Jak funguje turbodmychadlo
Turbodmychadlo je dmychadlo poháněné výfukovými plyny. Skládá se ze dvou hlavních částí – dmychadlové a turbínové. Dmychadlo stlačuje vzduch vstupující do motoru a výrazně tak zvyšuje jeho objemovou účinnost oproti klasickému nepřeplňovanému motoru. Turbína pohánějící dmychadlo je roztáčena výfukovými plyny vystupujícími z motoru a je umístěna na stejné hřídeli.
Pojem kompresor se často používá pro označení mechanicky poháněného kompresoru (většinou pomocí řemene), zatímco turbodmychadlo je poháněno výfukovými plyny. Mechanicky poháněný kompresor používají např. automobilky Jaguar nebo Mercedes-Benz. Jeho nevýhodou je to, že pro svůj pohon využívá část výkonu motoru, ale výhodou je zase absence turboefektu (rychlejší roztočení kompresoru).
Turbodmychadlo zvyšuje tlak vzduchu vstupujícího do motoru a tím i jeho měrnou hmotnost. Je tedy možné do motoru pustit při stejných otáčkách a objemu více směsi paliva a vzduchu (pro zachování stejného poměru je třeba zvýšit množství paliva). To je hlavní příčinou výrazného nárůstu výkonu motoru.
Nárůst tlaku (angl. boost) se měří v pascalech, barech nebo PSI. Energie uvolněná z paliva navíc vede k většímu celkovému výkonu motoru. Například při teoretické účinnosti 100 % by turbodmychadlo produkující nárůst tlaku 100 kPa (= 1 bar nebo 14,7 PSI) zdvojnásobilo výkon motoru. Turbína ve výfukovém systému ale představuje překážku a kvůli vznikajícím zpětným tlakům tak turbodmychadla většinou dosahují účinnosti kolem 80 %.
V automobilovém průmyslu se většinou používají turbodmychadla zvyšující tlak maximálně o 0,8 barů, i když jsou dosažitelné i vyšší tlaky. Typické turbodmychadlo vzhledem ke své konstrukci začne zvyšovat tlak teprve od 2500 otáček motoru za minutu (1800 u turbodieselových motorů). Mechanicky poháněný kompresor tento problém nemá.
Hlavní nevýhodou velkých plnicích tlaků je, že při stlačování vzduchu dochází k jeho zahřívání. Tento nárůst teploty palivové směsi je limitujícím faktorem u benzínových motorů, kde příliš vysoká teplota směsi způsobí její samovznícení ve válci ještě předtím, než má být správně zapálena jiskrou. Pro oba typy motorů ale znamená vyšší teplota směsi snížení účinnosti motoru. Tento problém se většinou řeší použitím mezichladiče stlačeného vzduchu (tzv. intercooler), který teplotu opět sníží.
Konstrukce
Dmychadlo se otáčí velmi rychle – 10 000 až 150 000 ot./min. v závisloti na velikosti, váze rotujících částí, nárůstu tlaku a konstrukci turbodmychadla. Tak vysoké otáčky by představovaly problém pro klasická kuličková ložiska, která by mohla explodovat. Proto se používají fluidní ložiska, ve kterých jsou pohybující se části odděleny a zároveň chlazeny tenkou vrstvou oleje. Olej se většinou bere z mazací soustavy motoru a musí být po průchodu turbodmychadlem chlazen olejovým chladičem.
Aby se zabránilo poškození turbodmychadla a motoru při uzavření škrticí klapky (např. při řazení u manuálních převodovek), kdy vzduch stlačený turbodmychadlem nemá kam proudit, jsou přeplňované motory vybaveny přepouštěcím ventilem. Při zavření škrtící klapky za ní vznikne podtlak, který se využije k otevření přepouštěcího ventilu. Přebytečný vzduch se tak vyfoukne ven z motoru nebo zpět do sání. Při tom vzniká charakteristický zvuk.
Pro regulaci otáček turbodmychadla a tím i regulaci tlaku se používá systém, který přepouští nadbytečné výfukové plyny za turbínu turbodmychadla. Ventil je řízen tlakem produkovaným dmychadlem.
Spolehlivost
Dokud je olej protékající turbodmychadlem čistý a výfukové plyny nejsou příliš horké, dokáže být turbodmychadlo velice spolehlivé, ale správné zacházení je důležité. Po rychlé jízdě (resp. jízdě na vysoký výkon) se musí motor před vypnutím nechat běžet ještě zhruba 2 minuty na volnoběh a umožnit tak dochlazení turbodmychadla. Pokud se to neudělá a motor se vypne, olej přestane cirkulovat a zůstane v přehřátém turbodmychadle, kde může dojít k jeho přepálení. Přepálený olej potom může ucpat svůj přívod a způsobit tak poškození turbodmychadla. Turbodieselové motory nejsou k tomuto tak náchylné, protože teplota jejich výfukových plynů je nižší než u benzinových motorů.
Prodleva
Prodlevu turbodmychadla cítí řidič jako prodlevu mezi okamžikem, kdy sešlápne plynový pedál, a okamžikem, kdy pocítí zátah motoru způsobený turbodmychadlem. To je způsobeno dobou, kterou potřebují plyny ve výfukovém systému k dosažení vyššího tlaku, a také rotační setrvačností turbíny. Mechanicky poháněný kompresor tímto problémem netrpí. Tento efekt se nazývá turboefekt, vyskytuje se pouze u automobilů, který pohání přeplňovaný motor s turbodmychadlem.
Prodlevu je možné snížit různými způsoby. Jedním z nich je snížení rotační setrvačnosti turbíny, například použitím lehčích částí nebo zmenšením jejího průměru (a korespondujícím zvětšením délky). Některé závodní okruhové vozy také využívají systém, který zabraňuje snížení otáček turbodmychadla po ubrání plynu například při průjezdu zatáček, čímž se zabraňuje vzniku turboefektu. Funguje tak, že po ubrání plynu dojde ke vstříknutí paliva před turbodmychadlo do výfuku, kde se vznítí a znovu ho roztočí. Navenek se to projevuje typickými plameny z výfuku. Také se používají namísto fluidních ložisek precizní kuličková ložiska, která snižují tření. Někteří výrobci používají namísto jednoho velkého turbodmychadla dvě menší, která nemají takový problém se setrvačností a roztáčením. Jedno se používá pro celý rozsah otáček a druhé se k němu přidá ve vyšších otáčkách. Turbodmychadla také mohou být rozdělena tak, aby každé z nich dodávalo vzduch pro polovinu válců, tak jako např. u motoru Volvo 2.8 T6. Další možné rozdělení spočívá v systému dvou turbodmychadel, kdy každé je umístěno za jednou řadou válců a využívá výfukových plynů této řady válců (u Vidlicových motorů), ale stlačený vzduch je spojen např. v intercooleru, odkud již jde jednou společnou trubkou do škrtící klapky, jako je tomu například u vozu Renault Safrane Biturbo.