Turbo.Mythbusting

Hlavním záměrem tohoto článku je napravit kraviny, které čtu někdy v motoristických médiích o přeplňování spalovacích motorů turbodmychadlem, souhrnně odpovědět na dotazy a vyvrátit některé omyly z diskusí na tomto webu.

1. Turbo zvyšuje efektivitu motoru tím, že zužitkovává kinetickou energii výfukových plynů

Pravdivá je jen druhá část věty. První není pravdivá, protože turbo generuje protitlak, který je nepracovním zdvihu třeba „přeprat“, takže vzít si energii od válců, které mají pracovní zdvih. Bohužel, i přes zjevné pokroky na poli genderových kvót a násilného prosazování diverzity se dosud nepovedlo popřít základní přírodní zákony jinak než na papíře, což se v praxi projevuje tím, že energii nelze získávat z ničeho.

Vyšší účinnost motoru s turbem lze připsat především těmto faktorům:

– využití tepla výfukových plynů. Když se výfukový ventil otevře, horké médium expanduje samo od sebe a většina výfukových plynů by unikla, i kdyby se píst nepohyboval. Jinak řečeno, na horké straně turba dojde k poklesu tlaku (poměr tlaku před a za turbem je 1,5 – 2,5) a poklesu teploty výfukových plynů za jejich současné expanze. Kdyby turbo zpracovávalo jen kinetickou energii výfukových plynů, bylo by to energeticky negativní, protože účinnost turba je jen asi kolem 70%. Tohle je taky odpoveď na otázku, proč je turbo co nejblíže motoru a ne někde v kufru. Jedná se vlastně o něco jako pracovní zdvih vyskladněný mimo motor, kdy se energie nepřeměňuje na pohyb pístu, ale na otáčení rotoru turbíny, která následně pohání dmychadlo na studené straně.

– ze stejného motoru je možné dostat více výkonu (správně kroutícího momentu), takže motor může být menší a lehčí, než by byl atmosférický motor se stejnými parametry. Je to vidět zejména na vznětových motorech, ze kterých by se nebýt turba a přímého vstřikování paliva při akceptovatelných rozměrech a hmotnosti vůbec nedal vydolovat výkon takový, jaký řidič potřebuje. Tohle samozřejmě funguje jen v případě, když je tomu konstrukce motoru od počátku přizpůsobena. Některým výrobcům se podařilo vyrobit motory s turbem, které byly naopak těžší než stejně výkonné motory bez turba.

– většina spalovacích motorů má problém s účinností při nízkém zatížení, protože silně seškrcený motor má velké energetické ztráty. Musí pumpovat vzduch malou škvírou kolem téměř zavřené škrtící klapky. Z toho hlediska by bylo výhodné provozovat malý motor „na plné pecky“ (jako to dělají ty různé motorelektrické systémy), ale takový motor by měl zase jen minimální výkonovou rezervu pro běžný provoz. Turbo dokáže tento problém do jisté míry „pořešit“, protože umožňuje motor současně „zmenšit“ tak, aby při malém zatížení frčel s menšími ztrátami, a současně z něj dostat dost točivého momentu při velkém zatížení.

Z uvedeného jsou také zřejmé meze technického řešení s turbem. Například není možné odebírat teplo ze spalin donekonečna, protože by nebylo čím zahřívat katalyzátory. Pokud by se podařilo upravit spalovací motor tak, aby mohl lépe fungovat při částečném zatížení, tedy například měnit zdvih, pak by nebylo třeba foukat do motoru. Může se tedy stát, při dostatečném tempu vývoje, že turbo po čase nebude trh potřebovat stejně jako ty úsporné kompaktní zářivky, které ještě před časem měly spasit zeměkouli.

Ve všech případech jsem uvažoval zážehový motor v tradičním uspořádání.

2. Twin scroll turbo není twinturbo

Twin-scroll turbo je definitivně něco, o co si motoristické redakce pravidelně lámou péro. Přitom je to celkem jednoduchá věc. Vlastně tak mělo turbo vypadat od samotného počátku.

Taky jsem se v souvislosti s twin-scroll turbem setkal s výkladem, že je dvourotorové. Jak by asi pak vypadalo to obyčejné jednorotorové.

