Turbo punjači i kompresori

Uvod
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 većini slučajeva dobar nagoveštaj da je u pitanju dizel motor.

Prvo što moramo da naglasimo u ovom tekstu su razlike u nazivima: Turbo punjač se najčešće 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.), punjač (G punjač – 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 različiti, ali ono što ih svakako povezuje je isti izgled i princip rada. U auto industriji postoji nekoliko načina takozvanog "prehranjivanja" (termin koji se koristi u udžbenicima našeg Mašinskog Fakulteta) tj. dodatnog sabijanja više vazduha nego što prirodni pritisak omogućava. Motor sagoreva mešavinu vazduha i goriva, a taj vazduh ulazi u motor kroz usisnu granu motora povučen iz okolne atmosfere razlikom pritiska koju motor stvara. Da bi se snaga povećala količina vazduha koriste se veštački načini kao što su: turbo punjači, mahnički kompresori i tzv. "Ram Air" sistem. Ovaj tekst za temu ima rad turbo punjača i turbo kompresora dok ćemo princip rada "Ram Air" sistema objasniti u narednih nekoliko rečenica.

"Ram Air"
Ovaj sistem ili u slobodnom prevodu prirodna turbina je sistem koji koriste trkački automobili, a svodi se na jednostavan princip da se usisna grana (uz posredstvo odgovarajućih filtera) izvede direktno negde na spoljni deo automobila koji je okrenut smeru kretanja i time se povećanjem brzine automobila proporcionalno povećava pritisak vazduha koji ulazi u motor. Na primer F1 bolidi imaju usis direktno iznad glave vozača, GT automobili imaju "grbe" na haubi koje direktno ubacuju vazduh u motor automobila, a taj pritisak je direktno srazmeran brzini kretanja automobila.


Kako napraviti više snage
Četiri mogućnosti sa jednom zajedničkom osobinom

Kada se govori o načinima povećanja snage motora, zajednički cilj je, svakako, sagoreti što više smede goriva i vazduha u jedinici vremena. Postoje, praktično, četiri fundamentalno različita načina da se to ostvari.1. Napraviti efikasan motor tako da se što je moguće više vazduha i goriva unosi u njega kroz smanjenje restrikcija usisnih i izduvnih grana, umanjujući masu koja se rotira unutar motora, povećavajući energiju koju emituje svećica i finog štelovanja tajminga rada motora. Ovo su ciljevi svih „performans“ delova koji povećavaju snagu motora – filteri vazduha, programatori paljenja, izduvni sistemi itd. Ove modifikacije su veoma popularne zato što dodaju snagu, izgledaju dobro i zvuče dobro. Takođe one se mogu raditi nezavisno što je dobro za budžet. Problem ovakvih modifikacija je što donose male dobitke, a često su ti dobitci u snazi beznačajni i ne mogu se osetiti. Današnji moderni motori su po ozlasku iz fabrike prilično dobro podešeni i nisu opremljeni previše restriktivnim usisnim ili izduvnim granama koje bi umaljile potrošnju goriva. Drugim rečima, ako tražite umerene dobitke snage, potrebno je ići dublje od ovakvih modifikacija koje za cilj imaju samo blago povećanje efikasnosti motora.

2. Motoru se može povećati snaga tako što ćete ga ubrzati tj. motor će se okretati na većem broju obrtaja. Ova tehnika je efikasna kada se insistira na zadržavanju male mase i kompaktnosti motora, a istorvremeno se traži veća snaga. Naravno svi trkački automobili imaju motore koji postižu visoke brojeve obrtaja. Jedina mana ovog pristupa je da ako želite da omogućite motoru da se okreće na jako visokom broju obrtaja potrebni su jako kvalitetni (i skupi) delovi koji će moći da izdrže rad u takvim uslovima. Povećani broj obrtaja značajno povećava trošenje materijala što umanjuje pouzdanost motora i smanjuje mu rok trajanja. Većina normalnih automobila ima crveno polje između 6000-7000 obrtaja baš iz tog razloga da se poveća rok trajanja motora. Okretanje motora brže nego što je predviđeno je rizik za motor.

