Sve o natpunjenju motora: Kako radi turbo, a kako mehanički kompresor?

Snaga motora zavisi od mase goriva koje sagori u sekundi, efikasnosti i količine hemijske energije koju sadrži kilogram goriva. Masa goriva je jednaka proizvodu mase vazduha i odnosa mase goriva i vazduha, pa i snaga zavisi od mase vazduha ubačenog u cilindar. Da bi više benzina ili dizela moglo da se sagori neophodna je veća količina vazduha, tačnije kiseonika. Siromašnija smeša, sa manjim udelom goriva, donosi manju snagu, ali i bolju efikasnost. Bogatija smeša ima veći udeo goriva. Na taj način dobija se veća snaga, ali je efikasnost lošija.

Povećanje snage i obrtnog momenta pomoću kompresora vazduha u najvećoj meri se zasniva na povećanoj gustini vazduha koji se ubacuje u cilindar. Pri sabijanju vazduha dolazi do porasta temperature, zato postoje interkuleri, koji poput hladnjaka smanjuju temperaturu vazduha pre ubacivanja u cilindar i na taj način povećavaju gustinu i količinu kiseonika koji se ubacuje u cilindar. To je preduslov da bi mogla da sagori veća količina goriva i da bi se dobila veća snaga. Zbog postojanja mogućnosti da dođe do detonacije, primenjuje se manji stepen kompresije, a to ujedno smanjuje i efikasnost.  Primenjuje se i ubrizgavanje vode u usisnu granu, BMW je primenjivao ubrizgavanje vode i u cilindar, i na taj način se smanjuje temperatura u komori za sagorevanje, što omogućava da stepen kompresije bude veći, a samim tim je i efikasnost motora bolja. U procesu isparavanja vode, prelazi toplota sa okoline na vodu i na taj način se smanjuje temperatura u cilindru.

Kompresori vazduha se primenjuju i na dizel motorima. Veći pritisak smanjuje vreme između ubacivanja vazduha i početka sagorevanja, a i motor je manje osetljiv na cetanski broj goriva.

Brojne prednosti

Kao najveće prednosti kompresora vazduha smatraju se manje i dimenzije i masa motora u odnosu na atmosferski motor iste snage, i niža cena, to jest povoljniji odnos cena/snaga. Smanjuju se i gubici koji nastaju usled kretanja vazduha kroz usisnu granu i usisni ventil, a mogu da iznose i do 15%. Temperatura vazduha u usisnoj grani je veća od atmosferskog, a to utiče na smanjenje gustine vazduha i smanjuje efikasnost sagorevanja. Na efikasnost motora utiče i energija (snaga) koja je potrebna za pokretanje kompresora, a više pokretnih delova znači i veće gubitke zbog trenja, što je još jedna negativna strana prehranjivanja.

Mehanički kompresor

Rutsov mehanički kompresor je bio jedan od zastupljenijih, koristili su ga američki muscle car automobili poput „ševrolet kamara ZL1” i „dodž čaržera”, Mercedesovi modeli sredinom devedestih godina, „mini kuper S”, kao i Jaguari. Sastoji se od dva rotora, koji su skoro uvek u kontaktu u toku rotiranja i sasvim su blizu kućišta. Svaki rotor ima dva do tri zaobljena ispupčenja i dva udubljenja. Udubljenja služe za smeštanje vazduha, a obično pri rotaciji ne dolazi do smanjivanja, ni povećanja zapremine, tako da je više ventilator nego kompresor. Rutsov kompresor dostiže do 1,5 puta više obrtaja od kolenastog vratila motora. Nazvan je po braći Filanderu i Frensisu Marionu Rutsu, koji su 1860. godine patentirali kompresor vazduha u Sjedinjenim Državama.

Kompresor sa krilcima se sastoji od cilindričnog rotora postavljenog ekscentrično u odnosu na fiksirano kućište, takođe cilindričnog oblika. Na rotoru se nalaze krilca, postavljena u žlebovima. Krilca su pravougaonog oblika i mogu da se kreću radijalno. Pri rotaciji, pomoću krilaca stvara se više odvojenih prostora u kojima se nalazi vazduh. Na drugom kraju cilindra rastojanje između krilaca je manje i tako nastaje kompresija.

