Fórum - Téma


Turbodmychadla


Fórum Pokec všeobecný Turbodmychadla




2016-08-10 18:08:56

Turbodmychadla první díl:

Co nevíte o turbech? Dříve výkon, dnes spíše efektivita

V aktuálním seriálu se budeme věnovat turbodmychadlům.

Přeplňovaný motor se stává nedílnou součástí moderního auta. A je jedno, zda spaluje benzin či naftu. Jde o hlavní stavební prvek směru známého jako downsizing. Čím se turbodmychadla odlišují? Z čeho se skládají a jaké případné problémy? Svého času působilo slovo „turbo“ na automobilové nadšence takřka magicky. Dobře si vzpomínám, jak jsem coby dítě velebil vozy LIAZ, pokud měly na kabině pod nápisem výrobce ještě štítek se slovem „turbo“. A to samé platilo o traktorech. Zetor Turbo, to bylo v 80. letech v naší zemi poznamenané reálným socialismem prostě něco. Tehdy skutečně slovo „turbo“ mohlo tvořit takřka synonymum ke slovům dynamika, síla, výkon a rychlost. Přesuňme se ale do současnosti, případně nedávné minulosti.

V roce 2010 mělo podle dostupných údajů firmy SPECIAL TURBO a. s., která už přes 20 let působí jako autorizovaný dodavatel a servisní centrum turbodmychadel předních světových výrobců, každé čtvrté vozidlo turbodmychadlem přeplňovaný motor. Letos už vozí pod kapotou turbodmychadlo dokonce dvě třetiny všech aut. Dnes využívají přeplňování turbodmychadlem i firmy, které se v minulosti jeho masovému nasazení urputně bránily. Příkladem může být BMW či Ferrari, jakkoliv historicky vzato obě společnosti přeplňování nabízely u vybraných modelů už v 70 a 80. letech.

Možná vás to překvapí, ale princip zařízení, které stlačuje do motoru vzduch a zároveň je poháněno výfukovými plyny je znám už od roku 1905. Tehdy si jej poprvé nechal patentovat Švýcar Dr. Alfred Büchi. Někdejší úroveň strojírenství a technologie ale takové zařízení nedokázala vyrobit. Dlouhá léta proto zůstalo jen u teorie, případně u přeplňování mechanicky poháněným kompresorem.

Zlom nastal až v průběhu 30. let. Prvního reálného uplatnění se turbodmychadlo dočkalo v letectví. Konkrétně na amerických bombardérech B-29, B-24, B-17 či B-25 pro něž turbodmychadla vyráběla firma General Electric. V roce 1936 byla založena společnost Garrett, známý výrobce turbodmychadel. Od roku 1954 dodávala turbodmychadla pro buldozery či jiné stavební stroje. O osm let později bylo do sériové výroby připraveno první turbodmychadlo pro osobní vůz značky Cadillac. K dalšímu rozvoji došlo v sedmé dekádě minulého století, přičemž zájem o turbodmychadla trvá dodnes.

Cílem je efektivita

V počátcích se turbodmychadlo používalo hlavně kvůli zvýšení výkonu a točivého momentu agregátu. Jako takové bylo nastaveno takzvaně na plnou hltnost motoru. To znamenalo, že čím vyšší otáčky agregát točil, tím turbo více přeplňovalo. Popsaná koncepce byla dobrá z hlediska vysokých výkonů, avšak její odvrácenou stranou byla pružnost motoru ve středních a tedy nejpoužívanějších otáčkách. Scénář byl téměř vždycky stejný. Do určitých otáček se nic nedělo, pak turbo najednou zabralo a následovalo skokové zvýšení akcelerace. Přesně v tomto duchu se projevoval třeba jedno vačkový pětiválec původního Audi Quattro (Ur-Quattro).

Dnes je cílem přeplňování v prvé řadě efektivita, pak teprve samotný výkon. Firma SPECIAL TURBO a. s. ve svých materiálech uvádí, že přibližně 13 až 17 procent energie získané z paliva a následně obsažené ve výfukových plynech je díky turbodmychadlu „vráceno“ ve formě stlačeného vzduchu. Účinnost současných turbodmychadel je 45 až 55 procent, což představuje velmi dobrou hodnotu. Jednou z výhod přeplňování je rovněž kompenzace ztráty výkonu (výkonového deficitu) v souvislosti s rostoucí nadmořskou výškou. Úbytek výkonu je přibližně desetiprocentní na každých 1000 metrů nadmořské výšky. To je také důvod, proč jiný výkon naměříte u hladiny moře, řekněme na pláži v italském Bibione, a jiný na horním dojezdu lanovek ve Val di Fiemme ve výšce 2489 metrů nad mořem (tedy pokud byste tam s autem vyjeli). Dnes navíc vstupují do hry požadavky na nízké emise, které lze u přeplňovaného motoru snáze plnit.

Kuličky proti oleji

Každé turbodmychadlo bez ohledu na dobu vzniku se skládá ze dvou hlavních částí. Dmychadlové skříně a turbínové skříně. Kterou lze poznat na první pohled podle odlišného materiálu. Zatímco turbínová skříň je vyrobena téměř výhradně z litiny, dmychadlová skříň pak z hliníkových slitin. Vzájemně spojeny jsou ložiskovým uzlem, v němž rotuje dvoudílný hřídel spojující turbínové a dmychadlové kolo. Turbínové kolo tvoří s hřídelem v zásadě jeden celek. Vzájemné spojení je provedeno inertním svařováním. Naopak dmychadlové kolo je ke hřídeli přišroubováno. Každé turbodmychadlo se točí v ložiskách. U větších typů se používají zpravidla dvě radiální a jedno axiální, u menších turbodmychadel nové generace postačí jedno radiální a jedno axiální ložisko. Uložení jsou téměř vždy kluzná, mazaná hydrodynamicky. Co to znamená? Mezi vnitřní stěnou obalu ložiska a radiální plochou hřídele je olejový film. Pokud by mezi hřídelí a ložiskem olej nebyl, došlo by k okamžitému zadření ložisek a patrně i dalšího poškození ostatních částí turbodmychadla (rozlámání lopatek aj.).

