Turbo punjači i kompresori – prvi deo

Turbo? Ovaj termin se pored automobilizma i energetike koristi i u ostalim oblastima i cesto se koristi kao sinonim za nešto što je bolje, kvalitetnije, brže. Ovaj tekst objašnjava pojmove kao što su turbo kompresor, turbo punjac. U ovom tekstu poredimo ta dva pristupa povecanju snage i objašnjavamo pomocne agregate kod oba sistema.

Uvod

Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila pomen pojma „turbo“ ih u tokom proteklih desetak godina uglavnom asocira na dizel motore. Takozvana „turbo“ era se završila krajem 90-tih godina i od tada pa sve do sadašnjih dana turbo je stvarno ono što u velikoj vecini slucajeva dobar nagoveštaj da je u pitanju dizel motor.

Prvo što moramo da naglasimo u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo punjac se najcešce naziva samo turbo, a u engleskom je naziv koji se koristi „turbocharger„, dok se turbo kompresor može još nazivati i kompresor (Mercedes koristi ovaj naziv, npr.), punjac (G punjac – VW) dok se u engleskoj literaturi turbo kompresori nazivaju „supercharger„.

Turbine se koriste u energetici, avio i auto industriji i ono što ih razlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadatci razliciti, ali ono što ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko nacina takozvanog „prehranjivanja“ (termin koji se koristi u udžbenicima našeg Mašinskog Fakulteta) tj. dodatnog sabijanja više vazduha nego što prirodni pritisak omogucava. Motor sagoreva mešavinu vazduha i goriva, a taj vazduh ulazi u motor kroz usisnu granu motora povucen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga povecala kolicina vazduha koriste se veštacki nacini kao što su: turbo punjaci, mahnicki kompresori i tzv. „Ram Air“ sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbo punjaca i turbo kompresora dok cemo princip rada „Ram Air“ sistema objasniti u narednih nekoliko recenica.

„Ram Air“

Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trkački automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajucih filtera) izvede direktno negde na spoljni deo automobila koji je okrenut smeru kretanja i time se povecanjem brzine automobila proporcionalno povecava pritisak vazduha koji ulazi u motor. Na primer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozaca, GT automobili imaju „grbe“ na haubi koje direktno ubacuju vazduh u motor automobila, a taj pritisak je direktno srazmeran brzini kretanja automobila.

Turbo punjaci i kompresori
Ferrari Maranello 575 – tipican primer GT automobila sa „Ram Air“ sistemom

Kako napraviti više snage

Četiri mogucnosti sa jednom zajedničkom osobinom

Kada se govori o nacinima povecanja snage motora, zajednicki cilj je, svakako, sagoreti što više smede goriva i vazduha u jedinici vremena. Postoje, prakticno, cetiri fundamentalno razlicita nacina da se to ostvari:

1. Napraviti efikasan motor tako da se što je moguce više vazduha i goriva unosi u njega kroz smanjenje restrikcija usisnih i izduvnih grana, umanjujuci masu koja se rotira unutar motora, povecavajuci energiju koju emituje svecica i finog štelovanja tajminga rada motora. Ovo su ciljevi svih „performans“ delova koji povecavaju snagu motora – filteri vazduha, programatori paljenja, izduvni sistemi itd. Ove modifikacije su veoma popularne zato što dodaju snagu, izgledaju dobro i zvuce dobro. Takodje one se mogu raditi nezavisno što je dobro za budžet. Problem ovakvih modifikacija je što donose male dobitke, a cesto su ti dobitci u snazi beznacajni i ne mogu se osetiti. Današnji moderni motori su po ozlasku iz fabrike prilicno dobro podešeni i nisu opremljeni previše restriktivnim usisnim ili izduvnim granama koje bi umaljile potrošnju goriva. Drugim recima, ako tražite umerene dobitke snage, potrebno je ici dublje od ovakvih modifikacija koje za cilj imaju samo blago povecanje efikasnosti motora.

2. Motoru se može povecati snaga tako što cete ga ubrzati tj. motor ce se okretati na vecem broju obrtaja. Ova tehnika je efikasna kada se insistira na zadržavanju male mase i kompaktnosti motora, a istorvremeno se traži veca snaga. Naravno svi trkacki automobili imaju motore koji postižu visoke brojeve obrtaja. Jedina mana ovog pristupa je da ako želite da omogucite motoru da se okrece na jako visokom broju obrtaja potrebni su jako kvalitetni (i skupi) auto delovi koji ce moci da izdrže rad u takvim uslovima. Povecani broj obrtaja znacajno povecava trošenje materijala što umanjuje pouzdanost motora i smanjuje mu rok trajanja. Vecina normalnih automobila ima crveno polje izmedju 6000-7000 obrtaja baš iz tog razloga da se poveca rok trajanja motora. Okretanje motora brže nego što je predvidjeno je rizik za motor.

