• Turbo a spotřeba

  TURBO Publikováno: 18. 5. 2009

  Protože je zcela zřejmé že u širší veřejnosti je stále benzínový turbomotor obestřen rouškou záhad a tajemství, rozhodl jsem se jej velmi zjednodušeně popsat. Jeho funkci ozřejmím na příkladu motoru jehož konstrukci považuji za nejlepší svého druhu v automobilové historii. Ano, je to přeplňovaná verze motoru B234 od firmy Saab.

  Nejprve trochu historie. Saab poprvé představil běžný silniční automobil vybavený výfukovým turbodmychadlem roku 1976 a v roce 1977 jej začal s úspěchem prodávat. Nebyl první automobilkou která to zkusila, ale na dlouhou dobu jedinou která dokázala nabídnout funkční řešení přeplňovaného benzínového motoru. BMW, Porsche a Ford by asi mohli vyprávět. Za tímto úspěchem stojí především tehdejší fůze Saabu se Scanií, která řešila přeplňování kamionových dieselových motorů mohutnými dmychadly, už tehdy tak silnými že při vyšším zatížení musel být tlak plnícího vzduchu omezován, případně charakteristika turboagregátu vyžadovala ocharnu proti přetočení. Geniální řešení bývá nejjednodušší, a tak spatřila světlo světa waste-gatem ovládaná turbína turbíny. Wastegate je vlastně jednoduchá klapka která směřuje proud výfukových plynů buď na stupeň turbíny nebo přímo do výfuku, dříve bylo z aktivního ovládání turba buď zcela rezignováno nebo se uchylovalo k regulaci již stlačeného vzduchu jeho škrcením nebo odpoštěním. Krom toho že takové řešení mělo za následek zajímavé pyrotechnické efekty při ubrání plynu, způsobovalo nespolehlivost turboagregátů a také to že auto žralo za živa i svého řidiče. Toto klišé o žeroucích turbobenzínech je dodnes v širokém povědomí a je náležitě využíváno výrobci kteří neumí pořádný turbomotor postavit. Wastegate ovládaný nejprve mechanicky podtlakem a později precizněji pomocí řídící jednotky tyto nedostatky eliminioval a umožnil se přiblížit fyzikálnímu ideálu – teoreticky totiž přeplňovaný motor může mít účinnost vyšší než 1 . Myšlenkou Saabu bylo a je dodnes nabídnout automobil s provozními náklady běžného čtyřválce disponující výkonem osmiválce, tomu je podřízena i konstrukce níže popsaného motoru. Ve větší části spektra použití má turbo pouze lehce zvyšovat tepelnou účinnost motoru a dodat značný kroutící moment už ve velmi nízkých otáčkách a snižovat tak spotřebu. Saab nevybavil své vozy turbem primárně pro sportovní zážitky a jejich nastavení tomu odpovídá i když slušný zátah „ocpoda“ až do omezovače je jakýmsi vítaným vedlejším produktem. Saab nabízí především možnost plynulého předjetí prakticky čehokoliv bez nutnosti podřazovat. Malý průměr turbíny (vykoupený vysokými, až 200 000 otáčkami) navíc při rozumně plynulém sešlápnutí plynu potlačuje vliv „turboefektu“ a plnící tlak pak „leze za pedálem“. Projev auta je velmi nenásilný, tedy žádné kopnutí do zad, spíš jen plynulý a „nekončící“ příval síly který osobně preferuji.

