Turbo přidá motoru sílu. Dosahuje až 300 000 otáček za minutu

Před třiceti lety bylo turbo výsadou jen několika málo sportovních modelů osobních aut. Během devadesátých let se přeplňování podstatně rozšířilo u dieselů, které tím vyrovnaly dosavadní nedostatky v dynamice, a v posledních deseti letech dovedl tlak na snížení škodlivých emisí automobilky k montáži turbodmychadla i do malých benzínových aut. Svým vývojem si však za tu dobu prošlo i samo turbodmychadlo.

Turbodmychadlo | foto: Ford

Původní patent pochází už z roku 1905 a turbodmychadlem vybavené speciály se účastnily závodů v americké Indianapolis už v roce 1918. Pro běžná osobní auta to však byla technologie zbytečně drahá a tak turbo od dvacátých let pomáhalo motorům v nákladních lodích, ve třicátých letech v dálkových lokomotivách, od padesátých let pak ve stavebních strojích a nejtěžších nákladních autech. V polovině sedmdesátých let už tu bylo ostré přeplňované Porsche 911 a BMW 2002 Turbo, v roce 1978 první osobní turbodiesel, Peugeot 604.

co je to turbodmychadlo

Turbodmychadlo je dmychadlo poháněné výfukovými plyny. Skládá se ze dvou hlavních částí – turbínové a dmychadlové. Dmychadlo stlačuje vzduch vstupující do motoru a výrazně tak zvyšuje jeho objemovou účinnost oproti klasickému nepřeplňovanému motoru. Turbína pohánějící dmychadlo je roztáčena výfukovými plyny vystupujícími z motoru a je zpravidla umístěna na stejné hřídeli.

Zdroj: wikipedia.cz

Boj s turboefektem

Turbodmychadla těchto aut byla velká a těžká a měla velkou setrvačnost; po sešlápnutí plynu proto následovala dlouhá prodleva, nazývaná turboefekt. Odstranit tuto nevýhodu bylo první velkou výzvou dalšího vývoje. Čím menší motor přeplňujeme, tím méně spalin máme k dispozici a tím důležitější je nízká hmotnost turbodmychadla, aby bylo schopné se rychle roztočit. Samotné zmenšení turbodmychadla to bohužel nevyřeší, protože malé turbodmychadlo se rychleji rozběhne, ale také má menší účinnost. I turbína má totiž svoje ideální pracovní otáčky a jakmile je přesáhne, její účinnost klesá.

Od začátku devadesátých let pomáhá tento jev překonat turbodmychadlo s proměnnou geometrií, které je však dražší a kvůli vyšší teplotě spalin ji zatím nelze použít u benzínových motorů. Ještě dražší, a také těžší a náročné na prostor, je sekvenční přeplňování, kdy se menší turbo rychle rozběhne a větší dmychadlo naváže ve vyšších otáčkách.

Vývoj jde stále dopředu jak v materiálech, tak v aerodynamice. "Každé dva až tři roky přichází na trh nová generace turbodmychadel, jejíž parametry jsou lepší, než u té předchozí", říká k tomu Craig Balis, viceprezident společnosti Honeywell Turbo Technologies zodpovědný za technický vývoj. Nejnovější turbodmychadla mívají kvůli snížení hmotnosti méně lopatek, avšak právě drobná a laickým okem nepostřehnutelná zlepšení v aerodynamice celkovou účinnost dmychadla zvýšila. Díky tomu se rozšířilo i pásmo využitelných otáček. Turbodmychadla osobních aut ze začátku osmdesátých let končila kolem 120 tisíc otáček za minutu, dnes je běžná hodnota 250 tisíc a nejnovější turba se blíží třem stovkám tisíc otáček.

To ovšem klade vyšší nároky i na výdrž materiálů. Ve výfukové části se dnes používají kvůli vysokým teplotám slitiny titanu, v kompresorové části, na kterou při vysokých otáčkách působí obrovská odstředivá síla, slitiny niklu. "Jsou to dražší, nicméně standardní průmyslové materiály, pro jejich cenové zpřístupnění je tedy důležitá hlavně efektivita výroby," dodává Balis. U dieselu se považovala za limit teplota 830°C, u benzínových motorů 950°C.

