Prednabijanje (prisilni usis zraka, eng. forced induction) je tla?enje zraka prije nego u?e u komoru za izgaranje. Zrak i gorivo miješaju se u odre?enom omjeru (npr. stehiometrijski 14:1) ili rasponu omjera. Što se više zraka može osigurati u komori za izgaranje, to više goriva može izgoriti, tj. motor proizvede više izlazne snage. Ve? smo spominjali efekt prednabijanja ostvaren oblikovanjem usisa zraka za motor. U idu?a ?e dva teksta biti opisani mehani?ki složeniji na?ini prednabijanja motora – turbinski i kompresorski.
Turbopunja?
Turbopunja?, turbopuhalo, turbokompresor – neki su to od naziva za ono što je vjerojatno najpoznatije pod jednostavnim imenom turbo. Izumitelj turbopunja?a je Alfred Büchi, a patent je prijavio 1905. Prve uporabe bile su avionske i brodske 1920-ih: prednabijanje avionskih motora bilo je od posebnog zna?aja jer se prisilnim tla?enjem više zraka u cilindre umanjivao efekt gubljenja snage na ve?im nadmorskim visinama gdje je zrak rje?i, tj. gdje motor ina?e dobiva manje kisika za miješanje s gorivom.
Prve uporabe turbopunja?a na cesti po?ele su 1930-ih, a špica im je bila 1980-ih, kada se oznaka TURBO mogla na?i i na nekim motociklima (a poznat je i štos na BMW 2002 Turbo, gdje je oznaka modela bila špiglirano napisana na prednjem braniku).
Prvi velikoserijski putni?ki automobili s turbopunja?em bili su Oldsmobile Jetfire i Chevrolet Corvair s po?etka 1960-ih. Oldsmobileov motor je ?ak koristio i ubrizgavanje vode (što je još jedna tehnologija razvijena u avioindustriji): kako smo ve? spomenuli, to je princip hla?enja usisanog i stla?enog (time i zagrijanog) zraka ubrizgavanjem sitne koli?ine vodenog spreja (teku?ina se ne može stla?iti i motor bi se mogao oštetiti ako previše vode završi u komori za izgaranje). Voda ispari i tom promjenom agregatnog stanja hladi usisni zrak.
Nakon inicijalnih problema s dostupnoš?u i kvalitetom potrebnih materijala i goriva, popularnost i raširenost turbomotora raste skroz do 1990ih. Nakon desetlje?a prisutnosti gotovo isklju?ivo na dizelskim, u zadnje su se vrijeme vratili i na benzinske motore. Glavni razlog tome je što su novi benzinski turbomotori razvijani po downsizing formuli, a ne za maksimalnu snagu. Za dizelske motore su vrijedile druga?ije ekološke norme za emisije i imali su nižu snagu po obujmu pa je turbopunja? tu duže kontinuirano prisutan i razvijan (u kontekstu putni?kih automobila): jedna od uloga mu je i atomizacija goriva, tj. bolje miješanje sitnih kapljica goriva sa zrakom koje rezultira pove?anjem snage i smanjenjem potrošnje goriva.
Turbopunja? je sklop koji koristi vru?e ispušne plinove kako bi pogonio tla?enje zraka u komoru za izgaranje, tj. pove?ao volumetrijsku efikasnost motora. Za usisni motor se projektiraju ispušne grane koje iskorištavaju inerciju (tj. zalet) ispuha i pulseve iz pojedinih cilindara kako bi se pomoglo ekstrakciji ispuha. Turbomotori pak koriste visoku temperaturu i kineti?ku energiju ispuha, tj. ekspanziju vru?eg ispušnog plina izba?enog iz komore za izgaranje, za pogon turbinskog ili impelerskog dijela turba. On je osovinom povezan s kompresorskim dijelom, tj. pogoni kompresorsku stranu turbopunja?a. Taj kompresorski dio grabi i tla?i zrak za usis motora.
Jednostavnije: ispušni plinovi okre?u turbinu koja pogoni kompresor, koji u motor tla?i zrak. Oko tog principa se turbo i motor razvijaju dalje. Motoru se smanji stupanj kompresije (npr. ugradnjom konkavnih klipova) kako bi se u komoru moglo ubaciti više zraka i kako bi se smanjila mogu?nost krivovremenog samozapaljenja smjese zbog visokih vršnih temperatura pri kompresiji, skrati se put od ispušnog ventila do turbine, smanji se mehani?ko trenje pokretnih dijelova u turbu, dodaju se hladnjaci za stla?eni zrak (intercooler), dodaju se regulatori tlaka koji ?uvaju sustav od preoptere?enja ili rasterete sustav na puštanju gasa da se stla?eni zrak ne odbija od usisne zaklopke natrag u kompresor (wastegate i blow-off ventili), impelerski dio zadržava se pri vru?oj ispušnoj grani dok se kompresorski udaljava od izvora topline (da se ispušni plinovi ne ohlade prije vremena, a usisni zrak nepotrebno ne zagrije) itd.
Pojava karakteristi?na za stariji tip turbomotora je tzv. turbo rupa: uvjeti rada motora, obi?no pri manjem gasu i nižim okretajima, u kojima je odaziv na gas spor, a turbo ne proizvodi korisni efekt prednabijanja. Nakon što, pri ja?em gasu i višim okretajima (tj. s dolaskom ve?e koli?ine ispuha pri višoj temperaturi) turbina po?ne proizvoditi korisni tlak, motor relativno naglo po?ne razvijati višu snagu – osjetno potegne. Za oštriju vožnju je poželjnija više predvidiva, linearnija krivulja momenta i snage, ali ta navala snage dio je iskustva vožnje turbomotora. Slijede neki primjeri i zanimljivosti o turbo automobilima.
