Aká je budúcnosť turba?

Aj preto treba už dnes atmosférické motory naozaj hľadať a turbo dostali aj takí zásadoví hráči ako Porsche 911, BMW M3, či mašiny od AMG s novým 4,0 litrovým V8, alebo Ferrari 488 GTB, ktoré nahradilo ságu atmosférických supercars z Maranella. Môžeme šomrať koľko chceme, že reakciu na plyn ostrej atmosféry nič nenahradí, no tento trend nezastavíme. Poďme sa teda radšej pozrieť na spôsoby, ktorými budú výrobcovia zmenšovať takzvanú turbodieru, alebo ak chcete turboefekt, čiže oneskorený nárast výkonu po stlačení plynového pedálu.

Turboefekt je dôsledkom toho, že bezprostredne po stlačení pedálu nemajú výfukové plyny dostatočnú energiu na roztočenie turbíny na potrebné otáčky.  Kompresná časť turbo-kompresora (turba) potom nedokáže vytvárať dostatočný plniaci tlak vzduchu potrebný na požadovaný výkon. Laicky povedané, chvíľku trvá, kým sa turbo roztočí na potrebné otáčky. Táto situácia trvá síce krátko, no spôsobuje citeľný skok v náraste výkonu pri prudkom pridaní plynu, ktorý prichádza až po určitom čase po zošliapnutí pedálu. V moderných prepĺňaných motoroch sa výrobcom darí tento efekt znižovať oproti tomu, na čo sme boli pri prepĺňaných motoroch zvyknutí kedysi. Stále je tu však priestor a inžinieri prichádzajú s novými nápadmi a technológiami. Niektoré automobilky ich už používajú a v budúcnosti sa s nimi určite budeme stretávať častejšie. Poďme sa teda na ne pozrieť.

Jedným zo spôsobov, ako roztočiť turbo čo najrýchlejšie po stlačení pedálu, je elektromotor. V tomto prípade môžu ísť konštruktéri dvoma smermi. Prvý je takzvaný turbokompaudný systém, ktorý využíva energiu výfukových plynov aj inak, ako na stláčanie nasávaného vzduchu. Tento systém používajú výrobcovia motorov napríklad aj v súčasných motoroch Formuly 1. Princíp je pomerne jednoduchý. Na hriadeli, ktorý spája turbínu a kompresor klasického turba, je pripojený aj jednosmerný elektromotor/generátor.  Ten roztáča kompresor v nízkych otáčkach motora a eliminuje tak oneskorenú odozvu na plyn. Naopak, pri vyšších otáčkach kompresor poháňa turbína, ktorú roztáčajú výfukové plyny a elektromotor funguje ako generátor. Takto vytvorená elektrická energia môže dobíjať batérie, alebo ju systém môže skladovať v kondenzátore, kým vodič znova nezošliapne plyn.

Druhou možnosťou je nahradiť turbínu elektromotorom úplne. Takéto elektrické turbo, presnejšie kompresor (keďže už neobsahuje turbínu), je potom nezávislé od výfukových plynov. Tento systém už skúšala napríklad firma Ricardo, keď prerobila Ford Focus. Svoj projekt nazvala HyBoost a do motoru 1,0 EcoBoost doplnili elektrický kompresor od firmy Valeo. Elektromotor pritom dokáže roztočiť kompresor až na 70 000 ot/min behom 0,35 s. Kompresor tak dokáže tlačiť približne 0,6 bar v podstate okamžite. Že tento koncept nebola úplná hlúposť, naznačuje aj fakt, že s podobným systémom nedávno prišlo aj Audi v koncepte RS5 TDI. Aj v tomto prípade doplnili klasické turbo motoru 3,0 V6 TDI  elektrickým kompresorom, ktorý tlačí vzduch do valcov v nízkych otáčkach. Problémom je, že elektrický kompresor vyžaduje 48 V elektrickú sústavu. Automobilky však zrejme nebudú vo veľkej miere investovať a prerábať 12 V systémy. V tomto prípade by však mohli pomôcť vysokonapäťové batérie konvenčných hybridov. Ľudia z Honeywellu preto očakávajú, že do roku 2020 bude mať štvrtina nových hybridov prepĺňaný motor.