Na předchozí kapitolu navážeme v místě, kdy otevře výfukový ventil. Z válce začnou proudit výfukové plyny a jedná se o tlakový puls. Je to něco jako vláček, který má vpředu lokomotivu v podobě horké části pod velkým tlakem, pak je oblast s postupně klesajícím tlakem až na úroveň okolí a za vláčkem je podtlak. To způsobila setrvačnost. Podtlak se dá využít. Když se podaří výfukový systém navrhnout tak, aby ten podlak za vláčkem dorazil ke konci tunelu právě v okamžiku, kdy do něj bude vjíždět jiný vláček, tak bude ten první vláček druhý vláček táhnout. Jinak řečeno, podtlak způsobený vyprázdněním jednoho válce by mohl pomoci vyplachovat jiný válec. To je žádoucí. Sice jsme výše konstatovali, že výfukové plyny by z válce unikaly, i kdyby píst stál, na druhou stranu, zatím neexistuje způsob, jak s přiměřeným úsilím dostat ze spalovacího prostoru všechny výfukové plyny, což je ošklivé, protože to snižuje účinnost a zvyšuje teplotu spalování. Je proto snahou konstruktérů spojit výfukové svody válců tak, aby se jednotlivé válce vzájemně ovlivňovaly. Dělá se to tak, že jsou ve vhodném místě spojeny výfukové svody válců ležících vedle sebe nebo 1-4, 3-2. Je zde samozřejmě velký prostor pro optimalizaci, kdy na druhé straně stojí nutnost co nejrychlejšího prohřátí katalyzátoru. Jsou výrobci, co na to úplně prdí, což je samozřejmě signál pro zákazníka, ale tomu je to většinou jedno, protože toho zajímá, zda se dostane z auta na facebook, takže je to skrytý hint pro zákazníka, který nechce jezdit šrotem. Někteří výrobci to berou velmi vážně. Například výfukové svody u zážehového motoru Mazda Skyactive jsou neskutečnou změtí trubek v uspořádání 4-2-1, protože si výrobce vyhrál právě s efektivním odvodem tepla a výfukových plynů. Tohle všechno ale odpadá u motorů s turbem. Tam je zájem dostat turbo co nejblíže k motoru (proč popsáno výše) a s vyplachováním je konec, pokud ovšem nemáme twin-scroll turbo. Twin-scroll je turbo se dvěma kanály na horké straně a cílem takového layoutu je právě zachovat tu vlastnost, kterou jsem popsal výše.

Oproti tomu twinturbo (triturbo, quadroturbo) je jen množení turbodmychadel. Ta mohou být paralelní, protože pořád je lepší mít dvě malá turba než jedno veliké (třeba u motorů do V) nebo řazená sériově. Důvody, proč se to dělá, jsou celkem zřejmé a výhody a nevýhody z toho plynoucí taky.

3. Duchařina s mezichladičem

Diskusní shitstorm se často týká mezichladiče vzduchu alias intercooleru (IC). V současné době jsou na trhu dvě hlavní topologie. Při první je intercooler integrovaný v sacím potrubí mezi hlavou válců a škrtící klapkou a jedná se o výměník vzduch-voda. V tomto případě turbo fouká horký vzduch do sání a ten je ochlazován IC bezprostředně před vstupem do motoru. Druhým designem je klasický IC, tedy výměník vzduch-vzduch integrovaný někde v nárazníku nebo před kapotou. Turbo pak fouká vzduch do trubky, která ho přivede k intercooleru, tam se vzduch ochladí a je běžným způsobem přiveden do sání. Obě provedení mají své zastánce a příznivce, kteří vidí hlavně výhody toho svého a nevýhody toho druhého principu. Pozastavím se u jednoho argumentu z těchto diskusí, a to sice delší reakční doby systému s klasickým IC.

Je to pitomost.

Jediné, co určuje reakční dobu toho systému, tedy rychlost odezvy na plyn, je objem mezi motorem a tím, co ovládáme pedálem plynu, tedy škrtící klapkou. Kdybychom uvažovali klasické sání z atmosférického motoru, které má objem kolem tří litrů, a představili si, že řidič sešlápne plyn, tak při zdvihovém objemu dejme tomu 1.6 litru a 2000 rpm dostaneme prodlevu v řádu desetin sekundy, a to je už postřehnutelné. Když se do takového sání strčí ten výměník, který vypadá v jako malý chladič, objem vzduchu v sání se zmenší a rychlost odezvy zlepší. To vede zastánce vestavěného IC k myšlence, že jejich systém bude rychlejší, ale ve skutečnosti při pohledu na sání z motoru s externím IC zjistíte, že ani zde konstruktéři nespali a sání zmenšili, takže objem „bufferu“ je rovněž minimální. Pokud někdo nabyl dojmu, že motor s „vnitřním“ IC reagoval rychleji, tak je to nesjpíš vlivem technologií dominantních hráčů na trhu, tedy především VW. VW rád a často používá vestavěný IC, u benzínů i dieselů, a současné volkswagení motory se vyznačují rychlou reakcí na plyn, ale to je způsobeno řadou dalších konstrukčních prvků (přímé vstřikování paliva např.) a různých softwarových adaptací. Zrychlení odezvy motorů obecně také napomohla implementace normy FMVSS 124, která definuje, za jak dlouho se celý systém elektronického plynu má vrátit do výchozí polohy, což nepřímo přivedlo výrobce k takovým změnám, že se jednotlivé komponenty nejen umějí rychle vracet, ale také rychle nastavovat.