Existují ale výjimky. Kluzné ložisko může být nahrazeno kuličkovým ložiskem. Najdete jej třeba u turbodmychadla Garrett GTB22, jímž je osazen motor Mercedes-Benz OM642, neboli 300 BlueTec. Předností turbodmychadla s kuličkovým ložiskem je extrémně rychlá odezva a také vyšší účinnost. Proč?

Při použití kluzného ložiska s hydrodynamickým mazáním musí mít rotor (ať už dmychadla nebo turbíny) vůči skříni poněkud větší vůli. Tu vyžaduje právě kluzné ložisko, v němž v okamžiku poklesu tlaku oleje v mazací soustavě (při vypnutí motoru a tedy zastavení olejového čerpadla) dojde vinou gravitace k radiálnímu posunu hřídele v ložiskové pánvi (hospodsky bychom řekli, že hřídel v ložisku spadne dolů). Při tom nesmí dojít ke kontaktu lopatek dmychadla a turbíny se skříní. Při natočení motoru začne proudit do ložiska olej, který vůli opět vymezí, takže rotační část ložisek hřídele se dostane opět přesně do středu ložiskové pánve. Použití kluzného ložiska zároveň zvyšuje ztráty výkonu třením – jde o hlavní nevýhodu tohoto typu turbodmychadla v porovnání s turbodmychadlem s kuličkovými ložisky.

U kuličkového ložiska k žádnému vymezení vůle po natočení motoru nedochází, neboť i v klidovém stavu je hřídel, respektive rotační část ložiska přesně v ose svého pouzdra, přičemž mezi oběma jsou vloženy kuličky. Díky tomu mohou být také rotory dmychadla a turbíny ve skříni usazeny pouze s nezbytně velkou vůlí. Právě velice těsné sesazení „vrtulí“ ve skříních znamená také vysokou účinnost, neboť masa výfukových plynů neproudí z části okolo turbíny. To stejné samozřejmě platí v opačném smyslu i na dmychadlové, tedy výtlačné straně.

VGT (VNT) nebo WGT

Nezbytnou součástí každého turbodmychadla je regulace jeho plnicího tlaku a tedy i otáček rotoru. Pokud by nebyla, hrozilo by jeho poškození. Dále by v případě neúměrně vysokého přetlaku docházelo u zážehového motoru k detonačnímu spalování, lidově zvaného klepání motoru. A to je pro agregát velmi nebezpečný jev!

Jak se tedy plnicí tlak reguluje či lépe řečeno omezuje? Nejjednodušší je při určitém tlaku vzduchu na výstupní části otevřít kanál, který přemostí turbínu. Výfukové plyny tak proudí nikoliv skrz ni, nýbrž kolem ní. Tento způsob regulace je znám jako obtok neboli anglicky wastegate (odtud se někdy používání označení WGT). Obtokový kanál je za normálních okolností uzavřen klapkou ovládanou pneumaticky. Tomu se říká pasivní regulace. Jak začala pronikat elektronika do řízení motoru, objevilo se turbodmychadlo s aktivní regulací tlaku. Mechanika byla stejná, včetně ovládání klapky, pouze podtlak do ovládacího členu byl řízen elektromagnetickým taktovacím ventilem.

V devadesátých letech došlo k prudkému rozvoji vznětových motorů. A protože hojně využívaly přeplňování, měnily se současně také nároky na něj. Objevila se první turbodmychadla, u nichž je plnicí tlak řízen proměnnou geometrií rozváděcích lopatek. Označují se VGT (Variable Geometry Turbine) nebo VNT (Variable Nozzle Turbine). Pohyblivé lopatky jsou situovány na statoru turbíny na jakémsi věnci, přičemž se změnou jejich polohy, či přesněji řečeno úhlu, dochází ke zrychlení, respektive zpomalení toku proudících výfukových plynů. Mění se tak jejich kinetická energie a následně i otáčky turbíny. Zjednodušeně řečeno, lopatky vlastně mění průřez turbíny.

Změna polohy lopatek se děje opět elektropneumaticky, případně u pozdějších systémů elektromotoricky krokovým motorkem. Druhý jmenovaný princip ovládání je mnohem přesnější, leč také choulostivější. Kvůli značné teplotě panující v okolí turbodmychadla.

Možná se ptáte, proč se turbodmychadla s variabilní geometrií používají téměř výhradně u vznětových motorů. Důvodem je vysoká teplota spalin u zážehových motorů, řádově přes 1000 stupňů Celsia. Naproti tomu u dieselu je teplota spalin běžně do 800 stupňů Celsia. Snad jediným zážehovým motorem, který využívá turbodmychadlo s proměnnou geometrií, je přeplňovaný ležatý šestiválec pro Porsche 911 Turbo S. Dosud není dostupné v aftermarketu, takže pokud jste nuceni jej vyměnit, musíte jej koupit přímo od Porsche.

Čarování s lopatkami

Zvláštní řešení představuje turbodmychadlo VGT od firmy HOLSET. Jak je zřejmé z označení, i tady je plnicí tlak omezován nastavitelnými lopatkami, nicméně trochu jinak – posouvá se totiž celá stěna turbínové skříně. Lopatky jsou v tomto případě pouze vodící. U běžné konstrukce, třeba od Garrettu, jsou lopatky umístěny radiálně. V tomto případě axiálně. Označení VGT je u daného turbodmychadla nejen označením, ale zároveň i patentovanou technologií firmy HOLSET. Toto do jisté míry unikátní turbodmychadlo u osobních aut nenajdete. Pouze u motorů pro těžké užitkové vozy, například Iveco Cursor. Dále jej používají některé agregáty v nákladních vozidlech značek Scania či MAN.