3. Još jedan način za povećanje snage motora je veoma očigledan. Korišćenje većeg motora. Veći motori mogu da sagore više vazduha i goriva i samim tim generišu više snage. Naravno, da je to tako jednostavno svi bi pod haubama imali V12 motore. Povećanje motora se lako može izvesti razbušivanjem (povećanjem prečnika) cilindara i stavljanjem većih klipova, ili povećanjem hoda klipa, ali takva povećanja motora su veoma ograničena obzirom da konstrukcija motora ne dozvoljava preveliko povećanje tih parametara. Da bi se motor značajno povećao potrebno je imati fizički veći motor sa više cilindara, ali on donosi veće dimenzije, veću težinu i manje efikasnost potrošnje goriva.

4. Poslednji način za povećanje snage je unošenje veće količine smese goriva i vazduha pre njenog sagorevanja, a rezultat snaga koja je adekvatna klasičnom motoru sa većom zapreminom. Problem sa ovom tehnikom je da nije dovoljno reći da motor treba da usisa više smese, pritisak je uslovljen atmosferskim pritiskom od 1 bar na 0m nadmosrske visine. Kako se visina povećava vazduh postaje sve ređi i time motor ima sve manje snage. Tu na scenu stupaju turbo kompresori ili turbo punjači. Kompresor, kao što mu ime kaže, kompresuje vazduh i gorivo u komoru cilindra pod pritiskom većim od atmosferskog i time praktično dobija efekat povećanja snage kao da je motor veće zapremine nego što jeste. Drugo mali motor zadržava sve svoje osobine – lagan, kompaktan, efikasno troši gorivo, a opet uz pomoć kompresora daje veću snagu. Dodatno se može kontrolisati kada kompresor radi tako da, ukoliko ne pritiskate pedalu gasa do poda, motor radi sa svojim normalnim performansama i što je još važnije troši jako malo goriva.

Realno postoji daleko više od gore navedenih četiri načina povećanja snage, ali ovi načini su najkonvencionalniji. Možete, na primer, koristiti kaloričnije gorivo što je ideja vodilja sistema koji koriste Nitro Oksid – poznatiji kao NOS ili drugih Top Fuel sistema.


Zlatna "turbo" era
Turbo punjači su po prvi put predstavljeni u velikoserijskom putničkim 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 tečnu vožnju činio u ovom automobilu praktično nemogućom.

Turbo lag je ono što je automobilskoj industriji pravilo veliki problem i sprečavalo da se automobili koji su u to doba koristili turbo punjač proglase praktičnima. Turbo punjači su se u to doba obilato koristili u auto sportu - počevši od ikone BMW-a 2002 turbo modela pa do "endurans" trka i na kraju same Formule 1, međutim vozači trkačkih automobila su uspevali da se izbore sa prilično neugodnim turbom motorima iz tog doba, ali to nije bilo rešenje za svakodnevnu vožnju i normalnog vozača. 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 praktičnim 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 “recirkulišuća” creva koja su omogućaval turbini da se zavrti pre početka 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 povećanju snage motora.

Tokom 80-tih godina tehnologija proizvodnje turbo punjača je evoluirala u pravcu kultivisanijeg rada. Tokom zadnjih godina se kod automobila sa turbo punjačima koristi još jedan sistem umanjenja turbo laga – elektronska kontrola pritiska turbine. Rani turbo punjači su koristili primitivna mehanička rešenja sa "vejst gejt" ventilom kako bi izbegli prevelik pritisak i preveliku brzinu turbine. Kasnih 80-tih i početkom 90-tih godina sa razvojem elektronike je omogućena fina kontrola pritiska turbine pa tim sistemom omogućeno da, na primer, turbo isporučuje 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 tečnom osećaju u vožnji.



