Član
Turbo punjaci i kompresori - 1 deo
Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila pomen pojma "turbo" ih u tokom proteklih desetak godina uglavnom asocira na dizel motore. Takozvana "turbo" era se završila krajem 90-tih godina i od tada pa sve do sadašnjih dana turbo je stvarno ono što u velikoj vecini slucajeva dobar nagoveštaj da je u pitanju dizel motor.
Prvo što moramo da naglasimo u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo punjac se najcešce naziva samo turbo, a u engleskom je naziv koji se koristi "turbocharger", dok se turbo kompresor može još nazivati i kompresor (Mercedes koristi ovaj naziv, npr.), punjac (G punjac – VW) dok se u engleskoj literaturi turbo kompresori nazivaju "supercharger".
Turbine se koriste u energetici, avio i auto industriji i ono što ih razlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadatci razliciti, ali ono što ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko nacina takozvanog "prehranjivanja" (termin koji se koristi u udžbenicima našeg Mašinskog Fakulteta) tj. dodatnog sabijanja više vazduha nego što prirodni pritisak omogucava. Motor sagoreva mešavinu vazduha i goriva, a taj vazduh ulazi u motor kroz usisnu granu motora povucen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga povecala kolicina vazduha koriste se veštacki nacini kao što su: turbo punjaci, mahanicki kompresori i tzv. "Ram Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbo punjaca i turbo kompresora dok cemo princip rada "Ram Air" sistema objasniti u narednih nekoliko recenica.
"Ram Air"
Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trkacki automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajucih filtera) izvede direktno negde na spoljni deo automobila koji je okrenut smeru kretanja i time se povecanjem brzine automobila proporcionalno povecava pritisak vazduha koji ulazi u motor. Na primer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozaca, GT automobili imaju "grbe" na haubi koje direktno ubacuju vazduh u motor automobila, a taj pritisak je direktno srazmeran brzini kretanja automobila.
Zlatna "turbo" era
Turbo punjaci su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putnickim automobilu ranih 1960-tih godina. Model je bio Chevrolet Corvair kojeg je proizvodio General Motors - GM. Automobil je imao lošu reputaciju zbog toga što je imao jako loše performanse pri malim brzinama, a ogroman turbo lag je tecnu vožnju cinio u ovom automobilu prakticno nemogucom. Turbo lag je ono što je automobilskoj industriji pravilo veliki problem i sprecavalo da se automobili koji su u to doba koristili turbo punjac proglase prakticnima. Turbo punjaci su se u to doba obilato koristili u auto sportu - pocevši od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do "endurans" trka i na kraju same Formule 1, medutim vozaci trkackih automobila su uspevali da se izbore sa prilicno neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo rešenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozaca. Turbine iz tog doba su bile veoma velike i teške pa su samim time bile veoma inertne. Takve turbine se nisu mogle zavrteti ispod 3500 obrtaja, pa je opseg rada motora do 3500 obrtaja bio veoma slab obzirom da je u doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi se izbeglo pregrevanje glave cilindara. Porše je pionir kada se govori o relativno prakticnim turbo automobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji je koristio rešenje do koga su došli Porešovi inženjeri. Mehanizam se zasnivao da se koriste takozvane “recirkulišuca” creva koja su omogucaval turbini da se zavrti pre pocetka rada pa se time umanjivao lag. Model iz 1978. Porše 911 Turbo 3.3 koji je nasledio model 3.0 turbo je uneo još jedan novitet – interkuler koji je dodatno umanjio lag i doprineo povecanju snage motora. Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbo punjaca je evoluirala u pravcu kultivisanijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbo punjacima koristi još jedan sistem umanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbo punjaci su koristili primitivna mehanicka rešenja sa "vejst gejt" ventilom kako bi izbegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i pocetkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogucena fina kontrola pritiska turbine pa tim sistemom omoguceno da, na primer, turbo isporucuje 1,4 bar ispod 3000 obrtaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 obrtaja, a 1,8 bar iznad 4500 obrtaja. Tako finom kontrolom je postugnut linearan rast snage što je doprinelo tecnom osecaju u vožnji.
Turbo punjac - turbo
Turbo punjaci su jedan od nekoliko sistema za dodatno unošenje vazduha u motor tj. one kompresuju (smanjuju zapreminu) vazduha koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine vazduha koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljava motoru da ima više vazduha u cilindru, a samim tim više goriva treba da bi se napravila odgovarajuca smjesa. Samim time, dobija se više snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbo punjacem po definiciji proizvodi više snage od motora koji nema turbo punjac, a to znacajno poboljšava odnos snaga / težina motora. Da bi turbo punjaci postigli odgovarajucu kompresiju, turbo punjac koristi izduvne gasove motora da bi zavrtijo svoju turbinu koja opet ubrzava unos vazduha. Turbina turbo punjaca se obicno vrti od 100 do 150 hiljada obrtaja u minuti, a kako je direktno povezana na izduvnu granu motora temperature na kojima turbina radi su veoma visoke.
Turbo punjaci i kompresori - 2 deo
Najlakši nacin da dobijete više snage iz motora je da povecate kolicinu vazduha i goriva koje motor može da sagori. Jedan od nacina je da se poveca zapremina bilo povecanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj nacin nije moguc ili isplativ, turbo punjac je jednostavnije i kompaktnije rešenje.
Turbo punjaci omogucavaju motoru da sagori više goriva i vazduha tako što u postojecu zapreminu motora sabijanjem ubacuje više goriva i vazduha. Mera za sabijenost je u barima (metricki sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom incu). 1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar. Tipican pritisak turbina je obicno oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar što znaci da se u motor ubacuje 50% više vazduha (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomocu turba dobijate 1,5 bar tj. 50% povecanja pritiska). Za ocekivati je da ce i snaga skociti za 50%, medutim sistem nije 100% efikasan tako da su povecanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti potice od toga što vazduh koji pokrece turbinu nije „besplatan“, tj. vazduh koji turbina pozajmljuje iz izduvne grane motora ima svoju cenu. Cena je da motor mora da uloži više energije da izbaci vazduh obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj izdvuni gas mora da savlada.
Nacin funkcionisanja turbo punjaca:
Turbo punjac je pricvršcen na izduvnu granu motora, a ti izduvni gasovi okrecu turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi izmedu filtera za vazduh i usisne grane motora i taj kompresor sabija vazduh koji se ubacuje u cilindre. Izduv iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okrecu samu turbinu i što više vazduha prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okrece. Sa druge strane osovine na koju je prikacena turbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlaci vazduh u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okrece.
Da bi izdržala 150000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pricvršcena veoma pažljivo. Vecina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punjaci koriste fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju izmedu lagera i osovine i pomocu koga se kuglagerima po kojima se osovina krece samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punjaca.
Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne strane je turbina koja pomocu izduvnih gasova pokrece kompresor pomocu osovine koja ih povezuje.
Problemi koji se javljaju kod turbo punjaca
1.Previše pritiska Kada se vazduh sabija u cilindre pod pritiskom koji pravi turbo punjac koje zatim klip dodatno sabija postoji povecana opasnost od samozapaljivanja smeše. Samozapaljivanje smeše se pojavljuje kada se smeša vazduha i goriva kompresuje preko kriticne tacke cime dolazi do detonacije u cilindru iako svecica nije zapalila smešu što može oštetiti motor. Automobili sa turbo punjacima obicno koriste visoko oktanska goriva (koja imaju vecu otpornost ka samozapaljivanju) da bi izbegli ovaj problem. Problem se takode može rešiti smanjenjem kompresije motora što naravno dovodi i do smanjenja snage motora.