Jinou zajímavostí je turbodmychadlo, které kombinuje obtok s rozváděcí klapkou (lopatkou). Příkladem je Garrett VAT25 použitý na motoru PSA XU10J4TE, který poháněl v první polovině 90. let vrcholný a zároveň dost vzácný Peugeot 405 T16. Zmíněná klapka je zde pouze jedna na rozdíl od klasické regulace VGT (VNT). Smyslem celého systému bylo navodit co možná nejpříznivější stavy toku výfukových plynů před turbínou. V poloze „d“ se turbína chovala tak jako by byla bez klapky, v poloze „c“ docházelo k urychlení toku výfukových plynů z důvodu zmenšení průřezu. Tím bylo docíleno rychlejšího roztočení turbíny a tedy snížení nepříjemného turboefektu.

Jeden motor, dvě turba

Na přelomu 70 a 80. let se na trhu objevil vůz Maserati Biturbo. Už z názvu je zřejmě, jaký motor tento vůz poháněl. Šlo o historicky první uplatnění dvojitého přeplňování v osobním automobilu. V průběhu 80. a 90. let vznikly dvě odlišné koncepce. Zejména u vidlicových motorů se uplatnilo řešení se dvěma stejně velkými turbodmychadly, kdy každé přeplňovalo jednu řadu válců. Příkladem je třeba vidlicový šestiválcový motor VG30DETT pohánějící vrcholný Nissan 300 ZX Twin Turbo (Z32) z roku 1989. V daném případě odpovídalo jedno turbodmychadlo vlastně tříválcovému agregátu. Tím byla zaručena rychlá reakce a tedy zlepšení pružnosti motoru, stejně jako dosažení slušného maximálního výkonu. Druhou cestou byly dvě za sebou umístěná turbodmychadla odlišných rozměrů. Tedy dvoustupňové přeplňování. Menší turbodmychadlo se uplatnilo v nízkých až středních otáčkách, větší při vysokých. Tento koncept přetrvává do dnešních dnů. Vrcholem techniky přeplňování u osobních automobilů je použití tří turbodmychadel na motoru BMW M50d (N57X).

zdroj: auto.cz

2016-08-10 18:28:20

Turbodmychadla díl 2. : Problémy s turbem? Jen o nevypínání motoru po dojezdu to není

Turbodmychadlo je tepelně a mechanicky vysoce namáhanou součástí motoru. Co dělat a jak se k němu chovat, aby vám vydrželo? Co všechno se mu může stát? A stojí za jeho zničením vždy pouze řidič, nebo i něco jiného?

Stalo se tak trochu pravidlem, že lidé, jezdící vozem, jehož motor využívá turbodmychadlo, často až nezdravě svádějí všemožné problémy s pohonnou jednotkou na něj. Přitom v mnohých případech je zdroj problémů někde jinde. Firma SPECIAL TURBO a. s., zastupující už více než 20 let na českém trhu přední světové výrobce turbodmychadel, uvádí, že u více než poloviny záručních oprav turbodmychadel byla příčina potíží jinde. Alespoň tak to vyplývá ze studie jednoho z předních evropských výrobců užitkových vozidel.

Závady turbodmychadel lze v zásadě rozdělit na několik částí. Některé jsou způsobeny špatnými řidičskými návyky, jiné závadou na klíčových skupinách motoru (zejména mazací soustavě) a další třeba chybnou montáží nového turbodmychadla či jen laxním přístupem k pravidelné údržbě motoru. „Co se týče závad vlivem chybné montáže turbodmychadla, nejpočetnější jsou ty způsobené absencí zaolejování ložiskové skříně, čímž dojde k poškození turbodmychadla už při prvním startu vozidla. Dále pak za zmínku stojí například použití neadekvátního spojovacího materiálu nebo použití tekutého tmelu místo kvalitního těsnění,“ vysvětluje Jiří Valášek, ředitel firmy SPECIAL TURBO.

Nepřítelem je teplota

V souvislosti se závadami turbodmychadel bývají často skloňovány právě špatné řidičské návyky, vedoucí ke snížení životnosti této drahé a v zásadě klíčové součásti. Turbodmychadlo poháněné výfukovými plyny z podstaty věci pracuje při extrémních teplotách. Ty běžně dosahují až 900 stupňů. Že turbodmychadlu škodí, když někdo po jízdě při vyšší zátěži ihned vypne motor, se už tak nějak ví. Při vypnutí motoru se zastaví olejové čerpadlo, tudíž olej přestane proudit. Ten nejen že maže, nýbrž i účinně odvádí teplo, tedy chladí. Vinou toto dochází k nárůstu teploty v ložiskovém uzlu, což má za následek, že olej, který zde zůstal, začíná vlivem vysoké teploty karbonovat. A zakarbonovaný olej působí na kluzná ložiska turbodmychadla jako brusná pasta. Situaci dnes ještě zhoršuje používání super řídkých motorových olejů, takzvaných nízko viskozitních. Jsou to zpravidla ty se specifikací SAE 0W-30, 5W-30 či dokonce 0W-20. Dobře mažou za nízkých teplot, kladou malý odpor pohyblivým částem motoru, avšak vůbec se nehodí pro mazání při vysokých teplotách. Faktem je, že ačkoliv je toto tvrzení správné, žádný z výrobců turbodmychadel se o problémech pramenících z použití těchto řídkých olejů nezmiňuje.

Životnost turbodmychadla ovšem závisí i na jiných okolnostech souvisejících s řidičskými návyky. Třeba pokud někdo motor vytáčí příliš brzy po studeném startu. Nízká teplota oleje působí na turbodmychadlo rovněž škodlivě. Pozor také na to, že v okamžiku, kdy teplota chladicí kapaliny dostoupá na provozní hodnotu (dnes běžně přes 90 stupňů), má v danou chvíli olej tak o 20 stupňů méně. A v případě turbodmychadla je důležitý právě ten olej. Bohužel u současných aut se často můžete pouze domýšlet, zda je už motor ohřátý, neboť ukazatel teploty často chybí. A kontrolka ohřátí motoru „modrý teploměr“ je mnohdy až příliš optimistická, takže zhasíná dříve, než se motor opravdu dostane na správnou provozní teplotu. Zase se ale můžete u nových aut třeba připojit na internet…

Olej, olej, olej

S životností turbodmychadla přímo souvisí stav oleje a potažmo mazací soustavy. Stačí, aby měl motor snížený tlak mazání (třeba z důvodu vady na odstředivé regulaci olejového čerpadla na jeho výtlačné části) a jako první to odnese kromě hlavy motoru právě turbodmychadlo. Turbodmychadlu, respektive jeho ložiskám také velice škodí laxní přístup k výměnám oleje. A také sacího filtru. To je obzvláště důležité zejména u vozidel, provozovaných v prašném prostředí. Týká se to zejména stavebních strojů či nákladních aut.

