Koliko god mi filozofirali o nekakvim viševentilskim motorima, dorađenoj elektronici i tko zna čemu još, ozbiljna igra sa snagom započinje tek s primjenom prednabijanja, bez obzira o kojem se obujmu motora radi

Premda vjerujemo da su se gotovo svi autoljupci barem jednom sreli s temom prednabijanja, moramo misliti i na one koji to nisu. Uostalom, ovo je ipak Škola za početnike. No i vama koji mislite da su puhalice mačji kašalj, savjetujemo jedno solidno ponavljanje gradiva.

Za početak, riječ-dvije o terminologiji. Naime, kao i toliko puta do sada, termini koje ćemo koristiti u sljedeća dva poglavlja Škole stvar su određenog kompromisa. Uostalom i sam pojam "prednabijanje" opisuje ono što se na engleskom govornom području naziva Forced induction iz čega vidimo da prijevod nije doslovan i da se opet radi o nekakvom kompromisu (dakako, ako engleski izvornik postavimo kao "ultimativni izvor"). A, ako bi smo poželjeli biti tehnički precizni, termin prednabijanje bi svakako trebalo zamijeniti izrazom koji u sebi nosi riječ "natpritisak" jer se radi upravo u usisu zraka kojem je pritisak povećan iznad atmosferskog.

Nadalje, moramo ustanoviti i kako sam uređaj kojim se u automobilskom motoru ostvaruje prednabijanje (dakle, povećanje pritiska zraka u sustavu usisa, iznad razine atmosferskog pritiska) najčešće može biti turbopunjač ili mehanički kompresor. I ovdje bi smo mogli postaviti drukčiju nomenklaturu, kao što su npr. "turbokompresor" ili "superpunjač", no, držat ćemo se terminologije uobičajene na stranicama ovog magazina.

Dakle, sustav usisa pod pritiskom većim od atmosferskog nazivamo prednabijanjem, kompresor na sustavu usisa pokretan ispušnim plinovima nazivamo turbopunjačem, a kompresor pokretan mehanički (npr. putem remena ili lanca s koljenastog vratila) nazivamo mehaničkim kompresorom (o mehaničkim će kompresorima više riječi biti u sljedećem poglavlju).

Atmosferski pritisak kao osnova priče

Značaj prednabijanja bitno se promijenio tijekom posljednjih petnaestak godina. Tako danas praktički svi dieselski motori koriste neku vrstu usisa pod povećanim pritiskom, a sve je veći broj i benzinskih motora opremljenih raznim vrstama prednabijanja. Najčešće se tu radi o motorima poteklim iz priče o downsizingu koji malim obujmom jamče nižu potrošnju, a prednabijanjem snagu ekvivalentnu većem pogonskom stroju (barem je tako u teoriji).

No, da bi smo shvatili što je to prednabijanje, moramo se prvo zabaviti temom atmosferskog usisa. Poznato nam je iz prijašnjih nastavaka da je zrak iz atmosfere potrebno nekako ugurati u cilindar. Silu koja se za to brine nazivamo Atmosferski pritisak i radi se o uobičajenom pritisku zraka koji nas okružuje na površini mora (atmosferski pritisak iznosi 760 mmHg = 101,325 kPa = 1,0132 bar). Prisjetit ćemo se kako klip u svojem gibanju od gornje mrtve točke stvara u cilindru podtlak, ili malo više tehničkim rječnikom - parcijalni (djelomični) vakuum. Taj podtlak dovodi do razlike između atmosferskog pritiska i onog u usisnom sustavu motora (koji je pri usisnom taktu manji od atmosferskog). Upravo zbog toga, naša sila - Atmosferski pritisak, tjera zrak u usisni sustav i, ovisno o otvorenosti leptira, u sam cilindar.

No, poznato nam je i da je za izgaranje neke količine goriva u cilindru potrebna i određena količina zraka. Logično je da, želimo li iz motora izvući veću snagu, moramo u njemu sagorjeti i više goriva. No, za taj je proces potrebno i više zraka, a atmosferski ga pritisak ne može ubaciti u usis više nego li to određuje spomenuta razlika pritisaka. Upravo tu u pomoć uskaču sustavi za prednabijanje zraka koje dodajemo atmosferskim motorima kako bi im povećali snagu, zadržavajući pri tome isti radni obujam i/ili brzinu rada motora.