3. Još jedan nacin za povecanje snage motora je veoma ocigledan. Korišcenje veceg motora. Veci motori mogu da sagore više vazduha i goriva i samim tim generišu više snage. Naravno, da je to tako jednostavno svi bi pod haubama imali V12 motore. Povecanje motora se lako može izvesti razbušivanjem (povecanjem precnika) cilindara i stavljanjem vecih klipova, ili povecanjem hoda klipa, ali takva povecanja motora su veoma ogranicena obzirom da konstrukcija motora ne dozvoljava preveliko povecanje tih parametara. Da bi se motor znacajno povecao potrebno je imati fizicki veci motor sa više cilindara, ali on donosi vece dimenzije, vecu težinu i manje efikasnost potrošnje goriva.

4. Poslednji nacin za povecanje snage je unošenje vece kolicine smese goriva i vazduha pre njenog sagorevanja, a rezultat snaga koja je adekvatna klasicnom motoru sa vecom zapreminom. Problem sa ovom tehnikom je da nije dovoljno reci da motor treba da usisa više smese, pritisak je uslovljen atmosferskim pritiskom od 1 bar na 0m nadmosrske visine. Kako se visina povecava vazduh postaje sve redji i time motor ima sve manje snage. Tu na scenu stupaju turbo kompresori ili turbo punjaci. Kompresor, kao što mu ime kaže, kompresuje vazduh i gorivo u komoru cilindra pod pritiskom vecim od atmosferskog i time prakticno dobija efekat povecanja snage kao da je motor vece zapremine nego što jeste. Drugo mali motor zadržava sve svoje osobine – lagan, kompaktan, efikasno troši gorivo, a opet uz pomoc kompresora daje vecu snagu. Dodatno se može kontrolisati kada kompresor radi tako da, ukoliko ne pritiskate 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 cetiri nacina povecanja snage, ali ovi nacini su najkonvencionalniji. Možete, na primer, koristiti kaloricnije gorivo što je ideja vodilja sistema koji koriste Nitro Oksid – poznatiji kao NOS ili drugih Top Fuel sistema.

Zlatna „turbo“ era

Turbo punjaci su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putnickim automobilu 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 tecnu vožnju cinio u ovom automobilu prakticno nemogucom.

Turbo lag je ono što je automobilskoj industriji pravilo veliki problem i sprecavalo da se automobili koji su u to doba koristili turbo punjac proglase prakticnima. Turbo punjaci su se u to doba obilato koristili u auto sportu – pocevši od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do „endurans“ trka i na kraju same Formule 1, medjutim vozaci trkackih automobila su uspevali da se izbore sa prilicno neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo rešenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozaca. Turbine iz tog doba su bile veoma velike i teške pa su samim time bile veoma inertne. Takve turbine se nisu mogle zavrteti ispod 3500 obrtaja, pa je opseg rada motora do 3500 obrtaja bio veoma slab obzirom da je u doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi se izbeglo pregrevanje glave cilindara.

Porše je pionir kada se govori o relativno prakticnim turbo automobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji je koristio rešenje do koga su došli Porešovi inženjeri. Mehanizam se zasnivao da se koriste takozvane “recirkulišuca” creva koja su omogucaval turbini da se zavrti pre pocetka rada pa se time umanjivao lag. Model iz 1978. Porše 911 Turbo 3.3 koji je nasledio model 3.0 turbo je uneo još jedan novitet – interkuler koji je dodatno umanjio lag i doprineo povecanju snage motora.

Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbo punjaca je evoluirala u pravcu kultivisanijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbo punjacima koristi još jedan sistem umanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbo punjaci su koristili primitivna mehanicka rešenja sa „vejst gejt“ ventilom kako bi izbegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i pocetkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogucena fina kontrola pritiska turbine pa tim sistemom omoguceno da, na primer, turbo isporucuje 1,4 bar ispod 3000 obrtaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 obrtaja, a 1,8 bar iznad 4500 obrtaja. Tako finom kontrolom je postugnut linearan rast snage što je doprinelo tecnom osecaju u vožnji.

Izvor: Nacionalna Klasa