Turbodmychadlu, stejně jako motoru, neprospívá provoz s minimem motorového oleje. Sem patří rovněž i stav, kdy je hladina oleje na spodní rysce olejové měrky nebo těsně nad ní. Sice to je v normě, nicméně je třeba mít na paměti, že čím je olejová náplň menší, tím se olej pomaleji dochlazuje. Dochází tedy k jeho přepalování s výše uvedenými následky. Asi nejpřesvědčivějším důkazem je motor PSA 1.6 HDI (řada DV6). Nejen, že má relativně malou olejovou náplň, nýbrž i její dno je tvarováno nevhodně, takže při výměně oleje tam vždy trochu starého zůstane. Mechanici autorizovaných servisů Peugeot a Citroën mluví tak o 0,5 litru. K eliminaci používají následující fintu - čerstvý olej nalévají, přičemž zátku zašroubují až v okamžiku, kdy začne vytékat nový olej. Tím tak vlastně vytlačí ten starý, který na dně vany zůstává. Od roku 2010 s přechodem na Euro5 došlo u motorů DV6 ke zkrácení servisního intervalu z 30 000 na 20 000 km.

Při nedostatku oleje dochází obvykle u radiálního ložiska turbodmychadla k opotřebení jeho vnitřního průměru. případně k takzvanému otlučení. U axiálního zase pro změnu k opotřebení jeho třecích ploch. Projevuje se to též zabarvením. Příčin ale může být více. Třeba když někdo natočí motor bez oleje, či je olejový čistič silně znečištěný. Firma SPECIAL TURBO dokonce umí k příslušnému zabarvení kluzné plochy ložisek, jakožto průvodního jevu nedostatku mazacího oleje přiřadit určitou teplotu.

Pokud je motorový olej znečištěný, dochází vlivem poškození kontaktní plochy radiálních ložisek ke zvětšování vůlí rotoru. Podle poškození ložisek lze určit dokonce velikost částic v oleji, které svojí abrazivností pánve poškodily. Jemné částice většinou ložiska vyleští. Jejich povrch pak trochu vypadá, jako by byl lapovaný. Naopak hrubé částice, tedy větších rozměrů do kluzných ploch ložisek vytlačí vrypy. V extrému může zmíněné zvětšování vůlí rotoru vyústit až ke kontaktu dmychadlového respektive turbínového kola se skříní turbodmychadla. Při tom dojde k destrukci jejich lopatek. Za popsanými problémy stojí nejčastěji výše zmíněná zanedbaná údržba mazacího systému. Někdy může být příčinou také olejový čistič, respektive jeho obtokový systém, který se u některých motorů aktivuje při studeném startu.

Opotřebení ložisek se navenek projevuje zvýšenou spotřebou oleje, jakkoliv ta může mít i celou řadu jiných příčin. Od ztvrdlých těsnění ventilových vodítek (takzvaných gufer) přes opotřebené stírací pístní kroužky až po celkové opotřebení motoru, jehož důsledkem je obyčejně vznik ovality na válcích. Pokud je příčinou vysoké spotřeby oleje turbodmychadlo, pak olej obvykle podtéká dmychadlové kolo přímo do sacího potrubí, aby byl následně nasán motorem a spalován.

.....pokračovaní dále

2016-08-10 18:29:53

......... pokračovaní

Píská a „netlačí“

Že s turbodmychadlem není něco v pořádku, prozradí také zvýšený hluk. Typické „pískání“ turba při zátěži je toho pro motoristickou veřejnost neklamným důkazem. Pravdou je, že typický pískavý zvuk, dobře známý nejen mnohým uživatelům více ojetých Volkswagenů s motory TDI, sice může ukazovat na závadu na turbodmychadle, nicméně příčinou může být zrovna tak i něco jiného. Pískání u turbodmychadla má obvykle příčinu ve vzniku nevývažku. Vzhledem k vysokým otáčkám, řádově až 150 000 za minutu, se i sebemenší odchylka od přesného vyvážení rotoru projeví.

Pokud je ovšem uvedený zvukový projev motoru doprovázený pocitovým poklesem výkonu, může se skutečně jednat o dílčí poškození některé z částí turbodmychadla. Nejčastěji jde o uhnutou lopatku dmychadla, případně jiné poškození dmychadlového kola. To může mít více příčin. S opotřebením ložisek, o němž píšeme výše, souvisí většinou kontakt dmychadlového kola s vnitřní plochou skříně, o níž se lopatka vlastně tře, takže dochází k jejímu postupnému úbytku.

Jinou příčinou je vnik cizího tělesa, třeba z důvodu špatně těsnícího sacího filtru. To se stává, zejména pokud jeho obroučka dobře netěsní ve filtr boxu (krabici, v níž je sací filtr uložen). Firma SPECIAL TURBO ovšem zaznamenala i případy, kdy vniknuté cizí těleso byla vytočená utahovací matice na rotoru.

Zajímavou příčinou poškození dmychadlového kola je lom konce lopatky vlivem koroze. Zmíněný typ poškození je častý u vozidel s přeplňovanými motory, které jezdí ve slaném prostředí. Typické v přímořských státech. U nás se tento typ poškození vyskytuje u strojů (vozidel) pracujících v důlním průmyslu.

Nedbalost i „fyzikální jevy“

U turbodmychadel při jejich provozu ale nedochází pouze k poškození lopatek dmychadlového kola, nýbrž i k destrukci lopatek turbínového kola. I tady může být původcem problému vstup cizího tělesa. Je to však méně pravděpodobné, než v případě dmychadlových kol. Přesto se podle zkušeností firmy SPECIAL TURBO už takové případy staly.