Kompresor sa krilcima radi u oblasti od 4.000 do 5.000 o/min. i može da ostvari stepen sabijanja od 1,3 bara. Mehanički kompresori, zato što ih pokreće kolenasto vratilo motora, reaguju trenutno, ali ne mogu da dostignu veliki broj obrtaja kao turbo punjači na izduvne gasove, niti mogu da doprinesu nastajanju velike snage.

Turbo kompresor

Turbo kompresori su danas najzastupljeniji i skoro su u potpunosti potisnuli mehaničke kompresore vazduha. Osovina turbine može da dostigne i 250.000 obrtaja u minutu, a ostvaren je i stepen sabijanja od 7 bara, mada je kod skoro svih serijskih i trkačkih – od 1 do 4 bara

Zbog bolje efikasnosti, nastao je sistem tvin-skrol ili sa cevima blizancima. Umesto kroz jednu cev, izduvni gasovi do turbine i lopatica dolaze kroz dve odvojene cevi. Jedna cev je spojena sa jednom polovinom od ukupnog broja cilindara, a druga cev sa drugom polovinom. Na primer, svaka cev je spojena sa po dva različita cilindra. Cevi su spiralnog oblika.

Overboost funkcija je kratkotrajno povećanje pritsika sabijanja vazduha u trajanju do 10 sekundi, koja obezbeđuje dodatno povećanje obrtnog momenta

Ovakav način rada donosi brže odzive na nižim režimima rada i efikasnije korišćenje energije izduvnih gasova. Cevi mogu da budu različite, jedna da bude manja i postavljena pod oštrijim uglom, a koristi se na nižim brojevima obrtaja. Druga je šira, sa manjim nagibom, a koristi se na većim brojevima obrtaja, kada je potrebno da se dobije veća snaga motora.

Pionir turbo punjenja

Oldsmobil je 20. aprila 1962. godine predstavio prvi serijski motor sa turbo punjačem na izduvne gasove namenjen putničkom automobilu, a ugrađen je bio u model „f-85 cetfajer”. Njegov V8 motor od 3.523 ccm razvijao je 215 KS i 407 njutnmetara maksimalnog obrtnog momenta.

BMW je kao prvi proizvođač iz Evrope, septembra 1973. godine, primenio turbo punjač na motoru sa 4 cilindra, koji je bio ugrađen u model „2002 turbo”. Redni motor sa 4 cilindra od 1.990 centimetara kubnih, razvijao je 170 KS na 5.800 o/min. i 240 Nm na 4.000 o/min.

Atmosferska verzija istog motora imala je maksimume od 130 KS i 176,5 Nm na istim brojevima obrtaja. „BMW 2002 turbo” ubrzavao je od 0 do 100 km/h za 8,3 sekunde i imao je maksimalnu brzinu od 212 km/h. Rukovodilac tima konstruktora bio je legendarni Paul Roše, a motor je kasnije poslužio za učešća na trkama, uključujući i Formulu 1.

Potpuna dominacija

Turbo punjači na izduvne gasove postali su zastupljeniji osamdesetih i devedesetih godina prošlog veka, da bi od 2005. godine, od početka ere smanjivanja radne zapremine poznate i kao downsizing, postali dominantni. Omogućili su dobijanje maksimalnog obrtnog momenta u širem opsegu rada, od 1.500 do 6.000 o/min., i u tom opsegu je karakteristika obrtnog momenta ravna, što je praktično neostvarivo kod atmosferskih motora.

Na taj način, smanjuje se potreba za promenama stepena prenosa. Turbo-rupa je smanjena, ali nije i ne može da bude uklonjena.

Na primer, „ferari 288 GTO”, predstavljen 1984. godine, ubrzavao je od 80 do 112 km/h u petom stepenu prenosa za 8,6 sekundi, a „maserati MC pura” istu radnju obavi za 2,4 sekunde ili kao i „ferari 812 superfast” sa atmosferskim V12 motorom od 6.496 centimetara kubnih, koji razvija 800 KS i 718 Nm.

Savremenim motorima sa turbo punjačem na izduvne gasove, sa radnom zapreminom većom od 1,5 litara, potrebno je 1,5 sekundi da proizvedu maksimalni obrtni moment, ako pri 1.500 o/min. vozač pritisne pedalu gasa do kraja. Motorima sa radnom zapreminom od 1,2 litra potrebne su 2,2 sekunde.

