Přeplňování: Aby to mělo grády

Základním principem přeplňování je zvýšení množství vzduchu dopravovaného do spalovacího prostoru motoru za jednotku času. Díky tomu se totiž zvýší i množství dodávaného paliva, které je pak možné spálit během jednoho cyklu. Výsledkem je vyšší výkon a točivý moment než u atmosférického motoru se stejným objemem (jako u Porsche 911 Turbo) nebo dosažení podobných parametrů z agregátu s menším zdvihovým objemem (jako u Škody Octavia 1.2 TSI). Druhému trendu se již pár let říká downsizing. Nebudeme teď ale filozofovat nad tím, proč se k takovým technicky náročným postupům výrobci uchylují, radši si pojďme detailně rozebrat, jak to vlastně funguje.

Foukající šnek

Na přeplňování zážehových i vznětových motorů se v současnosti nejčastěji používá turbodmychadlo. Výfukové plyny, které vznikají při spalování směsi paliva se vzduchem, mají nejen tepelnou, ale i kinetickou energii. A právě to využívá pro svou práci turbodmychadlo. Skládá se z turbíny a kompresoru, které jsou vzájemně propojené hřídelí. Spaliny roztáčí turbínu, a ta pohání kompresor. V něm se tlak vzduchu zvyšuje jeho urychlením (zvýšením kinetické energie) a následující přeměnou této energie na tlak. Při ní se vzduch zahřívá, čímž klesá jeho hustota, a tak i množství, které míří do válců motoru. Proto je vhodné teplotu snížit, nejčastěji se používá tzv. mezichladič (intercooler), jenž chladí náporem vzduchu (výměník vzduch/vzduch). Méně častý je výměník vzduch/kapalina, který využívá chladicí kapalinu motoru.

Pokud bychom srovnali stejně výkonné motory, ten, který bude přeplňován turbodmychadlem, má oproti stejně výkonnému atmosférickému nižší spotřebu (a emise CO₂). Motor s menším objemem má i nižší hmotnost a setrvačné hmoty, takže na rozhýbání pístů je potřeba méně energie. Nevýhodou je především turboefekt, tedy čas, který je zapotřebí na vytvoření dostatečného tlaku výfukových zplodin požadovaného na roztočení turbíny na příslušné otáčky, aby vznikl dostatek kinetické energie na stlačení vzduchu. Moderní motory mají turbodmychadla dimenzovaná tak, aby se maximální účinek projevil v nízkých a středních otáčkách a v tomto pásmu tedy mají i nejvyšší točivý moment. Zlepší se tím akcelerace, pružnost i ekonomika jízdy. Takové turbo má však i jeden problém: při zvyšování otáček by se nadměrně zvyšoval plnicí tlak, což by pro motor mohlo mít přímo destruktivní následky (extrémní namáhání klikového hřídele, možnost klepání). Proto je potřebné plnicí tlak regulovat. Jedním ze způsobů je obtokový ventil, který je v současnosti nejčastěji ovládán elektronicky.

U zážehových motorů se turboefekt dá potlačit například pomocí dvoukomorových tzv. twin-scroll turbodmychadel. Turbína je zásobována dvěma separátními svody (u čtyřválcového motoru každý od dvou válců), a tak je zabezpečen dostatečný přísun spalin. U vznětových agregátů se pro rapidní zvýšení výkonu, pro lepší průběh točivého momentu a větší rozsah využitelných otáček využívá třeba dvoustupňové přeplňování pomocí dvou nestejně velkých turbodmychadel. V nízkých otáčkách pracuje menší vysokotlaké, ve středních obě a ve vyšších nízkotlaké.

Tlačicí ventilátor

Druhým, méně častým způsobem přeplňování zážehových motorů jsou mechanicky, klikovým hřídelem poháněné kompresory. Rozlišujeme dva typy: objemové a dynamické.

U objemového se zvýšení tlaku vzduchu dosahuje zmenšením objemu pracovního prostoru, ve kterém je uzavřený. Typickými zástupci jsou systémy Lysholm a Roots (Eaton). Výhodou tohoto řešení jsou promptní reakce na plyn a schopnost dodávat dostatek stlačeného vzduchu už v nízkých otáčkách. Nevýhodou je to, že i když tyto kompresory zvyšují výkon motoru, odebírají také dost velké množství energie, a účinnost pohonné jednotky se tak nezvyšuje. Často se tedy používají jen při nízkotlakém nebo jako pomoc při dvoustupňovém přeplňování. Objemový kompresor, který pomáhá turbodmychadlu v nízkých otáčkách, používá Volkswagen u motoru 1.4 TSI Twincharger nebo Volvo u nových čtyřválcových agregátů. Ve vyšších otáčkách jeho práci přebírá turbodmychadlo.

Dynamické kompresory pracují v zásadě na stejném principu jako turbodmychadla. Jen je kompresor roztáčen mechanicky a ne přes turbínu výfukovými plyny. Typickým zástupcem je systém Rotrex. Velkou výhodou je kontinuální dodávka stlačeného vzduchu, nevýhodou plnicí charakteristika. Maximum točivého momentu se posouvá do vysokých otáček, což vyhovuje jen závodním motorům. Na optimální plnění v celém otáčkovém rozsahu by pohon kompresoru musel být zabezpečen přes přídavnou převodovku nebo variátor, což je technicky, konstrukčně i finančně náročnější.