Třeba když mechanik při montáži turbodmychadla zapomněl ve sběrném potrubí některou ze součástek. Stačí šroub či matice. Jestliže ve sběrném potrubí někdo něco zapomene, proběhne to motorem a poškodí již například ventil, píst atd. Šroub nebo matice se následně dostanou do turbodmychadla již v úplně jiném stavu – tedy, jestli se tam vůbec dostanou…

Dále mohou destrukci turbínového kola způsobit různé úlomky, od ventilů až po částice z poškozené turbínové skříně. Téměř výhradně se stává u turbodmychadel pracujících na hranici životnosti. A pak jsou tu ještě úlomky ze sběrného potrubí. V extrému to mohou být částice z vysypaného (uvolněného) jádra katalyzátoru. Ten je sice umístěn až za turbodmychadlem, nicméně vlivem recirkulace spalin se přes otevřený EGR ventil mohou úlomky dostat zpět do motoru a následně výfukovými ventily do turbodmychadla. Ventil EGR se otevírá pouze v režimu nízkého zatížení, při němž současně výrazně poklesne tlak v sacím potrubí. Vinou toho se úlomky mohou pohybovat proti pohybu výfukových spalin.

Podobně jako u dmychadla může i u turbínového kola dojít k destrukci z důvodu otěru jeho lopatek o vnitřní plochu skříně. Důvodem je opět zvětšená vůle v radiálním ložisku.

Zvláštní případ destrukce představuje takzvaná vibrační únava. Při ní obvykle dochází k lomu lopatky a příčinou je vada odlitku nebo únava materiálu případně přetočení turbodmychadla, často vinou závady na regulaci plnicího tlaku. Zvláštní případ představují v tomto případě turbodmychadla s proměnnou geometrií rozváděcích lopatek statoru turbíny, takzvané typy VNT nebo VGT. U nich je příčinou závady změna pásma rezonance (frekvence vlastních kmitů) lopatek rozváděcího ústrojí. Toto je poměrně častý případ padající na vrub neodborné opravě.

Lopatky turbíny může poškodit ještě takzvaná „horká koroze“. K ní dochází zejména u materiálu, který přichází pravidelně do kontaktu se spalinami z různých paliv. Obvykle se to stává těm, kteří střídavě svůj vůz provozují na benzin, LPG či E85.

Když regulace nereguluje

Za špatnou funkci turbodmychadla ovšem mnohdy nemůže turbodmychadlo jako takové, nýbrž jeho pomocná zařízení. Tím nejvýznamnějším je regulace, respektive systém omezující plnicí tlak. U turbodmychadel VNT (VGT) je dobře známé zatuhávání mechanismu pohyblivých lopatek. Často to bývá přisuzováno nevhodnému užívání vozu. Pokud totiž řidič jezdí většinu času jen v nízkých otáčkách, nedonutí regulaci omezovat plnicí tlak a mechanismus regulace (v tomto případě lopatky) se nehýbe a tudíž zatuhne v určité poloze. Příčinou je také fakt, že v nízkých otáčkách motor produkuje více sazí, což vede k zakarbonování mechanismu lopatek. Současné pružné přeplňované motory navíc řidiče ani nenutí agregát vytáčet. Proč, když potřebná dynamika je k dispozici už v nízkých otáčkách?

Důvodem, proč mechanismus lopatek zatuhne, bývá také koroze, případně spalování oleje, který je mastný a jeho usazeniny doslova zalepují čepy lopatek. Pravidelně lopatky zatuhávají i těm, kteří často jezdí na krátké vzdálenosti. Rovněž příliš nesvědčí spalování nafty s přísadou bioložky. Odborníci ze SPECIAL TURBO doporučují jezdit tak, aby motor alespoň jednou týdně pracoval po dobu nejméně půl hodiny při otáčkách zhruba 3000 za minutu.

U turbodmychadel, používajících k regulaci plnicí tlaku a tedy otáček rotoru jak obtokový kanál (wastegate) tak i proměnnou geometrií (VGT/VNT), může být příčinou závady na regulaci jednak taktovací ventil, který řídí podtlak v pneumatickém (akčním) ovládacím členu, a také samotný pneumatický aktuátor. U něho může třeba prasknout membrána (méně obvyklé) a také podléhá korozi.

Dnes je regulace plnicího tlaku stále častěji svěřována krokovému servomotoru. Je to přesnější a rychlejší. Ten buď přímo ovládá klapku obtoku, nebo „tahá“ za ovládací člen mechanismu lopatek proměnné geometrie. Problém je jeho poloha. Je totiž umístěn na skříni turbodmychadla a i přes snahu jej maximálně tepelně odstínit je to právě vysoká teplota panující v okolí turbodmychadla, která je pro něj mnohdy hrobem. A pak jsou tu různé snímače, od plnicího tlaku, polohy pneumatického aktuátoru, až po snímač klepání u zážehového motoru.

Někdy příště se podíváme na některé konkrétní závady turbodmychadel a hlavně se zaměříme na technologii oprav turbodmychadel.

Jak je to s chlazením turbodmychadel

U některých zážehových motorů je ložiskový uzel (skříň) turbodmychadel opatřený kanály pro chladicí kapalinu a tedy zařazený do okruhu chlazení motoru. Příkladem může být třeba motor TSI VW/Audi EA888 či starší přeplňovaný dvoulitr TFSI EA113, známý třeba z před modernizačního VW Scirocco R či VW Golfu GTI Mk5 do roku 2009. Chlazení ložisek využívá také motor PSA 1.6 THP (řada EP6DT a její deriváty) či dokonce nový tříválec PSA 1.2 PureTech Turbo (řada EB2DT).

To ale není vše. Uvedené pohonné jednotky mají navíc systém dochlazování ložisek turbodmychadla po vypnutí motoru. K tomu slouží malé pomocné elektrické čerpadlo, jehož zásluhou chladicí kapalina cirkuluje v okruhu chlazení turbodmychadla přes motor a termostat.

