Kako radi turbo punjač i zašto je turbo motor bolji od atmosferskog?
Danas je nezamislivo da u novom putničkom vozilu postoji dizel motor bez turbo punjača, a i benzinci ih sve češće imaju, bez obzira na radnu zapreminu, broj cilindara ili klasu automobila. Neki novi modeli uopšte ne mogu da se kupe sa atmosferskim benzincem.
Međutim, nije reč o snažnim sportskim verzijama, već se u obične male gradske automobile, kompakte i limuzine ugrađuju mali turbo benzinci od 1.2 ili čak 1.0 litar radne zapremine zbog smanjenja potrošnje i emisije štetnih izduvnih gasova.
Kao prvo – problematična terminologija!
Mnogi, naročito stručnjaci, imaće zamerke po pitanju naziva pojedinih delova/komponenti koje ćemo koristiti. Svesni smo toga, ali suština ovog teksta je da prosečnom čoveku objasnimo princip rada turbo punjača, a ne da ga pripremimo da ga remontuje.
Slično kao kolenasto vratilo ili radilica, senzor radilice ili senzor kolenastog vratila, felna ili naplatak, guma ili pneumatik, dihtung ili zaptivka, akumulator ili baterija, pumpa za gorivo ili pumpa goriva, silen blok u raznim verzijama, branik ili odbojnik, i razni drugi delovi. Kod turbo punjača je ovaj problem naročito izražen, a to ćete videti i u nastavku teksta.
Kako radi turbo punjač?
Usisna grana kroz koju ulazi vazduh u motor i izduvna grana kroz koju izlaze izduvni gasovi smeštene su jedna pored druge. U izduvnu granu ubačeno je kolo sa lopaticama (turbina) koju osovina direktno povezuje sa drugim, kompresorskim kolom (kompresor - sa obrnuto postavljenim lopaticama u odnosu na turbinu) ubačenim u usisnu granu.
Kako izduvni gasovi vrte turbinu u izduvnoj grani, tako se njeno okretanje prenosi na kompresor u usisnoj grani, koji tada usisava vazduh i pod pritiskom ga ubacuje u motor. Dakle, zahvaljujući tome što se veća količina vazduha ubacuje u motor, tj. u cilindre motora, može da se dobije veća snaga.
Ovo nije besplatna snaga!
Mnogi misle, a i proizvođači se prilično trude da nas u to ubede, kako će mali turbo motor od 1.400 kubika i 140 KS trošiti istu količinu goriva kao atmosferski motor od 1.400 kubika i 80 KS. Problem je u tome što kada turbo punjač u cilindar ubaci veću količinu vazduha, mora da se ubrizga i veća količina goriva da bi se dobilo pravilno sagorevanje.
Dakle, ne može da se „upumpa“ mnogo vazduha, ubaci malo goriva (ista količina kao kod atmosferskog) i dobije velika snaga.
Da pojasnimo još nešto – kada se kaže da motor ima npr. 120 KS, to znači da mu je to maksimalna snaga, a ne da tu snagu ima u svakom trenutku. Bacite pogled na ovaj grafikon:
Reč je o modelu Audi S5 sa 3.0-litarskim turbo motorom koji maksimalnu snagu od 260 kW (354 KS) razvija u rasponu od 5.400 do 6.400 o/min. Međutim, na 4.000 o/min razvija 210 kW, na 3.000 o/min oko 160 kW i na 2.000 o/min oko 105 kW (143 KS).
Svi mi u svakodnevnoj vožnji koristimo samo deo potencijala motora naših automobila kada je snaga u pitanju. Međutim, kada nam zatreba više snage, npr. prilikom preticanja, moramo da pritisnemo gas „do daske“ i kazaljku obrtomera odguramo visoko ka crvenom polju kako bismo izvukli što više snage koja ubrzava automobil.
Mali atmosferski motor u iole većem vozilu nema dovoljno snage za taj zadatak. Zato ljudi žele motor od 2.0 ili 2.5 litra sa npr. 140 ili 170 KS. Lako vuče pri niskim obrtajima, snažno i samouvereno ubrzava, nema mučenja na uzbrdicama i život je lep... Sve dok ne zasvetli lampica za gorivo.
Manja potrošnja – ne samo veća snaga
Ovo je u stvari osnovni motiv korišćenja turbo punjača kod savremenih benzinaca. Nekada davno korišćeni su da bi se izvukla velika snaga iz relativno malog motora kod automobila u koje je bilo nepraktično ugrađivati velike V6 ili V8 agregate. Potrošnja je bila negde pri dnu liste prioriteta.