Kako radi turbo punjač?

Turbo punjač - turbo
Turbo punjači 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 odgovarajuća smesa. Samim time, dobija se više snage iz svake eksplozije unutar svakog cilindra motora. Motor sa turbo punjačem po definiciji proizvodi više snage od motora koji nema turbo punjač, a to značajno poboljšava odnos snaga / težina motora.


Da bi turbo punjači postigli odgovarajuću kompresiju, turbo punjač koristi izduvne gasove motora da bi zavrteo svoju turbinu koja opet ubrzava unos vazduha. Turbina turbo punjača se obično 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.

Osnove:
Najlakši način da dobijete više snage iz motora je da povećate količinu vazduha i goriva koje motor može da sagori. Jedan od načina je da se poveća zapremina bilo povećanjem zapremine cilindara ili dodavanjem cilindara. Ako taj način nije moguć ili isplativ, turbo punjač je jednostavnije i kompaktnije rešenje.

Turbo punjači omogućavaju motoru da sagori više goriva i vazduha tako što u postojeću zapreminu motora sabijanjem ubacuje više goriva i vazduha. Mera za sabijenost je u barima (metrički sistem) ili psi (kolonijalni sistem - funte po kvadratnom inču).
1bar = 14,503 psi tj. 1psi = 0.068947 bar.

Tipičan pritisak turbina je obično oko 6-8 psi tj. oko 0,5 bar što znači da se u motor ubacuje 50% više vazduha (1 bar je normalan pritisak, a kada dodate 0,5 bar pritiska pomoću turba dobijate 1,5 bar tj. 50% povećanja pritiska). Za očekivati je da će i snaga skočiti za 50%, međutim sistem nije 100% efikasan tako da su povećanja snage u okviru 30 – 40% u zavisnosti od konstrukcije. Deo neefikasnosti potiče od toga što vazduh koji pokreće 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.

Turbine na visini

Turbo punjači pomažu na velikim visinama gde je vazduh dodatno razređen. Normalni motori će na takvom razređenom vazduhu imati manje snage na raspolaganju zato što će manje vazduha biti u cilindru, dok se kod motora sa turbo punjačem ta razlika daleko smanjuje (i dalje postoji pad snage, samo je manji) zato što će turbina iako je vazduh ređi ugurati daleko više tog ređeg vazduha zato što je on lakši pa će time malo kompenzovati gubitak gustine vazduha.

Stariji automobili sa karburatorom automatski povećavaju dotok goriva da bi parirali većem dotoku vazduha u motor, dok moderni automobili sa elektronskim ubrizgavanjem goriva takođe to rade, ali će to povećanje dotoka goriva biti srazmerno podatku koji šalje protokomer vazduha koji meri kao što mu i ime kaže koliko je vazduha ušlo u motor pa će odnos vazduha i goriva kod takvih motora biti uvek veoma blizu idealnom. Ukoliko turbina radi na visokom pritisku i elektronsko ubrizgavanje nema dovoljno jaku pumpu koja može da dopremi potrebnu količinu goriva u cilindre ili softver koji upravlja ubrizgavanjem goriva neće da dozvoli toliku količinu goriva ili brizgaljke za unos goriva u cilindar nemaju dovoljno veliku protočnu moć motor neće moći da maksimalno iskoristi turbo punjač pa će nostali delovi sistema za ubrizgavanje goriva morati dodatno da se modifikuju da iskoriste pun potencijal turbo punjača.

