Prednabijanje 1: turbopunjači – AutopressHR

Prednabijanje (prisilni usis zraka, eng. forced induction) je tlačenje zraka prije nego uđe u komoru za izgaranje. Zrak i gorivo miješaju se u određenom omjeru (npr. stehiometrijski 14:1) ili rasponu omjera. Što se više zraka može osigurati u komori za izgaranje, to više goriva može izgoriti, tj. motor proizvede više izlazne snage. Već smo spominjali efekt prednabijanja ostvaren oblikovanjem usisa zraka za motor. U iduća će dva teksta biti opisani mehanički složeniji načini prednabijanja motora – turbinski i kompresorski.

Turbopunjač
Turbopunjač, turbopuhalo, turbokompresor – neki su to od naziva za ono što je vjerojatno najpoznatije pod jednostavnim imenom turbo. Izumitelj turbopunjača je Alfred Büchi, a patent je prijavio 1905. Prve uporabe bile su avionske i brodske 1920-ih: prednabijanje avionskih motora bilo je od posebnog značaja jer se prisilnim tlačenjem više zraka u cilindre umanjivao efekt gubljenja snage na većim nadmorskim visinama gdje je zrak rjeđi, tj. gdje motor inače dobiva manje kisika za miješanje s gorivom.

Prve uporabe turbopunjača na cesti počele su 1930-ih, a špica im je bila 1980-ih, kada se oznaka TURBO mogla naći i na nekim motociklima (a poznat je i štos na BMW 2002 Turbo, gdje je oznaka modela bila špiglirano napisana na prednjem braniku).

Prvi velikoserijski putnički automobili s turbopunjačem bili su Oldsmobile Jetfire i Chevrolet Corvair s početka 1960-ih. Oldsmobileov motor je čak koristio i ubrizgavanje vode (što je još jedna tehnologija razvijena u avioindustriji): kako smo već spomenuli, to je princip hlađenja usisanog i stlačenog (time i zagrijanog) zraka ubrizgavanjem sitne količine vodenog spreja (tekućina se ne može stlačiti i motor bi se mogao oštetiti ako previše vode završi u komori za izgaranje). Voda ispari i tom promjenom agregatnog stanja hladi usisni zrak. 

Nakon inicijalnih problema s dostupnošću i kvalitetom potrebnih materijala i goriva, popularnost i raširenost turbomotora raste skroz do 1990ih. Nakon desetljeća prisutnosti gotovo isključivo na dizelskim, u zadnje su se vrijeme vratili i na benzinske motore. Glavni razlog tome je što su novi benzinski turbomotori razvijani po downsizing formuli, a ne za maksimalnu snagu. Za dizelske motore su vrijedile drugačije ekološke norme za emisije i imali su nižu snagu po obujmu pa je turbopunjač tu duže kontinuirano prisutan i razvijan (u kontekstu putničkih automobila): jedna od uloga mu je i atomizacija goriva, tj. bolje miješanje sitnih kapljica goriva sa zrakom koje rezultira povećanjem snage i smanjenjem potrošnje goriva.

Turbopunjač je sklop koji koristi vruće ispušne plinove kako bi pogonio tlačenje zraka u komoru za izgaranje, tj. povećao volumetrijsku efikasnost motora. Za usisni motor se projektiraju ispušne grane koje iskorištavaju inerciju (tj. zalet) ispuha i pulseve iz pojedinih cilindara kako bi se pomoglo ekstrakciji ispuha. Turbomotori pak koriste visoku temperaturu i kinetičku energiju ispuha, tj. ekspanziju vrućeg ispušnog plina izbačenog iz komore za izgaranje, za pogon turbinskog ili impelerskog dijela turba. On je osovinom povezan s kompresorskim dijelom, tj. pogoni kompresorsku stranu turbopunjača. Taj kompresorski dio grabi i tlači zrak za usis motora.

Jednostavnije: ispušni plinovi okreću turbinu koja pogoni kompresor, koji u motor tlači zrak. Oko tog principa se turbo i motor razvijaju dalje. Motoru se smanji stupanj kompresije (npr. ugradnjom konkavnih klipova) kako bi se u komoru moglo ubaciti više zraka i kako bi se smanjila mogućnost krivovremenog samozapaljenja smjese zbog visokih vršnih temperatura pri kompresiji, skrati se put od ispušnog ventila do turbine, smanji se mehaničko trenje pokretnih dijelova u turbu, dodaju se hladnjaci za stlačeni zrak (intercooler), dodaju se regulatori tlaka koji čuvaju sustav od preopterećenja ili rasterete sustav na puštanju gasa da se stlačeni zrak ne odbija od usisne zaklopke natrag u kompresor (wastegate i blow-off ventili), impelerski dio zadržava se pri vrućoj ispušnoj grani dok se kompresorski udaljava od izvora topline (da se ispušni plinovi ne ohlade prije vremena, a usisni zrak nepotrebno ne zagrije) itd. 

Pojava karakteristična za stariji tip turbomotora je tzv. turbo rupa: uvjeti rada motora, obično pri manjem gasu i nižim okretajima, u kojima je odaziv na gas spor, a turbo ne proizvodi korisni efekt prednabijanja. Nakon što, pri jačem gasu i višim okretajima (tj. s dolaskom veće količine ispuha pri višoj temperaturi) turbina počne proizvoditi korisni tlak, motor relativno naglo počne razvijati višu snagu – osjetno potegne. Za oštriju vožnju je poželjnija više predvidiva, linearnija krivulja momenta i snage, ali ta navala snage dio je iskustva vožnje turbomotora. Slijede neki primjeri i zanimljivosti o turbo automobilima.