Ipak, bitno je napomenuti jedno. Ideja povećanja snage motora nije jedini razlog zbog kojeg je nastalo prednabijanje. Naime, kako se pritisak zraka smanjuje s porastom nadmorske visine, zrak postaje "rjeđi" te shodno tome ima manji udio kisika u obujmu.

I sada napokon, s teorije na praksu

U prvom nastavku priče o prednabijanju reći ćemo ponešto o turbopunjačima (turbokompresorima). S njima ćemo započeti priču o prednabijanju stoga što su u današnjim automobilima kudikamo češća pojava od mehaničkih kompresora. Turbopunjač se sastoje od dva osnovna dijela, a to su: pogonska turbina te turbina kompresora. Turbopunjač je kompresor zraka koji za svoj pogon koristi energiju ispušnih plinova. Upravo stoga, ova se vrsta punjača sastoji od dva osnovna dijela: pogonske turbine i turbine kompresora.

Priča o načelu rada turbopunjača kreće sa strane pogonske turbine. Riječ je, zapravo, o kotaču s lopaticama koje pokreće struja ispušnih plinova koja dolazi iz cilindara (ispušne grane motora). Ispušni plinovi tako prolaze preko lopatica pogonske turbine što izaziva njihovu rotaciju, nakon čega napuštaju turbopunjač odlazeći dalje, u ispušni sustav. Nadalje, pogonska je trubina osovinom povezana s turbinom kompresora. Ona je također kotač na kojem se nalaze lopatice. Rotacija tih lopatica pokreće zrak koji je pod atmosferskim pritiskom ušao u kompresor iz sustava usisa (cijevi koja vodi od filtera zraka ili sl.) te ga pod povećanim pritiskom tjera dalje prema motoru, odnosno, cilindrima.

Sada je već jasno, iz samog načela rada turbopunjača, da kao rezultat na njegovom izlazu dobivamo struju zraka pod pritiskom većim od atmosferskog. Tako je u cilindre moguće ubaciti više zraka, a samim time i više goriva koje će u potpunosti sagorjeti. Rezultat svega je značajno povećanje snage motora koje, u vrlo gruboj procjeni, može iznositi 30 do 60% u odnosu na ekvivalentni motor s atmosferskim usisom (ponavljamo, ovo je vrlo gruba procjena jer ćete danas vrlo teško naći isti motor u atmosferskoj i izvedbi s prednabijanjem). A, ako se već želimo igrati s usporedbama, recimo kako Honeywell (sadašnji vlasnik legendarnog proizvođača turbopunjača, tvrtke Garrett AiResearch) navodi da benzinski motor s prednabijanjem ostvaruje 20% nižu potrošnju goriva od atmosfersog ekvivalenta, dok turbodiesel može biti i do 40 posto ekonomičniji u usporedbi s atmosferskim benzinskim motorom jednake snage.

Zaštita od prevelikog pritiska nije na odmet...

Jasno je da se s povećanjem pritiska na papučicu akceleratora (dodavanjem gasa) povećava i brzina rada motora, a samim time i brzina strujanja ispušnih plinova. Rezultat toga je i povećanje brzine okretanja turbina u turbopunjaču (brzine dostižu i do 150.000 o/min). Ipak, kao i toliko puta do sada, moramo zadovoljiti neke kompromise. Turbopunjač je proračunat tako da daje neke određene vrijednosti pritiska (prednabijanja) na izlazu iz turbine pri određenim brzinama rada motora. No, jasno je da njegova uloga mora pokrivati što veći raspon brojeva o/min. Problem se javlja kada motor natjeramo u područja visokih okretaja. Turbopunjač, koji je proračunat tako da daje potreban pritisak i pri nižim brojevima okretaja, pri izrazito visokim brzinama može početi isporučivati previsoki pritisak prednabijanja.

