Turbodúchadlo

Napríklad ventilový rozvod OHC inžinieri skúšali už začiatkom minulého storočia. Zistili, že je výhodnejšie poháňať vačkový hriadeľ umiestnený v hlave valcov sústavou ozubených kolies alebo tzv. kráľovským hriadeľom pri jednovalcových motocyklových motoroch, než používať zdvíhadlá vahadiel ventilov, ktoré vykonávajú vratný pohyb (rozvod OHV s vačkovým hriadeľom v bloku motora).

Najvýhodnejší je rotačný pohyb.

Na to prišli už národy starej Mezopotámie (Sumeri) zhruba pred 6000 rokmi pred naším letopočtom, keď vynašli koleso. Pri rotačnom pohybe vznikajú menšie straty než pri vratnom priamočiarom pohybe. O tom premýšľali i technici vo Veľkej Británii, keď zostrojili spaľovací motor s krúživým pohybom piesta. Jeho funkčný prototyp z roku 1905 možno vidieť v technickom múzeu v Yorku.

Prakticky sa neuplatnil iba preto, že v tom čase nemali vhodné materiály na utesnenie rotačného piesta. Takže Felix Wankel iba využil nepatentovaný systém motora s krúživým piestom zo začiatku minulého storočia.

Straty energie v spaľovacích motoroch

Spaľovací motor vo svojich začiatkoch využíval iba malú časť energie, ktorá sa horením vo valcoch menila na užitočnú prácu. Vznetové motory využili z energie paliva iba tretinu, kým benzínové asi štvrtinu. Zvyšok energie unikal z motorov nevyužitý.

Už na začiatku učebnice Huga Velana Spaľovacie motory (III. vydanie, 1959) sa uvádza Sankeyov diagram tepelnej bilancie zážihových motorov, z ktorého vyplýva, že až 35 % energie uniká vo výfukových plynoch, nedokonalým spaľovaním2,3 %, chladením 30 %, tepelným vyžarovaním 2 % a trením pohyblivých častí motora až 8 %.

Takže výfukovými plynmi sa stráca veľké množstvo energie z paliva. Nad takýmito veľkými stratami sa inžinieri zamýšľali už začiatkom minulého storočia. Snažili sa ich zmenšovať, čím by sa účinnosť motorov podstatne zvýšila a spotreba paliva klesla. Tak sa mohol zväčšiť aj výkon motorov.

Vynález turbodúchadla

Pri pátraní po vznešených technických myšlienkach sme dlho nevedeli objaviť meno vynálezcu turbodúchadla na prepĺňanie valcov spaľovacích motorov. To bola predsa geniálna myšlienka, ako zlepšiť účinnosť motora bez akejkoľvek ďalšej straty jeho výkonu. Domnievali sme sa, že i tento systém pochádza zo začiatku minulého storočia. No meno jeho vynálezcu a rok uplatnenia tohto mimoriadne významného technického princípu sa nám nedarilo zistiť.

Vieme, že mechanické prepĺňanie motorov pochádza z prvej dekády rokov minulého storočia. O jeho princípoch sme sa učili na predmete spaľovacie motory na strojníckej priemyslovke. Išlo napríklad o slávny Rootsov kompresor mechanicky poháňaný od kľukového hriadeľa, ktorý dodával do valcov palivo vyšším tlakom, než sa nasávalo pri atmosférickom plnení.

Kompresor mal dva piškótovité rotory navzájom do seba zapadajúce. I keď sa takýmto prepĺňaním zvýšil výkon motora, kompresor na mechanický pohon odoberal až 50 % zo získaného výkonu. Rootsovým kompresorom boli prepĺňané napríklad známe motory kabrioletov Bentley a Mercedes SKK z dvadsiatych rokov minulého storočia.

Podľa päťzväzkovej Encyklopédie letectva Václava Němečka v roku 1938 mali všetky moderné typy stíhačiek motory prepĺňané mechanickými kompresormi. Dosahovali výkon 750, 900 a podaktoré až 1000 koní.

V priebehu štyridsiatych rokov počas druhej svetovej vojny podľa Václava Němečka mali stíhačky motory prepĺňané turbokompresormi. Podobné poznámky nachádzame i v knihe Jaroslava Schmida Stíhací a bombardovací letadla USA, ktorých motory boli prepĺňané tiež turbokompresormi. Autori však nevysvetľujú, o aký typ turbokompresorov išlo.