Technika dochlazování turbodmychadla po odstavení motoru není ničím novým. Už v roce 1985 ji zavedlo Porsche u velkého přeplňovaného čtyřválce typu 944 Turbo. V roce 1989 to použil Lotus na motoru Isuzu 1.6 Turbo pro svůj neúspěšný roadster s předním pohonem Elan M100.

Trochu jiné to je u přeplňovaných vznětových motorů. Tady je chlazení ložisek vcelku raritní, zřejmě z důvodu nižší teploty spalin u dieselů. Najdete jej třeba na motoru Renault 2.0 dCi (řada M9R) ovšem bez dochlazování po vypnutí motoru.

Jak asi tušíte, současná móda stop-start systémů turbodmychadlům rozhodně neprospívá. Máme vyzkoušeno, že i pokud s autem jedete rychle, tak po zastavení při aktivovaném stop-startu systému se motor vypne. V tu chvíli prudce roste teplota v ložiskové skříni. Následky toho popisujeme výše.

Firma Porsche kdysi v souvislosti s uvedením typu 944 Turbo v roce 1985 publikovala zajímavý graf závislosti teploty v ložiskovém uzlu (osa y) na čase od okamžiku vypnutí motoru (osa x). A čísla to jsou dodnes zajímavá, ostatně posuďte sami. Jako referenční byly v tomto případě použity otáčky motoru 6000 za minutu. U nechlazeného turbodmychadla činila teplota při chodu motoru v daném místě téměř 200 stupňů, u vodou chlazeného to bylo asi 175 stupňů. Po 120 sekundách od vypnutí motoru klesla teplota v ložiskovém uzlu u turbodmychadla s dochlazováním na 140 stupňů . Naopak u systému bez chlazení vodou byla v daném čase teplota 275 stupňů Celsia. A dále rostla, když svého vrcholu asi 280 stupňů dosáhla ve 180. sekundě od vypnutí motoru. Naopak u typu s dochlazováním teplota ložiskového uzlu od vypnutí motoru neustále plynule klesala. Závěr nechť si udělá každý ze čtenářů sám…

zdroj: auto.cz

2016-08-13 02:22:28

Turbodmychadla díl 3.: Jde to i bez turba

K přeplňování motoru se dnes téměř výhradně využívá turbodmychadla. Existují ale i jiné alternativy v podobě mechanicky poháněného kompresoru. Těch existuje celá řada, přičemž historicky vzato je toto řešení mnohem starší než turbodmychadla.

Myšlenka dodat motoru více vzduchu než sám svými písty dokáže nasát, se dočkala realizace už ve dvacátých letech minulého století, a to v závodních automobilech. V sériové produkci se ovšem mechanicky poháněný kompresor prosazoval mnohem obtížněji. Důvody jsou v zásadě dva. Prvním je, že k tomu, aby kompresor mohl plnit svoji funkci, vyžaduje jistý příkon. Ten mu v podobě pohonu dodává přímo spalovací motor, který přeplňuje. Ve výsledku tak kompresor vlastně snižuje mechanickou účinnost motoru, což vadí zejména u malých zdvihových objemů.

Druhým důvodem je, že kompresor jako takový je dost drahý, nemluvě o jeho prostorových nárocích. Za desítky let se objevila celá řada koncepcí mechanicky poháněných kompresorů. Od známého Rootsova dmychadla až po přeplňování využívající tlakové vlny (Mazda Comprex) či takzvané spirálové dmychadlo používané automobilkou Volkswagen na přelomu osmdesátých a devadesátých let. Ale vezměme to popořadě.

Výkon závislý na rychlosti

Ještě před tím, než se podíváme na jednotlivé druhy kompresorů, se musíme zmínit o jednom neobvyklém přeplňování. To nevyužívá žádná přídavná zařízení vhánějící do sacího traktu motoru další vzduch, nýbrž je jeho účinek přímo závislý na rychlosti jízdy. Jde o sací systém známý jako Ram-air. Princip je jednoduchý. Motor nasává vzduch nikoliv někde v hloubi motorového prostoru, či za maskou chladiče, jak bývá obvyklé, nýbrž v místě, kde vzduch obtékající vozidlo proudí co možná nejvyšší rychlostí. S jejím zvyšováním roste zároveň tlak vzduchu. Oboje je samozřejmě závislé na rychlosti. Teoreticky tedy, čím vozidlo jede rychleji, tím má jeho motor vyšší výkon. Podle některých zdrojů se výkonový přídavek pohybuje na hodnotě přibližně 14 až 15 kW při rychlosti asi 200 km/h. Z toho vyplývá, že tento druh přeplňování je vhodný spíše pro závodní automobily.

Tento princip lehkého přeplňování byl hojně využíván americkými muscle cary v šedesátých a sedmdesátých letech. Později pak ještě v devadesátých letech. Z moderních automobilů toto využívá třeba Ferrari 550 Maranello, Lotus Exige nebo úžasný McLaren F1.

Výhody: Cena, snadná zástavba

Nevýhody: Nejde o přeplňování jako takové. Účinné jen ve vysokých rychlostech

Starší než automobil sám

Nejrozšířenějším typem mechanického přeplňování je takzvané Rootsovo dmychadlo. Najdete jej ve vylepšené podobě třeba na motoru koncernu Volkswagen 1.4 TSI Twincharger, či starších čtyřválcích Mercedesu M111, případně M271. Vynalezli jej bratři Rootsovi, a to mnohem dříve, než vznikly první automobily. V původní podobě pracovalo Rootsovo dmychadlo ve funkci vzduchové pumpy a uplatňovalo se zejména v průmyslové výrobě.

Rootsův kompresor se skládá ze dvou rotorů. Každý z nich je osazen trojicí křídel nebo lopatek, chcete-li. Oba rotory se točí vlastně v tandemu, kdy křídlo jednoho rotoru zapadá do mezery mezi dvěma křídly druhého rotoru. Rotory nasávají vzduch od středu k okrajům skříně. Přitom však kupodivu nedochází ke stlačování vzduchu uvnitř skříně kompresoru. Smyslem je urychlit proud vzduchu, vstupujícího do sacího potrubí motoru. Teprve tady vzniká žádoucí přetlak.