Način funkcionisanja turbo punjača:

Turbo punjač je pričvršćen na izduvnu granu motora, a ti izduvni gasovi okreću turbinu. Turbina je osovinom povezana sa kompresorom koji se nalazi između 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 okreću samu turbinu i što više vazduha prolazi kroz lopatice, to se turbina brže okreće. Sa druge strane osovine na koju je prikačena turbina nalazi se kompresor koji pumpa vazduh u cilindre. Kompresor je tzv. Centrifugalna pumpa – uvlači vazduh u centru svojih lopatica i gura ga dalje kako se okreće. Da bi izdržala 150000 rotacija u minuti osovina turbine mora biti pričvršćena veoma pažljivo. Većina ležaja bi pri ovoj brzini okretanja verovatno eksplodirala pa tako turbo punjači koriste fluid (ulje) koje je u veoma tankom sloju između lagera i osovine i pomoću koga se kuglagerima po kojima se osovina kreće samim tim smanjuje trenje, a istovremeno hladi osovinu i druge delove turbo punjača.

Sa leve strane je kompresor koji sabija vazduh, a sa desne strane je turbina koja pomoću izduvnih gasova
pokreće kompresor pomoću osovine koja ih povezuje

Problemi koji se javljaju kod turbo punjača
1.Previše pritiska
Kada se vazduh sabija u cilindre pod pritiskom koji pravi turbo punjač koje zatim klip dodatno sabija postoji povećana opasnost od samozapaljivanja smeše. Samozapaljivanje smeše se pojavljuje kada se smeša vazduha i goriva kompresuje preko kritične tačke čime dolazi do detonacije u cilindru iako svećica nije zapalila smešu što može oštetiti motor. Automobili sa turbo punjačima obično koriste visoko oktanska goriva (koja imaju veću otpornost ka samozapaljivanju) da bi izbegli ovaj problem. Problem se takođe može rešiti smanjenjem kompresije motora što naravno dovodi i do smanjenja snage motora.

2. Turbo Lag
Jedan od najlakše uočivih problema turbo punjača je da oni rade istog tretnutka kada pritisnete pedalu gasa, već je potrebno da motor obezbedi odgovarajuću količinu gasova, a onda je potrebno još nekoliko trenutaka da se turbina zavrti da bi počela sa radom što ima za rezultat da automobil naglo dobije snagu tek nekoliko trenutaka po pritiskanju pedale gasa. Jedan od načina za smanjenje ovog efekta (lag = zadrška prim.prev.) je da se smanji intertnost pokretnih delova, tj. umanjenje njihove težine. Ovo omogućava turbini i kompresoru vazduha da se brzo zavrte i počnu ranije sa povećanjem snage motora.

3. Mali ili veliki turbo punjač?
Siguran način za smanjenje inertnosti turbine i kompresora vazduha je da se turbo punjač načini što manjim. Mali turbo punjač će daleko brže obezbediti pritisak i na manjem broju obrtaja motora, ali neće biti sposoban da obezbedi dovoljno pritiska kada se motor zavrti i kada su mu potrebne velike količine 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 oštećenja.
Veliki turbo punjač 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)
Većina automobilskih turbo punjača imaju ventil za ispuštanje viška vazduha koji omogućava manjim turbo punjačima da se ne vrte previše brzo na visokom broju obrtaja, a istovremeno time što su mali umanjuju lag. Ventil za ispuštanje viška vazduha omogućava izduvnim gasovima da ne prelaze preko lopatica turbine. Ventil „oseća“ promenu pritiska i ako pritisak pređe određenu granicu to je indikator da se turbina okreće prebrzo i tada ventil ispušta deo izduvnih gasova tako da ne prelaze preko turbine i time omogućava turbini da uspori.

Lageri
Neki turbo punjači koriste bolje lagere umesto umesto lagera u tečnosti kao oslanjanje osovine turbine. To, naravno, nisu obični 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 omogućavaju da se osovine turbine zavrte sa manje otpora nego uz pomoć korišćenja tečnosti umesto lagera koji se koriste u većini turbo punjača. Oni takođe omogućavaju korišćenje manjih i lakših osovina što opet pomaže turbo punjaču da se brže pokrene i time dodatno smanji turbo lag.


