Részben egyszerű, és nagyszerű.
Tehát a feladat egyszerű, feltöltéssel hozzunk ki olyan teljesítményt egy kis hengerűrtartalmú motorból, mintha nagyobb méretű erőforrás lenne! Korábban a feltöltés alkalmazása elsősorban olyankor volt bevett eljárás, ha valaki utólagosan nagyobb teljesítmény akart autója motorjából kihozni. Soha nem volt olcsó, de ennél hatásosabb tuning nem igazán volt-van, ha valaki egy atmoszferikus feltöltésű, azaz szívómotorból akart a gyárinál jóval nagyobb teljesítmény kihozni. Legyen szó akár egy soros négyhengeresről, vagy egy V8-asról, illetve wankel motorról.
Manapság, az új autók esetében már kicsit más célból működik a dolog, itt a feltöltés célja az, hogy ne egy iszákosabb, környezetszennyezőbb, és nagyobb motort kelljen használni a megfelelő erő érdekében, hanem inkább egy kisebbet, és turbó, vagy kompresszor alkalmazásával pótolni a hiányzó hengereket, lökettérfogatot.
Vizsgáljuk meg ezért most közelebbről a kompresszorokat, turbófetöltést, a nyomást, illetve feltöltést:
Minden a levegőről szól.
A benzin nem ég el levegő nélkül. Egy korlátozott méretű zárt térben, mint a belső égésű motorok hengerei, a maximálisan elégethető üzemanyag mennyiségét a rendelkezésre álló levegő mennyisége határozza meg. Egy meghatározott tüzelőanyag / levegő arány szükséges a benzin égéséhez, így hiába akarunk több benzint elégetni a nagyobb teljesítmény érdekében, ha nem áll rendelkezésre megfelelő mennyiségű oxigén molekula. Az oxigén nélkül maradt benzin mennyiség felesleges, elégetlen veszteségként jön ki a kipufogón.
Mi a lényeg? Több levegőt juttatva a hengerekbe, több benzint égethetünk ugyanakkora befoglaló méretekkel rendelkező térben, nagyobb erőt nyerve ezáltal. A motor hengereibe több levegő juttatásának módja pedig elsősorban turbófeltöltő, vagy kompresszor alkalmazása. Tulajdonképpen mindkettő egyszerű levegő pumpának nevezhető, és a céljuk ugyanaz, nyomást előállítani a szívócsőben, így sűrített levegővel feltölteni a hengereket, hogy több tüzelőanyagot lehessen elégetni.
A turbófeltöltő.
A turbó egy olyan levegő pumpa, vagy feltöltő, melyet a motor kipufogó gázai hajtanak. A motor hengereit közvetlenül elhagyó kipufogó gázok rendkívül forróak, nagy sebességűek, illetve gyorsan tágulnak, ezáltal nagy energiával rendelkeznek. Ha nem csak egyszerűen kivezetjük őket a szabadba a kipufogócső végén, akkor ezt az energiát felhasználhatjuk egy turbófeltöltő meghajtására. Az elvet hasonlíthatjuk a vízierőművek működéséhez, csak ott az áramló víz hajtja meg a generátort, míg esetünkben a nagysebességű gázok a turbó turbina oldalának propellerét.
Turbófeltöltő metszet. Bal oldalt a kipufogó oldali turbina lapátkerék, jobb oldalon a szívócső oldali kompresszor lapátkerék.
A turbófeltöltőben a kipufogó gázok által hajtott turbina oldali propeller egy fém tengellyel közvetlen összeköttetésben áll kompresszor (pumpa) oldali propellerrel. A két oldal teljesen el van szeparálva egymástól, hogy a turbina oldali kipufogógázok ne jussanak át a szívócsőbe, a kompresszor oldalába. Az összekötő tengely miatt a pumpa oldali propeller ugyanolyan sebességgel forog, mint a kipufogó oldal turbinakereke. A pumpa (kompresszor) lapátkerék ezáltal friss levegőt szív be, és a motor szívórendszerén keresztül nyomja azt be a hengerekbe.
Turbófeltöltő kompresszor lapátkerék példa.
