Turbodmychadla čeká v příštích letech novinka, která má potenciál zásadním způsobem vylepšit jejich účinnost. Už čtyři roky ji přitom známe z Formule 1. Dostat ze sériového čtyřválcového dvoulitru přes 300 kW? Proč ne!
Jen málokterý moderní spalovací motor nevyužívá výhod přeplňování. Turbodmychadla (kompresory nechme nyní stranou) umožňují dosáhnout lepší provozní efektivity, a tedy nižší spotřeby paliva, a to jak té normované, tak v naprosté většině případů i té reálné. Konvenční turba však mají dvě známé slabiny. První je tzv. turbodíra, kdy turbo nedokáže dodávat dostatek stlačeného vzduchu v nízkých otáčkách, s čímž souvisí i obecně pomalejší odezva motoru na změnu polohy plynového pedálu. Druhou slabinou na opačném konci otáčkového spektra je konstrukční omezení nejvyšších otáček turbodmychadla, resp. jeho ložiska, kvůli kterému je nutné jej regulovat, typicky obtokovým ventilem. Tím pádem se ovšem značná část kinetické energie výfukových plynů vůbec nevyužije a odteče pryč do výfuku.
Motorgenerátor je elektromotor s permanentními magnety. U Borg-Warneru dokáže pracovat stabilně s výkonem 11 kW, krátkodobě až 17 kW.Na oba tyto nedostatky se zaměřuje právě e-turbo. Jde o turbodmychadlo, které má na hřídeli spojující kompresorovou a turbínovou část navíc ještě motorgenerátor, jenž umí turbodmychadlo jak ještě více roztáčet, tak naopak brzdit.
Již od roku 2016 je v sériové výrobě v Audi SQ7 osmiválec 4.0 TDI s vícenásobným přeplňováním, které využívá krom menšího a většího konvenčního turbodmychadla tzv. e-booster. Jde de facto o kompresor, jenž není poháněn od klikové hřídele, ale elektromotorem. Tato technika je podstatně jednodušší než e-turbo. Neumí rekuperovat a nepracuje s tak vysokými otáčkami. Zčásti má ale za cíl to samé – dodávat motoru vzduch ještě dříve, než je toho schopné konvenční turbo.
Příběh hybridních turbodmychadel začal v roce 2014, kdy se v královně motorsportu, formuli 1, představila nová generace pohonných jednotek. Kdekdo si tehdy klepal na čelo: hybridní formule? To myslíte vážně? Rekuperační systémy se však v závodním nasazení osvědčily. A nyní pomalu přichází čas, kdy tato „kosmická“ technika nalézá cestu do sériové výroby.
Princip fungování e-turba je v zásadě prostý. Ve chvíli, kdy je turbodmychadlo pod příliš velkou zátěží a do akce by musel nastoupit obtokový ventil, dokáže motorgenerátor převést jinak přebytečnou kinetickou energii do energie elektrické. Naopak ve chvíli, kdy ještě není tlak ve výfuku dostatečný, avšak řidič už tiskne pedál plynu k podlaze, dokáže motorgenerátor turbo sám roztočit, čímž zmenší turbodíru, zrychlí reakci motoru a ve výsledku samozřejmě i navýší produkovaný výkon.
Schéma činnosti e-turba
Obrázek pochází od společnosti Borg-Warner, předního výrobce turbodmychadel. Jde o víceválcový vznětový motor pro nákladní vozidla (1), jenž je přeplňován e-turbem (2). Oproti klasickému turbodmychadlu má e-turbo na své hřídeli motorgenerátor, který umí turbodmychadlu energii dodávat či ji z něj naopak získávat v závislosti na potřebách motoru. Zásobníkem energie je 48V či vysokonapěťový akumulátor (3). Další příslušenství motoru je konvenční (chladič (4), EGR oběh (5) atd.).
