27.6.2019. Autor: Željko Marušić

Što je to turbopunjač VNT ili VTG?

Turbopunjač promjenjive geometrije, preciznije, sa zakretnim krilcima turbinskog statora, recept je za povećanje elastičnosti motora i ranije 'buđenje' turbopunjača, od niskih okretaja...

Što je turbopunjač? O tome smo sve bitno napisali. A što je VNT? To je kratica od  'Variable Nozzle Turbine' (turbina promjenjive mlaznice). Koristi se, premda rjeđe i izraz VTG ‘Variable Turbine Geometry’ (turbina promjenjive geometrije). 

Riječ je o turbopunjaču (sklopu turbine i kompresora, kod kojeg je stator turbine opremljen zakretnim krilcima  Osnovna je ideja u mijenjanju smjera ulaznih plinova u rotor turbine, zakretanjem statorskih lopatica, kako bi se povećala učinkovitost pretvorbe energije strujanja plinova u energiju vrtnje turbine, koja okreće kompresor. 

Centrifugalni strojevi (kompresori, puhala i ventilatori) sastoje se od rotora, koji se često naziva impeler, i statora koji ima ulogu difuzora. U rotoru (impeleru) mehanički se rad preuzet od pogonskog stroja (u konkretnom slučaju turbine) koristi za prirast energije plina (njegovog tlaka i brzine). 

Da bi ispušni plinovi iz motorapostigli odgovarajući prirast kinetičke energije impelera, potrebno je da na njegove lopatice ustrujavaju pod najpovoljnijim kutem. Taj kut izravno ovisi o obodnoj brzini lopatica, odnosno o brzini vrtnje rotora (penje se i na  više od 250.000/min), a određen je položajem rezultantne (ulazne) brzine plinova u tzv. 'trokutu brzina'. 


Pojednostavljeno rečeno, promjenljivom geometrijom turbokompresora postiže se njegova puna učinkovitost u širem području okretaja motora. Položajem lopatica osigurava se prilagodba ulaznoj brziniispušnih plinova. Osnovna je ideja ovog koncepta u mijenjanju smjera ulaza plinova u rotor turbine, zakretanjem statorskih lopatica. 

Tako se kompenzira promjena obodne brzine rotora i u cijelom radnom području postiľe najpovoljniji kut ustrujavanja plinova. To nije sve. Promjenom geometrije statora sprječava se lokalno probijanja 'zvučnog zida' na vrhu lopatica rotora. 

Naime, kad je relativna brzina na ulazu u rotor velika, tada ona na profilu lopatice moľe doseći brzinu zvuka, kad nastaje nepravilno vrtloženja i zagušenja toka ispušnih plinova na ulazu u rotor, uz znatno povećanje otpora (smanjenje učinkovitosti).

Potrebne korekcije geometrije (zakretanje lopatica statora) postižu se polužnim mehanizmom spojenim na membranski sklop koji reagira na porast tlaka plinova na izlasku iz kompresora. U statoru se stvara tzv. 'venturijev efekt' strujanja plinova, čime se postiže njihovo ubrzavanje i dodatno povećanje učinkovitosti kompresora. 

Prednosti turbopunjača promjenljive geometrije najuočljiviji su pri nižim turažama motora. Pri 1500/min klasični turbokompresor postiľe punu učinkovitost nakon 5,2 sekunde, a promjenljivi nakon 3,7 sekunda. Još je veća razlika u radnoj karakteristici...

Naime,izmjenom geometrije statora postiže se gotovo linearni prirast tlaka punjenja, što povoljno utječe na radnu karakteristiku motora. Ugradnjom turbokompresora promjenljive geometrije dizelski motor s prednabijanjem postaje elastičniji i ekonomičniji. 


Zadržavanjem optimalnih radnih parametara motora u širem području, potrošnja goriva smanjuje se za 5 do 10 posto. 

No ta je tehnologija najprije isprobana u benzinskom motoru. Ograničena serija Honde Legend 2.0 V6 sa 190 KS, za američko tržište 1988.je  opremljena je prvim turbopunjačem promjenjive geometrije (sa zakretnim krilcima statora turbine).

Fiat Croma Turbo D i.d. s 94 KS iz 1929 ccm i 94 KS iz 1991. prvi je dizelski automobil s turbopunjačem promjenjive geometrije, koji je povećao elastičnost i 'dao krila' dizelašima. Nakon što se, ipak prije, dokazao u dizelskim motorima, turbopunjač promjenjive geometrije omogućio je ubojite performanse Porscheu 911 Turbo. 

Budući da sportski benzinski motor ispuhuje plinove užarene i na više od 1000°C trebalo je konstruirati novu generaciju turbopunjača promjenjive geometrije. Najopterećeniji dijelovi izrađeni su od skupocjenih visokootpornih materijala (sinterirani tvrdi metali, keramika...) i obrađeni specijalnim postupcima. 

U usporedbi s dizelašima turbopunjači su većih dimenzija i kapaciteta te se vrte do 160.000/min (kod dizelaša 220.000/min, kod malih i više). Zbog svega toga bilo je potrebno temeljito hlađenje motora (time se posredno smanjuju i temperature ispušnih plinova) te su dva velika hladnjaka rashladne tekućine smještena u prednjem dijelu karoserije.


Pri nižim brzinama vrtnje motora (desno-gore) lopatice turbinskog statora su više zatvorene te se kroz smanjeni presjek ubrzava brzina strujanja ispušnih plinova i povećava snaga na turbinskom kolu (umnožak pogonskog momenta i brzine vrtnje), kojim pokreće kompresor. Pri višim brzinama vrtnje motora (desno-dolje) lopatice se otvaraju te se povećava ulazni presjek za ispušne plinove

ZAKLJUČCI

Ugradnjom turbokompresora promjenljive geometrije dizelski i benzinski motor postaje znatno elastičniji, a time i ekonomičniji. Potrebni tlak prednabijanja postiže se ranije, a povoljni radni parametri motora zadržavaju u širem području broja okretaja.   

Osnovna ideja ovog koncepta je u mijenjanju smjera ulaznih plinova u rotor turbine zakretanjem statorskih lopatica. Tako se kompenzira promjena obodne brzine ispušnih plinova na rotoru i u cijelom radnom području postiže najpovoljniji kut ustrujavanja plinova.