Inspirace závoďáky

Na letošním pařížském autosalonu byly k vidění dva motory Mercedes-Benz s nejnovějšími turbodmychadly Honeywell: dieselový třílitr, jehož turbodmychadlo je zkonstruováno na teploty do 860°C, a benzínový V8 biturbo, jehož turbodmychadla vydrží až 1050°C. Rozdíl se zdá být malý, ale právě na tomto rozmezí se vlastnosti materiálů lámou a každých 20°C je velká výhoda, která nechává více možností řízení motoru a zvyšování jeho výkonu.

Třílitrový diesel Mercedes však přináší ještě daleko zajímavější novinku: jeho turbodmychadlo má kuličková ložiska. Ta mají menší valivý odpor než obvyklejší kluzná, a hlavně přesněji vymezují polohu osy dmychadla. V kluzných ložiskách mohou rotory při rozvážení vibrovat, své dokáže také kolísání viskozity oleje po studeném startu. Kvůli tomu musejí mít rotory ve skříni dmychadla vůli až 0,4 mm a s takovou "netěsností" klesá účinnost. S kuličkovými ložisky stačí rezerva jen 0,1 mm, což snížilo ventilační ztráty a turbodmychadlo je účinnější. S nižším valivým odporem se také rychleji roztáčí a auto spontánněji reaguje na plyn. Motor Mercedesu dosahuje s jediným turbodmychadlem 195 kW a 620 N.m.

Závodníci a tuneři však používali kuličková ložiska už dobrých dvacet let. Proč trvalo tak dlouho, než se dostala do sériových aut? "Protože to je mimořádně těžké" odpovídá Craig Balis. "250 tisíc otáček za minutu je víc než u leteckých motorů a vy musíte leteckou technologii přizpůsobit velkoobjemové výrobě automobilového průmyslu a zachovat přitom nízké náklady, spolehlivost a dlouhou životnost."

Dvě lepší než jedno

Světová dvojka, Borg-Warner, proti tomu staví stále zdokonalovanou technologii dvoustupňového přeplňování se dvěma turbodmychadly, nejnověji mají obě proměnnou geometrii. Takto vybavený třílitrový motor BMW dosahuje mírně nižšího točivého momentu 600 N.m, ale podstatně vyššího výkonu 220 kW, což ukazuje, že toto řešení je méně svázáno teplotními limity ve vyšších otáčkách. Borg-Warner zatím dodával systémy sekvenčního přeplňování do většiny evropských aplikací. Nejnověji pod značkou R2S (Regulated two stage turbocharging) do nejsilnějšího dvoulitru ve Volkswagenu Transporter a Amarok, používá je i čtyřválcový Mercedes 250 CDI, Volvo D5 a Saab TTiD.

Že je tento pokrok dobrý jenom pro majitele nových aut? Nikoli, zlevňování technologií se odráží i v cenách náhradních dílů. "Nejprodávanější turbodmychadlo do Škoda Octavia TDI 77 kW prodáváme za 12 900 Kč bez DPH," potvrzuje Jiří Valášek, majitel jihomoravské firmy Special Turbo. "Před dvěma lety přitom bylo za 16 500 korun." Další pokles už ale zřejmě čekat nemůžeme. "Samotná technologie je už podle mě na samém cenovém dně, ale ceny materiálů začínají stoupat kvůli obrovské poptávce v Číně a Indii, a to je na slitinách niklu nebo bronzových ložiskách poznat," dodává Valášek.

Honeywell loví české mozky

Honeywell jako jeden z mála světových průmyslových gigantů investuje v České Republice do rozvoje nejmodernějších technologií. V brněnském globálním vývojovém centru pracuje kolem 750 lidí, kteří se podílejí jak na základním výzkumu nových technologií a materiálů, tak na konkrétních aplikacích, a to pro tři divize firmy: leteckou, divizi dopravních systémů (do níž spadají mimo jiné turbodmychadla) a průmyslové automatizace. V Brně má Honeywell svoji vůbec největší laboratoř pro testování turbín, která pokrývá asi 40% světové laboratorní kapacity Honeywellu na tomto poli. Centrum stojí na kvalifikovaných odbornících, společnost proto spolupracuje s VUT i Masarykovu univerzitou v Brně i v s ČVUT v Praze.