2. Turbo Lag Jedan od najlakše uocivih problema turbo punjaca je da oni rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, vec je potrebno da motor obezbedi odgovarajucu kolicinu gasova, a onda je potrebno još nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi pocela sa radom što ima za rezultat da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritiskanju pedale gasa. Jedan od nacina za smanjenje ovog efekta (lag = zadrška prim.prev.) je da se smanji intertnost pokretnih delova, tj. umanjenje njihove težine. Ovo omogucava turbini i kompresoru vazduha da se brzo zavrte i pocnu ranije sa povecanjem snage motora.
3. Mali ili veliki turbo punjac? Siguran nacin za smanjenje inertnosti turbine i kompresora vazduha je da se turbo punjac nacini što manjim. Mali turbo punjac ce daleko brže obezbediti pritisak i na manjem broju obrtaja motora, ali nece biti sposoban da obezbedi dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike kolicine vazduha da bi zadržao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da se mala turbina na visokom broju obrtaja motora može vrteti prebrzo što može dovesti do njenog oštecenja.
Veliki turbo punjac može da obezbedi veliki pritisak na visokom broju obrtaja motora, ali je on težak i inertan te mu je potrebno više vremena da ubrza svoju tešku turbinu i kompresor vazduha.
... i njihova rešenja Ventil za ispuštanje viška vazduha (vejst gejt – eng. wastegate) Vecina automobilskih turbo punjaca imaju ventil za ispuštanje viška vazduha koji omogucava manjim turbo punjacima da se ne vrte previše brzo na visokom broju obrtaja, a istovremeno time što su mali umanjuju lag. Ventil za ispuštanje viška vazduha omogucava izduvnim gasovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil „oseca“ promenu pritiska i ako pritisak prede odredenu granicu to je indikator da se turbina okrece prebrzo i tada ventil ispušta deo izduvnih gasova tako da ne prelaze preko turbine i time omogucava turbini da uspori.
Turbo punjaci i kompresori - 3 deo
Lageri
Neki turbo punjaci koriste bolje lagere umesto umesto lagera u tecnosti kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obicni lageri – to super precizno napravljeni lageri, a materijali od kojih se prave su posebne legure koje mogu da izdrže velike brzine i temperature koje proizvodi turbina. Oni omogucavaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoc korišcenja tecnosti umesto lagera koji se koriste u vecini turbo punjaca.
Oni takode omogucavaju korišcenje manjih i lakših osovina što opet pomaže turbo punjacu da se brže pokrene i time dodatno smanji turbo lag.
Keramicke lopatice na turbinama
Keramicke lopatice na turbinama su lakše nego one od celika koje se najcešce koriste na turbo punjacima. Naravno ovo opet omogucava brži start turbine što opet umanjuje lag. Lopatice od keramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitcubishi Lanceru EVO. Korišcenje duplih turbo punjaca je pitanje željene efikasnosti i mogucnosti da se oni negde fizicki i postave. Za vece motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbo punjaca umesto jednog velikog – kao što je to Porše radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora takode je poželjno koristiti dupli turbo zato što jedan turbo opslužuje jednu stranu motora i time se skracuje dužina creva turbo punjaca što umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turbo imaju takav sistem koji izduvne gasove sa jedne turbine vode ka drugoj turbini i to je takozvani koncept “povratne sprege” koja obezbeduje balansirani dovod snage u obe strane motora. Motori koji imaju paralelni dupli turbo su motori koji imaju po jednu turbinu za svaku stranu motora. S druge strane sekvencijalni dupli turbo je dizajniran da ubrza odgovor turbine i dodatno umanji lag. Takav sistem radi kako mu ime kaže sekvencijalno tj. na malom broju obrtaja radi mala turbina, a veca nije aktivna i time se postiže brz odgovor na srednjem broju obrtaja. Kada se kolicina izduvnih gasova dovoljno poveca ukljucuje se i druga turbina koja na dodatno povecava pritisak. Ono što je mana kod sekvencijalnih duplih turboa je velika kolicina creva koja je potrebna da bi sistem radio (izduvni gasovi moraju da dopru do obe turbine posebno kao i izlazi iz obe turbine moraju doci do usisnih grana motora) i samim tim je u poslednje vreme napuštena tehnika od strane proizvodaca. Auotomobili koji koriste ovakav sistem turbina su Porše 959, Mazda RX7 trece generacije, Tojota Supra i Subaru Legasi.
Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT)
Poslednjih nekoliko godina je ovo veoma popularan nacin korišcenja turbina. Saab kao pionir u ovoj oblasti je prvi put iskoristio LPT u masovnoj proizvodnji 1992. godine kada je prikazao, tada, novi model Saab 9000 2,3l Turbo Ecopower. Taj motor je imao samo 170KS, tj. 20KS više u odnosu na identiacan motor bez turbo punjaca, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvodaci želeli što vecu cifru snage ili obrtnog momenta, Saab je pametno zakljucio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoc malog turba motor ima solidan obrtni momenat što omogucava dobro ubrzanje, ali je daleko lakši za vožnju obzirom da je turbo lag prakticno nepostojeci, a odogovor na komandu gasa kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krive obrtnog momenta produžio odnos menjaca pa je time dodatno uspeo i da umanji potrošnju i svede je na manje od atmosferskog motora iste velicine.
U prošlosti, loše vozne osobine i visoka potrošnja goriva su sprecavale da se turbo punjaci koriste u automobilima koji su namijenjeni širokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend je potpuno drugaciji zbog potražnje za vecim prostorom i komforom što je dovelo do povecanja težine automobila pa da bi se perfromanse zadržale na prethodnom nivou potrebno je više snage, a za to se ili ugraduje veci motor ili se dodaje turbo punjac. Kada u igru ude i cena tj. želja za što manjim troškovima svakog proizvodaca turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja ce u narednim godinama biti sve više izražena. Masovno korišcenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donijelo veliki broj inovacija uz istovremeno smanjenje cijene turbina, pa se proizvodaci u poslednje vrijeme sve cešce okrecu turbo motorima. Na primjer novi Opel ima 2.0 Turbo motor, a u najavi je i 1,6l Turbo. Alfa Romeo u najavi ima nekoliko motora koji koriste Turbo i Twin Turbo. VW koncern je pored 1,8 Turbo motora u gamu uvrstio i 2,0 Turbo, itd.
Takode, dužni smo i da nabrojimo nekoliko vecih proizvodaca turbo punjaca: Garett, KKK i IHI.