Kod dizelaša je bila slična priča. Atmosferski dizelaš je sjajan po pitanju pouzdanosti. Legenda kaže da na njemu nema šta da se pokvari. Međutim, ta pouzdanost ima svoju cenu – tromost i lenjost bez premca.
Turbo dizelaši su potpuno druga priča zbog razlike u načinu rada dizel i benzinskih motora. Potopite papučicu gasa, kod starijih malo sačekate da „prođe“ turbo rupa, kod novijih uglavnom nema tog čekanja; i magija počinje – navala snage, obrtnog momenta, adrenalina, škripe guma (kod starijih) i neopisiv osećaj sreće zbog snažnog ubrzanja.
Da se uozbiljimo. „Daunsajzing“, tj. smanjenje radne zapremine uz ugradnju turbo punjača, odavno je omiljena reč proizvođača automobila koji predstavljaju nove motore, obećavajući mnogo snage, ekonomičnost (nisku potrošnju goriva) i malu emisiju štetnih izduvnih gasova, naročito ozloglašenog ugljen-dioksida koji izaziva globalno otopljavanje.
Kažu da dok vozite lagano, pri malom broju obrtaja, auto troši malo, u skladu sa svojom kubikažom. Međutim, kada vam zatreba snaga, vi dodate gas, turbina se zavrti, kompresor počne da ubacuje više vazduha, stiže i više goriva i motor počinje da se ponaša kao da ima mnogo veću kubikažu, tj. da razvija veću snagu.
Auto poleti, vi završite preticanje, prošišate kroz trepćuće zeleno ili dostignete brzinu koju ste želeli i nastavite da krstarite pri niskom broju obrtaja kao i ranije – motor male kubikaže razvija malu snagu i troši malo goriva...
Takođe je i vrlo ekološki, pošto ispušta manje štetnih gasova od velikog atmosferskog motora sličnih karakteristika. Bar tako kažu testovi obavljeni u laboratorijskim uslovima, uz prilično nerealan scenario simulacije vožnje.
Generalno, kod turbo dizelaša koncept „daunsajzinga“, tj. kombinacija male potrošnje goriva i dostupne velike snage po potrebi funkcioniše sjajno, dok je kod turbo benzinaca ta priča nešto komplikovanija, pošto se mnogi vozači žale da im automobili troše mnogo više nego što im je obećano.
Ipak, nećemo se sada baviti tom temom, pošto zahteva posebnu analizu – upoređivanje raznih motora u raznim modelima, kao i uslova vožnje i navike vozača koji očekuju da mogu oštro da voze svoj npr. 1.4-litarski turbo benzinac od 140 KS i da to ne plate visokom potrošnjom.
Konje treba napojiti (ali ne previše)
Turbo punjač ubacuje veću količinu vazduha u cilindre nego što bi to bio slučaj kod atmosferskog motora. Količina vazduha i benzina koja se nađe u cilindru mora da bude u određenom odnosu, tako da i sistem ubrizgavanja goriva mora ubaciti odgovarajuću količinu goriva.
Idealan odnos količine vazduha i benzina u cilindru je 14,7:1, tj. 14,7 grama vazduha na 1 gram benzina. U tom odnosu bi teoretski trebalo da sagori i sav kiseonik i svo gorivo u cilindru. Idealan odnos količine vazduha i dizela je gotovo isti kao kod benzina – 14,5:1.
Ako se u cilindru nađe previše vazduha u odnosu na gorivo, imamo tzv. siromašnu smešu. U slučaju kada je ubrizgano previše goriva u odnosu na količinu vazduha, dobijamo tzv. bogatu smešu. U oba slučaja dolazi do negativnog uticaja na rad motora i javljaju se simptomi kao što su slabo ubrzanje, povećana potrošnja goriva, razvijanje visokih temperatura u samim cilindrima, grub rad u leru, „gušenje“ pri niskim obrtajima ili pad snage pri visokim obrtajima... Takođe, povećava se i emisija štetnih gasova.
U određenim situacijama, sistem za kontrolu rada motora namerno menja ovaj odnos. Na primer, kada je motor hladan, prilikom ubrzavanja ili vožnje pod opterećenjem, poželjna je bogatija smeša. U stvari, kako kažu inženjeri, u praksi se u cilindrima retko nalazi idealan odnos smeše goriva i vazduha zbog brojnih razloga, kao što su različiti režimi rada motora, hlađenje cilindara, sprečavanje detonacija u cilindrima (samozapaljenje smeše zbog suviše visokog pritiska ili temperature)...
Pomalo zbunjujuće, zar ne? Motori u automobilima su komplikovane mašine, a još kada se ubaci turbo punjač, dolazi do novih „izazova“ (problema) koje treba držati držati pod kontrolom. Pritom, treba ispuniti razne ekološke standarde po pitanju štetnih izduvnih gasova. Da bi se ova problematika u potpunosti razumela, treba pročitati solidnu količinu stručne literature.