  A jak to funguje? Motor B234 přeplňovaný výfukovým dmychadlem a vybavený systémem motormanagemementu Trionic má dodnes několik ne zcela běžných aspektů. Především je to jediná řídící jednotka ovládající najednou vstřikování, zapalování a přeplňování. Protože se jedná o činnosti které se vzájemně přímo ovlivňují, je použití jedné jednotky logické a vede k větší účinnosti motoru z důvodu rychlejší optimalizace. Negativem je vyšší komplikovanost jednotky a jejího programového vybavení. Trionic T5.5 kterým je vybaven můj motor obsahuje procesor MC 68332, který byl ve své době nejvýkonnějším který se sériově implementoval do osobního automobilu. Další výhodou je umístění všech čidel mimo vlastní řídící jednotku, jednotka tedy získává nezkreslená data (například mnoho motorů má některé i podtlakové snímače umístěné v ECU, vliv přívodu hadičkou je nasnadě; podobný vliv má ovšem i přívod nezpracovaných elektrických veličin). 

  Zapalování je realizováno zapalovací kazetou SDI (Saab Direkt Ignition) s velkou energií jiskry a napětím až 150 000 V. SDI „umí“ v případě studeného startu vygenerovat několikanásobné „snopy“ jisker a zabezpečit tak zážeh ve válci i v případě takového prochladnutí motoru že se benzín téměř neodpařuje. Po vypnutí zapalování se svíčky automaticky čistí projiskřením. Součástí SDI je tzv. „ionizační čidlo“. Ve skutečnosti je to jen softwareové využití stávajícího hardware kazety SDI kdy je využito jistého fyzikálního jevu, tedy faktu že při spalování směsi ve válci vznikají ionizované plyny. Čím je spálení směsi dokonalejší, tím více ionizovaných plynů vznikne, při „klepání“ nebo „hřmocení“ (rhumblingu) jich vzniká velmi málo, při vynechání zážehu prakticky žádné. Ionizované plyny jsou logicky vodivé protože obsahují volné elektrony. Přivedením nízkého napětí (12V) na elektrody svíček mezi zážehy se tak měřením odporu dá snadno změřit stupeň ionizace ve válci a řídící jednotka na zjištěné hodnoty umí komplexně reagovat změnou předstihu i úpravou plnícího tlaku.

  Plnící tlak je ovládán v závislosti na sešlápnutí plynového pedálu, výskyt detonací, rhumblingu, zjištěného poměru lambda, tlaku vzduchu sání za škrtící klapkou (motor mr. 94 není vybaven váhou vzduchu, pouze sdruženým přístrojem MAP) a s ohledem na spotřebu pomocí APC (Automatic Performance Control) ventilu a podtlakového aktuátoru který přímo hýbe klapkou wastegate. Podtlak (on to není vlastně podtlak, protože při roztočení turba vzniká samozřejmě tlak vyšší než atmosferický, ale je to řekněme ovládací tlak) je odebírán z kompresoru turba a veden přes ventil APC k aktuátoru kde se přetlačuje s pružinou základního nastavení. Nízký tlak vyvolá uzavření wastegate a všechny výfukové plyny směřují na turbínu zatímco vysoký tlak přivedený od kompresoru způsobí otevření klapky a odedení části plynů přímo do výfuku. Takto by to chodilo pouze na základní plnící tlak který nebývá silou pružiny přednastaven obvykle vyšší než 0,7bar. Protože je však podtlak přiveden k aktuátoru přes ventil APC který je řízen elektronicky, umí tento řídící (pod)tlak modifikovat pomocí soleoidu a v případě že jsou splněny všechny podmínky, zvýší se maximální tlak v sání i přes 1 bar (u neupraveného motoru). APC také minimaluzuje turboefekt schopností jednotky jakési „predikce“ potřeby uzavření wastegate a snižuje spotřebu jeho otevřením při více uzavřené klapce. Pro zamezení vzniku rázů v sání (ale i cukání celého vozu) při uzavření škrtící klapky a také pro menší snížení otáček turbíny během přeřazení (a tím následné lepší akceleraci s menším turbooefektem) je motor vybaven přepouštěcím ventilem stlačeného vzduchu, tzv. blow-off ventilem vydávajícím charakteristický zvuk který tuneři tak často rádi napodobují i u aut která turbo nikdy ani neviděla. Tento ventil přepouští vzduch u sériového provednení zpět do sání před turbínu, což je varianta tišší, avšak praktičtější vzhledem k tomu že všude se pohybuje vzduch který prošel filtrem. U otevřených ventilů občas dochází vlivem znečištění těsnících ploch k netěsnostem, což vyvolá projev sice jistě efektní, avšak málo efektivní.