A zatímco původní konstrukce Rootsova kompresoru je relativně přímočará, s jeho účinností to už tak slavné není. Důvodem je princip. Vzduch vstupující do skříně kompresoru totiž v některých pozicích rotorů působí proti jejich otáčení, takže je vlastně brzdí. A to tak, že naráží do křídel (lopatek) rotorů.

Hlavním důvodem, proč se kompresor Roots rozšířil více než jiné typy hledejte v jeho relativní jednoduchosti. Postupem doby se také podařilo odstranit některé jeho slabiny a tím zvýšit účinnost přeplňování.

Bez příslušenství se neobejde

Jak kompresor Roots vypadá v praxi, si ukážeme na motoru VW 1.4 TSI Twincharger. Jak jistě víte, tento agregát se již nevyrábí, avšak je unikátní kombinací přeplňování turbodmychadlem, které se uplatní ve vyšších otáčkách. Do 2400 otáček je kompresor u motoru 1.4 TSI trvale připojený, přičemž plnicí tlak je regulován jeho přemosťovací klapkou. Maximální otáčky, v nichž může u tohoto motoru kompresor přeplňovat, jsou 3500/min-1. Mezi jimi a zmíněnými 2400 otáčkami již není kompresor trvale připojený, nýbrž pouze aktivní v závislosti na aktuálních jízdních podmínkách.

Pohon kompresoru zajišťuje drážkový řemen, a to od řemenice pohonu vodní pumpy. Její součástí je elektromagnetická spojka, která pohon kompresoru připojuje. Převod mezi řemenicí na klikovém hřídeli a řemenicí kompresoru je 5:1. To znamená, že rotory kompresoru se točí pětkrát většími otáčkami než klikový hřídel. Maximální otáčky kompresoru jsou u motoru 1.4 TSI Twincharger 17500/min-1. Pro zajímavost, maximální plnicí tlak činí 0,175 MPa (1,75 bar).

Jednou z nevýhod, kromě jen průměrné účinnosti, je u kompresoru zvýšený hluk. Z toho důvodu je na sací i výtlačné straně kompresoru motoru 1.4 TSI použit tlumič hluku. Navíc je vnější skříň, obalující samotný kovový domeček kompresoru, vyložena izolační pěnou pohlcující hluk. I tak ale může posádka hluk kompresoru vnímat. Děje se tak zpravidla při intenzivní akceleraci mezi dvěma až třemi tisíci otáček.

Výhody: cena, snadná zástavba

Nevýhody: Nízká účinnost, nízký plnicí tlak, potřebuje velký příkon ve vysokých otáčkách, nepříjemný hluk

Kde ho najdete: Mercedes-Benz M111 a M271, Jaguar XJR R6 nebo V8, VW 1.4 TSI Twincharger

Čtyři jsou víc než tři

Původní dmychadlo Roots mělo celou řadu nectností. Důvodem, proč se dnes poměrně hojně používá, hledejte v jeho dalším vývoji. O něj se zasloužila zejména známá americká firma Eaton, patřící k předním dodavatelům těchto systémů v automobilovém průmyslu. V jejím podání se dmychadlo Roots jmenuje Eaton TVS (Twin-Vortices Series) a je vyráběno od roku 2008. Jde již o šestou generaci Rootsova dmychadla v podání Eatonu.

Odlišností v porovnání s konvenčním Rootsem je hned několik. Předně každý z rotorů je vybaven čtveřicí křídel (lopatek) namísto tří. Dále je změněný úhel zakřivení lopatek z původních šedesáti stupňů na páté generaci na sto šedesát.

Dmychadlo Eaton TVS poskytuje dle údajů americké firmy o dvacet procent vyšší průtok vzduchu než předchozí pátá generace. Tím se zároveň zvýšil plnicí tlak. Zároveň ale dmychadlo potřebuje nižší příkon než dříve, a to i přesto, že pracovní otáčky jsou vyšší. Je to dáno jeho vyšší mechanickou účinností. Jako příklad můžeme uvést motor Corvette ZR1. Zatímco pátá generace Rootse od Eaton potřebovala ke svému provozu v nejvyšších otáčkách výkon 85 kW, dmychadlu TVS stačí pouhých 55 kW. A to už je docela rozdíl.

Dmychadlo TVS je také tišší. Je to možné díky provedení vnitřního převodu. Ozubená kola ve stálém záběru jsou totiž dělená, čímž dochází k vymezování vůle v jejich vzájemně spojeném ozubení. Jde o takzvaný nůžkový převod (seasers) případně frikční převod s vymezovací talířovou pružinou vloženou mezi obě části ozubeného kola. Toto řešení je hojně používané u rozvodových mechanismů motorů japonských a korejských (Mazda, Hyundai).

Výhody: Vysoká účinnost, nízká hlučnost

Nevýhody: vyšší cena v porovnání s klasickým Rootsem

Kde ho najdete: Corvette ZR1, Cadillac CTS-V, Audi 3.0 V6 TFSI (Audi S4), Jaguar XFR, Lotus Evora S

Šroubovicí proti Roots

Alternativou k Rootsovu dmychadlu, stejně jako k jeho výrazně vylepšené verzi Eaton TVS, je kompresor, jehož rotor je tvořený dvěma proti sobě umístěnými šroubovicemi na principu „samce“ a „samice“. Jedna má zpravidla tři lopatky, druhá do ní zapadající obyčejně pět. Možné jsou ale i jiné kombinace.

Princip šroubového dmychadla existuje už od roku 1878. Avšak jako u mnoha jiných vynálezů nebyla v době myšlenky potřebná technologie, která by to dokázala vyrobit. Až teprve v průběhu třicátých let uvedl šroubové dmychadlo do praxe Alf Lysholm. Zároveň původní návrh podstatně vylepšil. A právě podle něj se dnes šroubové dmychadlo jmenuje Lysholmovo.

