Turbófeltöltő

A turbófeltöltő a belső égésű motoroknál használt feltöltők egyik fajtája, amelyeknél a feltöltő kompresszorát a motor kipufogó gázai működtetik. Elnevezése betűszó, az angol turbine boosted angol kifejezésből származik. Az angol kifejezés azt jelenti, hogy a gépkocsi motorja olyan turbinával van felszerelve, amely energiát von ki a belsőégésű motorból, és ezt az energiát arra használja, hogy a motor levegő- (oxigén-) bevitelét sűrített levegővel (akár hűtésen keresztül menve is) fokozza, és ezzel a motor teljesítményét megnövelje. A teljesítménynövelés során a motor kipufogógázainak energiáját használjuk fel. A motorból a kipufogógáz-vezetéken keresztül távozó nagy sebességű égéstermék hajtja meg a turbófeltöltő gázturbináját, így egyúttal a vele egy tengelyre csapágyazott kompresszort (ugyanolyan, mint a gázturbina-rész, csak ellentétes lapátozással), ami a friss levegőt beszívja és a légkörinél magasabb nyomáson a hengerekhez juttatja. A turbófeltöltő a motor mechanikus részeivel nincs kapcsolatban (ellentétben a mechanikus feltöltéssel, lásd később), de a kipufogóvezetékben megjelenő többletnyomás ellenállásként mutatkozik meg, ami visszahat a motor működésére és teljesítményére. Emiatt a turbófeltöltő teljesítményfelvételének egy része nem csak a motor kipufogási energiájából képződhet.

Maga a turbo kit, a turbótöltő (turbocharger) gyárilag vagy utólag beépített, több részből (például hűtő, vezeték stb.) álló autóalkatrész-készlet. Az utólagos beépítésre az ad ösztönzést, hogy a gépkocsik gyárilag „le vannak butítva”, átalakítás nélkül mintegy 80%-át használják ki a bennük lévő erőnek. Az átalakítással azonban (a garanciális időn belül) rendszerint a tulajdonos elveszíti a gépkocsi garanciáját, a gyártó szavatosságát, maga az átalakítás pedig a gyártó szemszögéből visszaélésnek számít, hacsak a gyártó (ill. gyári szerviz) nem járul hozzá az illető típusú motornál. Turbófeltöltős autó beszerzésének legbiztosabb módja, ha eleve turbófeltöltővel készült típust veszünk, vagy olyat, amelyikhez opcióként turbófeltöltő is kapható.

Turbófeltöltő működése

A szerkezet célja az, hogy a belső égésű motor teljesítményét azonos hengerűrtartalom mellett növeljük, vagy hatásfokát a kipufogó gázok energiájának további felhasználásával növeljük. A teljesítménynövelés egyik legegyszerűbb módja ez, mindemellett alkalmazásával változik a motorkarakterisztika, csökken(het) a motor élettartama (szakszerűtlen használat mellett, vagy erre kevésbé alkalmas motortípus mellett), a fogyasztás pedig gázállás arányában nő (több üzemanyag képes elégni a többletlevegő által), ha kihasználjuk a keletkezett teljesítménynövelési lehetőséget. Egyébként egy átlagos belsőégésű motor bevezetett hőjének kb. 1/3-a alakul át hasznos munkává, 1/3-a vízhűtéssel, és 1/3-a a kipufogó gázokkal távozik, amit a korszerű motorokban igyekeznek csökkenteni. A turbótöltő lényegében egy közös munkatengelyre helyezett turbina és egy radiális lapátozású centrifugális kompresszor. Használata során a motorból érkező kipufogógáz a turbinán keresztülhaladva igen magas (100000-270000 1/min) fordulatszámot eredményez a munkatengelyen, ami meghajtja a kompresszort. A kompresszoron keresztül történik a belső égésű motor levegőszállítása, ami immáron sokkal nagyobb mennyiségben és nyomáson áll rendelkezésre. A feltöltőben történő nyomásnövelés során a fizikai gáztörvényeknek megfelelően az azon áthaladt levegő hőfoka jelentős mértékben emelkedik (ami rontja a feltöltés hatásfokát), így mielőtt az még belépne az égéstérbe, sok esetben hőcserélő (intercooler) segítségével visszahűtik azt, így egységnyi térfogatban több oxigént tudnak bejuttatni az égéstérbe. Ezzel a fogyasztáscsökkentési céllal alkalmazott turbófeltöltő az eredeti motor hengertérfogatának csökkentését is lehetővé teszi (angolul downsizing). A motorgyártási trend azt mutatja, hogy a hengerek számát a fogyasztás csökkentése érdekében csökkentik, de ezzel a változatlan tömegű kocsi gyorsulása csökkenne, ezért (és a hatásfok javítása érdekében) turbófeltöltővel látják el.