Lageri
Keramičke lopatice na turbinama
Keramičke lopatice na turbinama su lakše nego one od čelika koje se najčešće koriste na turbo punjačima. Naravno ovo opet omogućava brži start turbine što opet umanjuje lag. Lopatice od keramike se recimo koriste kod IHI turbine na Mitcubishi Lanceru EVO.

Interkuleri
Kada je vazduh kompresovan (po zakonima termodinamike) on se greje, a kada se vazduh greje on se širi. Tako jedan deo od povećanja pritiska turbo pujnača je rezultat zagrevanja vazduha pre nego on uđe u motor. Da bi se povećala snaga motora, cilj je povećati broj molekula vazduha u motor, a ne neophodno povećati pritisak vazduha. Interkuler je dodatna komponenta sistema koja liči na hladnjak, samo što vazduh prolazi kako kroz interkuler tako i oko njega. Vazduh koji treba da uđe u motor prolazi kroz interkuler i time se hladi, dok se spoljašnji vazduh pomoću ventilatora duva preko interkulera. Interkuler povećava snagu automobila tako što hladi vazduh pod pritiskom koji izlazi iz turbine pre nego što uđe u motor. To znači da turbo punjač koji radi na 0,5 bar pritiska uz pomoć interkulera ubacuje hladan vazduh na 0,5 koji sadrži daleko više molekula vazduha obzirom da hladniji vazduh je gušći nego topliji.


Korišćenje duplih turbo punjača je pitanje željene efikasnosti i mogućnosti da se oni negde fizički i postave. Za veće motore, recimo preko 2,5l, je bolje koristiti 2 manja turbo punjača umesto jednog velikog – kao što je to Porše radio na ranim modelima 911 Turbo. Kada su u pitanju V ili bokser konstrukcija motora takođe je poželjno koristiti dupli turbo zato što jedan turbo opslužuje jednu stranu motora i time se skraćuje dužina creva turbo punjača 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 obezbeđuje 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 veća nije aktivna i time se postiže brz odgovor na srednjem broju obrtaja. Kada se količina izduvnih gasova dovoljno poveća uključuje se i druga turbina koja na dodatno povećava pritisak. Ono što je mana kod sekvencijalnih duplih turboa je velika količina creva koja je potrebna da bi sistem radio (izduvni gasovi moraju da dopru do obe turbine posebno kao i izlazi iz obe turbine moraju doći do usisnih grana motora) i samim tim je u poslednje vreme napuštena tehnika od strane proizvođača. Auotomobili koji koriste ovakav sistem turbina su Porše 959, Mazda RX7 treće generacije, Tojota Supra i Subaru Legasi.


Turbo niskog pritiska (Light Pressure Turbo - LPT)
Poslednjih nekoliko godina je ovo veoma popularan način korišćenja 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 identiačan motor bez turbo punjača, a 30KS manje od standardnog 2,3l Turbo motora. Dok su ostali proizvođači želeli što veću cifru snage ili obrtnog momenta, Saab je pametno zaključio da iako je takav motor slabiji od konkurentskih, uz pomoć malog turba motor ima solidan obrtni momenat što omogućava dobro ubrzanje, ali je daleko lakši za vožnju obzirom da je turbo lag praktično nepostojeći, a odogovor na komandu gasa kao i kod atmosferskih motora. Saab je zbog bolje krive obrtnog momenta produžio odnos menjača pa je time dodatno uspeo i da umanji potrošnju i svede je na manje od atmosferskog motora iste veličine.