Viac svetla do histórie vzniku turbodúchadiel priniesol až Francois Dovad, ktorý píše, že v rokoch 1909 až 1915 inžinier Alfred Büchi zo Švajčiarska vyvinul prvé turbodúchadlo, ktorým chcel prepĺňať valce dieselových motorov firmy Sulzer vo Winterthure vo Švajčiarsku. Rotačný kompresor na stláčanie vzduchu poháňal turbínou na výfukové plyny, čím chcel získať aspoň časť stratenej energie, ktorá odchádzala nevyužitá do ovzdušia.

Bojové lietadlá, ktoré mali operovať vo výškach nad 5000 metrov, mali napriek výkonným motorom s atmosférickým plnením valcov nedostatok kyslíka. V roku 1917 sa pokúsil letecký inžinier Auguste Rateau namontovať Büchiho turbodúchadlo do leteckého motora. Hoci použil oceľové časti, ktoré odolávali teplotám presahujúcim 950 stupňov, toto zariadenie nebolo dostatočne spoľahlivé.

O tom, že sa turbodúchadlá začali uplatňovať aj v praxi, svedčí veľký vidlicový dieselový motor rušňa z roku 1932, ktorý poháňal vlak. Videli sme ho v železničnom múzeu austrálskeho mestečka Alice Springs. Každý rad valcov mal vlastné obrovské turbodúchadlo. Vo veľkých vznetových lodných motoroch sa v tridsiatych rokoch minulého storočia už bežne používali turbodúchadlá na prepĺňanie valcov vzduchom.

Prvé praktické uplatnenie turbodúchadla v leteckých benzínových motoroch sa podarilo až v roku 1939 firme General Electric v USA v bombardovacom lietadle B17. Turbínu hnanú výfukovými plynmi ochladzoval prívod vzduchu zvonka. V priebehu štyridsiatych rokov „turbokompresory“ leteckých motorov boli zrejme turbodúchadlá, aké poznáme dnes.

Keď prišiel tím Renault s prepĺňaným motorom turbodúchadlom na preteky automobilov formuly 1, Mike Costin, konštruktér pretekových motorov Ford Cosworth vtedy napísal: „Nevydali sme sa správnym smerom, ako zvyšovať výkon motorov monopostov F 1. Ak sa tento trend okamžite nezastaví, pripravím dvanásťvalcový dvojtaktný prepĺňaný motor, ktorému výkonom nebude stačiť žiaden prepĺňaný štvortaktný motor s turbodúchadlom.“

Tento trend FIA nezastavila a Mike Costin svoju hrozbu nezrealizoval. Turbodúchadlá sa úspešne presadzovali aj v bežných cestovných automobiloch, pretože sa nimi zvýšila účinnosť spaľovacích motorov a znížila spotreba paliva najmä vznetových motorov. Nové materiály a technológia mazania tiež priniesli pokrok, takže turbodúchadlá sú spoľahlivé, účinné i napriek tomu, že pracujú pri veľmi veľkom počte otáčok (80 000 ba i viac). Ide o využitie energie paliva, ktorá by sa inak beznádejne nevyužitá stratila.

Turbocompound

V decembri 1941 sa v časopise Technical Review objavil článok, ktorý popisuje zariadenie nazvané „turbo-superprepĺňanie“ lodného motora. Išlo o dieselový motor s protibežnými piestmi značky 4 ZGA 19, ktorého merná spotreba paliva bola 152 g/k/h pri nominálnom výkone 1370 koní. Krátko potom nasledoval väčší a modernejší motor 6 G 18, ktorý úspešne absolvoval sériu skúšok. Experimenty sa skončili krátko po druhej svetovej vojne.

Turbína na pohon výfukovými plynmi poháňala prostredníctvom ozubených prevodov kľukový hriadeľ motora, a takýmto spôsobom sa využila zostatková energia výfukových plynov z pohonu turbíny dúchadla. Na vynález sa v povojnovom období zabudlo.

V roku 1953 zamontovali dvojradový radiálny 18-valcový motor Wright Turbocyclone do lietadla Super-Constellation DC7, ktoré lietalo na pravidelnej linke. Motor Cyclone R-3350 mal zaujímavé zlepšenie. Tri turbíny poháňané výfukovými plynmi odovzdávali svoju energiu na kľukový hriadeľ dvojnásobným prevodom ozubeným súkolesím, pričom torzné chvenie sa likvidovalo v kvapalinovej spojke.