Výhody vestavěného IC by se daly shrnout takto: úspora místa, hmotnosti a nákladů, možnost regulace teploty např. termostatem, lepší performance v městském provozu a při rozjezdech, kdy se venkovní intercooler nechladí proudícím vzduchem a naopak se zahřívá od jiných chladičů kolem něho. Nevýhody vestavěného IC: menší tepelná kapacita daná menším objemem, takže při jízdě na plný plyn po chvíli IC odpadne a výkon začne klesat, větší tepelné zatěžování komponent sání, degradace výkonu přes životnost – výměník zasere se bordelem ze sání a bude třeba hledat způsob, jak jej vyčistit.

Pěknou prezentaci vestavěného I/C najdete na stránkách jednoho z výrobců, firmy Handtmann.

Pro uživatele, pro kterého je toto téma zásadní, existuje jedna zajímavá možnost. Jsou auta, která mají oboje. Asi před dvěma roky jsem viděl zkušební Audi A3, které mělo jeden mezichladič v sání a druhý velmi masivní pod kapotou zhruba zasahující až do míst, kde byla baterka, která byla přemístěna do kufru. Na autě se zkoušelo něco úplně jiného a vypadalo to jako sériové provedení. Něco podobného je údajně ve Škodě Rapid 1.6 TDI 85 kW, jestli ano, tak je to určitě cool řešení a skrytý tip pro technicky založeného fanouška čoudometů, jak získat technicky vyspělé auto za pár peněz.

4. Elektroturbo

Prakticky použitelné elektrické dmychadlo se postaralo o solidní rozruch na různých insiderských fórech a všichni se shodli na tom, že je to píčovina století. I zde to musím poopravit. Píčovina století by to byla, kdyby se to točilo pořád a nahrazovalo to klasické turbo. Takový mechanismus by byl hodně podobný těm bublinogenerátorům, u kterých si tře ohony HHO komunita. Elektroturbo, i když je to energetická sebevražda, má opodstatnění za jedné specifické situace – když řidič šlápne na plyn v nízkých otáčkách. Výfukové turbo se ještě neroztočilo, protože se ještě nevyrobily čmoudíky, takže není boost a roztáčející se turbína generuje velký protitlak. Tuhle situaci známe jako turbodíru. V této specifické situaci by ta konverze benzínu na elektriku a elektriky na stlačení vzduchu mohla být ospraveditelná. Dále je také možné používat větší turba s menším zpětným tlakem, což přinese další úsporu paliva. Výpočty provedlo několik automobilek nezávisle na sobě s podobným výsledkem – úspora paliva v řádu 2-3 %.

Otázkou je celková bilance – vyplatí se skutečně s sebou vozit e-booster, které bude aktivní třeba jen 3 % z celkové sumy motohodin? A elektroturbo s kabely tlustými jak párek z Kostelce není zrovna malý a lehký stroj. Ta věc má asi 2 kW elektromotor, který točí 70.000 rpm a špičkově tím teče 200 A. Myslím, že tohle nikdo netouží v autě mít, což je asi hlavní důvod pomalého rozběhu této technologie. Kromě toho je to nemalá technická výzva, pro insidery uvedu jen zkratky EMC a NVH.

Stránky jednoho z výrobců jsou třeba tady, zajímavá data z aplikace jsou zde a test drive zde.

Tolik tedy tento teoretický mythbusting. Kdyby někoho zajímalo, jak dlouho je možné ještě počítat se spalovacími motory, tak situace je následující. Dlouhodobé plány existují asi na 25 let dopředu, pak už to nemá smysl. V žádném z dostupných scénářů nefiguruje úplné vymizení spalovacích motorů z trhu. Některé ze scénářů jsou poměrně zábavné, tady například že lidé přestanou jevit o mobilitu zájem, protože díky virtuální realitě nebudou mít důvod někam cestovat. Jedná se zřejmě o extrapolaci nějakých hipsterských trendů a myslím, že by autoři měli méně hulit. Jiný podstatně scénář se označuje jako „1997“ a ten shledávám podstatně realističtějším. Necháme se překvapit.

07.08.2016 D-FENS

Související články: