Tehnologije prehranjivanja motora

Piše: Nikola Stojanović

Ključna prednost motora sa natpunjenjem ostala je konstantna i ogleda se u većoj snazi koja se može "izvući" iz iste radne zapremine. Punjač može da obezbedi dodatnu snagu motoru, tako što će uvodeći veću količinu vazduha u cilindre, pod pritiskom višim od atmosferskog, omogućiti sagorevanje veće količine goriva. Tehnologije za forsirano uvođenje vazduha u motor su se konačno susrele sa savremenim tehnologijama kontrole rada usisnih ventila. Sad je deplasirano reći da prehranjivani motori nemaju klasičan takt usisavanja, jer je pritisak u startu veći od atmosferskog, zato što sada svaki cilindar u motoru može "voditi sopstvenu politiku", tj. primenjivati specijalni program rada ventila. Jednostavno, savremeni motori su " bolje prilagođeni implementaciji sistema forsiranog uvođenja vazduha, toliko da pojedini proizvođači postaju zaljubljeni u njih.

Dobitak u snazi i obrtnom momentu na tipiènom 2-litarskom motoru sa kompresorom

Kada je reč o metodama prehranjivanja motora koncepcijski suprotstavljeni stoje superpunjači i turbopunjači. Da stvore natpritisak, prvi koriste električnu energiju ili mehaničku energiju motora, a drugi koriste samo tok izduvnih gasova (kinetičku energiju gasova). Mehanički punjači praktično opterećuju radilicu, oduzimajući deo snage motoru, ali tu, oduzetu snagu angažuju pametno, s ciljem da motor bude u stanju da obezbedi još veću (izlaznu) snagu onda kada se "sve kockice slože". U krajnjoj instanci kompresori povećavaju maksimalnu snagu motora, ali to podrazumeva i veću potrošnju, što za neke od primena nije presudno, ali u principu jeste glavna mana superpunjača.

Ima proizvođača koji su se u najperformantnijim motorima držali tehnike mehaničkih punjača (“superpunjača“), a primer je Jaguar sa AJ-27S motorom opremljenim Eaton supercharger kompresorom.



Za razliku od kompresora, turbopunjač praktično koristi energiju koja bi inače bila izgubljena u atmosferi, tako da obezbeđuje veću izlaznu snagu ne unoseći opipljive "gubitke". Pri većem broju obrtaja motora proizvodi se više pritiska na izduvnoj grani, jednostavno zato što se povećava tempo stvaranja izduvnih gasova, a cevi izduvnog sistema ostaju fiksnih dimenzija. Zato i natpritisak turbopunjača gonjenog izduvnim gasovima zavisi od "ulaznih parametara", odnosno protoka izduvnih gasova koje turbina "hvata" na "vrućem kraju". Turbine imaju osobinu da postaju efikasne u nekom svom projektovanom opsegu broja obrtaja. Proizvođači se trude da naprave sofisticirane sisteme kontrole rada turbopunjača, koristeći različite mehanizme za usmeravanje gasova i sisteme za održavanje željenog pritiska. Njihov ideal je da turbo aspirirani motor obezbedi dobitak u snazi ali da radi “glatko“ kao atmosferski, koji je tipičan primer dobre kontrole i razvoja snage. Upravo razvoj snage pri promeni broja obrtaja je to oko čega se lome koplja kad je reč o motorima sa natpunjenjem i primeni u automobilima visokih performansi, sportskim i trkačkim automobilima, odnosno bolidima u krajnjoj liniji. Ima i onih koji vole efekat "turbo rupe" i bujice snage koja se oslobodi u trenutku kada turbina uradi svoje, ali takvo ponašanje nije ideal za mnoge.

Rešenja poput Borg-Warner VTG turbopunjača sa promenljivom “geometrijom turbine“ zavisno od broja obrtaja, utrla su put ka širem prihvatanju turbo motora među vozačima koji su imali najveći otpor prema turbo-aspiriranim motorima, zbog njihovog nelinearnog i neprirodnog, da ne kažem nekonktolisanog razvoja snage. Osim promenom ugla zakrilca turbine, sličan efekat na nižem broju obrtaja postiže se pomoću Garrett VNT tehnologije (variable nozzle technology), nalik na princip podešavanja mlaznice na baštenskom crevu kako bi se postigao željeni potisak.



Zanimljiva su i rešenja sa električnim "booster" motorom koji ima ulogu povećanja rotacione brzine turbopunjača do određene mere i pre nego što su izduvni gasovi dostupni da ga pokreću. To je slučaj pri pokretanju vozila iz mesta, odnosno startvovanju iz "lera" sa oko 750 o/min. Turbo punjači sa integrisanim "e-booster" motorom su samo par centimetara duži od uobičajenih, a primenjuju veoma izdržljive električne motore koji rade na 120.000 o/min, a mehanički trpe brzine i do 200.000 o/min, na koliko rade turbine pri maksimumu.

Nešto konvencionalniji je varijabilni twin turbo sistem sa dve turbine različitih dimenzija. Borg-Warner RS2 regulisani dvostepeni turbopunjač na niskom opsegu obrtaja (od 750 do 1500) većinu izduvnih gasova usmerava ka manjem turbou, koji veoma brzo dostiže radnu brzinu. U srednjem opsegu rada motora (od 1.500 do 2.500) postepeno se uključuje veliki turbo, a kako broj obrtaja raste, tako se više izduvnih gasova usmerava ka njemu. U zoni viših obrtaja (preko 2.500) aktivan je samo veliki turbo.

Nekolicina proizvođača automobila se okrenula dvostrukom (hibridnom) prehranjivanju pomoću kompresora gonjenog radilicom i turbine gonjene izduvnim gasovima. Trenutno najistaknutiji primer takvog motora je VW-ov 1.4 TSI (twincharger), snage 125 KW. U opsegu do 2.400 obrtaja aktivan je kompresor, a potom se aktivira turbopunjač koji u sadejstvu sa kompresorom radi sve do 3.500 o/s. U ostatku opsega do 7.000 o/min aktivan je samo turbo punjač. Kompresor spregnut sa radilicom proizvodi 1,9 bara već na „ler“ gasu, a daje maksimalnih 2,5 bara na 1.500 obraja.



Ima i primera motora samo sa turbopunjačima (dva, pa i više). Na velikim motorima sa V rasporedom cilindara, dobrim se pokazalo rešenje sa dva turboa koji rade u paraleli. Ono što važi za RS2 dvostepeni turbopunjač važi i za običan Twin Turbo, a to je princip da dve manje turbine postižu bolji efekat od jedne velike, jer manja turbina ranije dostiže brzinu rada koja je potrebna za efekat natpunjenja. Kod velikih motora primenjuje se par paralelnih turbo punjača sa Twin Scroll sistemom. Ovaj podrazumeva da izlazne grane dva različita cilindra napajaju jedan ulaz (scroll) turbine, tako da se postiže usklađeniji rad i slaganje “impulsa“, karakteristično za četvorotaktne motore.

Ovaj Twin Scroll Twin Turbo sistem primenjen kod V8 motora se takođe primenjuje kod četvorocilindričnih motora, samo što se tu koristi jedan Twin Scroll turbopunjač umesto dva. Prvi takav mali TS turbo četvorocilindrični motor za gradske i kompaktne automobile (B i C klase), bio je onaj koji su zajednički razvili BMW i PSA (Pežo-Citroen). Sa direktnim ubrizgavanjem benzina u cilindre ovaj motor raspolaže snagom od 128 kW iz zapremine od 1,6 litara.

U poslednje vreme su postala zanimljiva rešenja sa sa turbinom na motorima sa relativno malom radnom zapreminom. Fiat Powertrain Technologies (FPT) ima 1,4 TB motor sa klasičnim multi-point ubrizgavanjem, snage 114 kW. VW je primenio turbo punjač na 8-ventiskom TSI motoru sa direktnim ubrizgavanjem, zapremine 1,2-litra i snage 77kW. Renault je na 1,2-litarski blok 16-ventilskog motora dodao turbopunjač, postigavši da TCE100 motor i bez direktnog ubrizgavanja proizvodi 74 kW snage. Brabus je za Smarta stvorio turbo verziju 1-litarskog benzinskog trocilindričnog motora snage 72kW.



Osim dobitka u snazi, savremeni sistemi prehranjivanja motora imaju i ekološki učinak. Na primer, mali turbo benzinski motor koji raspolaže solidnim obrtnim momentom (145 Nm) može na putu od 100 km potrošiti i samo 5,9 litara benzina, emitujući nešto manje od 14 kg ugljen dioksida. U kombinaciji sa direktnim ubrizgavanjem benzina, pa čak i sa 8 ventila, potrošnja može biti samo 5,5 litara na 100 km puta, uz emisije od 12,9 kg ugljen-dioksida na tom putu.

Ekonomski i ekološki učinak turbinski prehranjivanih motora je još veći kod malih turbo dizel motora. Tako 1,5-litarski CR dizelaš sa turbinom koja nije optimizovana za maksimalnu snagu, već za ekološki i ekonomski učinak, emituje samo 120g ugljen-dioksida po pređenom kilometru. 2010. godine bi trebalo da se komercijalizije 1,2-litarski trocilindrični CR dizelaš, koji uz pomoć Start-Stop sistema u automobilu B klase može da se pohvali potrošnjom od samo 3,3 litra dizela na 100 km, uz emitsiju 87g CO2 po km puta.