Turbo kompresori
Kratka istorija turbo kompresora
Ukoliko se pitate ko je napravio prvi turbo kompresor, odgovor je Gotlib Dajmler (da, da, Dajmler Benz ili u skorije vreme Dajmler Krajsler). Ovaj Nemacki inženjer je patentirao pumpu koja je omogucavala povecanu kompresiju smese unutar komore cilindara. Taj sistem nije nazvao “turbo punjac”, ali ono što je opisao u dokumentu je opis rodenja prvog automobilskog turbo kompresora. Gotlib je svoj automobilski turbo kompresor dizajnirao po ugledu na dvo-rotorni industrijski “pomerac vazduha“ koji je izmišljen i patentiran 40 godina ranije od strane Frensisa Rutsa iz Indijane, SAD 1860. godine. Isti princip se i danas koristi, a odmah zatim je i Nemacki inženjer Krigar izimislio pumpu za vazduh pomocu koje se i danas koristi u tzv. Lysholm kompresorima. Ubrzo nakon toga turbo kompresori su pornašli veliku primenu tokom I Svetskog Rata u avionskim motorima, a posle rata Mercedes 1921. godine postiže veliki uspeh time što pocinje serijsku proizvodnju automobila koji ima motor sa turbo kompresorom. Na trkackoj sceni, automobili koji su koristili turbo kompresore su imali mnogo uspeha. 1924. godine turbo kompresori su se pojavili u Indy 500, a širom sveta trkacki automobili su masovno koristili novu tehniku povecanja snage motora. Sredinom 30tih godina prošlog veka, Robert Pakston MekKuloh je napravio MekKuloh Inžinjering koja je prav specijalizovana firma koja je pravila turbo kompresore koji su se koristili na motorima u Americkim putnickim vozilima i to je momenat u kome turbo punjaci postaju ono što su i danas. Posle II Svetskog Rata turbo kompresori su doneli novu živost u sportska takmicenja širom sveta. Alfa Romeo i Britanski Trkacki Motori (BRM) su koristili turbo kompresore na njihovim „Grand Prix“ bolidima, a na kojima je nedugo zatim njihova upotreba i zabranjena, dok u Indy ligi takvog ogranicenja nije bilo pa su automobili sa kompresorima osvojli veliki broj nagrada. 50-tih godina MekKuloh je osnovao Pakston Inžinjering kao posebnu firmu koja je preuzela razvoj turbo kompresora na sebe i kao cilj je imala pravljenje jeftinog turbo kompresora koji bi se lako plasirao na širokom tržištu. Posle potrošenih 700000$ i dve godine testiranja, model VS57 turbo kompresora je bio spreman da se predstavi javnosti i to 1953. godine. U pocetku je funkcionisao samo na Fordovim automobilma proizvedenim 1950. – 1953. godine, a 1954. su poceli sa prodajom kompleta za skoro sve komercijalne modele automobila koji su imali 6 ili 8 cilindara. Nakon velikog uspeha tog VS57, Pakston Inžinjering je nastavio sa pravljenjem velikog broja novih modela.
Nacini kompresije vazduha
„Roots“ turbo kompresor – „duvac“
Roots turbo kompresor je inicijalno zamišljen kao uredaj za ventilaciju u industrijskim zgradama. Sastoji se od dve lopatice koje se okrecu u suprotnom pravcu i prkaticno „zgrcu“ vazduh sa ulaza i izbacuju ga na izlaz. Ovaj kompresor je „fiksne zapremine“ tj. On pokrece fiksnu kolicinu vazduha u jedinici vremena pa je on nezavistan od broja obrtaja motora tj. veoma je dobar za korišcenje na malom i srednjem broju obrtaja što ga cini idealnim u primeni na kamionskim i teretnim vozilima. Ovakvi kompresori su i samo-podmazujuci, a uz to su i najjednostavniji konstrukcijski pa im je cena umerena i veoma su pouzdani. Iz tog razloga ovakav tip kompresora koriste GM, Ford, Mercedes i Toyota. Jedina mana ovog tipa kompresora je da generiše velike kolicine toplote. Jedan od razloga je što ovaj kompresor parkticno samo ubrzava vazduh, ali se sama kompresija odigrava u usisnoj grani motora tj. van kompresora.
Turbo punjaci i kompresori - 4 deo
Turbo kompresor sa “dva vijka”
Ovakav turbo kompresor sa na prvi pogled ne ralikuje previše od “roots” kako spolja tako i iznutra. Ova dva pristupa jesu slicna, medutim postoje i znacajne razclike. Centralni deo ovog kompresora jesu dva rotora tj. “vijka” koji se okrecu jedan ka drugom i tako uvlace vazduh sa ulaza u kompresor, a okretanjem vijaka se vazduh pomera ka njegovom izlazu i istovremeno se kompresuje. U ovom slucaju kompresija vazduha se odigrava unutar samog kompresora pa ovakav dizajn generiše manje toplote od roots dizajna, a on još bolje funkcioniše na malom i srednjem broju obrtaja pa se i ovaj kompresor koristi kod kamionskih i drugih teretnih vozila. Za razliku od roots kompresora gde se lopatice dodiruju kod ovog tipa kompresora nema fizickog kontakta izmedu delova tj. vijaka pa je samim tim i neposotjece trošenje bilo kog elementa. Samim tim i pouzdanost ovog tipa je veoma velika. Jedina mana ovog dizajna je da ovaj kompresor radi uvek (i kretanje na leru ili kocenje) pa u tim trenutcima on prakticno koristi snagu motora i umanjuje je da bi vazduh koji je kompresovan bio izbacen pomocu ventila koji zaobilazi usisnu granu.
Centrifugalni kompresor
Turbo kompresor sa impelerom
Iako je ovaj tip kompresora zasnovan na mnogo novijoj tehnologiji nego prethodna dva, ovo je prvi uspešno primenjen kompresor u automobilskoj industriji. Nasuprot prethodnim kompresorima ovaj nema “fiksnu zapreminu” tj. ne pokrece istu kolicinu vazduha u jedinici vremena. On funkcioniše kao veoma brzi propeler tj. impeler (propeler koji ima obratnu funkciju) usisavajuci vazduh u sredinu kompresora, a izbacujuci ga po obodu impelera koji se okrece na velikim brzinama (preko 40000 obrtaja u minuti). Vazduh pod centrifugalnom silom se krece po obodu elisa impelera sve do oboda gde se taj vazduh usmerava ka izlazu, a pri tome pomocu venturija se kompresuje vazduh. Vazduh se dalje krece ka izlazu duž levka koji se sužavai time smanjuje brzinu vazduha i dodatno poveceva pritisak. Ovaj dizajn ima nekoliko veoma bitnih osobina. Veoma je jednostavan i samim tim pouzdan, zatim proizvodi jako malo toplote zato što se kompresija odigrava unutar kompresora, a istovremeno je veoma kompaktan i svestran pošto se može “otkaciti” i time dozvoliti da motor direktno kroz kompresor usisava vazduh bez rada kompresora. Takode je veoma termalno efikasan, tj. proizvodi kompresovan vazduh koji ima najnižu temperaturu od sva tri predstavljena dizajna. Jedina mana je što je potrebna velika brzina impelera da bi kompresor poceo sa proizvodnjom dovoljno kompresovanog vazduha pa je veoma neefikasan na malom broju obrtaja, ali mu efikasnost raste sa brojem obrtaja. Ovakvi kompresori nisu samo-podmazjuci vec je potrebno da se prikljuce na sistem za protok ulja iz motora, mada neki proizvodaci prave ovakve kompresore koji imaju mogucnost samo-podmazivanja.