„Ferari 288 GTO” je ušao u istoriju kao prvi serijski automobil sa maksimalnom brzinom većom od 300 km/h. Dostigao je 305 km/h, a centralno smešteni V8 radne zapremine od 2.855 centimetara kubnih imao je dva turbo punjača sa pritiskom sabijanja od 0,8 bara. Maksimumi su iznosili 400 KS na 7.000 o/min. i 496 Nm na 3.800 o/min.

Srednja vrednost maksimalnog efektivnog pritiska na čelo klipa iznosila je 21,83 bara, dok je kod V6 pokretača za aktuelni „296 GTB”, 31,079 bara. Ujedno, poboljšana je i efikasnost za 22% u proteklih 40 godina. I pored svega, atmosferski motori su i dalje efikasniji i manje zagađuju okolinu, ali su i slabiji za 50%. Prestiž je i dalje odlučujući faktor pri kupovini automobila i to je doprinelo da motori sa turbo punjačima budu zastupljeniji u savremenoj automobilskoj industriji.

Četiri turbine na šest cilindara

BMW je 2017. godine primenio četiri turbo punjača na rednom šestocilindričnom  dizelu od 2.993 centimetra kubna i ostvario izlazne vrednosti od 400 KS u oblasti od 4.000 do 4.400 o/min. i 760 Nm u oblasti od 2.000 do 3.000 o/min. Da bi mogli da povećaju snagu i obrtni moment, prvo su povećali otpornost motora. Primenom otpornijih materijala postigli su da cilindar može da izdrži pritisak od 200 bara, dok verzija sa dva turbo punjača može da izdrži pritisak od 185 bara. Motor iz 1998. godine, od 2.926 centimetara kubnih, takođe R6 dizel, razvijao je 184 KS i 390 Nm.

Varijabilna geometrija turbine

Varijabilna geometrija turbine ostvaruje se preko krilaca postavljenih uutar kućišta turbine. Položaj krilaca reguliše se pomoću elektromotora ili pneumatski, a na taj način se ujedno kontroliše i pritisak izduvnih gasova i prilagođava se broju obrtaja. Tako se smanjuje "turbo rupa", dobija se brži odziv na komande gasa, a postiže se i veća snaga na većim brojevima obrtaja.

‍

Veći turbo-kompresori na nižim režimima, zbog nedovoljne količine izduvnih gasova, reaguju sporije, ali stvaraju veći stepen sabijanja vazduha na većim režimima i samim tim doprinose većoj snazi motora. Manji turbo-kompresori zbog manje mase i inercije brže reaguju na nižim režimima rada, ali ne mogu da proizvedu veliki stepen sabijanja. Varijabilnom geometrijom spajaju se dobre strane obe vrste turbo-kompresora.

Mehanički plus turbo kompresor

Turbo punjači reaguju sa zakašnjenjem, jer je neophodno da nastane dovoljna količina izduvnih gasova za njihovo pokretanje. Zato je Lanča prva primenila obe vrste kompresora 1985. godine, na motoru za model „delta S4” koji su koristili u reliju, a potom i na serijskoj verziji. Cilj je bio da mehanički kompresor radi na nižim režimima, a turbo punjač na višim režimima. Zajedno – primenjeni mehanički kompresor i turbo punjač na izduvne gasove – nazvani su tvinčardžer. Lančin motor od 1,759 litara radne zapremine razvijao je 1985. godine 250 KS na 6.750 o/min. i 291 Nm na 4.500 o/min., takmičarska verzija proizvodila je 500 KS. Najveći nedostaci tvinčardžera su visoka cena, složenost konstrukcije, manji stepen kompresije i lošija efikasnost. Neophodni su i elektronski sistemi za kontrolu rada, da bi se dobio odgovarajući brzi odziv na komande gasa, rad sa minimalnim vibracijama i odgovarajuća snaga i obrtni moment. Danas je primena mehaničkog i turbo-kompresora zajedno, skoro sasvim odbačena.

Električni kompresor

Audi je prvi primenio električni kompresor vazduha na serijskom motoru 2016. godine. Elektromotor od 10 ks pokretao je osovinu kompresora,  a napon u mreži je bio 48 volti.  Vreme reakcije električnog kompresora je bilo samo 250 milisekundi,  a primenjen je na V8 dizel motoru od 3956 centimetara kubnih. Maksimalni obrtni moment od  900 Nm,  bio je dostignut već na 1000 o/min  i ta vrednost bila je podjednaka do 3250 o/min ,  a maksimum od 435 ks bio je dostupan u oblasti od 3750 do 5000 o/min.