Turbodmychadlo: K čemu slouží, jaké má výhody a co je to turbolag?

Turbodmychadlo nebo hovorově "turbo" je zařízení, které zvyšuje výkon spalovacího motoru tak, že vhání vzduch do spalovací komory.

Zvýšení výkonu spočívá v tom, že motor dostává ze stejného objemu vzduchu mnohem více molekul kyslíku, protože vzduch je natlakován a díky tomu je směs výbušnější, motor snáze akceleruje a nepotřebuje větší množství paliva.

Kromě turbodmychadla se používá k přeplňování motoru i kompresor (v angličtině "supercharger") nebo kombinace turbodmychadla a kompresoru.

Jaký je rozdíl mezi turbodmychadlem a kompresorem?

Klíčový rozdíl mezi turbodmychadlem a kompresorem je ten, že kompresor je poháněn mechanicky prostřednictvím řemene připojeného ke klikové hřídeli, zatímco turbodmychadlo je poháněno výfukovými plyny z motoru.

Jelikož kompresor využívá ke svému pohonu energii z motoru, znamená to, že nějakou energii motoru ubere, ale v konečném důsledku jí dodá více. Další nevýhodou kompresoru je jeho nižší adiabatická účinnost v porovnání s turbodmychadlem.

Adiabatická účinnost je schopnost kompresoru stlačovat vzduch, aniž by do vzduchu přidal přebytečné teplo. Čím je teplota vzduchu nižší, tím je vzduch hustší a obsahuje více molekul kyslíku. Kompresory tedy dodávají do vzduchu více tepla než turbodmychadla, což znamená, že nejsou tak účinná.

Jak již bylo zmíněno, turbodmychadlo není poháněno mechanicky, ale výfukovými plyny, a proto neodebírá energii z motoru, což je mnohem efektivnější. Oproti kompresoru má ovšem nevýhodu, a tou je takzvaný turbolag.

Co je turbolag?

Turbolag Je čas potřebný ke změně výkonu, tedy čas mezi požadavkem zvýšení výkonu (sešlápnutím plynového pedálu) a nástupem výkonu, který se v porovnání s přirozeným nasáváním zhoršuje.

Je to čas, který potřebuje výfukový systém a turbodmychadlo, aby se vytvořil požadovaný impulz, který navýší výkon. Kompresory tento problém nemají, protože jsou poháněny přímo motorem a odezva na plyn je tedy okamžitá.

Nízké otáčky motoru nejsou turbolag

Někdy se nízké otáčky motoru mylně zaměňují za turbolag. Pokud jsou otáčky motoru velmi nízké, čekání na zrychlení po sešlápnutí plynového pedálu může trvat i několik vteřin. Toto čekání však není turbolag, ale nesprávný výběr převodové rychlosti.

Turbodmychadla se spoléhají na hromadění tlaku výfukových plynů na pohon turbíny (vrtulky), čehož nelze dosáhnout během volnoběhu nebo nízkých otáček motoru. Když motor dosáhne dostatečných otáček, začne se turbína otáčet tak, aby vznikl větší sací tlak než je ten atmosférický.

Cílem turbodmychadla je zlepšit objemovou účinnost motoru zvýšením hustoty nasávaného vzduchu, což umožní větší výkonnost na jeden cyklus motoru.

Přidá větší turbína/vrtulka více výkonu?

Velikost a tvar turbíny (točí se až 300 000 ot/min) ovlivňuje některé výkonové charakteristiky turbodmychadla. Rozměry turbíny také určují množství vzduchu, které bude proudit systémem. Obecně platí, že čím větší turbína je, tím větší je kapacita proudění vzduchu.

Výkon turbodmychadla je úzce spojen s jeho velikostí. Velká turbodmychadla potřebují větší tlak, což způsobuje při nízké rychlosti turbolag. Malá turbodmychadla se rychle otáčejí, ale nemusí mít při vysoké akceleraci stejný výkon.

Pro efektivní kombinování výhod velkých a malých turbodmychadel se používají dvojitá turbodmychadla nebo turbodmychadla s variabilní geometrií lopatek.

Bi-turbo, Twin-turbo:

Twin-turbo nebo Bi-turbo jsou dvě turbodmychadla pracující buď paralelně (společně) nebo sekvenčně (samostatně). V paralelní konfiguraci je jedno turbodmychadlo poháněno jednou polovinou a druhé druhou polovinou výfukových plynů z motoru a obě pracují najednou. Menší turbodmychadla mají menší turbolag než větší turbodmychadla, proto se často používají dvě malá turbodmychadla.

V sekvenční konfiguraci, běží jedno menší turbodmychadlo při nízkých otáčkách a druhé větší se zapne při větších předem stanovených otáčkách motoru. Sekvenční turbodmychadla snižují turbolag, ale vyžadují složité sady potrubí pro napájení obou turbodmychadel.

Turbodmychadlo Twin-scroll:

Tento typ turbodmychadla má v turbínové části dva kanály pro přívod výfukových plynů. K jednomu i druhému kanálu Twin-turba vedou výfukové svody z válců tak, aby podtlak neubíral energii výfukovým plynem jednoho válce, zatímco se výfukový ventil jiného válce ještě nezavřel, ale jeho sací ventil se již začal otevírat.

Je-li zapalování ve válcích v pořadí 1-3-4-2, povedou do jednoho kanálu svody z válců 1 a 4 a do druhého kanálu svody z válců 2 a 3. V takovém případě nedojde k úbytku energie výfukových plynů, protože válec 3, který by ubíral energii výfukovým plynem z válce 1, není napojen na stejné potrubí.

Nevýhodou u Twin-scroll turbodmychadla je jeho náročnost, ale také to, že je třeba mít sudý počet válců, aby do každého kanálu proudily výfukové plyny ze stejného počtu válců.

Turbodmychadlo s variabilní geometrií lopatek:

Turbodmychadlo s variabilní geometrií lopatek používá pohyblivé lopatky k nastavení průtoku vzduchu do turbíny a napodobuje tak turbodmychadlo optimální velikosti v celé výkonové křivce. Výsledkem je turbodmychadlo bez pozorovatelného turbolagu.

K čemu slouží Wastegate?

Obtokový ventil (Wastegate) odklání výfukové plyny od turbíny turbodmychadla. Odklonem výfukových plynů se řídí rychlost otáček turbíny. Hlavní funkcí obtokového ventilu je regulace plnícího tlaku, aby tak nedošlo k poškození motoru nebo turbodmychadla.

K čemu slouží Blow-off ventil?

Blow-off ventil je ventil, který uvolňuje tlak v turbodmychadlem přeplňovaných motorech. Tento ventil pomáhá vyprázdnit prostor mezi turbodmychadlem a škrtící klapkou tak, že stlačený vzduch vypustí do okolí, aby se tak snížilo opotřebení turbodmychadla.

Při vypouštění vzduchu vniká charakteristické syčení nebo pískot.

Proč tedy motory přeplňovat?

Přeplňování dokáže zvýšit výkon motoru a snížit jeho spotřebu, avšak někteří výrobci stále preferují velké atmosférické benzinové motory. Naftové motory bez přeplňování se již v dnešní době nevyrábějí, protože v porovnání s těmi benzinovými mají velmi nízké výkony.

Prohlédni si krátkou animaci jak funguje motor přeplňovaný turbodmychadlem: