Turbókorszakban élünk: A belsőégésű motorok feltöltése

Azonban a belsőégésű motorok felöltése nem új keletű módszer, már a múlt évszázad elején is előszeretettel alkalmazták, természetesen másfajta megvalósításokkal. Ezúttal a motorok feltöltése kerül terítékre: dióhéjban bemutatjuk, hogy mit tud a turbó és mit nem, miért jó a kompresszor és miért nem, s természetesen a Volkswagen rövid életű G-ladere sem maradhat ki a felsorolásból.

Nem nehéz belátni, hogy a töltési fok egy olyan tényező, amely nagyban meghatározza az adott méretű erőforrásból kifacsarható teljesítmény korlátait. Maga a töltési fok is sok tényezőtől függ, elég csak elképzelni, hogy a szívócső, a pillangószelep és a szívósor egyéb elemei alapvetően rontják az áramlás hatásfokát, tehát magát a töltési fokot is. Van azonban egy módszer a mérnökök kezében, amivel könnyedén túllendülhetnek a töltési fokon történő görcsölésen – ez volna a feltöltés.

Az elv egyszerű: ahelyett, hogy a dugattyú lefelé mozgása révén létrejövő depresszió nyomán áramoljon a hengerekbe a friss töltet, kívülről, plusz nyomással kell a közeget a motorba préselni. Ezáltal a szívómotorok töltetéhez képest jóval nagyobb mennyiségű levegő áramolhat a hengerekbe, amely révén több tüzelőanyaggal keverve jóval nagyobb (liter)teljesítmény érhető el. Az előnyök pedig vitathatatlanok, hiszen adott térfogat mellé több lóerő társulhat, miközben részterhelésen, amikor nincs szükség a nagy teljesítményre, takarékosan üzemelhet az erőforrás.

Emellett a feltöltéses motorok alkalmazása a “downsizing” folyamatának szinte alapvető eleme – a nagyobb literteljesítmény és az emiatt alkalmazható kisebb motorok révén súly takarítható meg, könnyebb lefaragni az emissziós normákból és a fogyasztásban is jelentős megtakarítás érhető el azonos teljesítményű motorokat (szívó és feltöltött) összehasonlítva.

A feltöltésre persze számos módszert dolgoztak ki az autóipari szakemberek, elsőként az 1900-as évek elején a mechanikus feltöltőket előnyben részesítve. Ezek a szerkezetek általában térfogatkiszorításos elven működnek és a feltöltéshez közvetlenül a motorról hajtva nyerik a szükséges energiát. Többféle létezik belőlük, a legismertebb és legelterjedtebb a csavar kompresszor és a Roots-fúvó.

Hogy a mechanikus feltöltő fogaskerékhajtással, szíjjal vagy más módon kerül meghajtásra, azt az adott konstrukció határozza meg. A mechanikus feltöltők nyomásviszonya nem olyan nagy, mint a turbófeltöltő esetében, viszont a közvetlen meghajtásnak köszönhetően vitathatatlan előnyük, hogy gázadásra azonnal reagálnak. Az áttételezésnek köszönhetően a kompresszorok fordulatszáma relatíve alacsony, így robosztusak, kevésbé hajlamosak a károsodásra.

Természetesen nincs rózsa tövis nélkül, így a kompresszorok hátrányait sem hagyhatjuk figyelmen kívül. A velük elért többletteljesítmény mellett aránytalanul magasabb az üzemanyag-fogyasztás, ami leginkább a motorral való közvetlen kapcsolatnak köszönhető. Mechanikai veszteségei nagyok, ráadásul minden üzemállapotban történik a hajtás, ha van rá szükség, ha nincs, ráadásul a jóval hangosabb működés ugyancsak ellene szól. A felsorolt negatívumok miatt ma már a kompresszort, mint mechanikus feltöltőt elavult megoldásnak tartják, azonban néhány gyártó még kitart a klasszikus technológia mellett és a mérnökök okos megoldásokkal igyekeznek kiküszöbölni a megoldás hátrányait.