Vratimo se na sistem rada turbo punjača
Dakle, motor radi, izduvni gasovi izlaze i vrte turbinu u izduvnoj grani. Turbina preko osovine okreće kompresor, koji usisava vazduh, sabija ga i šalje ka motoru. Međutim, pošto se taj vazduh zbog sabijanja greje (i do 200 C°), prvo prolazi kroz međuhladnjak (interkuler) kako bi se ohladio – hlađenjem mu se dodatno smanjuje zapremina, pa može veća količina da se ubaci u cilindar, a ima i drugih razloga zašto je poželjno da u cilindar uđe što hladniji vazduh.
Kada se u cilindru obavi sagorevanje i klip prenese snagu dalje, dolazi do izbacivanja sagorele smeše koja vrti turbinu delujući na njene lopatice, a turbina prenosi okretanje na kompresor... Tako se koristi energija izduvnih gasova koja bi bez turbo punjača ostala neiskorišćena.
U određenim situacijama, npr. prilikom snažnog ubrzavanja, može doći do suviše brzog okretanja turbine i kompresora, što dovodi do previsokog pritiska u usisnoj grani i „začaranog kruga“, koji može da dovede do oštećenja turbo punjača ili motora.
Zato je tu tzv. rasteretni ventil (wastegate), koji u slučaju kada dođe do previsokog pritiska u izduvnoj grani, određenu količinu izduvnih gasova usmerava drugim kanalom u izduvni sistem tako da zaobiđu turbinu, čime se sprečava prebrzo okretanje turbine i kompresora, čime bi se izazvao previsok pritisak i u usisnoj grani.
Sa druge strane, javlja se i problem kada naglo otpustite papučicu gasa, pa u usisnoj grani ostane velika količina vazduha pod pritiskom koja ne može da se iskoristi, tj. dolazi do rasta pritiska u usisnoj grani, što negativno utiče i na sam turbo punjač.
U takvim situacijama na scenu takođe stupa ventil koji se otvara i ispušta višak vazduha. Postoje dve vrste ventila koje propuštaju višak vazduha – princip je isti, a u suštini se razlikuju po tome gde završava ispušteni vazduh.
Turbo rupa
Kod novijih turbo motora ovaj problem nije toliko izražen, ali kod starijih jeste. Reč je o tome da kada želite snažnije da ubrzate i pritisnete oštro papučicu gasa – ostanete u čudu zato što shvatite da se ništa ne dešava, a onda iznenada dođe do navale snage i automobil poleti.
Ta pauza se naziva turbo rupa. Nastaje zbog toga što je turbo punjaču potrebno određeno vreme da počne da ubacuje dovoljnu količinu vazduha u cilindre kako bi se dobila željena snaga. Kod nekih automobila je turbo rupa manje izražena, kod drugih više, ali to u velikoj meri zavisi i pri kojem broju obrtaja ste „potopili“ papučicu gasa.
Turbo punjač uvek radi, tj. turbina i kompresor se uvek vrte, bez obzira na broj obrtaja motora. Nema govora o onome da se turbo punjač „uključuje na određenom broju obrtaja“. Taj utisak se stiče upravo zbog toga što je potrebno određeno vreme od oštrijeg pritiska na papučicu gasa do osetnog porasta snage.
Inače, turbina se u „leru“ vrti brzinom od npr. 10.000 o/min, a najefikasnije radi pri 100.000-150.000 o/min. Može da se zavrti i do 250.000 o/min. Jedan od načina da se smanji turbo rupa jeste redukovanje mase svih komponenti koje se okreću u turbo punjaču, što se postiže lakim ali jakim materijalima. Tu je i smanjenje dimenzija turbine i kompresora – što su manji, to će biti u stanju da brže „reaguju“, kao i da obezbede bolji protok vazduha pri nižem broju obrtaja.
Međutim, javlja se drugi problem – motor će imati sjajan odziv na pritisak na papučicu gasa pri malim obrtajima, ali kada motor ode u visoke obrtaje, mali turbo punjač neće biti u stanju da obezbedi traženu količinu dodatnog vazduha. Postoje i drugi načini borbe protiv turbo rupe, ali ta tema je suviše obimna da bismo je pokrili u ovom tekstu.
Turbo motor protiv atmosferskog?