Kako bi se spriječile moguće štete koje bi ovako visok pritisak uzrokovao, uz turbopunjače se ugrađuju sigurnosni ventili (eng. Wastegate ili Dump valve). Uloga ovih ventila je da oslobode dio natpritiska s izlaznog dijela turbopunjača (puštajući ga u atmosferu) i tako smanje tlak u usisnom sustavu.

Sigurnosni ventili obično su pokretani pneumatskim putem pomoću membrane (dijafragme) koja se nalazi pod pritiskom stvorenim u turbini. Kada ovaj pritisak dostigne najveću proračunatu vrijednost, membrana sigurnosnog ventila pomiče polugu koja pak otvara tzv. bypass prolaz (da upotrijebimo izraz "premosnica"? :-)). Taj bypass je u stvari cijev kroz koju prekomjerni pritisak napušta usisni sustav motora. Treba napomenuti kako su wastegate ventili u nekim automobilima pokretani i elektromagnetski, uz kontrolu središnjeg računala.

Turbopunjači promjenjive geometrije i rješavanje problema kašnjenja

Osim previsokog pritiska, u prednabijanju se javlja i problem poznat kao "kašnjenje" (tzv. "turbo-rupa"). Svi koji su vozili (starije) automobile s turbopunjačima stalne geometrije poznaju efekt koji se javlja pri naglom dodavanju gasa, pri nižim brzinama rada motora. Kako je cijeli turbopunjač proračunat za neke srednje vrijednosti pritiska ispušnih plinova, jasno je da pri niskim brojevima okretaja pritisak u ispuhu nije dovoljan da zavrti lopatice pogonske turbine na brzinu potrebnu za ostvarivanje potrebnog pritiska prednabijanja. Tako se, posebno u starijim automobilima opremljenim turbopunjačima stalne (nepromjenjive) geometrije, može osjetiti nagli porast okretnog momenta (javlja se kao neproporcionalno naglo ubrzanje) koji dolazi kada se pritisak u ispuhu dovoljno poveća, a turbina kompresora dostigne potrebnu brzinu okretanja.

Osim činjenice da takav karakter pogonskog stroja narušava vozljivost, posebno pri nižim brzinama rada motora kada su reakcije vozila na gas znatno slabije, dodatno nezgodan je nagli porast okretnog momenta na snažnijim motorima. Naime i dok na 80-ak KS snažnom motoru nećete osjetiti posebnu razliku kada turbopunjač krene u funkciju (počne ostvarivati upotrebljiv natpritisak), zamislite u kako bi ste se nezgodnoj situaciji našli da doživite trenutni skok okretnog momenta od nekih 100 ili više Nm, u zavoju, na mokroj cesti, u 500 KS snažnom automobilu s pogonom na stražnje kotače. Zvuči grozno, zar ne?

Kako bi se izbjegli ovakvi problemi i nedostaci te postigao efikasan rad turbopunjača, posebno pri nižim brojevima okretaja motora, velik broj današnjih motora koristi turbopunjače promjenjive geometrije (VGT - Variable geometry turbocharger). Točnije, radi se o pogonskim turbinama s krilcima promjenjivog položaja.

Ovakva (dodatna) krilca (obično ih je 10 do 15), najčešće upravljana središnjim računalom, usmjeravaju struju ispušnih plinova na lopatice pogonske turbine pod kutem koji se mijenja obzirom na brzinu rada motora i brzinu toka ispušnih plinova, a kako bi se najbolje iskoristio raspoloživi pritisak plinova ispuha te poboljšalo prednabijanje i pri nižim brojevima okretaja.

Njihove ekselencije - turbopunjači koji dolaze u paru

Dakle, ustanovili smo da se problem pri nižim brzinama rada motora javlja stoga što ispušni plinovi nemaju dovoljan pritisak da zavrte pogonsku turbinu na neku upotrebljivu brzinu. Jedno od, svakako logičnih, rješenja je i to da se pokuša napraviti pokretne dijelove turbopunjača što lakšima kako bi pružali što manji otpor ispušnim plinovima koji ih pokreću (ipak, treba uzeti u obzir da se ovdje radi o masi pogonske i turbine kompresorskog dijela, osovine koja ih povezuje, a "u igru" ulaze i otpori u ležajevima i sl. Dakako, u pokušajima da se nešto napravi što je moguće lakšim postoje i određena ograničenja ispod kojih je, barem uz upotrebu konvencionalnih materijala, teško doći.