O podobnou optimalizaci se snaží i konvenční a již sériové vyráběná turbodmychadla a kompresory. Oproti nim však má e-turbo přinejmenším dvě výhody. Za prvé, pro dosažení rychlejších reakcí není třeba sekundárního zařízení jako u e-boosteru (viz samostatný text níže). Vše se vejde do jednoho, byť maličko většího „housingu“. Za druhé, e-turbo si na sebe rekuperací „vydělává“, přičemž získaná elektrická energie se může ve voze teoreticky hodit i pro jiné účely. Mimochodem, rekuperace motorgenerátorem na hřídeli turbodmychadla je efektivnější než běžně známé rekuperační systémy přes alternátor.
Systém rekuperace energie v motoru F1 (na obrázku Renault) má dva samostatné okruhy: MGU-H a MGU-K. Principu MGU-H (zkratka anglického Motor Generator Unit – Heat), tedy de facto e-turba, se věnujeme detailněji v článku. Druhý okruh pracuje s kinetickou energií vznikající při zpomalování vozu (bývalý KERS)A jak se e-turbo projeví zpoza volantu? Pocity jako Lewis Hamilton asi člověk jen tak zažívat nebude, nicméně z uživatelského hlediska by e-turbo mělo pomoci odstranit mnohdy nepříjemnou prodlevu po stisku plynového pedálu. Zároveň by měl motor s e-turbem nabídnout při stejném výstupním výkonu nezanedbatelně nižší spotřebu a samozřejmě emise.
Skoro určitě nikoliv. E-turbo teprve čeká premiéra v sériové výrobě a je před ním ještě předlouhá cesta, než se etabluje na trhu. I nadále tedy budeme běžně vídat hlavně konvenční turbodmychadla s variabilní geometrií lopatek (VNT) nebo dvoucestová, tj. se dvěma oddělenými přívodními kanály. Možná nejzajímavější konvenční turbodmychadlo má dnes zážehový motor VW 1.5 TSI Evo 96 kW. Krom toho, že umí fungovat v Millerově cyklu, je pozoruhodný i tím, že jej přeplňuje turbodmychadlo s VNT. To je u velkosériového zážehového motoru unikátní, protože zážehové motory mají podstatně vyšší teploty spalin než vznětové. U těch je VNT naopak zcela běžná.
E-turbo je vhodné pro zážehové i vznětové motory, přičemž jeho efektivita se zvyšuje ruku v ruce s downsizingem (v podstatě čím menší motor, tím důležitější je pro něj efektivní fungování turbodmychadla). Přesná čísla, jako například o kolik procent se zvýší účinnost v nějaké konkrétní aplikaci, prozatím veřejně dostupná nejsou, avšak vzhledem k tomu, že na přivedení e-turb do sériové výroby pracují dva největší světoví hráči Borg-Warner (turba značky KKK) i Honeywell (značka Garrett), nepůjde o slepou uličku.
Kdy bude ke koupi?
Jako u nespočtu dalších technologií je více než pravděpodobné, že e-turba se objeví v sériové výrobě nejprve v nákladních vozech. Borg-Warner ostatně všechny své dosavadní veřejné materiály cílí právě tímto směrem. Bohužel prozatím nemáme konkrétní informace, kdy a u které značky nákladních vozů bude e-turbo slavit premiéru. Očekávat se dá ale možná již v příštím roce.
Naopak v zákulisí již známá je informace, že e-turbo se chystá do dvoulitrového zážehového čtyřválce Mercedes-AMG. Pracuje na něm Honeywell. Motor má ze sebe díky e-turbu vydolovat až cca 320 kW, čímž by se stal jistě nejvýkonnějším sériovým dvoulitrem dneška, navíc s předpokladem rozumné spotřeby. Vývoj je ale teprve na začátku. Představení nelze očekávat dříve než v roce 2020, spíše 2021. Je známo, že do e-turb se chystá zabrousit také Ferrari. Audi nebo koncern GM zavedení e-turba do svých motorů zvažují.