U prošlosti, loše vozne osobine i visoka potrošnja goriva su sprečavale da se turbo punjači koriste u automobilima koji su namenjeni širokom krugu ljudi. Proteklih godina taj trend je potpuno drugačiji zbog potražnje za većim prostorom i komforom što je dovelo do povećanja težine automobila pa da bi se perfromanse zadržale na prethodnom nivou potrebno je više snage, a za to se ili ugrađuje veći motor ili se dodaje turbo punjač. Kada u igru uđe i cena tj. želja za što manjim troškovima svakog proizvođača turbo ima nesumnjivu prednost i to je svakako tendencija koja će u narednim godinama biti sve više izražena. Masovno korišćenje turbina na dizel motorima u proteklih 15 godina je donelo veliki broj inovacija ut istovremeno smanjenje cene turbina, pa se proizvođači u poslednje vreme sve češće okreću turbo motorima. Na primer 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.

Takođe, dužni smo i da nabrojimo nekoliko većih proizvođača turbo punjača: 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 Nemački inženjer je patentirao pumpu koja je omogućavala povećanu kompresiju smese unutar komore cilindara. Taj sistem nije nazvao “turbo punjač”, ali ono što je opisao u dokumentu je opis rođenja prvog automobilskog turbo kompresora. Gotlib je svoj automobilski turbo kompresor dizajnirao po ugledu na dvo-rotorni industrijski “pomerač 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 Nemački inženjer Krigar izimislio pumpu za vazduh pomoću 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 počinje serijsku proizvodnju automobila koji ima motor sa turbo kompresorom. Na trkačkoj sceni, automobili koji su koristili turbo kompresore su imali mnogo uspeha. 1924. godine turbo kompresori su se pojavili u Indy 500, a širom sveta trkački automobili su masovno koristili novu tehniku povećanja 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 Američkim putničkim vozilima i to je momenat u kome turbo punjači postaju ono što su i danas. Posle II Svetskog Rata turbo kompresori su doneli novu živost u sportska takmičenja širom sveta. Alfa Romeo i Britanski Trkački 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 ograničenja 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 početku je funkcionisao samo na Fordovim automobilma proizvedenim 1950. – 1953. godine, a 1954. su počeli 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.



Načini kompresije vazduha
„Roots“ turbo kompresor – „duvač“
Roots turbo kompresor je inicijalno zamišljen kao uređaj za ventilaciju u industrijskim zgradama. Sastoji se od dve lopatice koje se okreću u suprotnom pravcu i prkatično „zgrću“ vazduh sa ulaza i izbacuju ga na izlaz. Ovaj kompresor je „fiksne zapremine“ tj. On pokreće fiksnu količinu vazduha u jedinici vremena pa je on nezavistan od broja obrtaja motora tj. veoma je dobar za korišćenje na malom i srednjem broju obrtaja što ga čini idealnim u primeni na kamionskim i teretnim vozilima. Ovakvi kompresori su i samo-podmazujući, 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 količine toplote. Jedan od razloga je što ovaj kompresor parktično samo ubrzava vazduh, ali se sama kompresija odigrava u usisnoj grani motora tj. van kompresora.




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 slična, međutim postoje i značajne razčlike. Centralni deo ovog kompresora jesu dva rotora tj. “vijka” koji se okreću jedan ka drugom i tako uvlače vazduh sa ulaza u kompresor, a okretanjem vijaka se vazduh pomera ka njegovom izlazu i istovremeno se kompresuje. U ovom slučaju 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 fizičkog kontakta između delova tj. vijaka pa je samim tim i neposotjeće 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 kočenje) pa u tim trenutcima on praktično koristi snagu motora i umanjuje je da bi vazduh koji je kompresovan bio izbačen pomoću 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 pokreće istu količinu vazduha u jedinici vremena. On funkcioniše kao veoma brzi propeler tj. impeler (propeler koji ima obratnu funkciju) usisavajući vazduh u sredinu kompresora, a izbacujući ga po obodu impelera koji se okreće na velikim brzinama (preko 40000 obrtaja u minuti). Vazduh pod centrifugalnom silom se kreće po obodu elisa impelera sve do oboda gde se taj vazduh usmerava ka izlazu, a pri tome pomoću venturija se kompresuje vazduh. Vazduh se dalje kreće ka izlazu duž levka koji se sužavai time smanjuje brzinu vazduha i dodatno povećeva 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 “otkačiti” i time dozvoliti da motor direktno kroz kompresor usisava vazduh bez rada kompresora. Takođe 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 počeo sa proizvodnjom dovoljno kompresovanog vazduha pa je veoma neefikasan na malom broju obrtaja, ali mu efikasnost raste sa brojem obrtaja. Ovakvi kompresori nisu samo-podmazjući već je potrebno da se priključe na sistem za protok ulja iz motora, mada neki proizvođači prave ovakve kompresore koji imaju mogućnost samo-podmazivanja.


