Miért kell villanymotor a turbóba?
Mióta megjelent a turbófeltöltés, a mérnökök azóta törik a fejüket azon, hogyan lehetne a nagy csúcsteljesítményt kis fordulaton is jelentős nyomatékkal és gyors gázreakcióval párosítani. Az első időkben persze már annak is örültek, hogy turbóval sikerült a versenyautók szintjére felpumpálni a literteljesítményt. Eközben nem is törődtek azzal, hogy ezért cserébe kis fordulaton szabályosan döglött volt az autó.
Emlékezzünk csak az úttörőkre, a Fiat Uno Turbo i.e.-re, vagy a Renault 5 GT Turbóra: az olaszok 1,3 literből 105, a franciák 1,4 literből 120 lóerőt hoztak ki, ami literteljesítményben számolva 81, illetve 86 LE/liter. Ennyit ma már a szívómotorok is röhögve tudnak, ugyanakkor ezért a teljesítményért el kellett viselni, hogy az egyiknél 3200, a másiknál 3750/perces fordulatnál érkezett meg a nyomaték, de akkor úgy, mint a lórúgás. Addig viszont szinte semmi.
Ennek persze megvolt az oka. A turbófeltöltő a működését tekintve ugyanis egyfajta 22-es csapdája. Amíg nincs megfelelő mennyiségű kipufogógáz a kompresszorkereket hajtó turbina meghajtásához, addig a kompresszor nem tud levegőt pumpálni a motorba. Viszont, honnan lenne kipufogógáz, amíg nem jut elegendő levegő a hengerekbe? Ezért ki kellett találni olyan műszaki megoldásokat, amelyek segítik, hogy gyorsabban magához térjen, és a gázreakció javulásával eltűnjön a turbólyuk.
Számos egyszerűbb és összetettebb megoldás látott napvilágot ezzel a céllal. Az egyszerűbbek közé tartozik a megkerülő szelep, a twin scroll néven emlegetett kettős megfújás, vagy a különösen a dízeleknél elterjedt változó geometriájú (változó vezető-lapátozású) turbófeltöltő. Ezek jól beváltak kis és közepes teljesítménynél, a magasabb elvárásokhoz azonban gyakran alkalmaznak egynél több feltöltőt. Alapesetben két turbót, ahol egy kicsi, gyorsan felpörgő tölt kis fordulaton, és egy nagyobb nagy fordulaton. Ez persze még fokozható. Készült rendszer három, sőt, négy turbóval is.
Visszatérve a két feltöltős megoldáshoz, nem kell mindkettőnek feltétlenül turbónak lennie. Egy időben a Volkswagen is gyártott olyan 1,4 literes benzinmotort (1.4 TSI Twincharger), ma pedig a Volvo gyárt T6-os néven, amelyet kis fordulaton egy forgólapátos (mindkét esetben Roots-) kompresszor, nagy fordulaton pedig egy turbó tölt. A főtengelyről meghajtott kompresszor előnye, hogy a motor fordulatszámának emelkedésével párhuzamosan azonnal többet tölt, nincs a turbóra jellemző késlekedés, így már alapjárattól élénkebben működik vele a motor. A főtengelyről hajtott forgólapátos kompresszorral két probléma van csupán. Az egyik, hogy még a turbónál is drágább, a másik, hogy hajtása teljesítményt vesz el a motortól, szemben a turbóval, ami a kipufogógáz hulladék energiáját hasznosítja.
Ám azóta erre is született megoldás, az, hogy a turbófeltöltőt nem főtengelyről hajtott, hanem elektromos hajtású kompresszorral kombinálják. Az elektromos kompresszornál a feltöltés végző centrifugálkompresszort (ami éppen úgy néz ki, mint a turbófeltöltő kompresszora) egy elektromotor forgatja, így levegőszállítása sem a kipufogógázok mennyiségétől, sem a motor főtengelyének fordulatszámától nem függ. Így akár a motor álló helyzetében is pumpálhatna levegőt, de persze minek? Ez azonban jól érzékelteti, hogy bármikor képes kivenni a részét a motor feltöltéséből, aminek főként az alapjárat fordulatszám közelében (induláskor) és hirtelen gázadáskor láthatjuk hasznát. Ugyanakkor a levegőellátás oroszlánrészét a turbófeltöltő vállalja magára. Az egy elektromos kompresszorból és egy turbófeltöltőből álló kombinált feltöltést az Audi S6 TDI V6-os dízelmotorjánál vetették be először, de ugyanez került a RS Q7-be is.
