Turbopunjač (turbocharger)

Turbopunjač je naprava za prednabijanje koja povećava snagu i učinkovitost motora tako što komprimira zrak koji ulazi u cilindre. Atmosferski usisni motori usisavaju zrak pod atmosferskim tlakom, pa je količina goriva koju mogu korisno sagorjeti ograničena time koliko zraka svaki cilindar može uvući. Turbopunjač probija tu granicu jer u isti radni obujam stlači više zraka, što omogućuje sagorijevanje više goriva po ciklusu, a time i veću snagu iz motora određene veličine.

Naprava je u biti zračna pumpa koju pogoni otpadna energija ispušnih plinova. Sastoji se od dvaju kolesa s lopaticama postavljenih na zajedničkoj osovini unutar zabrtvljenog središnjeg kućišta. Vrući ispušni plinovi koji izlaze iz motora vrte turbinsko kolo na jednoj strani; osovina prenosi to vrtnju na kompresorsko kolo na drugoj strani, koje usisava i tlači svjež usisni zrak. Osovina se može vrtjeti i znatno više od 150.000 o/min, oslonjena na ležajeve podmazivane uljem i često hlađene vodom kako bi izdržala silnu vrućinu. Ventil za rasterećenje (wastegate) preusmjerava višak ispušnih plinova mimo turbine i tako ograničava najviši tlak prednabijanja te štiti motor.

Velika prednost turbopunjača jest to što povraća energiju koja se inače baca u obliku vrućih i brzih ispušnih plinova te je pretvara u koristan rad, umjesto da troši dodatno gorivo za pogon pumpe. Zbog toga je osjetno učinkovitiji od kompresora s remenskim pogonom. Budući da komprimiranje zraka istodobno i grije, većina sportskih i suvremenih primjena vodi nabijeni zrak kroz međuhladnjak (intercooler) prije nego što stigne do cilindara, čime se vraća gustoća i smanjuje opasnost od detonacije. Krajnji je rezultat osjetan dobitak i u vršnoj snazi i, kada se primjenjuje za smanjivanje radnog obujma, u svakodnevnoj učinkovitosti.

Turbopunjenje je preoblikovalo krajolik suvremenih motora upravo kroz to načelo smanjivanja obujma (downsizing). Proizvođači su veliki broj velikih atmosferskih motora zamijenili manjim turbopunjenim jedinicama koje daju usporedivu snagu i okretni moment uz manju potrošnju goriva i manju emisiju CO2 u uobičajenim uvjetima, što pomaže u zadovoljavanju sve strožih propisa o emisijama. Turbopunjeni benzinski motor obujma 1,5 litre danas lako dostiže snagu starijega motora od 2,5 litre, a turbopunjač pritom i izravnava te proširuje krivulju okretnog momenta za prilagodljiviju vožnju.

Klasičan je nedostatak turborupa: kratko oklijevanje između trenutka kad vozač zatraži snagu i trenutka kad turbina prikupi dovoljno energije ispušnih plinova da isporuči tlak prednabijanja. Suvremeno inženjerstvo to je uvelike smanjilo laganim kolesima, kućištima s dvostrukim ulazom (twin-scroll) i promjenjivom geometrijom, električnom ispomoći te izvedbama s dva turbopunjača. Ipak, turbopunjači zahtijevaju pažljivo održavanje — čisto ulje, dovoljno hlađenje i izbjegavanje naglog gašenja dok su vrući — kako bi dosegnuli pun vijek trajanja. Promatran zajedno s kompresorom, međuhladnjakom, izvedbama s dva turbopunjača i s promjenjivom geometrijom, turbopunjač ostaje glavni način izvlačenja više iz manje u suvremenim motorima.