Izgled impelera
G punjač - Nastanak i razvoj
Obzirom da su Vokswagen-ov modeli Polo G40, Golf 2 G60 kao i Corrado G60 bili veoma popularni i svojevrsne ikone sa početka 90-tih, evo kratkog opisa kako G-punjač radi.

U vreme kad je u modi svih proizvođača automobila bila ugradnja turbo punjača, vodeći čovek tadašnjeg Volkswagenovog Odeljenja za razvoj, preuzeo je osnovnu ideju francuza L. Creuxa o punjaču u obliku zavojnice. Uvdeo je mogućnosti koje nudi ovakav punjač u odnosu na tadašenje alternativu - turbo punjačima. Prvi pokušaji s spiralnim punjačem obećavali su rešenja postavljenih zahteva šefova iz VW-a: spontan odaziv u donjem dijelu obrtaja, snaga raspoloživa duž ceelog područja obrtaja, smanjena buka, idealno za masovnu proizvodnju, upotrebljivo za različite koncepte motora.

1987. godine, počinje maloserijska proizvodnja motora s G-punjačem u VW Polo GT G40 sa snagom od 115 KS. Naziv G40 je nastao od oblika i, jer dužina zavojnice u "ubrzavajućem pužu" (nalik na G) ima i širinu u radnom delu punjača, koja iznosi 40 mm.

1988. godine slijedi ugradnja G60 punjača sa većim "ubrzavajućim pužem" (60 mm široko radno područje) u VW Corrado 1,8 sa 160 KS. U istoj godini je proizveden i VW Golf Rallye s G60 motorm i pogonom na sve točkove, u otprilike 5000 komada, prvenstveno zbog homologacije za rally trke, ali zbog restrikcija koje su se zahtevale na usisu, zaustavljena su službena učešća na trkama, te je tako oslobođen prostor za Audi Quattro. 1989. godine G60 se ugrađuje u VW Passat GT Syncro, a godinu poslije i u VW Golf GTI G60.

Najsnažniji motor pogonjen G-punjačem 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 isporučivan je u verzijama VW Golfa II sa petorim vratima.

I u današnje vrijeme tehnika G-punjača odoleva zubu vremena, iako je Volkswagen već odavno prestao s njegovom proizvodnjom. Glavni razlozi za to su relativno visoki troškovi proizvodnje i ne tako zanemarujuća mogućnost kvarova (snaga vozila se često precjenjivala od strane vozača). Ono što je još zanimljivo je da G punjač prati prilično loša reputacija kao kvarjivog uređaja, a kako Nemački VW sajtovi kažu krivac je loše zamišljena osovina oko koje se okreće kaiš za pokretanje punjača i preporučuju ugradnju druge koja rešava bukvalno sve probleme.

G punjač - Tehnički podaci

G60 je mehanički pogonjen punjač (kompresor) koji je ime dobio po obliku slova G, a 60 označava širinu spiralnih propelera izražena u mm. U spiralnom kompresoru, usisani vazduh iz motora prolazi kroz kučište, nalik pužu, gdje se sabija do 0,7 bara. Ovaj kompresor, koji sam troši i do 18 KS, pogonjen je zupčastim 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 granično područje na kojem počinju kritične vibracije u kompresoru te to može biti kobno za cijeli motor. Inače, za G60 motore, najveći obrtni moment je na 5600 obrtaja u minuti.