Merná spotreba paliva klesla z 210 na 172 g/k/h a výkon sa zvýšil z 2700 na 3300 koní pri otáčkach 2900 za minútu. Bola to úžasná úspora paliva. Pri prelete Atlantiku v roku 1956 lietadlo v oboch smeroch letelo bez medzipristátia. Po pristátí v Európe štvormotorové monštrum z New Yorku si vyžiadalo pre každý motor 80 litrov mazacieho oleja.

Každý motor s objemom valcov 55 litrov spaľoval 115 až 145 oktánový benzín. Mechanici, ktorí lietadlo obsluhovali, spomínajú, že po pristatí z výfukov šľahali dlhé plamene a súčasne sa z nich valili čierne kúdoly dymu. Niektoré valce vraj pálili nepravidelne, čo spôsobovalo ohlušujúci a prenikavý hluk.

Prídavné využitie prepĺňania turbodúchadlami dostalo pomenovanie Turbocompound (compound – izolácia), ktoré vyjadruje využitie zvyškovej energie výfukových plynov.

V roku 1954 firma Napier vyvinula dvojtaktný vznetový motor s turbocompoundovým prepĺňaním s názvom Nomad. Nezačal sa vyrábať, pretože prvé turbínové letecké motory úplne odsunuli dovtedy populárne piestové. Palivo na ich pohon bolo oveľa lacnejšie než kvalitný letecký benzín. Axiálne turbodúchadlo motora Nomad bolo spojené s hriadeľom vrtule zložitým variabilným prevodom. Turbodúchadlo plnilo svoju úlohu pri malom zaťažení motora, pri potrebe vyšších otáčok sa väčší výkon dosahoval pridaním ešte aj otáčok z hriadeľa turbíny dúchadla.

Od tých čias sa na pohon lodí vo veľkej miere začal používať systém s turbocompoundovým prepĺňaním. Ziskom bola asi trojpercentná úspora paliva, čo sa dnes zdá byť dosť málo v porovnaní s 22-percentnou úsporou paliva motora Cyclone. Pred niekoľkými rokmi firmy ako Caterpillar, Cummins, Komatsu a prípadne aj ďalšie ohlásili, že ich prototypové motory s turbocompoundom dosahujú až 5-percentnú úsporu paliva.

Prvým výrobcom vznetových motorov, ktorý úspešne použil systém turbocompound v motore automobilu, bola Scania. Jej motor DTC 11 sa vyrábal v rokoch 1991 až 1997 a počet takto vybavených motorov dosiahol číslo 1500. Systém prenosu otáčok hriadeľa turbocompoundu na kľukový hriadeľ motora mal niekoľko nedostatkov.

Scania však prišla s novým riešením, ktoré je už naozaj dostatočne spoľahlivé a účinné (Trucker 4/2001). V roku 1991 si dala patentovať vlastný systém turbocompoundu, ktorého autorom je Göran Blomberg. Jeho systém síce fungoval, ale prevod 50 tisíc otáčok z hriadeľa turbíny na kľukový hriadeľ bol problematický.

V roku 2001 Scania na autosalóne v Bruseli uviedla nový motor s turbocompoundom, v ktorom G. Blomberg prevod otáčok hriadeľa turbíny úspešne vyriešil ozubeným súkolesím s veľkým spomaľovacím prevodom na viskostatickú kvapalinovú spojku. Tá svojím preklzávaním je schopná preniesť otáčky na ďalšie súkolesie tiež s veľkým prevodom na zotrvačník kľukového hriadeľa s hodnotou okolo 1800 otáčok za minútu. Celkový prevod súkolesí je okolo 28.

Aj Volvo pripravilo motor s turbocompoundom, ktorý bez nárastu spotreby paliva zvýšil výkon až o 40 koní. Zdá sa, že systém prepĺňaných motorov s turbocompoundom je vyriešený a začne sa už v blízkej budúcnosti čoraz častejšie využívať.

Volvo uplatnilo turbínu turbocompoundu v axiálnom zaradení v osi prvej turbíny, ktorá poháňa dúchadlo. Musíme však poznamenať, že turbocompound pri štvrtinovom zaťažení motora nie je účinný. Svoj význam nadobúda iba pri potrebe väčšieho výkonu, teda keď teplota výfukových plynov a ich tlak majú vysoké hodnoty.(Z rôznych prameňov spracoval

text: Stano Cvengroš

zdroj: Trucker 6/2004