rychlosti v Goodwoodu 2009. 1,5litrový přeplňovaný šestiválec, 850 k Problémy s poslechem tohoto souboru? Viz nápověda k médiím.

Formule 1 zažila v letech 1977 až 1989 "turbo éru". Motory o objemu 1500 cm3 mohly dosahovat výkonu až 1500 koní (1119 kW). V roce 1977 Renault jako první použil přeplňované motory F1. Výkony vynahradily vysoké náklady. Turbodmychadla začali vyrábět i další výrobci motorů. Přeplňované motory ovládly pole F1. V polovině 80. let ukončily éru motorů Ford Cosworth DFV. FIA rozhodla, že turbodmychadla činí sport příliš nebezpečným a drahým. V roce 1987 se FIA rozhodla omezit maximální zdvihový tlak turbodmychadel. V roce 1989 byla turbodmychadla zakázána úplně.

Závodníci World Rally Car již dlouho dávají přednost přeplňovaným motorům. Nabízejí velmi vysoký poměr výkonu a hmotnosti. Výkon turba začal stoupat na úroveň vozů F1. FIA turba nezakázala. Omezila výkon turbodmychadel omezením průměru sání.

 
Přeplňovaný motor vozu Chevrolet Corvair. Turbodmychadlo, umístěné vpravo nahoře, přivádí tlakový vzduch do motoru přes chromované T-trubky, které se táhnou nad motorem.  

Více turbodmychadel

Paralelní

Některé motory používají dvě turbodmychadla. Obě mají stejnou velikost. Obvykle jsou menší než u motorů s jedním turbodmychadlem. Často se používají u motorů do V, jako jsou motory V6 a V8. Každé turbo je napájeno samostatným výfukovým potrubím z motoru. Protože jsou menší, dosahují optimálního zvýšení tlaku rychleji. Toto uspořádání turbodmychadel se obvykle nazývá paralelní systém se dvěma turbodmychadly. Prvním sériovým vozem s paralelními dvěma turbodmychadly bylo Maserati Biturbo z počátku 80. let.

Sekvenční

Někteří výrobci automobilů se vyhýbají prodlevě turbodmychadla (viz níže) použitím dvou malých turbodmychadel. Obvyklé nastavení spočívá v tom, že jedno turbo pracuje neustále. Druhé turbo začne pracovat až při vyšších otáčkách. Protože jsou tato turba menší, nemají tak velkou prodlevu. Druhé turbo se bude moci dostat do plných otáček dříve, než bude potřeba. Toto uspořádání se obvykle nazývá sekvenční dvojité turbo. Porsche tuto technologii poprvé použilo v roce 1985 v modelu Porsche 959.

 

Aplikace

Diesel

Přeplňování turbodmychadlem je velmi rozšířené u vznětových motorů automobilů, nákladních vozidel, lokomotiv, lodí a těžkých strojů. Diesely jsou pro turbodmychadla obzvláště vhodné z několika důvodů:

• Přeplňování turbodmychadlem může výrazně zlepšit výkon motoru a poměr výkonu k hmotnosti.
• Nákladní a průmyslové vznětové motory běžně pracují při maximálních otáčkách. Tím se snižují problémy se zpožděním turba.
• Vznětové motory nemají klepání motoru. Nafta se vstřikuje na konci kompresního zdvihu a zapaluje se kompresním teplem. Vznětové motory mohou používat mnohem vyšší plnicí tlaky než motory poháněné benzinem.

Motocykl

Použití turbodmychadel ke zvýšení výkonu bylo pro japonské konstruktéry v 80. letech velmi atraktivní. Prvním příkladem motocyklu s turbodmychadlem je Kawasaki Z1R TC z roku 1978. Používal sadu turbodmychadla Rayjay ATP, která vytvářela tlak 0,35 baru (5 lb). Tím se výkon zvýšil z 90 k (67 kW) na 105 k (78 kW). Byl jen nepatrně rychlejší než standardní model. Několik dalších motocyklů bylo postaveno s turbodmychadlem. Použití turba u motocyklů zvyšovalo jejich cenu. Malý nárůst výkonu nestál za dodatečné náklady. Od poloviny osmdesátých let žádný výrobce nevyráběl motocykly s turbodmychadlem.

Letadla

Přirozené použití turbodmychadla je v leteckých motorech. Když letadlo stoupá do větších výšek, tlak okolního vzduchu rychle klesá. Turbodmychadlo tento problém řeší tím, že stlačuje vzduch na vyšší tlak.

 

Úvahy o teplotě

Stlačením vzduchu se zvýší jeho teplota. To způsobuje několik problémů. Zvýšená teplota může vést ke klepání motoru v důsledku zvýšené teploty hlavy válců. Horký vzduch nemůže spálit tolik paliva jako studený vzduch. Tím se snižuje produkovaný výkon.

Obvyklým způsobem, jak se vypořádat s horkým vzduchem, je jeho ochlazení. Nejběžnějším způsobem je použití mezichladiče nebo dochlazovače. Tyto chladiče snižují teplotu vzduchu před vstupem do motoru.

Moderní letadla s turbodmychadlem obvykle nepotřebují chladit přiváděný vzduch. Jejich turbodmychadla jsou obvykle malá a vytvářené tlaky nejsou příliš vysoké. Teplota vzduchu se tedy příliš nezvyšuje.

 

Srovnání s přeplňováním

Aby přeplňování mohlo pracovat, musí motoru odebrat určitý výkon. Výkon, který přidává, je vyšší než výkon, který spotřebovává. Turbodmychadlo využívá výfukové plyny. Jedná se o tepelnou energii, která by byla promarněna.

 

Vlastnosti

Spolehlivost

Turbodmychadla mohou být poškozena znečištěným nebo nekvalitním olejem. Většina výrobců doporučuje častější výměnu oleje u motorů s turbodmychadlem. Turbodmychadlo se za chodu zahřívá. Mnozí doporučují nechat motor několik minut běžet na volnoběh, než jej vypnete. To dává turbodmychadlu čas na vychladnutí. Tím se prodlouží životnost turbodmychadla.

Zpoždění turba

Doba, za kterou turbodmychadlo vytvoří potřebný tlak, se nazývá prodleva turbodmychadla. Projevuje se jako váhavá reakce motoru. Je to způsobeno dobou, kterou výfukový systém potřebuje k urychlení turbíny. Přímo poháněný kompresor v turbodmychadle tento problém nemá.

Zpoždění lze snížit použitím lehčích dílů. To umožňuje rychlejší start turbíny. Jiné mechanické změny mohou snížit zpoždění turba, ale za cenu zvýšení nákladů.