Turbo motori kao glavnu prednost u odnosu na atmosferske imaju veliki obrtni moment i to pri malom broju obrtaja, pri čemu vrednost obrtnog momenta oštro skače do maksimuma i zatim ostaje na maksimumu u prilično širokom rasponu broja obrtaja (npr. od 1.800 do 3.000 o/min). Maksimalna snaga se takođe razvija pri nižem broju obrtaja u odnosu na atmosferske motore.
Savremeni sistemi kontrole rada atmosferskih motora (koji se takođe primenjuju i kod turbo motora) prilično su „pametni“, pa su u stanju da obezbede i više nego pristojnu elastičnost, nisku potrošnju, dobra ubrzanja, razvoj snage i obrtnog momenta, itd.
Čak su neka testiranja u realnim uslovima pokazala da atmosferski motori velike kubikaže mogu da imaju manju potrošnju od turbo motora male kubikaže i slične snage. Razlika je naročito izražena kod velikih opterećenja, kao što je vuča teške prikolice i sportska vožnja.
Međutim, bilo kakva generalizacija i diskusija na ovu temu, osim u slučaju kada se porede vozila i motori sličnih karakteristika (to je takođe poseban problem), po pravilu se pretvori u besmislenu svađu. Postoji toliko verzija atmosferskih i turbo motora, u toliko različitih modela, sa toliko različitih menjača...
Subjektivni osećaj kod vožnje turbo motora
Mnogi vozači vole turbo motore, bez obzira da li je reč o dizelašima ili benzincima upravo zbog toga što pri malom broju obrtaja oštrim pritiskom na papučicu gasa automobil snažno „povuče“, pa praktično imate osećaj da pod haubom imate mnogo, mnogo snažniji motor.
Nekada su turbo motori imali izraženu turbo rupu - pritisnete gas „do daske“, ali se sekund-dva gotovo ništa ne dešava, da bi onda, kada se turbina dovoljno zavrti, krenula prava navala snage… Ova pojava je u velikoj meri iritirala vozače, osim onih koji su bili upoznati sa načinom rada turbo motora, tj. njihovim manama i prednostima, znali kako da se „bore“ protiv turbo rupe držanjem motora u određenim obrtajima i pritom uživali u tome, ne pateći zbog velike potrošnje goriva.
Savremeni motori sa turbo punjačima zahvaljujući naprednoj tehnologiji potpuno su druga priča, ali ih nipošto ne možemo sve strpati u isti koš, pošto je mnogo faktora u igri.
Konstrukcijske razlike turbo motora u odnosu na atmosferske
Generalno, nema velikih razlika. Neophodno je da određene komponente i delovi budu ojačani ili drugačije konstruisani, pošto se javljaju jače sile, više temperature, veći rizik od detonantnog sagorevanja u cilindru, itd. Upravo zbog navedenog kod brojnih vozača i dalje vlada skepsa po pitanju trajnosti i pouzdanosti malih turbo benzinaca.
Na primer, kada su polovnjaci u pitanju, saznali smo da se na većini auto placeva benzinci veoma malo traže, a čak i na njima za malim turbo benzincima ne postoji ni najmanje interesovanje.
Podmazivanje turbo punjača
Turbo punjač se podmazuje istim uljem koje se nalazi u motoru. Motorno ulje ima ulogu i u hlađenju turbo punjača. Stoga je njegov kvalitet i redovno menjanje od presudnog značaja za trajnost turbo punjača. Ne treba zaboraviti ni redovnu proveru količine ulja u motoru.
Razlika između turbo punjača i mehaničkog kompresora
Mehanički kompresor radi na istom principu kao turbo punjač, ali njegov kompresor koji upumpava vazduh u cilindre pokreće radilica preko kaiša. Stoga nema turbo rupu, ali „krade“ mnogo snage od motora. Postoje i velike razlike u mehaničkom smislu po pitanju načina na koji se vazduh „usisava“.
Stoga nećemo ulaziti u detaljnije objašnjenje rada kompresora i poređenje mana i prednosti, naročito zato što i tu treba uzeti u obzir brojne faktore. Pored toga, neki stručnjaci se ne slažu sa generalno usvojenim stavovima.
Šta je to i kako radi spiralni kompresor?
Spiralni kompresor je danas slabo poznat, pošto je njegova primena odavno prestala. Iako je na polju performansi bio odličan, pouzdanost mu nije bila jača strana, a više o njemu možete da pročitate u ovom tekstu: Kako radi spiralni kompresor?
Priča o turbo i drugim punjačima je mnogo komplikovanija
Pošto smo ovde pokrili samo osnove, nastavićemo priču o turbo punjačima, uključujući one sa varijabilnom geometrijom, sekvencijalne i druge, savete za produženje životnog veka, prepoznavanje simptoma kvara i slično u sledećem tekstu.
Dragan Romčević
Najčitanije vesti