Downsizing na jednej strane a neustále zvyšovanie výkonu na strane druhej si tiež vyžaduje zvýšené plniace tlaky. Najvýkonnejší sériovo vyrábaný štvorvalec má napríklad plniaci tlak až 1,8 baru. Pochádza z dielne Mercedes-AMG, má označenie M133 a výrobca ho montuje do Mercedesu A 45 AMG. Tento dvojliter produkuje viac než úctyhodných 280 kW (381 k) a 475 Nm. Podľa odborníkov to však nie je koniec a plniaci tlak sa bude ďalej zvyšovať. Peter Davies, riaditeľ Honeywell Powertrains, odhaduje, že v blízkej budúcnosti budú bežné tlaky 2,1 až 2,6 baru. Pri dosahovaní takého tlaku sa však znova prejaví slabina turba, ktorou je oneskorenie v nízkych otáčkach. Riešením môže byť dvojstupňové preplňovanie menším a väčším turbom. Menšie turbo pracuje lepšie v nízkych otáčkach a väčšie zasa ponúkne väčší plniaci tlak vo vyšších otáčkach.

Rovnako dobre však môže poslúžiť aj turbo s variabilnou geometriou. To má v tele turbíny klapky, ktoré sa elektronicky otvárajú alebo zatvárajú pomocou softvéru motora. V nízkych otáčkach sú tieto klapky zatvorené a sú medzi nimi úzke medzery, ktoré urýchľujú výfukové plyny prúdiace turbínou, tým pomáhajú rýchlejšie roztočiť turbo a tým pádom rýchlejšie získať správny plniaci tlak. Vo vysokých otáčkach sú klapky zasa otvorené a umožňujú priamy prístup výfukových plynov k turbíne. V tomto prípade nie je potrebný ani obtokový ventil. Turbo s variabilnou geometriou nie je žiadnou novinkou, veď v sériovom aute sa objavilo už koncom 80-tych rokov. No doteraz ho výrobcovia používali skôr v dízlových motoroch a iba v niekoľkých benzínových motoroch určených prevažne pre drahšie športové autá ako Porsche 911 Turbo. Bolo to najmä vďaka pomerne vysokej cene. Je však pravdepodobné, že v budúcnosti sa podarí zredukovať náklady a táto technológia sa dočká širšieho uplatnenia.

Ďalším problémom je správna teplota stlačeného vzduchu, ktorý ide do motora. Rozdiel teplôt medzi turbínou, ktorú roztáčajú výfukové plyny na jednej strane hriadeľa a kompresorom, ktorý stláča vzduch na druhej strane hriadeľa, môže byť až 600 °C. Turbo ako také môže dosiahnuť teplotu až 1 000 °C, hoci na krátky čas. Preto je dnes úplne bežné použitie medzichladičov stlačeného vzduchu a to či už chladených vzduchom, alebo kvapalinou. Tie chladia vzduch, ktorý vyjde z turba a smeruje do valcov. V budúcnosti sa však budeme čoraz častejšie stretávať s medzichladičmi stlačeného vzduchu medzi dvoma turbami.  Medzichladič ochladí vzduch stlačený prvým turbom a do druhého turba tak príde chladnejší a hustejší vzduch, ktorý sa tam znova stlačí. Do valcov sa tak dostane viac kyslíka a výsledkom bude väčšia efektivita.

Je tu však aj iný spôsob, ako ochladiť stlačený vzduch, a to vstreknutím vody do nasávania. Opäť nejde o novú technológiu. Konštruktéri ju použili už v niektorých lietadlách v druhej svetovej vojne. Neskôr sa objavila v pretekárskych autách, ako napríklad Volvo 240 v 80-tych rokoch. Teraz sa o "znovuzrodenie" tejto technológie stará BMW, keď ju použilo v M4 Safetycar pre MotoGP, ale aj novej M4 GTS. BMW navyše plánuje použiť vstrekovanie vody aj v bežných modeloch. V prípade BMW systém vstrekuje vodnú hmlu do nasávania pod tlakom 10 barov. Voda zníži teplotu vzduchu nasávaného do valcov, čím sa zníži náchylnosť na detonačné horenie, znížia sa emisie NOx, ktoré vznikajú pri vysokých teplotách a inžinieri môžu zvýšiť kompresný pomer.

Zdroj: Road&Track, Car&Driver