27.11.2014

Čo je vlastne to elektrické turbo a načo slúži?

V ostatnom čase zaplavili web a mysle mnohých motoristických fanúšikov slovné spojenia ako elektrické turbo, či kompresor. Vysvetlíme o čo ide.

Pojem elektrické turbodúchadlo tu už nejaký čas poletuje vo vzduchu a vyvoláva viac otázok ako odpovedí. V prvom rade preto, lebo už samotné slovné spojenie elektrické turbo je tak trocha nezmysel.

Turbo, alebo kompresor?

Je to ako odpovedať na otázku, či bola skôr sliepka alebo kura. Pritom rozdiel medzi turbom a kompresorom nie je v tom, čo bolo skôr, i keď istý časový podtón to má.

Spoločnosť Valeo pred vyše rokom predstavila svoj nový „vynález“ ktorý sa populárne označuje ako elektrické turbo. Ide o turbínu, ktorú namiesto výfukových plynov odchádzajúcich z valcov roztáča elektrická energia. Jeho výhody a nevýhody si vysvetlíme neskôr, prv než to by sa hodilo vyjasniť si pojmy s dojmami.

Keď sa trošku zamyslíme, zistíme, že základný rozdiel medzi turbodúchadlom a kompresorom (ak ide o prepĺňanie motorov) spočíva v tom, že „vrtuľku“ turba - dúchadlo, roztáčajú výfukové plyny a kompresor roztáča samotný motor prostredníctvom remeňa.  

To zároveň jasne poukazuje na výhody jedného a druhého spôsobu prepĺňania. Turbo na zvýšenie tlaku nasávaného „vzduchu“ využíva uvoľnenú energiu, ktorou piest v 4-tej dobe vytláča použitú zmes z valca. Výfukové plyny pod vysokým tlakom prechádzajú cez výfukové potrubie k ďalšiemu spracovaniu (katalyzátor, dpf...) a zároveň roztáčajú vysokootáčkovú turbínu, ktorá je prepojená s dúchadlom na vstupe – pri nasávaní. To znamená, že výfuková turbína roztáča dúchadlo, čím turbodúchadlo vtláča viac vzduchu do systému a tým zvyšuje tlak.

Z toho logicky vyplýva, že účinok turba sa nedostaví skôr než sa tlak vo výfukovom potrubí zväčší natoľko, aby roztočil turbínu. Preto je účinok turba väčšinou k dispozícii pri vyšších otáčkach – obvykle okolo 2000 ot/min v minulosti i neskôr. Turbo je limitované istým pásmom otáčok motora podľa svojej veľkosti a v prípade, že je tlak vo výfukovom potrubí príliš veľký, nedokáže účinne zvyšovať tlak aj v nasávacom potrubí. Ak je tlak už príliš veľký, použije prepad (wastegate), aby sa vrtuľa nepoškodila.

Deficit malého využiteľného spektra otáčok sa v súčasnosti zlepšuje systémom nastaviteľnej geometrie lopatiek turbíny, čím sa účinnosť turba môže začínať skôr a zároveň končiť omnoho neskôr než by bolo bežné s jednou klasickou turbínou. Bežným, ale drahším riešením je viacstupňové prepĺňanie cez dve, či tri turbodúchadlá.

Kompresor naopak využíva na roztočenie dvoch špirálových telies umiestnených v nasávacom potrubí výhradne energiu motora, čím je jeho účinok k dispozícii skôr. V porovnaní s turbodúchadlom má tak kompresor jednu veľkú výhodu – nepozná niečo ako turbodiera, reaguje okamžite na stlačenie plynového pedálu a vyšší tlak poskytuje už v podstate od neutrálnych otáčok. Má aj nevýhodu a tou je, že odoberá energiu motoru (zvyšuje spotrebu, keďže je s motorom spätý neustále), a preto sa bežne využíva skôr pri väčších pohonných jednotkách. Zároveň je jeho účinok obmedzený samotným motorom, a tak nedokáže poskytovať čoraz väčší tlak natoľko výrazne ako to dokáže turbo (v USA sa používajú znásobené kompresory - ideálne na krátke šprinty).

Najlepším spôsobom prepĺňania väčších motorov je tak kombinácia kompresoru a turba, prípadne dvojité prepĺňanie turbom – väčším a menším.

Keď sme si zbežne zopakovali rozdiely, zisťujeme, že elektrické turbo nie je ani kompresor, ani turbo.  Je to skrátka niečo medzi, a kým sa odborníci v automobilkách nedohodnú čo je lepšie a presnejšie, môžeme to volať ako chceme. Osobne si myslím, že v základných črtách je to skôr kompresor, i keď spôsobom prepĺňania ide skôr o turbo. Ideálne sa tak zdá označenie, ktoré navrhol užívateľ v diskusii pod článkom - elektrické dúchadlo.

I tak očakávam, že sa systém aj tak bude volať elektrické turbo, keďže je to najjednoduchšie. Navyše má turbo väčší cveng

A čo to vlastne je?