G-punjac
Obzirom da su Vokswagen-ov modeli Polo G40, Golf 2 G60 kao i Corrado G60 bili veoma popularni i svojevrsne ikone sa pocetka 90-tih, evo kratkog opisa kako G-punjac radi. U vreme kad je u modi svih proizvodaca automobila bila ugradnja turbo punjaca, vodeci covek tadašnjeg Volkswagenovog Odeljenja za razvoj, preuzeo je osnovnu ideju francuza L. Creuxa o punjacu u obliku zavojnice. Uvdeo je mogucnosti koje nudi ovakav punjac u odnosu na tadašenje alternativu - turbo punjacima. Prvi pokušaji s spiralnim punjacem obecavali su rešenja postavljenih zahteva šefova iz VW-a: spontan odaziv u donjem dijelu obrtaja, snaga raspoloživa duž ceelog podrucja obrtaja, smanjena buka, idealno za masovnu proizvodnju, upotrebljivo za razlicite koncepte motora. 1987. godine, pocinje maloserijska proizvodnja motora s G-punjacem u VW Polo GT G40 sa snagom od 115 KS. Naziv G40 je nastao od oblika i, jer dužina zavojnice u "ubrzavajucem pužu" (nalik na G) ima i širinu u radnom delu punjaca, koja iznosi 40 mm. 1988. godine slijedi ugradnja G60 punjaca sa vecim "ubrzavajucim pužem" (60 mm široko radno podrucje) u VW Corrado 1,8 sa 160 KS. U istoj godini je proizveden i VW Golf Rallye s G60 motorm i pogonom na sve tockove, u otprilike 5000 komada, prvenstveno zbog homologacije za rally trke, ali zbog restrikcija koje su se zahtevale na usisu, zaustavljena su službena ucešca na trkama, te je tako osloboden prostor za Audi Quattro. 1989. godine G60 se ugraduje u VW Passat GT Syncro, a godinu poslije i u VW Golf GTI G60. Najsnažniji motor pogonjen G-punjacem je proizveden od strane VW Motorsporta, 1,8 16v G60 snage 210 KS i obrtnim momentom od 250 Nm pri 5000 obrtaja u minuti, a isporucivan je u verzijama VW Golfa II sa petorim vratima. I u današnje vrijeme tehnika G-punjaca odoleva zubu vremena, iako je Volkswagen vec odavno prestao s njegovom proizvodnjom. Glavni razlozi za to su relativno visoki troškovi proizvodnje i ne tako zanemarujuca mogucnost kvarova (snaga vozila se cesto precjenjivala od strane vozaca). Ono što je još zanimljivo je da G punjac prati prilicno loša reputacija kao kvarjivog uredaja, a kako Nemacki VW sajtovi kažu krivac je loše zamišljena osovina oko koje se okrece kaiš za pokretanje punjaca i preporucuju ugradnju druge koja rešava bukvalno sve probleme.
G punjac - Tehnicki podaci
G60 je mehanicki pogonjen punjac (kompresor) koji je ime dobio po obliku slova G, a 60 oznacava širinu spiralnih propelera izražena u mm. U spiralnom kompresoru, usisani vazduh iz motora prolazi kroz kucište, nalik pužu, gdje se sabija do 0,7 bara. Ovaj kompresor, koji sam troši i do 18 KS, pogonjen je zupcastim remenom. Velika prednost mu je snaga duž svih brojeva okretaja. A slabosti? Kada motor dosegne 5800 o/min, mala spirala u kompresoru se vrti na 11 000 okr/min, te je to granicno podrucje na kojem pocinju kriticne vibracije u kompresoru te to može biti kobno za cijeli motor. Inace, za G60 motore, najveci obrtni moment je na 5600 obrtaja u minuti..
Turbo punjaci i kompresori - 5 deo (zadnji)
Turbo ili kompresor
To je jedno od cešcih pitanja i koja, na žalost, nemaju jednostavan odgovor. Tacnije odgovor jeste jednostavan, ali on glasi: „zavisi“. Ovaj deo teksta ce prednosti i mane kompresora navesti i pomoci Vam da sagledate u kojim slucajevima je bolje primeniti odgovarajuci sistem.
Slicnosti
I turbo kompresori i turbo punjaci su sistemi koji omogucavaju usis vazduha pod pritiskom i samim tim im je cilj isti – da što više sabiju vazduha u cilindre motora u odnosu na ono što atmosferski pritiskak normalno omogucva. Prednost je što ce motor tada moci da izgori više goriva u jednom ciklusu sagorevanja, a to dovodi do povecanja snage. Iz tog razloga turbo kompresori i turbo punjaci omogucavaju 40 – 100 % povecanja snage (u zavisnosti od pritiska kojim se sabija vazduh) nego atmosferski motori iste zapremine.
Cena
Cena turbo kompresora i turbo punjaca za isti motor su prakticno iste pa cena nie igra nikakvu ulogu u izboru jednog od ova dva sistema.
Lag
Nedostatak laga je jedna od najvecih prednosti turbo kompresora u odnosu na turbo punjace. Turbo punjaci su pogonjeni izduvnim gasovima pa se zbog toga pojavljuje ta zadrška dok se impeler ne zavrti do brzine koja omogucava odgovarajucu kompresiju vazduha Turbo punjaci se pogone kaišem koji je sa druge strane zakacen na radilicu i time prakticno rade od najmanjeg broja obrtaja.
Efikasnost
Ovo je najveca prednost turbo punjaca. Turbo punjaci su u principu ekonomicniji zato što se pokrecu pomocu izduvnih gasova koji su da kažemo, besplatni tj. ne služe nicemu, dok turbo kompresor koristi snagu radilice i time umanjuje snagu koja je dostupna za pokretanje automobila. Turbo punjaci ipak nisu potpuno efikasni zato što okretanje lopatica turbine pravi podpritisak na izduvnoj grani tako da motor ima odredn otpor kada izbacuje izduvne gasove.
Toplota
Kako je turbo punjac montiran na izduvnu granu koja je uvek veoma zagrejana time se samo kucište turbine greje, a time se dodatno vazduh koji turbo sabija dodatno greje što negativno utice na gustinu kompresovanog vazduha pa se cesto koristi interkuler kako bi se taj vazduh ohladio, a time se komplikuje instalacija sistema. Kod turbo kompresora centrifugalni kompresor generiše veoma hladan kompresovan vazduh pa ne postoji potreba za montiranjem interkulera za pritiske ispod 0,8 bar, dok u slucaju korišcenja roots kompresora kompresovani vazduh ima daleko vecu temperaturu pa je potrebno koristiti interkuler i pri malim pritiscima.
Udar snage
Kako turbo punjaci imaju zadršku (lag) postoji tzv. udar snage kada se vejstgejt otvori tj. kada turbo punjac proradi. Ovaj udar je veoma štetan po automobil, a posebno po nosace motora, ogibljenje i sistem za upravljanje i može da ucini automobil teško upravljivim.
Povratni pritisak
Turbo punjaci svojom montažom na izduvnoj grani prave parazitski povratni pritisak u samoj grani i time motor troši više energije da bi izbacio izduvne gasove za onoliko koliko je potrebno da se taj parazitski pritisak savlada. Taj pritisak umanjuje efikasnost turbo punjaca.
Buka
Turbo punjaci su u principu tiši od turbo kompresora, a položaj turbine na izduvnoj grani može samo da umanju kolicinu buke koju generiše motor i time utišavaju motor. Turbo kompresori imaju specifican zvuk, a pogotovu centrifugalni i mogu biti veoma glasni (naravno vecina vozaca ovaj zvuk naprosto obožava).
Pouzdanost
Turbo kompresori su, generalno, daleko pouzdaniji od turbo punjaca. Kada se automobil (i motor) ugasi vreli motor i izduvna grana mogu da visokom temperaturom oštete ulje koje je unutar turbo punjaca koje pšodmazuje lagere. Dodatno, veliki broj obrtaja turbine (do 150000 obrtaja u minuti) može da dovede do problema sa ležajevima u turbini ida time skrati životni vek turbo punjaca.
Maksimalna snaga
Turbo punjaci su slavu stekli zato što imaju mogucnost da se okrecu veoma brzo i time generišu fantasticno visoke pritiske kompresije (preko 2 bar-a) i time naravno prave daleko više snage nego turbo kompresori.
Mogucnost poboljšanja performansi samih turbo punjaca/kompresora - tjuniranje
Turbo punjaci zbog svoje kompleksnosti i zavisnosti od izduvnih gasova su zloglasno teški za modifikacije. Turbo kompresori, sa druge strane, su po tom pitanju lakši i dodatno zahtevaju samo manje intervencije na sistemima za ubrizgavanje goriva i paljenje.
Kod ljudi koji se ne bave tematikom automobila pomen pojma "turbo" ih u tokom proteklih desetak godina uglavnom asocira na dizel motore. Takozvana "turbo" era se završila krajem 90-tih godina i od tada pa sve do sadašnjih dana turbo je stvarno ono što u velikoj vecini slucajeva dobar nagoveštaj da je u pitanju dizel motor.