Turbina varijabilne geometrije
Alfa Romeo 156 s JTD motorima u putni?kim automobilima popularizirao je common rail dizelski dovod goriva, a s revizijom motora, i korištenje turbine varijabilne geometrije u turbodizel motoru. Turbina se sastoji od krilca ili lopatica. Turbina varijabilne geometrije (VGT) mijenja pristupni kanal tim lopaticma, npr. zaklopkom ili statorskim lopaticama koje se ne vrte nego služe usmjeravanju ispuha na rotorske lopatice, kako bi se postigao povoljniji kut pod kojim ih susre?e masa ispušnog plina; oštri kut za slabi nalet ili okomitiji kut za više ispuha i u slu?aju kada se turbina ve? brzo vrti. Karakteristi?no fu?kanje turbine ne ?udi jer se ona vrti, ovisno o modelu, i preko 250.000 okretaja u minuti.
Anti-lag sustav
Karakteristi?no pucanje iz auspuha na startu i pri puštanju gasa reli automobila doga?a se radi korištenja anti-lag sustav. Jedan takav sustav koristi i Mitsubishi Lancer Evolution. Kontroliranim dopuštanjem izgaranja smjese u ispušnoj grani (te detonacije ?ujemo kao pucanje) osigurava se neprekinuti tlak na turbini, pa se eliminira turbo rupa. To naravno skra?uje trajnost komponenti ispuha i turbine, ali za trka?u uporabu to nije toliko bitno.
Sekvencijalni ili paralelni twin turbo
Maserati Biturbo izašao je na tržište 1981., a u raznim verzijama proizvodio se do 1994. To je bio prvi putni?ki automobil s dvije turbine i prvi putni?ki turbomotor s više od dva ventila po cilindru (korišteni V6 motor imao je 3 ventila po cilindru).
Toyota Supra 4. generacije (1993. – 2002.) koristi dvije turbine spojene u sekvencijalni sustav. Sekvencijalni turbo sustavi obi?no spadaju u dvije grupe: sustave u kojoj jedna manja turbina prednabija motor dok se druga, ve?a ne zavrti (dok ne dobije dovoljno tlaka) i preuzme posao prednabijanja, i sustave u kojima je to prednabijanje višestupanjsko, gdje ve?a turbina tla?i zrak koji je prethodno stla?ila manja. U nekim Auto Union (1930ih) i BRM (kasnih 1940ih i po?etkom 1950ih) bolidima s V16 motorima korišteno je takvo dvostupanjsko prednabijanje, ali s mehani?kim kompresorima. U Supri na niskom optere?enju i niskim okretajima sav ispuh pogoni prvu turbinu, a s porastom optere?enja i okretaja dio se šalje na drugu da se zavrti (izbjegne turbo rupa), i na koncu ona po?ne šopati zrak u motor. Taj 2JZ-GTE motor koristi i ACIS (Acoustic Control Induction System) varijabilnu usisnu granu, varijabilni tajming ventila i dvokanalne turbine. Paralelni turbo sustavi su oni u kojima sve turbine rade istovremeno, a ?esto se koriste na V i W motorima gdje na svakoj strani bloka ispuh pogoni jednu ili više turbina.
Turbodiesel
Volkswagen grupa jedan je od proizvo?a?a koji sve ?eš?e integriraju turbopunja? u ispušnu granu i stavljaju ga blizu ispušnih kanala motora. To otežava servis sklopa, ali mu pove?ava efikasnost. Turboprednabijanje je osiguralo svakodnevnu iskoristivost dizelskih motora, no neki su proizvo?a?i isprobali i kompresore na dizelima (npr. Mazdin Comprex motor).
BMW od 2016. u nekim modelima (npr. Serija 5 G11/G12) nudi 3.0 turbodizelski redni šestcilindarski motor s 4 turbine (B57D30C) koji daje 400 KS i 760 Nm. Dvije su toliko male da proizvode korisni tlak i od ispuha koji dolazi dok je motor na leru, a dvije preuzimaju na višim okretajima, kada bi manji par turbina postao restriktivan za disanje motora. Tako je eliminirana turbo rupa, a oba u oba para tla?enje je dvostupanjsko (tj., jedna turbina tla?i ve? stla?eni zrak iz druge).
Kanali: twin scroll, dual volute
Kako bi se bolje iskoristila energija ispušnih plinova, turbinama se dodaje dva kanala s pripadaju?im razli?itim mlaznicama kroz koje ispuh dolazi na rotor turbine, za niske i visoke brzine. To su twin scroll turbine, a kao i kod turbina varijabilne geometrije, cilj im je poboljšati odaziv na niskim okretajima i zadržati sposobnost dobavljanja zraka i na visokim okretajima. Neki proizvo?a?i, poput BorgWarnera, unaprijedili su koncept s dva kanala u dual volute rješenje za primjenu u putni?kim automobilima. Tu je cilj optimizirati potpuno odvojene kanale i prema ispušnim pulsevima iz cilindara, a svaki kanal šalje ispuh na jednu polovicu turbinskog rotora.
?uvanje topline ili ?uvanje od topline
AMG GT koristi twin turbo V8 neobi?ne konfiguracije: turbine su smještene na sredini motora, a tome je prilago?en i ispuh. Tako se gubi manje topline ispuha (tj. energije) prije nego dospije do turbinske strane turbopunja?a. Kompresorske strane turbopunja?a hla?ene su zrakom usmjerenim kroz posebne kanale na haubi. U F1 je pak Mercedes na V6 turbomotoru razdvojio turbinski i kompresorski dio turbopunja?a dugom osovinom, tako da toplina s vru?eg ispuha ne grije kompresor i usisavani zrak.