Turbina varijabilne geometrije
Alfa Romeo 156 s JTD motorima u putničkim automobilima popularizirao je common rail dizelski dovod goriva, a s revizijom motora, i korištenje turbine varijabilne geometrije u turbodizel motoru. Turbina se sastoji od krilca ili lopatica. Turbina varijabilne geometrije (VGT) mijenja pristupni kanal tim lopaticma, npr. zaklopkom ili statorskim lopaticama koje se ne vrte nego služe usmjeravanju ispuha na rotorske lopatice, kako bi se postigao povoljniji kut pod kojim ih susreće masa ispušnog plina; oštri kut za slabi nalet ili okomitiji kut za više ispuha i u slučaju kada se turbina već brzo vrti. Karakteristično fućkanje turbine ne čudi jer se ona vrti, ovisno o modelu, i preko 250.000 okretaja u minuti.

Anti-lag sustav
Karakteristično pucanje iz auspuha na startu i pri puštanju gasa reli automobila događa se radi korištenja anti-lag sustav. Jedan takav sustav koristi i Mitsubishi Lancer Evolution. Kontroliranim dopuštanjem izgaranja smjese u ispušnoj grani (te detonacije čujemo kao pucanje) osigurava se neprekinuti tlak na turbini, pa se eliminira turbo rupa. To naravno skraćuje trajnost komponenti ispuha i turbine, ali za trkaću uporabu to nije toliko bitno.

Sekvencijalni ili paralelni twin turbo
Maserati Biturbo izašao je na tržište 1981., a u raznim verzijama proizvodio se do 1994. To je bio prvi putnički automobil s dvije turbine i prvi putnički turbomotor s više od dva ventila po cilindru (korišteni V6 motor imao je 3 ventila po cilindru).

Toyota Supra 4. generacije (1993. – 2002.) koristi dvije turbine spojene u sekvencijalni sustav. Sekvencijalni turbo sustavi obično spadaju u dvije grupe: sustave u kojoj jedna manja turbina prednabija motor dok se druga, veća ne zavrti (dok ne dobije dovoljno tlaka) i preuzme posao prednabijanja, i sustave u kojima je to prednabijanje višestupanjsko, gdje veća turbina tlači zrak koji je prethodno stlačila manja. U nekim Auto Union (1930ih) i BRM (kasnih 1940ih i početkom 1950ih) bolidima s V16 motorima korišteno je takvo dvostupanjsko prednabijanje, ali s mehaničkim kompresorima. U Supri na niskom opterećenju i niskim okretajima sav ispuh pogoni prvu turbinu, a s porastom opterećenja i okretaja dio se šalje na drugu da se zavrti (izbjegne turbo rupa), i na koncu ona počne šopati zrak u motor. Taj 2JZ-GTE motor koristi i ACIS (Acoustic Control Induction System) varijabilnu usisnu granu,  varijabilni tajming ventila i dvokanalne turbine. Paralelni turbo sustavi su oni u kojima sve turbine rade istovremeno, a često se koriste na V i W motorima gdje na svakoj strani bloka ispuh pogoni jednu ili više turbina.

Turbodiesel
Volkswagen grupa jedan je od proizvođača koji sve češće integriraju turbopunjač u ispušnu granu i stavljaju ga blizu ispušnih kanala motora. To otežava servis sklopa, ali mu povećava efikasnost. Turboprednabijanje je osiguralo svakodnevnu iskoristivost dizelskih motora, no neki su proizvođači isprobali i kompresore na dizelima (npr. Mazdin Comprex motor).

BMW od 2016. u nekim modelima (npr. Serija 5 G11/G12) nudi 3.0 turbodizelski redni šestcilindarski motor s 4 turbine (B57D30C) koji daje 400 KS i 760 Nm. Dvije su toliko male da proizvode korisni tlak i od ispuha koji dolazi dok je motor na leru, a dvije preuzimaju na višim okretajima, kada bi manji par turbina postao restriktivan za disanje motora. Tako je eliminirana turbo rupa, a oba u oba para tlačenje je dvostupanjsko (tj., jedna turbina tlači već stlačeni zrak iz druge).

Kanali: twin scroll, dual volute
Kako bi se bolje iskoristila energija ispušnih plinova, turbinama se dodaje dva kanala s pripadajućim različitim mlaznicama kroz koje ispuh dolazi na rotor turbine, za niske i visoke brzine. To su twin scroll turbine, a kao i kod turbina varijabilne geometrije, cilj im je poboljšati odaziv na niskim okretajima i zadržati sposobnost dobavljanja zraka i na visokim okretajima. Neki proizvođači, poput BorgWarnera, unaprijedili su koncept s dva kanala u dual volute rješenje za primjenu u putničkim automobilima. Tu je cilj optimizirati potpuno odvojene kanale i prema ispušnim pulsevima iz cilindara, a svaki kanal šalje ispuh na jednu polovicu turbinskog rotora.

Čuvanje topline ili čuvanje od topline
AMG GT koristi twin turbo V8 neobične konfiguracije: turbine su smještene na sredini motora, a tome je prilagođen i ispuh. Tako se gubi manje topline ispuha (tj. energije) prije nego dospije do turbinske strane turbopunjača. Kompresorske strane turbopunjača hlađene su zrakom usmjerenim kroz posebne kanale na haubi. U F1 je pak Mercedes na V6 turbomotoru razdvojio turbinski i kompresorski dio turbopunjača dugom osovinom, tako da toplina s vrućeg ispuha ne grije kompresor i usisavani zrak.