Prvo što moramo da naglasimo u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo punjac se najcešce naziva samo turbo, a u engleskom je naziv koji se koristi "turbocharger", dok se turbo kompresor može još nazivati i kompresor (Mercedes koristi ovaj naziv, npr.), punjac (G punjac – VW) dok se u engleskoj literaturi turbo kompresori nazivaju "supercharger".
Turbine se koriste u energetici, avio i auto industriji i ono što ih razlikuju su naravno performanse obzirom da su im zadatci razliciti, ali ono što ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko nacina takozvanog "prehranjivanja" (termin koji se koristi u udžbenicima našeg Mašinskog Fakulteta) tj. dodatnog sabijanja više vazduha nego što prirodni pritisak omogucava. Motor sagoreva mešavinu vazduha i goriva, a taj vazduh ulazi u motor kroz usisnu granu motora povucen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga povecala kolicina vazduha koriste se veštacki nacini kao što su: turbo punjaci, mahanicki kompresori i tzv. "Ram Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbo punjaca i turbo kompresora dok cemo princip rada "Ram Air" sistema objasniti u narednih nekoliko recenica.
"Ram Air"
Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trkacki automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajucih filtera) izvede direktno negde na spoljni deo automobila koji je okrenut smeru kretanja i time se povecanjem brzine automobila proporcionalno povecava pritisak vazduha koji ulazi u motor. Na primer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozaca, GT automobili imaju "grbe" na haubi koje direktno ubacuju vazduh u motor automobila, a taj pritisak je direktno srazmeran brzini kretanja automobila.
Zlatna "turbo" era
Turbo punjaci su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putnickim automobilu ranih 1960-tih godina. Model je bio Chevrolet Corvair kojeg je proizvodio General Motors - GM. Automobil je imao lošu reputaciju zbog toga što je imao jako loše performanse pri malim brzinama, a ogroman turbo lag je tecnu vožnju cinio u ovom automobilu prakticno nemogucom. Turbo lag je ono što je automobilskoj industriji pravilo veliki problem i sprecavalo da se automobili koji su u to doba koristili turbo punjac proglase prakticnima. Turbo punjaci su se u to doba obilato koristili u auto sportu - pocevši od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do "endurans" trka i na kraju same Formule 1, medutim vozaci trkackih automobila su uspevali da se izbore sa prilicno neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo rešenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozaca. Turbine iz tog doba su bile veoma velike i teške pa su samim time bile veoma inertne. Takve turbine se nisu mogle zavrteti ispod 3500 obrtaja, pa je opseg rada motora do 3500 obrtaja bio veoma slab obzirom da je u doba kompresija turbo motora bila 6,5:1 kako bi se izbeglo pregrevanje glave cilindara. Porše je pionir kada se govori o relativno prakticnim turbo automobilima. 1975. godine se pojavio model 911 Turbo 3.0 koji je koristio rešenje do koga su došli Porešovi inženjeri. Mehanizam se zasnivao da se koriste takozvane “recirkulišuca” creva koja su omogucaval turbini da se zavrti pre pocetka rada pa se time umanjivao lag. Model iz 1978. Porše 911 Turbo 3.3 koji je nasledio model 3.0 turbo je uneo još jedan novitet – interkuler koji je dodatno umanjio lag i doprineo povecanju snage motora. Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbo punjaca je evoluirala u pravcu kultivisanijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbo punjacima koristi još jedan sistem umanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbo punjaci su koristili primitivna mehanicka rešenja sa "vejst gejt" ventilom kako bi izbegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i pocetkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogucena fina kontrola pritiska turbine pa tim sistemom omoguceno da, na primer, turbo isporucuje 1,4 bar ispod 3000 obrtaja, 1,6 bar od 3000 do 4500 obrtaja, a 1,8 bar iznad 4500 obrtaja. Tako finom kontrolom je postugnut linearan rast snage što je doprinelo tecnom osecaju u vožnji.
Turbo punjac - turbo
Turbo punjaci su jedan od nekoliko sistema za dodatno unošenje vazduha u motor tj. one kompresuju (smanjuju zapreminu) vazduha koji ulazi u motor. Prednost smanjivanja zapremine vazduha koji ulazi u motor kroz usisnu granu je da dozvoljava motoru da ima više vazduha u cilindru, a samim tim više goriva treba da bi se napravila odgovarajuca smjesa. Samim time, dobija se više snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbo punjacem po definiciji proizvodi više snage od motora koji nema turbo punjac, a to znacajno poboljšava odnos snaga / težina motora. Da bi turbo punjaci postigli odgovarajucu kompresiju, turbo punjac koristi izduvne gasove motora da bi zavrtijo svoju turbinu koja opet ubrzava unos vazduha. Turbina turbo punjaca se obicno vrti od 100 do 150 hiljada obrtaja u minuti, a kako je direktno povezana na izduvnu granu motora temperature na kojima turbina radi su veoma visoke.
Turbo punjaci i kompresori - 2 deo
Najlakši nacin da dobijete više snage iz motora je da povecate kolicinu vazduha i goriva koje motor može da sagori. Jedan od nacina je da se poveca zapremina bilo povecanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj nacin nije moguc ili isplativ, turbo punjac je jednostavnije i kompaktnije rešenje.
Turbo punjaci omogucavaju motoru da sagori više goriva i vazduha tako što u postojecu zapreminu motora sabijanjem ubacuje više goriva i vazduha. Mera za sabijenost je u barima (metricki sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom incu). 1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar. Tipican pritisak turbina je obicno oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar što znaci da se u motor ubacuje 50% više vazduha (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomocu turba dobijate 1,5 bar tj. 50% povecanja pritiska). Za ocekivati je da ce i snaga skociti za 50%, medutim sistem nije 100% efikasan tako da su povecanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti potice od toga što vazduh koji pokrece turbinu nije „besplatan“, tj. vazduh koji turbina pozajmljuje iz izduvne grane motora ima svoju cenu. Cena je da motor mora da uloži više energije da izbaci vazduh obzirom da na izlazu postoji otpor okretanja turbine koji taj izdvuni gas mora da savlada.
Nacin funkcionisanja turbo punjaca:
Turbo punjac je pricvršcen na izduvnu granu motora, a ti izduvni gasovi okrecu turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi izmedu filtera za vazduh i usisne grane motora i taj kompresor sabija vazduh koji se ubacuje u cilindre. Izduv iz cilindara prolazi preko lopatica turbine koje okrecu samu turbinu i što više vazduha prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okrece. Sa druge strane osovine na koju je prikacena turbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlaci vazduh u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okrece.
Da bi izdržala 150000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pricvršcena veoma pažljivo. Vecina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punjaci koriste fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju izmedu lagera i osovine i pomocu koga se kuglagerima po kojima se osovina krece samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punjaca.
Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne strane je turbina koja pomocu izduvnih gasova pokrece kompresor pomocu osovine koja ih povezuje.
Problemi koji se javljaju kod turbo punjaca
1.Previše pritiska Kada se vazduh sabija u cilindre pod pritiskom koji pravi turbo punjac koje zatim klip dodatno sabija postoji povecana opasnost od samozapaljivanja smeše. Samozapaljivanje smeše se pojavljuje kada se smeša vazduha i goriva kompresuje preko kriticne tacke cime dolazi do detonacije u cilindru iako svecica nije zapalila smešu što može oštetiti motor. Automobili sa turbo punjacima obicno koriste visoko oktanska goriva (koja imaju vecu otpornost ka samozapaljivanju) da bi izbegli ovaj problem. Problem se takode može rešiti smanjenjem kompresije motora što naravno dovodi i do smanjenja snage motora.