Jak už víte z textu výše, Lysholmovo neboli šroubové dmychadlo se skládá z dvojice vzájemně spojených rotorů, jejichž lopatky tvoří šroubovici. Oba jsou vzájemně velice těsně sesazeny. Při rotaci proudí vzduch mezi plochami šroubovic a jejich domečkem (obalem). Přitom je stlačován, a to od středu k vnějšku, tedy přesně obráceně, než jak je tomu u Rootsova dmychadla a jeho derivátu Eaton TVS. Současně dochází ke stále se zmenšujícímu prostoru, čímž se zvyšuje tlak vzduchu uvnitř kompresoru. Díky tomu poskytuje Lysholmovo dmychadlo vyšší plnicí tlak než Rootsovo. Zároveň je mechanicky účinnější, nabízí širší rozsah využitelných otáček a obvykle i menší rozměry. Nevýhodou je jeho značná cena, neboť jeho výroba je mnohem náročnější na přesnost a kvalitu obrábění a celkovou úroveň technologie výroby. Uplatní se tak hlavně u vysokovýkonných vozů, vyráběných v malých počtech a také u firem zabývajících se profesionálním automobilovým tuningem. Asi nejznámějším uživatelem Lyshlomova kompresoru je dodnes úžasná Mazda Xedos9 Miller.

Výhody: Vysoká mechanická účinnost, vysoký plnicí tlak, široký rozsah využitelných otáček

Nevýhody: Drahá a technologicky náročná výroba

Kde ho najdete: Mercedes-Benz C32 AMG, Ford GT, Mazda Xedos9 Miller

Úlety

Mazda Comprex a Volkswagen G-Lader

Kromě systémů Roots, Eaton TVS či Lysholm jste se mohli v minulosti setkat s celou řadou druhů přeplňování. Asi nejaktivnějšími značkami byly v této oblasti Mazda a Volkswagen.

Mazda Comprex – využívá pulzních vln

S příchodem krásně kulaté Mazdy 626, tehdejšího snu našich začínajících podnikatelů, vyjel nejen úžasně hebký šestiválec 2,5 litru či čtyřválce 1.8 a 2.0 16V, nýbrž i neobvyklý vznětový motor. Jde o agregát známý jako RF Comprex (Compression and expansit). Jednalo se o čtyřválcový vznětový dvoulitr s rozvodem OHC a komůrkovým vstřikováním rotačním čerpadlem licence Bosch VE. Tím nejzajímavějším ovšem bylo přeplňování. To využívalo pulzního dmychadla Comprex podle patentu Asea Brown Boveri. Při kompresním poměru 21,1:1 motor dosahoval nijak zázračného výkonu 56 kW při 4000 otáčkách za minutu a maxima točivého momentu 172 N.m v polovičních otáčkách.

Tehdy bylo uváděno, že pulzní dmychadlo Comprex spojuje výhody mechanicky poháněných dmychadel (Roots, Lysholm) a turbodmychadel. Comprex využívá tlakovou energii výfukových plynů. Probíhá v něm jak komprese, tak i expanze. K přenosu energie dochází tlakovými vlnami v komorách, vytvořených podélnými lopatkami rotoru. Čím je komor na rotoru více, tím je účinek tlakových vln plynulejší a přeplňování je dosaženo již při nízkých otáčkách. Rotor dmychadla Comprex je poháněn od motoru řemenem stejně jako u jiných kompresorů. Malá účinnost a zároveň složitost vedla k tomu, že se systém přeplňování využívající tlakové energie výfukových plynů neosvědčil.

Volkswagen Spirálové dmychadlo (tzv. G-dmychadlo) – využití dávného francouzského patentu

Jestliže dmychadlo Comprex najdete pouze u Mazdy, spirálové dmychadlo je pro změnu záležitostí výhradně Volkswagenu. Ano, značky Mazda a Volkswagen už léta ukazují, že se nebojí experimentovat, byť se jim to ne vždy vyplácí. Spirálové dmychadlo vynalezl už v roce 1905 francouzský vynálezce Louis Creux. Stejně jako u Lysholmu ale až technologie poloviny osmdesátých let minulého století dovolila takový kompresor vyrobit. Na vývoji G-dmychadla pracovala automobilka Volkswagen už od sedmdesátých let. Poprvé se objevilo na motoru 1,3 litru sportovního Pola G40 v roce 1985. Známější je ale jeho aplikace na motoru 1,8 litru (takzvaný motor PG) od roku 1988 v kupé Corrado a následně i Golfu GTI G60 nebo Rallye, případně v Passatu B3 G60. Označení „G“ odkazuje přímo na tvar dmychadla, tvořeného spirálou, konající rotační a zároveň posuvný pohyb na principu paralelogramu obdobně tvarované uvnitř skříně. Jsou zde dva výstředníkové hřídele, jeden hlavní a jeden pomocný, spojené drobným ozubeným řemenem. Pohon dmychadla zajišťuje řemen pohonu příslušenství, mazání je olejem od motoru, ovšem nízkým tlakem. V opačném případě by to vedlo k vytlačení hřídelových těsnění dmychadla. Čísla uvádějí výšku spirálového rotoru v milimetrech. Byla to právě velice malá vůle sesazení mezi rotorem tvaru spirály a jeho skříní, která stála za vysokou účinností toho dmychadla. Takzvané „géčko“ žilo v Corradu až do roku 1993, v Polu G40 ještě o rok déle.

V praxi kolem spirálového dmychadla vznikla řada otazníků zejména ohledně životnosti. Ano, v prvních Corradech byla mizerná, avšak v těch posledních je už dokonce třetí modifikace tohoto zařízení. Jízda v G60 je ve všech ohledech zvláštní. Od zvuku, který někteří považují za úžasný, jiní za otravný, až po fakt, že čím vyšší otáčky motor točí, tím více táhne. V praxi je to trochu jako starý dobrý řadový šestiválec BMW. Motor G60 (PG) byl navíc docela úsporný, takže nebyl problém jezdit i po městě s lehkou nohou za 8 až 9 l na 100 km. A to měl výkon 118 kW, tedy 160 koní.

zdroj: auto.cz


Odpovědět