Motor,technika přeplňování - Lék na spotřebu?

Technika přeplňování je součástí dnešního trendu downsizingu; menší zdvihový objem a přeplňování snižují spotřebu i emise, ale výkon v případě potřeby zůstává…

Chceme-li u spalovacího motoru při použití stejného paliva dosáhnout vyššího výkonu, musíme buď zvětšit pracovní objem, anebo zvýšit otáčky, či zlepšit plnění válců. Zvyšování objemu je sice tou nejjednodušší cestou, i když nikoli bez hranic, na něž v mechanické zátěži motoru zase naráží zvyšování otáček. Jako nejschůdnější řešení se ukazuje přechod od atmosférického plnění motoru, kdy je nasávané množství vzduchu pouhých 20 až 40 procent objemu válců, na některý ze způsobů přeplňování. Dvacátá léta minulého století patřila mechanicky poháněným dmychadlům (kompresorům); v osmdesátých přišla ke slovu výfuková turbodmychadla…

Dnešní doba zaměřená na úsporu energetických zdrojů a šetrný vztah k životnímu prostředí jednoznačně nahrává turbodmychadlům, která pracují s nevyužitou energií výfukových plynů. Jde o stále ještě kolem 30 % energie obsažené v palivu. V principu horké plyny expandují v malé turbíně, jejíž oběžné kolo je na stejném hřídeli s dmychadlem, které stlačuje vzduch proudící dále sacím potrubím do pracovního válce. Užívá se stlačení od 0,04 do 0,3 MPa, přičemž otáčky turbodmychadla dosahují až 200 000 min 1! Nároky na moderní spalovací motory stále stoupají, a proto výrobci turbodmychadel jejich funkci průběžně zdokonalují. Předně je třeba zajistit, aby požadované plnění válců probíhalo spojitě až do plného výkonu. Takový požadavek zvládá rozměrnější turbodmychadlo, které ovšem začne pracovat až když je k dispozici dostatečné množství výfukových plynů. Opožděnou reakci do jisté míry eliminují menší turbodmychadla s rychlejší reakcí na změnu pracovního režimu. V tomto případě se ale s nárůstem otáček a větším průtokem vzduchu zvětšuje odpor proudění a vzniklý protitlak je zapotřebí regulovat obtokem, což se projeví na poklesu účinnosti. Pro optimalizaci reakce turbíny a účinnosti přeplňování se přešlo na variabilní průtočný průřez plynů v turbíně, který i nadále plně využívá jejich energii, ale zároveň flexibilně přizpůsobuje tlak vzduchu dmychadla pracovní oblasti motoru. Průtočný průřez spalin se mění natáčením rozváděcích lopatek turbíny prostřednictvím stavěcího kroužku, jehož pohyb je ovládán buď pneumatickou, anebo rychlejšího elektrickou cestou.

Turbodmychadlo sehrálo jednu z hlavních rolí v popularizaci vznětového motoru, jenž byl donedávna v osobních vozech odsouzen do role outsidera. Bylo to v době, kdy jeho asi o 20 % nižší spotřeba paliva ve srovnání s motorem zážehovým byla konfrontována s tvrdým a hlučným chodem, pevnými částicemi ve výfuku a také relativně nízkým výkonem. Jeho dnešní provedení s využitím vysokotlakového přímého vstřikování s piezoelektrickým ovládáním a recirkulací spalin, ovlivňující chod motoru a složení emisí, doplněné o přeplňování moderním turbodmychadlem pro dosažení vyššího výkonu z něho udělaly pohon odpovídající požadavkům doby.

Přeplňování se však rozšiřuje i u motorů zážehových, a to hlavně v souvislosti s redukcí pracovního objemu s nižšími třecími ztrátami a přesunutím provozu do oblasti vyššího zatížení, kde jsou ztráty škrcením vzduchu v sání nižší. Pro tento trend se mezi motoráři rozšířilo označení downsizing. Už zavádění přímého vstřiku benzinu s řízeným paprskem paliva a využívání chudé směsi posunulo spotřebu správným směrem, ovšem snížený pracovní objem motoru si žádal vyrovnání výkonu, resp. i jeho nárůst. A právě tehdy se opět dostalo na přeplňování, ať již mechanicky poháněným kompresorem, anebo turbodmychadlem. O něco složitější to bylo u turbodmychadla, které proti motoru vznětovému musí zvládat vyšší teplotu. Zatímco výfukové plyny se v prvním případě pohybují v teplotním rozmezí 700 až 800 °C, u zážehového motoru dosahují až 1000 °C, a při tom už standardně používané materiály nemají šanci. Rozhodujícím krokem pro masové rozšíření turbodmychadel u motorů zážehových bylo vyvinutí nových druhů materiálů, snášejících teploty až 1050 °C, se kterými přišla firma Borg Warner. Aby přeplňování mělo co nejlepší účinek, hledají se nejen různé formy jeho zdvojení (TwinCharger), ale sáhlo se i do minulosti po přeplňování twin scroll, kde spaliny proudí dvojicí ve spirále vytvořených kanálů a jejich pulsující sloupce se značným energetickým potenciálem jsou vedeny do rozváděcího kola.

Je tedy zřejmé, že v principu hospodárnější vznětové motory dostávají nástupem zážehových agregátů s důsledně uplatňovaným principem downsizingu vážnou konkurenci. Motory TSI, CGI, FSI, HPI, TwinTurbo, TwinCharger a další ukazují názorně, že spojení radosti z jízdy s úsporou paliva není nemožné. Je však třeba dodat, že použitá technika je stále komplikovanější, a to se bohužel musí odrazit na ceně automobilu.

Zdroj: Automobil 07/10
Autor: Pavel Biskup

Fotogalerie