2. Turbo Lag Jedan od najlakše uocivih problema turbo punjaca je da oni rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, vec je potrebno da motor obezbedi odgovarajucu kolicinu gasova, a onda je potrebno još nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi pocela sa radom što ima za rezultat da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritiskanju pedale gasa. Jedan od nacina za smanjenje ovog efekta (lag = zadrška prim.prev.) je da se smanji intertnost pokretnih delova, tj. umanjenje njihove težine. Ovo omogucava turbini i kompresoru vazduha da se brzo zavrte i pocnu ranije sa povecanjem snage motora.
3. Mali ili veliki turbo punjac? Siguran nacin za smanjenje inertnosti turbine i kompresora vazduha je da se turbo punjac nacini što manjim. Mali turbo punjac ce daleko brže obezbediti pritisak i na manjem broju obrtaja motora, ali nece biti sposoban da obezbedi dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike kolicine vazduha da bi zadržao potreban pritisak. Dodatna opasnost je da se mala turbina na visokom broju obrtaja motora može vrteti prebrzo što može dovesti do njenog oštecenja.
Veliki turbo punjac može da obezbedi veliki pritisak na visokom broju obrtaja motora, ali je on težak i inertan te mu je potrebno više vremena da ubrza svoju tešku turbinu i kompresor vazduha.
... i njihova rešenja Ventil za ispuštanje viška vazduha (vejst gejt – eng. wastegate) Vecina automobilskih turbo punjaca imaju ventil za ispuštanje viška vazduha koji omogucava manjim turbo punjacima da se ne vrte previše brzo na visokom broju obrtaja, a istovremeno time što su mali umanjuju lag. Ventil za ispuštanje viška vazduha omogucava izduvnim gasovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil „oseca“ promenu pritiska i ako pritisak prede odredenu granicu to je indikator da se turbina okrece prebrzo i tada ventil ispušta deo izduvnih gasova tako da ne prelaze preko turbine i time omogucava turbini da uspori.
Turbo punjaci i kompresori - 3 deo
Lageri
Neki turbo punjaci koriste bolje lagere umesto umesto lagera u tecnosti kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obicni lageri – to super precizno napravljeni lageri, a materijali od kojih se prave su posebne legure koje mogu da izdrže velike brzine i temperature koje proizvodi turbina. Oni omogucavaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoc korišcenja tecnosti umesto lagera koji se koriste u vecini turbo punjaca.
Oni takode omogucavaju korišcenje manjih i lakših osovina što opet pomaže turbo punjacu da se brže pokrene i time dodatno smanji turbo lag.
Keramicke lopatice na turbinama
Keramicke lopatice na turbinama su lakše nego one od celika koje se najcešce koriste na turbo punjacima. Naravno ovo opet omogucava brži start turbine što opet umanjuje lag. Lopatice od keramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitcubishi Lanceru EVO. Korišcenje duplih turbo punjaca je pitanje željene efikasnosti i mogucnosti da se oni negde fizicki i postave. Za vece motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbo punjaca umesto jednog velikog – kao što je to Porše radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora takode je poželjno koristiti dupli turbo zato što jedan turbo opslužuje jednu stranu motora i time se skracuje dužina creva turbo punjaca što umanjuje lag. Neki motori koji imaju dupli turbo imaju takav sistem koji izduvne gasove sa jedne turbine vode ka drugoj turbini i to je takozvani koncept “povratne sprege” koja obezbeduje balansirani dovod snage u obe strane motora. Motori koji imaju paralelni dupli turbo su motori koji imaju po jednu turbinu za svaku stranu motora. S druge strane sekvencijalni dupli turbo je dizajniran da ubrza odgovor turbine i dodatno umanji lag. Takav sistem radi kako mu ime kaže sekvencijalno tj. na malom broju obrtaja radi mala turbina, a veca nije aktivna i time se postiže brz odgovor na srednjem broju obrtaja. Kada se kolicina izduvnih gasova dovoljno poveca ukljucuje se i druga turbina koja na dodatno povecava pritisak. Ono što je mana kod sekvencijalnih duplih turboa je velika kolicina creva koja je potrebna da bi sistem radio (izduvni gasovi moraju da dopru do obe turbine posebno kao i izlazi iz obe turbine moraju doci do usisnih grana motora) i samim tim je u poslednje vreme napuštena tehnika od strane proizvodaca. Auotomobili koji koriste ovakav sistem turbina su Porše 959, Mazda RX7 trece generacije, Tojota Supra i Subaru Legasi.
Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT)
Poslednjih nekoliko godina je ovo veoma popularan nacin korišcenja turbina. Saab kao pionir u ovoj oblasti je prvi put iskoristio LPT u masovnoj proizvodnji 1992. godine kada je prikazao, tada, novi model Saab 9000 2,3l Turbo Ecopower. Taj motor je imao samo 170KS, tj. 20KS više u odnosu na identiacan motor bez turbo punjaca, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvodaci želeli što vecu cifru snage ili obrtnog momenta, Saab je pametno zakljucio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoc malog turba motor ima solidan obrtni momenat što omogucava dobro ubrzanje, ali je daleko lakši za vožnju obzirom da je turbo lag prakticno nepostojeci, a odogovor na komandu gasa kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krive obrtnog momenta produžio odnos menjaca pa je time dodatno uspeo i da umanji potrošnju i svede je na manje od atmosferskog motora iste velicine.
U prošlosti, loše vozne osobine i visoka potrošnja goriva su sprecavale da se turbo punjaci koriste u automobilima koji su namijenjeni širokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend je potpuno drugaciji zbog potražnje za vecim prostorom i komforom što je dovelo do povecanja težine automobila pa da bi se perfromanse zadržale na prethodnom nivou potrebno je više snage, a za to se ili ugraduje veci motor ili se dodaje turbo punjac. Kada u igru ude i cena tj. želja za što manjim troškovima svakog proizvodaca turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja ce u narednim godinama biti sve više izražena. Masovno korišcenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donijelo veliki broj inovacija uz istovremeno smanjenje cijene turbina, pa se proizvodaci u poslednje vrijeme sve cešce okrecu turbo motorima. Na primjer novi Opel ima 2.0 Turbo motor, a u najavi je i 1,6l Turbo. Alfa Romeo u najavi ima nekoliko motora koji koriste Turbo i Twin Turbo. VW koncern je pored 1,8 Turbo motora u gamu uvrstio i 2,0 Turbo, itd.
Takode, dužni smo i da nabrojimo nekoliko vecih proizvodaca turbo punjaca: Garett, KKK i IHI.