Elhelyezkedés szempontjából a turbófeltöltő a motor kipufogó kiömlőjén, ideális esetben a lehető legközelebb helyezkedik el a hengerekhez, hiszen itt a leggyorsabb a gázok tágulása, és a legforróbbak a gázok. A gázok a turbinán keresztülhaladva őrült sebességgel pörgetik meg azt, majd a kipufogórendszerben folytatják útjukat, ki a szabadba. Néhány autón egy, másokon kettőt, de akár több turbófeltöltőt is találhatunk, de mennyiségtől függetlenül ugyanaz a töltők feladata.
A kompresszor (supercharger).
A turbófeltöltőkhöz hasonlóan a mechanikus kompresszor is tulajdonképpen egy pumpa. Feladata is ugyanaz - sűrített levegővel ellátni a hengereket -, de más módon végzi azt. A kompresszort a kipufogógázok helyett ékszíjtárcsákon keresztül a motor főtengelye hajtja, hasonlóan a szervórásegítés pumpájához, a generátorhoz, vagy a légkondícionáló kompresszorához.
A legtöbb kompresszor általában a motor tetején trónol, és közvetlenül a szívócső öntvényhez csatlakozik. Mivel ékszíj hajtja, a turbóval ellentétben egyáltalán nincs kapcsolatban a kipufogó gázokkal. A kompresszor belső kialakítása is teljesen más, mint a turbóé. A tipikus felépítésű kompresszor úgynevezett iker csavaros, melyben két csavart formájú alakú alkatrész fordul egymásba. Ez a két alkatrész forgása közben összesűríti a felülről érkező levegőt, majd lent, a szívó traktuson keresztül benyomja a motorba azt.
Éppen az hathat megtévesztőleg a két feltöltő elnevezése szempontjából, hogy a kompresszor két csavartöltője ugyanazt teszi a levegővel, mint a turbófeltöltő kompresszor (!!!) kereke.
Miért jobb az egyik, mint a másik?
Mindkét feltöltő alkalmazásának vannak előnyei és hátrányai. Néhány gyártó, mint például a Jaguar és a Dodge a kompresszort alkalmazza inkább, mert közvetlenebb, és késedelmi idő nélküli teljesítmény leadást biztosít, ráadásul a nyomaték görbét is kiegyenesíti. A turbófeltöltőt az alacsony fordulati nyomaték növelése, illetve a laposabb teljesítmény leadási görbe miatt kedvelik más gyártók. Tulajdonképpen mondhatjuk, hogy a kompresszor a legjobb megoldás, ha a motor teljesítményét kis fordulaton is növelni akarjuk, mivel az mindig a motor fordulatszámával arányosan forog, és folyamatosan "termeli" a nyomást. A turbófeltöltőnek viszont megfelelő mennyiségű kipufogógázra van szüksége ahhoz, hogy nyomást állítson elő, ezért kis motor fordulatszám mellett nem hatékony.
Ebből kiindulva a kompresszor ideálisabb ha már kisebb fordulatszámon is nagy teljesítményt szeretnénk elérni, míg a turbó inkább magas fordulatszámon tud kibontakozni, amikor van megfelelő mennyiségű kipufogógáz áramlás, és jól megpörgeti. A kompresszor sokkal természetesebb gázpedál reakciót eredményez, de általános vélekedés szerint kicsit rosszabb a hatásfoka, mert a szíjhajtáson keresztül a motor erejéből el is vesz valamennyit működése közben. Persze nyilván sokkal többet ad hozzá, de egy kisméretű motor hatásfoka esetében nem mindegy ez. A turbófeltöltő rendszere komplikáltabb, és ezt alkalmazva némi késéssel reagál a motor a gázpedál lenyomására, azaz nem jön azonnal az erő. Ettől függetlenül jobb hatásfokúnak tartják, a kompresszorhoz viszonyítva.
A kompresszor további előnye, hogy mivel általában nem a motorolaj biztosítja kenését, ezért nincs kiszolgáltatva a motor kenési rendszerének. Zárt rendszerébe nem kerülhet be szennyeződés az elhasználódott motorolajon keresztül, illetve kenése minden helyzetben biztosított.