Elektrické turbo sa skladá z dvoch základných častí: dúchadla a elektrického motora. Namiesto toho, aby "vrtuľku" roztáčali výfukové plyny, či samotný spaľovací motor, roztáča ju prítomný elektrický motorček. Vďaka tomu, že nezávisí ani od energie spaľovania ani od energie výfukových plynov, môže sa roztočiť na požadovanú úroveň kedykoľvek bez meškania a s maximálnym účinkom. "Vrtuľka" sa pritom dokáže bezpečne roztočiť až na úroveň 100 000 ot/min v priebehu okamihu. Valeo uvádza, že dúchadlo sa točí už od spustenia motora, a to aj v prípade, ak sa nepoužíva. Konkrétne v pokojnom stave nezastavuje, ale stále ide rýchlosťou približne 8 000 ot/min, takže nástup výkonu je o to rýchlejší a intenzívnejší.

Najväčšou výhodou elektrického turba je práve okamžitý nástup výkonu bez ohľadu na motor. Elektrické turbo tak dokáže zvyšovať tlak vo valcoch už teoreticky od voľnobežných otáčok. Vďaka tomu zlepší odozvu motora a zníži spotrebu a emisie práve tým, že zníži odpor, ktorý musí motor v najnižších otáčkach prekonávať a ktorý si vynahradzuje zvýšeným odberom paliva.

Tak ako pri klasickom turbe aj elektrické turbo nedokáže zvyšovať výkon v celom spektre otáčok motora. Preto v stredne vysokých až vysokých otáčkach je motor odkázaný alebo sám na seba, alebo na druhé väčšie elektrické turbo. Tu sa dostávame k najväčším úskaliam elektrického turba.

Prítomnosť elektromotora napovedá, že ani teraz sa nejedná o perpetuum mobile a že elektromotor potrebuje energiu odniekiaľ čerpať. A krátke zamyslenie nás všetkých odkazuje na elektrickú sieť vozidla, akumulátor, či prípadne batérie atď.

Nevýhoda základného dúchadla by sa podľa všetkého dala tiež zmenšiť nastaviteľnou geometriou lopatiek ako v prípade klasického turba, účinnosť, efekt a prípadné zvýšené nároky na odber elektrickej energie sú však otázne.

Nároky elektrického turba na elektrickú sieť automobilu sú pomerne vysoké a predstavujú zatiaľ neprekonaný problém. Na to, aby bolo elektrické turbo dostatočne efektívne by automobilky potrebovali zvýšiť napätie na palube na 48 Voltov. To znie jednoducho, no súvisí to s úpravou všetkých možných súčastí automobilu batériami počínajúc a infotainmentom končiac.

Valeo uvádza, že pri použití vyššieho napätia ako 12 V by mohol byť efekt na spotrebu vozidla 15 až 20 %. Elektrické turbo by zároveň ovplyvnilo aj zníženie emisií v podobnom duchu. Pri použití dnešných 12 Voltov by to bolo cca 8 až 10 % v rámci aktuálneho cyklu merania spotreby v EÚ. 20% sa dá dosiahnuť iba v prípade, že bude systém spojený s regeneratívnym brzdením, ktoré je však dnes už takmer samozrejmosťou.

Tým som zároveň naznačil, akým spôsobom sa okrem zvýšenia napätia na palube chcú automobilky popasovať so zvýšenými nárokmi na elektrickú energiu tohto nového vynálezu. Prichádza nový cyklus a nové emisné normy, takže automobilky hľadajú hocaký spôsob ako znížiť spotrebu a emisie. Elektrické turbo sa zdá byť veľmi dobrým spôsobom hodným investícií. 

A kedy ho nájdem Pod(svojou)kapotou?

Elektrické turbo je jedno z najnovších zaklínadiel moderných automobiliek. V súčasnosti je späté s naftovými agregátmi, a tak neprekvapuje, že najbližšie k jeho nasadeniu do prevádzky má koncern Volkswagen, menovite jeho pravá ruka Audi.

Audi už elektrické turbo intenzívne testuje a pripravuje pre výrobu. Prvýkrát by sa malo objaviť v novej generácii naftového agregátu V6 vo verzii bi-turbo. Tam by totiž poľahky nahradilo menšie z dvojice „prepĺňadiel“ určených na zvyšovanie výkonu v nižších otáčkach.  

Toho roku Audi predstavilo koncept RS5 TDI, ktorý by mal mať Podkapotou už nové elektrické turbo. Tento systém zároveň ukázalo aj v koncepte A6 TDI.

Vďaka výmene menšieho turbodúchadla v motore za elektrické turbo dokáže motor V6 3,0 BiTDI rozhýbať A6 TDI koncept v akceleračnej disciplíne zo 60 na 120 km/h o vyše päť sekúnd rýchlejšie (8,3 oproti pôvodným 13,7 s). Zároveň elektrické turbo dosť markantne zvýši výkon a krútiaci moment vozidla pri znížení, alebo zachovaní spotreby a emisií.

Takto upravený nový motor 3,0 BiTDI chce Audi podľa všetkého osadiť do novej generácie modelov ako Q7, či A8.

V súčasnosti istú obdobu elektrického prepĺňania využívajú formule a pretekárske špeciály, preto sa netreba čudovať, že nástup elektro-turba do reálnej premávky ešte istú dobu potrvá. 

 

 

Ján Hargaš
ZDROJ: Valeo, Audi

Komentáre k článku