Turbo kompresori
Kratka istorija turbo kompresora
Ukoliko se pitate ko je napravio prvi turbo kompresor, odgovor je Gotlib Dajmler (da, da, Dajmler Benz ili u skorije vreme Dajmler Krajsler). Ovaj Nemacki inženjer je patentirao pumpu koja je omogucavala povecanu kompresiju smese unutar komore cilindara. Taj sistem nije nazvao “turbo punjac”, ali ono što je opisao u dokumentu je opis rodenja prvog automobilskog turbo kompresora. Gotlib je svoj automobilski turbo kompresor dizajnirao po ugledu na dvo-rotorni industrijski “pomerac vazduha“ koji je izmišljen i patentiran 40 godina ranije od strane Frensisa Rutsa iz Indijane, SAD 1860. godine. Isti princip se i danas koristi, a odmah zatim je i Nemacki inženjer Krigar izimislio pumpu za vazduh pomocu koje se i danas koristi u tzv. Lysholm kompresorima. Ubrzo nakon toga turbo kompresori su pornašli veliku primenu tokom I Svetskog Rata u avionskim motorima, a posle rata Mercedes 1921. godine postiže veliki uspeh time što pocinje serijsku proizvodnju automobila koji ima motor sa turbo kompresorom. Na trkackoj sceni, automobili koji su koristili turbo kompresore su imali mnogo uspeha. 1924. godine turbo kompresori su se pojavili u Indy 500, a širom sveta trkacki automobili su masovno koristili novu tehniku povecanja snage motora. Sredinom 30tih godina prošlog veka, Robert Pakston MekKuloh je napravio MekKuloh Inžinjering koja je prav specijalizovana firma koja je pravila turbo kompresore koji su se koristili na motorima u Americkim putnickim vozilima i to je momenat u kome turbo punjaci postaju ono što su i danas. Posle II Svetskog Rata turbo kompresori su doneli novu živost u sportska takmicenja širom sveta. Alfa Romeo i Britanski Trkacki Motori (BRM) su koristili turbo kompresore na njihovim „Grand Prix“ bolidima, a na kojima je nedugo zatim njihova upotreba i zabranjena, dok u Indy ligi takvog ogranicenja nije bilo pa su automobili sa kompresorima osvojli veliki broj nagrada. 50-tih godina MekKuloh je osnovao Pakston Inžinjering kao posebnu firmu koja je preuzela razvoj turbo kompresora na sebe i kao cilj je imala pravljenje jeftinog turbo kompresora koji bi se lako plasirao na širokom tržištu. Posle potrošenih 700000$ i dve godine testiranja, model VS57 turbo kompresora je bio spreman da se predstavi javnosti i to 1953. godine. U pocetku je funkcionisao samo na Fordovim automobilma proizvedenim 1950. – 1953. godine, a 1954. su poceli sa prodajom kompleta za skoro sve komercijalne modele automobila koji su imali 6 ili 8 cilindara. Nakon velikog uspeha tog VS57, Pakston Inžinjering je nastavio sa pravljenjem velikog broja novih modela.
Nacini kompresije vazduha
„Roots“ turbo kompresor – „duvac“
Roots turbo kompresor je inicijalno zamišljen kao uredaj za ventilaciju u industrijskim zgradama. Sastoji se od dve lopatice koje se okrecu u suprotnom pravcu i prkaticno „zgrcu“ vazduh sa ulaza i izbacuju ga na izlaz. Ovaj kompresor je „fiksne zapremine“ tj. On pokrece fiksnu kolicinu vazduha u jedinici vremena pa je on nezavistan od broja obrtaja motora tj. veoma je dobar za korišcenje na malom i srednjem broju obrtaja što ga cini idealnim u primeni na kamionskim i teretnim vozilima. Ovakvi kompresori su i samo-podmazujuci, a uz to su i najjednostavniji konstrukcijski pa im je cena umerena i veoma su pouzdani. Iz tog razloga ovakav tip kompresora koriste GM, Ford, Mercedes i Toyota. Jedina mana ovog tipa kompresora je da generiše velike kolicine toplote. Jedan od razloga je što ovaj kompresor parkticno samo ubrzava vazduh, ali se sama kompresija odigrava u usisnoj grani motora tj. van kompresora.
Turbo punjaci i kompresori - 4 deo
Turbo kompresor sa “dva vijka”
Ovakav turbo kompresor sa na prvi pogled ne ralikuje previše od “roots” kako spolja tako i iznutra. Ova dva pristupa jesu slicna, medutim postoje i znacajne razclike. Centralni deo ovog kompresora jesu dva rotora tj. “vijka” koji se okrecu jedan ka drugom i tako uvlace vazduh sa ulaza u kompresor, a okretanjem vijaka se vazduh pomera ka njegovom izlazu i istovremeno se kompresuje. U ovom slucaju kompresija vazduha se odigrava unutar samog kompresora pa ovakav dizajn generiše manje toplote od roots dizajna, a on još bolje funkcioniše na malom i srednjem broju obrtaja pa se i ovaj kompresor koristi kod kamionskih i drugih teretnih vozila. Za razliku od roots kompresora gde se lopatice dodiruju kod ovog tipa kompresora nema fizickog kontakta izmedu delova tj. vijaka pa je samim tim i neposotjece trošenje bilo kog elementa. Samim tim i pouzdanost ovog tipa je veoma velika. Jedina mana ovog dizajna je da ovaj kompresor radi uvek (i kretanje na leru ili kocenje) pa u tim trenutcima on prakticno koristi snagu motora i umanjuje je da bi vazduh koji je kompresovan bio izbacen pomocu ventila koji zaobilazi usisnu granu.
Centrifugalni kompresor
Turbo kompresor sa impelerom
Iako je ovaj tip kompresora zasnovan na mnogo novijoj tehnologiji nego prethodna dva, ovo je prvi uspešno primenjen kompresor u automobilskoj industriji. Nasuprot prethodnim kompresorima ovaj nema “fiksnu zapreminu” tj. ne pokrece istu kolicinu vazduha u jedinici vremena. On funkcioniše kao veoma brzi propeler tj. impeler (propeler koji ima obratnu funkciju) usisavajuci vazduh u sredinu kompresora, a izbacujuci ga po obodu impelera koji se okrece na velikim brzinama (preko 40000 obrtaja u minuti). Vazduh pod centrifugalnom silom se krece po obodu elisa impelera sve do oboda gde se taj vazduh usmerava ka izlazu, a pri tome pomocu venturija se kompresuje vazduh. Vazduh se dalje krece ka izlazu duž levka koji se sužavai time smanjuje brzinu vazduha i dodatno poveceva pritisak. Ovaj dizajn ima nekoliko veoma bitnih osobina. Veoma je jednostavan i samim tim pouzdan, zatim proizvodi jako malo toplote zato što se kompresija odigrava unutar kompresora, a istovremeno je veoma kompaktan i svestran pošto se može “otkaciti” i time dozvoliti da motor direktno kroz kompresor usisava vazduh bez rada kompresora. Takode je veoma termalno efikasan, tj. proizvodi kompresovan vazduh koji ima najnižu temperaturu od sva tri predstavljena dizajna. Jedina mana je što je potrebna velika brzina impelera da bi kompresor poceo sa proizvodnjom dovoljno kompresovanog vazduha pa je veoma neefikasan na malom broju obrtaja, ali mu efikasnost raste sa brojem obrtaja. Ovakvi kompresori nisu samo-podmazjuci vec je potrebno da se prikljuce na sistem za protok ulja iz motora, mada neki proizvodaci prave ovakve kompresore koji imaju mogucnost samo-podmazivanja.