Az ötlet azonban továbbfejleszthető, ami a régóta a turbófeltöltő-iparban serénykedő Garrett cégnek jutott az eszébe. Azt találták ki, hogy egyesítik az elektromos kompresszort és a turbót, egyfajta hibrid turbófeltöltőt hozva létre. Az ötlet amúgy valószínűleg a Forma 1-ből érkezett, ahol a csapatok MGU-H (Motor Generator Unit-Heat, kb. motor-generátor egység – Hő) név alatt alkalmazzák a kipufogógáz energiájának a visszanyerésére és a feltöltés szabályozására. Ahogy annak is, a Garrett új elektromos (rásegítésű) turbófeltöltőjének is az a lényege, hogy a turbóba a forgórészt hajtani képes elektromotort építenek. A feladat egyébként nem kicsi, hiszen a tengely közel 170 ezret fordul percenként, azaz több mint 2800-at másodpercenként. De szükség is van erre, hiszen várhatóan egy alig kétliteres, ámde négyszáz lóerő feletti teljesítményű benzinmotort kell majd először ellátnia levegővel.
Az alig négy centi vastag elektromotort a turbófeltöltő kompresszorkereke mögé, turbó házának középső, hűtőfolyadékkal és olajjal hűtött részébe építik be. Feladata, hogy a tengely, és azon a kompresszorkerék gyors felpörgetésével kicsi és alapjárat közeli fordulaton segítse a motor nyomatékának felépülését és a motor felpörgését, vagyis javítsa a gázreakciót. Ebben ugyanaz segíti, mint az elektromos kompresszort: nem kell megvárni, míg megfelelő mennyiségű kipufogógáz áll rendelkezésre, mert a 48 voltos elektromos rendszerre támaszkodva a villanymotor a másodperc tört része alatt elvégzi a feladatot. Amikor pedig már elegendő kipufogógáz érkezik a turbinakerék forgatására, akkor az veszi át a villanymotortól a kompresszor lapátkerekének a hajtását.
A Garrett saját kísérleti motorján elvégzett vizsgálatai azt mutatják, hogy a teljesítményt 16, a nyomatékot 10,5 százalékkal tudták növelni. Ennél talán látványosabb, hogy 1500/perces fordulatnál lenyomva a gázt, a kísérleti motor négyszer gyorsabban pörgött fel, mint az eredeti, szintén turbófeltöltéses motor. Járműbe beépítve ez úgy néz ki, hogy kézi sebességváltó hatodik fokozatában a 60-100 km/óra közötti gyorsítás időigénye 11 másodpercről 8,8 másodpercre csökken.
Ugyanakkor a turbó tengelyének közvetlen meghajtása azt is lehetővé teszi, hogy annak fordulatszámát akkor is fenntartsák, amikor a vezető leveszi a lábát a gázról. Mivel a villanymotor ilyenkor is beszállhat a forgórész forgatásába, nem esik le a töltőnyomás, vagyis újabb gázadáskor (például kanyarkimenetnél) ismét rendelkezésre áll a motor teljes nyomatéka.
Ez a sportos része a történetnek, aminek a sportautók vezetői örülnek, ugyanakkor az elektromos rásegítésű turbófeltöltő a környezetvédőket is megnyugtathatja – legalábbis részben. Ugyanis a villanymotor generátorként is működhet, így az olyan motorok esetében, ahol nem a teljesítmény hajszolása a cél, gázelvételkor, motorfékezéskor a turbó tengelyének forgási energiáját a villanymotor hajtására lehet fordítani, ami generátor üzemre váltva áramot tölthet vissza az akkumulátorba. (Majd például ezt az áramot lehet felhasználni az újabb felpörgetéshez.)