Speciális és kihagyhatatlan érdekesség még a Volkswagen által régen alkalmazott G-töltő. Noha a németek csak a ’80-as évek végén alkalmazták, ráadásul csak szűk számban, mégis szinte mindenki emlékezik a Corradókra, amelyekben ott dohogott a G-60. Ez a szerkezet nem más, mint egy spirálkompresszor, amelyet a motorról szíj hajt meg; háza és forgórésze is egy-egy azonos geometriájú spirálgörbéből áll. A forgórész és a ház tengelye excentrikusan helyezkedik el, úgy, hogy a két alkatrész többszörös érintkezésbe kerüljön egymással. Ilyen módon a két spirál a közbezárt teret több egymástól tömített cellára osztja. A forgórész bolygó mozgása során – a forgórész a saját tengelye körül nem fordul el – a cellák fokozatosan vándorolnak a spirális mentén, kiszorítva a gázt. Rövid élettartama miatt azonban sosem terjedhetett el széles körben a ‘G-Lader’.

A népszerű és manapság szinte minden gyártó által alkalmazott megoldást azonban a dinamikus elven működő kompresszor és az azt hajtó turbina együttese jelenti, természetesen a turbófeltöltő személyében. A turbó zsenialitása abban rejlik, hogy nem igényel jelentős plusz energiát a hajtása, hanem az amúgy veszendőbe menő, forró kipufogógázban lévő energiatartalmat hasznosítja – a nagy sebességű égéstermék hajtja meg a turbófeltöltő gázturbináját, így egyúttal a vele egy tengelyre csapágyazott kompresszort, ami a friss levegőt beszívja és a légkörinél magasabb nyomáson a hengerekhez juttatja. A turbófeltöltő a motor mechanikus részeivel nincs kapcsolatban, de a kipufogócsőben persze keletkezik többletnyomás, ami visszahat a teljesítményre.

A turbófeltöltőre jellemző a nagy fordulatszám, ami 100.000-200.000/perc is lehet, üzemállapottól függően. A feltöltőben végbemenő nyomásemelés során a gáztörvényeknek megfelelően az áthaladó levegő hőmérséklete jelentősen megnő, így a feltöltés hatásfokát javítandó, egy úgynevezett töltőlevegő-visszahűtő (intercooler) közbeiktatása szükséges. A visszahűtés célja, hogy a növelt nyomású levegő sűrűbb legyen, azaz több oxigént tartalmazzon, ami ugye elengedhetetlen az égéshez.

A turbók egyik, ha nem a legnagyobb hátránya egyben hatékonysági előnye: hogy a motor főtengelye és a turbótengely között nincs mechanikus kapcsolat, így gázadásra bizonyos késedelemmel reagál, amit a köznyelv turbólyuknak nevez. Manapság azonban ez kevésbé jellemző, a gyártók kisméretű, hamar felpörgő feltöltőkkel vagy úgynevezett változó geometriájú turbókkal kerülik el a nemkívánatos jelenséget. Utóbbi esetben a turbina oldalon állítható álló lapátozás szolgálja azt, hogy alacsony gázsebességnél is hatékonyan pöröghessen fel a szerkezet.

A fentieken kívül léteznek még szofisztikáltabb konstrukciók, bizonyos (nagyobb) motorok esetében a szekvenciális feltöltés eredményez még hatékonyabb működést. Ilyenkor a turbók nem párhuzamosan üzemelnek, hanem egymást kiegészítve: alacsony fordulaton a kisebb „csiga” biztosítja a turbólyukmentességet, míg magasabb fordulatszámon egy nagyobbik, illetve mindkét feltöltő üzemel a kellő mennyiségű levegő szállításához. Persze létezik még bonyolultabb konstrukció például a BMW három turbós dízelmotorja formájában, sőt a bajorok már négyfeltöltős rendszert is kiszellőztettek.

A turbófeltöltő által generált nyomást persze szabályozni is kell, hiszen a turbónyomás önmagában véve a terheléssel együtt emelkedne. Ennek korlátozására, egy adott maximális töltőnyomás beállítására szolgál az úgynevezett ‘wastegate’, amely lényegében egy megkerülő szelepként képzelhető el. Amikor a kipufogógáz nyomása a turbó után egy bizonyos nyomásértéket átlép, akkor a wastegate kinyit, és a kipufogó gáz a turbót megkerülve, annak további pörgetése nélkül távozik a motorból. Emellett a turbó szerkezetének megóvása érdekében egy további szelep, úgynevezett lefújószelep alkalmazása is szükséges.