Turbó, és kompresszor kombinációja.
A két rendszer előnyeit kiaknázandó, illetve hátrányait kiküszöbölendő, egyes gyártók mindkét feltöltőt alkalmazzák egy motoron belül. Ilyen például a Volvo új Drive-E motorcsaládja. A kétliteres benzinesük 300 lóerőre képes úgy, hogy kis fordulatszámon egy kisméretű kompresszor gondoskodik az alapjárattól elérhető megfelelő teljesítményről, majd később, a fordulatszám emelésével egy turbófeltöltő veszi át a főszerepet a csúcsteljesítmény elérésében. Amikor egyik "pumpa" sem aktív - mert lekapcsolható -, például folyamatos lassú haladásnál, a kétliteres motor jelentős mennyiségű üzemanyagot takarít meg példul egy nagyobb méretű, hasonló teljesítményű V6-oshoz képest.
Forró helyzet.
Kompresszor, vagy turbó alkalmazása esetén a gyorsan összesűrített levegőnek a fizika törvényei szerint jelentősen megemelkedik a hőmérséklete. Ez pedig nem előnyös a motornak, melynek inkább hűvős levegőre lenne szüksége a jobb teljesítmény, tartósság, és hatékonyság érdekében. Ezért a sűrített levegő hűtésére gyakran alkalmaznak köztes hűtőt, vagy ismertebb, de nem magyaros nevén intercoolert (interkúler). A köztes hűtő gyakorlatilag egy radiátor, melyen áthaladva csökken a levegő hőmérséklete, mielőtt bejutna a motorba.
A turbó által összesűrített felmelegedett levegő a köztes hűtőben lehűl, és folytatja útját a motor hengereibe.
Legjobb, ha a hűtőrács mögött van elhelyezve, mert így közvetlenül friss, és hideg levegőt kap, de a kompaktabb építés jegyében nem ritkán a motor tetején helyezik el, és a motorháztető nyílásán keresztül érkező levegővel hűtik.
A hűtőn áthaladva akár 90 Celsius fokkal is csökkenhet a turbó, vagy kompresszor által "felpumpált" levegő hőmérséklete.
A Jaguar vízhűtéses köztes hűtőket alkalmazott kompresszoros feltöltésű V8-as motorjain.
Mi várható?
A mérnökök igyekeznek minél hatákonyabbá tenni a jövő belső égésű motorjait, ennek része a turbófeltöltők és kompresszorok hasonló irányú fejlesztése is. A megbízhatóság, és gyorsabb reagálás érdekében már most is elterjedtek az úgynevezett dupla csigás, és variálható geometriájú turbók. Minkét megoldás a kipufogógázok aktív szabályzását jelenti, hogy a motor minden működési helyzetében hatékonyabban dolgozzon a feltöltés.
Valószínűleg már a közeljövőben negyobb szerepet kapnak az elektromos motorok a feltöltők világában. Egyes turbófeltöltők esetében a villanymotor például kis fordulatszámon - helyettesítve az ilyenkor hiányzó kipufogógáz mennyiséget -, előre pörgésbe hozhatja a turbót, csökkentve annak késedelmi idejét, javítva a gázreakciót. Mások, a kompresszor, és a turbófeltöltő teljesen elektromos hajtásában gondolkoznak, kiküszöbölve a szíjhajtást, illetve a kipufogógázokat.
Vélemény.
Természetesen senki ne gondolja, hogy egyenértékű egy nagyméretű motor feltöltéssel izmosítása, és egy kis motor "felpumpálása", hogy az képes legyen biztonságos menetdinamikai képességek elérésére. Bármilyen mérnöki munkával is párosul, sokkal nagyobb stressz ez a kis motornak, mint a nagynak. Ezért a kisebb méretű motorok élettartama még gondosan kiegyensúlyozott perifériákkal is jelentősen rövidül. Talán ezért is választotta a Mazda a benzines szívómotorok (atmoszferikus feltöltés) hatásfok növelését, amikor a Skyactiv programot elindította. A kimagasló teljesítményt kedvelőknek persze náluk is marad a feltöltés, mint ahogy a tuningolók berkeiben is.
Varga István