Turbo ili kompresor
To je jedno od češćih pitanja i koja, na žalost, nemaju jednostavan odgovor. Tačnije odgovor jeste jednostavan, ali on glasi: „zavisi“. Ovaj deo teksta će prednosti i mane kompresora navesti i pomoći Vam da sagledate u kojim slučajevima je bolje primeniti odgovarajući sistem.

Sličnosti
I turbo kompresori i turbo punjači su sistemi koji omogućavaju 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 omogućva. Prednost je što će motor tada moći da izgori više goriva u jednom ciklusu sagorevanja, a to dovodi do povećanja snage. Iz tog razloga turbo kompresori i turbo punjači omogućavaju 40 – 100 % povećanja snage (u zavisnosti od pritiska kojim se sabija vazduh) nego atmosferski motori iste zapremine.

Cena
Cena turbo kompresora i turbo punjača za isti motor su praktično iste pa cena nie igra nikakvu ulogu u izboru jednog od ova dva sistema.

Lag
Nedostatak laga je jedna od najvećih prednosti turbo kompresora u odnosu na turbo punjače. Turbo punjači su pogonjeni izduvnim gasovima pa se zbog toga pojavljuje ta zadrška dok se impeler ne zavrti do brzine koja omogućava odgovarajuću kompresiju vazduha Turbo punjači se pogone kaišem koji je sa druge strane zakačen na radilicu i time praktično rade od najmanjeg broja obrtaja.

Efikasnost
Ovo je najveća prednost turbo punjača. Turbo punjači su u principu ekonomičniji zato što se pokreću pomoću izduvnih gasova koji su da kažemo, besplatni tj. ne služe ničemu, dok turbo kompresor koristi snagu radilice i time umanjuje snagu koja je dostupna za pokretanje automobila. Turbo punjači ipak nisu potpuno efikasni zato što okretanje lopatica turbine pravi podpritisak na izduvnoj grani tako da motor ima određn otpor kada izbacuje izduvne gasove.

Toplota
Kako je turbo punjač montiran na izduvnu granu koja je uvek veoma zagrejana time se samo kućište turbine greje, a time se dodatno vazduh koji turbo sabija dodatno greje što negativno utiče na gustinu kompresovanog vazduha pa se često 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 slučaju korišćenja roots kompresora kompresovani vazduh ima daleko veću temperaturu pa je potrebno koristiti interkuler i pri malim pritiscima.

Udar snage
Kako turbo punjači imaju zadršku (lag) postoji tzv. udar snage kada se vejstgejt otvori tj. kada turbo punjač proradi. Ovaj udar je veoma štetan po automobil, a posebno po nosače motora, ogibljenje i sistem za upravljanje i može da učini automobil teško upravljivim.

Povratni pritisak
Turbo punjači 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 punjača.

Buka
Turbo punjači su u principu tiši od turbo kompresora, a položaj turbine na izduvnoj grani može samo da umanju količinu buke koju generiše motor i time utišavaju motor. Turbo kompresori imaju specifičan zvuk, a pogotovu centrifugalni i mogu biti veoma glasni (naravno većina vozača ovaj zvuk naprosto obožava).

Pouzdanost
Turbo kompresori su, generalno, daleko pouzdaniji od turbo punjača. Kada se automobil (i motor) ugasi vreli motor i izduvna grana mogu da visokom temperaturom oštete ulje koje je unutar turbo punjača 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 punjača.

Maksimalna snaga
Turbo punjači su slavu stekli zato što imaju mogućnost da se okreću veoma brzo i time generišu fantastično visoke pritiske kompresije (preko 2 bar-a) i time naravno prave daleko više snage nego turbo kompresori.

Mogućnost poboljšanja performansi samih turbo punjača/kompresora - tjuniranje
Turbo punjači 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.

Preuzeto sa sajta Nacionalne Klase