A turbófeltöltő hátránya, hogy a motor főtengelye és a turbótengely között nincs mechanikus kapcsolat, így a gázadásra bizonyos késleltetéssel reagál, ez az ún. "turbólyuk" jelenség. Kiküszöbölésére ún. "iker-turbót" szoktak beépíteni a V-elrendezésű vagy 6 henger feletti soros motorokba, hogy a két kisebb méretű feltöltő csekélyebb tehetetlensége révén fürgébben reagáljon a gázadásra. A másik megoldás, hogy változó geometriájú turbót építenek be, mely alacsonyabb motorfordulaton is viszonylag hamar felpörög.

A turbófeltöltő segítségével rendkívüli teljesítménynövekedést lehet elérni: az 1980-as évek közepén a legjobb Formula–1-es istállók a versenyautók mindössze 1500 cm³ hengerűrtartalmú turbómotorjából az időmérő edzésen akár 1400-1500 lóerő teljesítményt is ki tudtak préselni – a motorblokkok élettartama azonban alig haladta meg az egy versenyt. A Formula–1-es versenyen 2014-től 1,6 literes motorokat alkalmaznak, V6 elrendezéssel, turbo-kompaund feltöltéssel, és KERS fékenergia-hasznosítással, az eddigi V8-as, 2,4 literes motorok helyett.

A hosszú élettartam érdekében a turbóval szerelt motorok kezelése bizonyos gondosságot igényel. Az ilyen személygépkocsiknál nagysebességű haladás után megállva nem szabad rögtön leállítani a motort, általában 30-60 másodperc alapjárat szükséges, hogy a turbó forgórésze visszahűlhessen, ellenkező esetben az élettartam megrövidül, sőt a turbó besülése vagy törése is előfordulhat.

A modern jármű-dízelmotorok esetében a turbófeltöltés alkalmazása manapság alapkövetelménynek számít. Ezeket az erőforrásokat az öngyulladásos működési elvükből következően eleve masszívabb motorblokkal építik, így a turbó biztosította nagyobb töltőnyomást károsodás nélkül elviselik. A turbófeltöltés segít a dízelekre jellemző alacsony teljesítmény/tömeg arány javításában és a többletlevegő az égés tökéletességét, így a károsanyag-kibocsátást is javítja.

Turbófeltöltő és hatásfokjavítás

A belsőégésű motor kipufogógázainak hőjéből egy részt a turbófeltöltő mechanikai munkával, a beszívott égéslevegő nyomásnövelésére fordít. Ezáltal a kipufogógáz jobban lehűl, a motor hatásfoka (a teljesítménynövekedéstől függetlenül is) növekszik. A turbófeltöltő azonban az autó üzemétől függően nem mindig a megfelelő időben jár, ill. áll, ez többletnyomásként jelentkezik a beszívott levegőnél, amit külön elektromos generátorral (mint a fékenergiát) el lehet tárolni akkumulátorokban. Ezt az eljárást alkalmazzák 2014 óta a Formula–1-es autókban, amivel a turbo-hibrid V6-os motor hatásfoka 35-40%-ra nő.

Kapcsolódó szócikk

Mechanikus feltöltő

További információk

100 éves a turbótöltő
Spencer Brown: Turbocharging guide – turbomustangs.com
[1] A turbo töltés történelme
[2] belsőégésű motor Sankey diagramja
[3] Archiválva 2013. január 9-i dátummal a Wayback Machine-ben Audi6 és a pneumatikus hibrid lehetősége (német)
F1 V6 turbo
Formula–1 motorok (angol wiki)
Audi6 2012
Eaton és Cosworth megállapodás