  A proč může být přeplňovaný motor znatelně úspornější než atmosferický? Inu proto že má lepší plnící účinnost. Turbína využívá energii výfukových plynů které by jinak opustily motor bez užitku. Tato odpadní energie odpovídá zhruba třetině výkonu motoru a turbo umí zpět přivést asi až 80% z ní. Tato energie se projeví lepším naplněním válce a také tím že píst motoru koná práci i během sání vzhledem k tlaku v sání a nad pístem vyšším než jaký je tlak v klikové skříni pod pístem. Nechme však stranou ideální oběhy, kde turbomotor dosahuje účinnosti vyšší než 1 vlivem posunutí oběhového diagramu a také vezměme v potaz i škrtící klapku a přistupme k mnou popisovanému motoru. Tento motor nemá variabilní geometrii rozváděcích lopatek, veškerá regulace plnícího tlaku je ralizována skrze wastegate a při menším zatížení je tlak v sání omezován navíc i škrtící klapkou. Při plném zatížení je to asi jasné každému, turbomotor je při něm silnější než stejně velký atmosferický (benzínový s intercoolerem při stejných otáčkách asi dvakrát) a na jeden vyprodukovaý kW za čas bude mít nižší spotřebu pohonných hmot. Jak to bude v případě že nepotřebuji plný výkon a „uberu plyn“ pro jízdu ustálenou rychlostí? APC systém rozpozná povolení pedálu plynu a pootevře wastegate, turbína sníží své otáčkya poklesne plnící tlak. Škrtící klapka se také poněkud přivře a tlak za ní se ještě sníží. Tady někdo zdánlivě oprávněně namítne že na jedné straně stlačuju vzduch abych ho na druhé straně škrtil a že to musí vést k vyšší spotřebě než u atmosferického motoru. Není to tak docela pravda – co se stane po ubrání plynu? Výkon motoru se sníží, otevře se wastegate a motor teď nasává daleko méně vzduchu, celý jeho oběhový diagram se „propadne“ dolů, vlastně pod atmosferický tlak. V tento moment se wastegate ovšem zase přivře a přivede část plynů zpět na turbínu, turbína se tudíž dále točí a kompresor uděluje nasávanému vzduchu jistou kinetickou energii. Část z ní se samozřejmě v difuzoru přemění na tlak, ale důležité je že má stále nějakou rychlost. Projde škrtící klapkou která způsobí snížení jeho tlaku, ale neodebere mu tolik energie kolik se řada lidí domnívá (prostudujte si teorii škrcení a nemyslím tím návody k vraždě). Do válce pak tento vzduch vstupuje s jistou rychlostí a narazí na něj jako na pevnou překážku a předá mu svou energii. Plnící účinnost je tedy vyšší přes přivřenou klapku a píst stále dokonce koná práci i v průběhu sání, tedy alespoň v oblasti kousek po horní úvrati, dokud nedosáhne vyšší rychlosti. Je to vlastně obdoba „dynamického přeplňování“ u dobře postavených atmosferáků, ale tady je to samozřejmě o něco citelnější. Své zde přináší i překrytí ventilů a zpětné nasávání výfukových plynů v malých otáčkách při nízkém zatížení. To omezí přísun více kyslíku, tedy i nutnost vstřikování více paliva. 