No, činjenicom ostaje da je je lakše zavrtiti turbinu koja ima manju masu. Upravo stoga, pribjeglo se rješavanju problema kašnjenja u odzivu postavljanjem dvaju turbopunjača. Prvi koji će stupiti u funkciju je manji i ima lakše pokretne dijelove te može biti učinkovit već i pri nižim brzinama rada motora, tj. uz niži pritisak ispušnih plinova. No, takav punjač nema dovoljan kapacitet za ostavrivanje pune funkcije prednabijanja.

Stoga se u ovoj kombinaciji dodaje i turbopunjač većih dimenzija, kapaciteta ali i mase, koji svoju ulogu preuzima od manjeg punjača pri višim okretajima motora. Takva konstrukcija motora s dva turbopunjača poznata je kao Twin Turbo ili Bi-Turbo. Ovakav se spoj turbopunjača naziva sekvencijalnim ili dvostupanjskim.

Napomenimo tek, da ne bi bilo zabune, kako se termin danas Twin Turbo nerijetko koristi i u malo drukčijem slučaju. Naime, nije neobično da su motori V konstrukcije opremljeni s po jednim turbopunjačem za svaki red cilindara. Takav motor će stoga imati dva jednaka turbopunjača, gotovo u pravilu promjenjive geometrije, a naziv Twin Turbo ili Bi-Turbo je iskorišten tek kako bi se naglasio broj ugrađenih puhalica. Ovakav se spoj turbopunjača naziva paralelnim.

TwinScroll - dva u jedan

Premda nam nije (osim u potpisima slika) običaj spominjati neke određene automobilske marke, nema sumnje da je Twin Scroll turbopunjače na našem tržištu proslavila grupacija PSA s (od BMW-a preuzetim) 1,6-litrenim 4-cilindričnim benzinskim motorima oznake THP. Ova konstrukcija na neki način objedinjava ideju sekvencijalne sheme, u jednom turbopunjaču. No, vratimo se malo na osnove.

Klasični turbopunjač povezan je s ispušnom granom na takav način da ispuh svih cilindara završava na jednom mjestu te ulazi u punjač kako bi pokrenuo pogonsku turbinu. No, motori imaju svoj redoslijed paljenja u cilindrima (jedan primjer kod 4-cilindričnog motora može biti npr: 1-3-4-2) koji je neophodan kako bi se osigurala što pravilnija raspodjela opterećenja na koljenastom vratilu. Upravo zbog tog redosljeda, u ispušnoj grani (o ispuhu ćemo učiti nakon teme prednabijanja) koja u nekoj točki povezuje sve cilindre, dolazi do neujednačenog toka plinova, jer se na nekom mjestu "sudaraju" struje ispušnih plinova koji su došli u različitim trenucima. To narušava pravilan protok ispušnih plinova i umanjuje njihovu kinetičku energiju.

Kako bi se nadišao ovaj problem osmišljeni su Twin Scroll turbopunjači. Ideja takvog punjača je u tome da se razdvoje cilindri čiji impulsi ispušnih plinova interferiraju. Konkretno, Twin Scroll turbopunjač je opremljen s dva razdvojena ulaza ispušnih plinova, na koje su priključena dva zasebna priključka ispušne grane. Dakle, ispušna grana našeg 4-cilindričnog motora sada ne povezuje sve cilindre u jednu točku, već spoj završava u dvije (uvjetno rečeno) cijevi koje se priključuju svaka na svoj ulazni otvor Twin Scroll turbopunjača.

Konačni rezultat ogleda se u boljoj raspodjeli pritiska u ispušnom sustavu i učinkovitijoj isporuci energije ispušnih plinova pogonskoj turbini punjača. Tako Twin Scroll turbopunjači omogućavaju bolji odziv već i pri nižim brzinama rada motora, ali svoju učinkovitost zadržavaju i tijekom srednjih te viših brojeva o/min.

U sljedećem nastavku Škole bit će riječi o mehaničkim kompresorima, međuhladnjacima i (pre)ostalim divotama prednabijanja.