A vizsgálatok szerint az elektromos turbóval szerelt motorok felpörgése sokkal jobban kézben tartható, emiatt gyorsítás közben például nem szükséges dúsítani a benzinmotorba jutó keveréket, azaz végig egy maradhat a lambda. (Nagy gázadással együtt járó gyorsításhoz ugyanis minden motor többletbenzint igényel, a közvetlen befecskendezéses motoroknál pedig a kopogás elkerülésére, hűtési céllal is fecskendeznek be többletbenzint. Erőteljes gyorsítás esetére a jelenlegi szabályok is megengedik a lambda 1-től való eltérést, de ez az Euro 7 bevezetésével várhatóan megszűnik.)
Pontos szabályozhatósága miatt dízelmotoroknál is hasznos lehet az elektromos turbó. Szintén a Garrett saját mérések szerint alkalmazásával körülbelül ötödével csökkenthető a nitrogén-oxidok kibocsátása.
Ezzel együtt az elektromos rásegítésű turbófeltöltő várhatóan egy sportos autón jelenik meg még ebben az évben. A Mercedes-AMG A 45-ben bemutatkozott, M139 jelzésű benzinmotorra szerelik fel elsőként. Az elektromos turbóval felszerelt új M139-es motort, hibridhajtással kiegészítve, az idén érkező Mercedes-AMG C 63 S be építik be elsőként. A kétliteres, négyhengeres benzinmotorra épülő rendszer teljesítménye előre láthatóan 517 lóerő, a legnagyobb nyomatéka 700 Nm.
Ez is elektromos, de nem turbó, hanem kompresszor
A turbófeltöltőben egy kipufogógázzal hajtott gázturbina forgatja a vele közös tengelyre szerelt centrifugálkompresszort. Az elektromos kompresszorban a turbina helyett egy elektromotor teszi ugyanezt.
Az ötlet, hogy elektromotort használjanak fel valamilyen motortöltő kompresszor hajtására, tulajdonképpen régóta kínálja magát, ám műszaki megvalósítása nem egyszerű feladat. Annyira nem, hogy csak négy évvel ezelőtt, 2016-ban sikerült. Ekkor mutatta be a Párizsi Autókiállításon a Valeo azt a már valóban használható megoldását, amit az Audi S6 V6-os dízelmotorjánál alkalmaztak először. Főleg a villanymotor teljesítményfelvétele a nagy kérdés, vagyis igen teljesítőképes elektromos hálózatra van szükség a villanyturbó hajtásához, ez nem egy hajszárító ventilátora.
Az elektromos kompresszor valójában pofonegyszerű szerkezet. Egy olyan centrifugálkompresszor lapátkerekének a tengelyét, amilyen egyébként a turbóban is van, meghajtják egy elektromotorral. Ez annál könnyebben megy, minél nagyobb az üzemi feszültség, és bár kapható 12, 24 és 48 voltos kivitelben is, az Audi is az utóbbi mellett döntött.
Az elektromos kompresszor előnye, hogy a töltés kizárólag a vezérléstől függ, sem a kipufogógázok mennyiségének, sem a motor fordulatszámának semmi köze hozzá. Éppen ezért különösen alkalmas arra, hogy már alapjárattól, vagy ahhoz közeli, alacsony fordulatszámtól kezdve hozzájáruljon a motor nyomatékának növeléséhez és ezáltal a jármű gyorsítási hajlamának javításához. Ráadásul, mivel nem kell várni a megfelelő mennyiségű kipufogógázra, a töltés is nagyon gyorsan, akár egynegyed másodperc alatt felépül. Az Audi éppen ezért vetette be. Kis fordulaton az elektromos kompresszor, nagy fordulaton pedig már egy igazi, kipufogógázzal hajtott, nagy szállítású turbó tölti levegővel a háromliteres, V6-os dízelt.