  Dobrá, ale jsou zajisté situace kdy potřebuju od motoru velmi malý výkon. Typicky ve městě nebo pro jízdu z mírného kopce. V takovém případě je klapka skoro úplně zavřená, APC zcela otevře waste, takže by projev motoru měl být prakticky shodný s atmosferickým. Bohužel ne tak úplně, protože ve výfukovém potrubí kde jsou jednak svody uzpůsobeny turbu jsou různé překážky jako waste i turbína samotná, zpětný tlak tudíž bude větší. Při potřebě nejnižších výkonů bude kilowatthodina vykoupena větším množstvím paliva než u stejně velké atmosféry.

  Mluvil jsem o spotřebě ve vztahu k vyprodukování výkonu za čas, to se přesně nedá vztáhnout na spotřebu automobilu tak jak jsme na ní zvyklí. Nejsnáze je tomu u nákladních automobilů – ty jedou prakticky trvale skoro na plný výkon a je zcela evidentní že při stejném výkonu bude mít dopravce nižší náklady na převezevoz 1kg nákladu pomocí menšího turbodieselu než pomocí daleko většího atmosferického motoru. Jinak by se turbo nepoužívalo. U automobilů je to složitější. Motor v mém Aeru má při objemu 2,3l změřených 199 kW a 401Nm, což vozu s hmotností 1500 kg udává zhruba stejnou dynamiku jako Fordu Mustang z roku 2007 jeho 4,6 litrový atmosferický motor V8. Hádejte který z nich bude mít nižší spotřebu! Zatímco u Mustanga bude hodnota 16 litrů na sto brána jako ta lepší, moje Aero se v rámci rychlostních limitů na dálnici spokojí s osmi bez nutnosti jízdy v pruhu pro kamiony. Ve skutečnosti má Aero při rozumné jízdě o pár deci nižší spotřebu než můj předchozí Saab vybavený atmosferickou verzí motoru B234. Je to dáno, jak už jsem říkal, vyšší plnící účinností a také tím že turbo dosahuje dostatečného kroutícího momentu v mnohem nižších otáčkách, takže převodovka může být podstatně „delší“ a většina provozu se odehrává v nižších otáčkách. Je třeba podotknout že Saabí turbomotory jsou naladěny pro optimální práci právě v oblasti středního až nižšího zatížení v nižších otáčkách, tam je jejich spotřeba skutečně velmi dobrá. Pokud však motor ženete do vysokých otáček, turbína se roztočí až ke 200 000 otáčkám a válce se budou plnit až k hranici klepání. Adekvátně bude potřeba vstřikovat dost paliva (nejen k zachování stechiometricity, ale také k udržení teploty spalování – kdo se zabýval nastavením turbomotorů, asi dobře zná jev při kterém vytečou písty výfukem  ) a tím také vzroste okamžitá spotřeba mnohem víc než to bude možné u stejně velkého atmosféráku. Auto však bude také velmi dravě zrychlovat. Inerciální odpor vůči zrychlení pak způsobí větší ztrátu energie takže převedeno na vzdálenost – auto s turbomotorem projede danou dráhu za kratší dobu s vyšší spotřebou pokud využije svůj výkonostní potenciál pro značně větší zrychlení. Pokud pojedou stejně rychle, turbo zaznamená spotřebu nižší. To samozřejmě neplatí dogmaticky. Například Volvo 740 bude mít s atmosferickým motorem D24 vždy nižší spotřebu než s motorem D24T. Je to dáno i tím že mají stejnou převodovku, ovládání motoru je zcela mechanické, ale hlavně asi tím že Volvo má s motorem D24 tak malou akceleraci že lze zcela zanedbat setrvačný odpor zrychlení zatímco s motorem D24T se takhle nikdy nepovlečete 

  Na závěr si dovolím malý dotaz. Proč se všichni co Saaba viděli maximálně na obrázku (že Goesi) křižují že Saab s turbobenzínem nemůže jet za 8 litrů ani ve snu, když Octavia s motorem 1.8T který relativně mnohem méně vyspělý i povedený to dokáže bez větších problémů za 7,5??

Želví síla rejsink