A szívó és turbós benzinmotorok esetében ugyanis nem szabad megfeledkezni arról, hogy a töltet áramlást egy pillangószelep szabályozza. Markáns gyorsításkor a turbó meghatározott nyomással tölt, a gázpedálról való lelépéskor azonban a pillangószelep zár, holott a feltöltő még mindig nyomná a szívócsőbe a komprimált levegőt. Ilyenkor, hogy a turbót ne terhelje meg a hirtelen megnövekedett gáznyomás visszahatása, egy szelep leengedi a felesleges nyomást a szívórészből. Ennek további előnye, hogy a turbó fordulatszáma nem torpan meg, hanem tovább foroghat, s a következő gázadásnál már késedelem nélkül képes reagálni.

A hosszú élettartam érdekében a turbóval szerelt motorok használata további gondosságot igényel. Esetlegesen az erősebb körök után nem szabad rögtön leállítani a motort, nagyjából 30-60 másodperc alapjárati járatás szükséges ahhoz, hogy a turbó forgórésze lelassulhasson, visszahűlhessen, ellenkező esetben a feltöltő élettartama csökken, sőt a turbó besülése vagy törése is előfordulhat. Ugyanígy a turbós motoroknál még fontosabb a rendszeres olajszervíz és a jó kenőanyag.

Mindeközben – többek között Ingolstadtban – a mérnökök már komolyan számolnak az elektromos turbóval, ami még hatékonyabbá teheti a dízelmotorokat; a technológia már bőven él, olyannyira, hogy már élesben tesztelik is a gyártók. Az előnyök vitathatatlanok, ugyanis a szekvenciális feltöltésű rendszerekhez hasonlóan a két feltöltő egymást kiegészítve a hagyományos turbómotorokénál jobb gázreakciót, a nyomás gyorsabb felépülését eredményezheti, végleg eltüntetve a nemkívánatos turbólyukat.

A nagyobb feltöltő a konvencionális elvek alapján a kipufogógáz által meghajtva működik, míg egy jóval kisebb egység az elektromos hajtást felhasználva építi fel a nyomást olyan esetekben, amikor a nagyobbik “csiga” még nem képes erre. Az elektromotor szinte késlekedés nélkül, azonnal felgyorsítja a kompresszorkereket, ami nyomban nyomásemelkedéssel szolgál. Ennyit tud ma a turbótechnológia, azonban természetesen a haladás nem áll, s vélhetően izgalmas és finom technikai csemegékre számíthatunk az elkövetkező években is.

Végül, de nem utolsósorban akad egy kakukktojás megoldás is, mégpedig a torlónyomásos feltöltés, más néven a ram air személyében. Ezt a módszert csakis gyorsabb autóknál érdemes alkalmazni, ugyanis a lényege nem más, minthogy a gyorsan mozgó autó egy (orr)nyílásán a nagy sebességű menetszél préseli be a levegőt. Itt természetesen nincs semmiféle mechanikai megoldás, csupán a külső levegő sebességének hatása érvényesül, az is csak jelentős tempónál. Viszont ettől függetlenül nem szabad megfeledkezni róla, a Forma-1 szívómotoros korszakában ugyanis hozzávetőlegesen 10-20% lóerőnövekmény jelentkezik. Mindez azonban 200-300 km/h-s tempónál. Viszont sorozatban is találkozhatunk ram air megoldásokkal, például a Porsche Cayman GT4 esetében.

Akárhogy is, a feltöltés ma már szinte elengedhetetlen eleme a benzines és a dízelmotoroknak is, alig maradt csupán néhány gyártó, aki nem kóstolt bele a turbók világába. A downsizing megköveteli a feltöltők használatát, ami több szempontból sem hátrányos. A fogyasztás és hatékonyság mellett a motor vezethetősége, karakterisztikája is javul, hiszen a turbómotorok kedvezőbb nyomatéki görbével rendelkeznek, már alacsony fordulaton is sokkal jobban használhatóak szívó társaiknál. A felhasználók részéről viszont fokozottabb odafigyelést igényelnek a hosszú távú megbízható működés érdekében, amit viszont a másik oldalon bőven meghálálnak.

Forrás: Autó Pult