G-punjac
Obzirom da su Vokswagen-ov modeli Polo G40, Golf 2 G60 kao i Corrado G60 bili veoma popularni i svojevrsne ikone sa pocetka 90-tih, evo kratkog opisa kako G-punjac radi. U vreme kad je u modi svih proizvodaca automobila bila ugradnja turbo punjaca, vodeci covek tadašnjeg Volkswagenovog Odeljenja za razvoj, preuzeo je osnovnu ideju francuza L. Creuxa o punjacu u obliku zavojnice. Uvdeo je mogucnosti koje nudi ovakav punjac u odnosu na tadašenje alternativu - turbo punjacima. Prvi pokušaji s spiralnim punjacem obecavali su rešenja postavljenih zahteva šefova iz VW-a: spontan odaziv u donjem dijelu obrtaja, snaga raspoloživa duž ceelog podrucja obrtaja, smanjena buka, idealno za masovnu proizvodnju, upotrebljivo za razlicite koncepte motora. 1987. godine, pocinje maloserijska proizvodnja motora s G-punjacem u VW Polo GT G40 sa snagom od 115 KS. Naziv G40 je nastao od oblika i, jer dužina zavojnice u "ubrzavajucem pužu" (nalik na G) ima i širinu u radnom delu punjaca, koja iznosi 40 mm. 1988. godine slijedi ugradnja G60 punjaca sa vecim "ubrzavajucim pužem" (60 mm široko radno podrucje) u VW Corrado 1,8 sa 160 KS. U istoj godini je proizveden i VW Golf Rallye s G60 motorm i pogonom na sve tockove, u otprilike 5000 komada, prvenstveno zbog homologacije za rally trke, ali zbog restrikcija koje su se zahtevale na usisu, zaustavljena su službena ucešca na trkama, te je tako osloboden prostor za Audi Quattro. 1989. godine G60 se ugraduje u VW Passat GT Syncro, a godinu poslije i u VW Golf GTI G60. Najsnažniji motor pogonjen G-punjacem je proizveden od strane VW Motorsporta, 1,8 16v G60 snage 210 KS i obrtnim momentom od 250 Nm pri 5000 obrtaja u minuti, a isporucivan je u verzijama VW Golfa II sa petorim vratima. I u današnje vrijeme tehnika G-punjaca odoleva zubu vremena, iako je Volkswagen vec odavno prestao s njegovom proizvodnjom. Glavni razlozi za to su relativno visoki troškovi proizvodnje i ne tako zanemarujuca mogucnost kvarova (snaga vozila se cesto precjenjivala od strane vozaca). Ono što je još zanimljivo je da G punjac prati prilicno loša reputacija kao kvarjivog uredaja, a kako Nemacki VW sajtovi kažu krivac je loše zamišljena osovina oko koje se okrece kaiš za pokretanje punjaca i preporucuju ugradnju druge koja rešava bukvalno sve probleme.
G punjac - Tehnicki podaci
G60 je mehanicki pogonjen punjac (kompresor) koji je ime dobio po obliku slova G, a 60 oznacava širinu spiralnih propelera izražena u mm. U spiralnom kompresoru, usisani vazduh iz motora prolazi kroz kucište, nalik pužu, gdje se sabija do 0,7 bara. Ovaj kompresor, koji sam troši i do 18 KS, pogonjen je zupcastim remenom. Velika prednost mu je snaga duž svih brojeva okretaja. A slabosti? Kada motor dosegne 5800 o/min, mala spirala u kompresoru se vrti na 11 000 okr/min, te je to granicno podrucje na kojem pocinju kriticne vibracije u kompresoru te to može biti kobno za cijeli motor. Inace, za G60 motore, najveci obrtni moment je na 5600 obrtaja u minuti..
Turbo punjaci i kompresori - 5 deo (zadnji)
Turbo ili kompresor
To je jedno od cešcih pitanja i koja, na žalost, nemaju jednostavan odgovor. Tacnije odgovor jeste jednostavan, ali on glasi: „zavisi“. Ovaj deo teksta ce prednosti i mane kompresora navesti i pomoci Vam da sagledate u kojim slucajevima je bolje primeniti odgovarajuci sistem.
Slicnosti
I turbo kompresori i turbo punjaci su sistemi koji omogucavaju usis vazduha pod pritiskom i samim tim im je cilj isti – da što više sabiju vazduha u cilindre motora u odnosu na ono što atmosferski pritiskak normalno omogucva. Prednost je što ce motor tada moci da izgori više goriva u jednom ciklusu sagorevanja, a to dovodi do povecanja snage. Iz tog razloga turbo kompresori i turbo punjaci omogucavaju 40 – 100 % povecanja snage (u zavisnosti od pritiska kojim se sabija vazduh) nego atmosferski motori iste zapremine.
Cena
Cena turbo kompresora i turbo punjaca za isti motor su prakticno iste pa cena nie igra nikakvu ulogu u izboru jednog od ova dva sistema.
Lag
Nedostatak laga je jedna od najvecih prednosti turbo kompresora u odnosu na turbo punjace. Turbo punjaci su pogonjeni izduvnim gasovima pa se zbog toga pojavljuje ta zadrška dok se impeler ne zavrti do brzine koja omogucava odgovarajucu kompresiju vazduha Turbo punjaci se pogone kaišem koji je sa druge strane zakacen na radilicu i time prakticno rade od najmanjeg broja obrtaja.
Efikasnost
Ovo je najveca prednost turbo punjaca. Turbo punjaci su u principu ekonomicniji zato što se pokrecu pomocu izduvnih gasova koji su da kažemo, besplatni tj. ne služe nicemu, dok turbo kompresor koristi snagu radilice i time umanjuje snagu koja je dostupna za pokretanje automobila. Turbo punjaci ipak nisu potpuno efikasni zato što okretanje lopatica turbine pravi podpritisak na izduvnoj grani tako da motor ima odredn otpor kada izbacuje izduvne gasove.
Toplota
Kako je turbo punjac montiran na izduvnu granu koja je uvek veoma zagrejana time se samo kucište turbine greje, a time se dodatno vazduh koji turbo sabija dodatno greje što negativno utice na gustinu kompresovanog vazduha pa se cesto koristi interkuler kako bi se taj vazduh ohladio, a time se komplikuje instalacija sistema. Kod turbo kompresora centrifugalni kompresor generiše veoma hladan kompresovan vazduh pa ne postoji potreba za montiranjem interkulera za pritiske ispod 0,8 bar, dok u slucaju korišcenja roots kompresora kompresovani vazduh ima daleko vecu temperaturu pa je potrebno koristiti interkuler i pri malim pritiscima.
Udar snage
Kako turbo punjaci imaju zadršku (lag) postoji tzv. udar snage kada se vejstgejt otvori tj. kada turbo punjac proradi. Ovaj udar je veoma štetan po automobil, a posebno po nosace motora, ogibljenje i sistem za upravljanje i može da ucini automobil teško upravljivim.
Povratni pritisak
Turbo punjaci svojom montažom na izduvnoj grani prave parazitski povratni pritisak u samoj grani i time motor troši više energije da bi izbacio izduvne gasove za onoliko koliko je potrebno da se taj parazitski pritisak savlada. Taj pritisak umanjuje efikasnost turbo punjaca.
Buka
Turbo punjaci su u principu tiši od turbo kompresora, a položaj turbine na izduvnoj grani može samo da umanju kolicinu buke koju generiše motor i time utišavaju motor. Turbo kompresori imaju specifican zvuk, a pogotovu centrifugalni i mogu biti veoma glasni (naravno vecina vozaca ovaj zvuk naprosto obožava).
Pouzdanost
Turbo kompresori su, generalno, daleko pouzdaniji od turbo punjaca. Kada se automobil (i motor) ugasi vreli motor i izduvna grana mogu da visokom temperaturom oštete ulje koje je unutar turbo punjaca koje pšodmazuje lagere. Dodatno, veliki broj obrtaja turbine (do 150000 obrtaja u minuti) može da dovede do problema sa ležajevima u turbini ida time skrati životni vek turbo punjaca.
Maksimalna snaga
Turbo punjaci su slavu stekli zato što imaju mogucnost da se okrecu veoma brzo i time generišu fantasticno visoke pritiske kompresije (preko 2 bar-a) i time naravno prave daleko više snage nego turbo kompresori.
Mogucnost poboljšanja performansi samih turbo punjaca/kompresora - tjuniranje
Turbo punjaci zbog svoje kompleksnosti i zavisnosti od izduvnih gasova su zloglasno teški za modifikacije. Turbo kompresori, sa druge strane, su po tom pitanju lakši i dodatno zahtevaju samo manje intervencije na sistemima za ubrizgavanje goriva i paljenje.
ali i veoma opsiran hehehe oci me zabolile citajuci sve hehehe 