Turbopunjač, sklop turbine i kompresora povećava učinkovitost i smanjuje potrošnju, u usporedbi s jednako snažnim usisnim motorom. Poboljšao je performanse i unaprijedio konstrukciju motora, omogućivši da za istu snagu bude manji i lakši

Prvi automobil s turbomotorom bio je Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket V-8 iz 1962., a iste godine slijedio ga je Chevrolet Corvair Monza Spider. Na europskom tržištu prvi je bio BMW 2002 turbo iz 1973., kojemu je snaga sa 100 KS, odnosno 120 KS (‘ti’) i 130 KS (‘tii’) povećana na 170 KS. Porsche 911 turbo s 301 KS stiže 1975. Prvi uspjeh na europskom tržištu postiže Saab 99 turbo iz 1977.

Priča s turbopunjačem počinje 6. studenoga 1905., kad je švicarski inženjer Alfred Büchi, u njemačkom Carskom patentnom uredu (Kaiserliche Patentamt), dobio patent No. 204630 za uređaj za prednabijanje motora s unutrašnjim izgaranjem. Nije ni slutio da otvara novo poglavlje u razvoju klipnih motora.

Turbopunjač je sklop turbine koja se pokreće strujom ispušnih plinova (crveno) te preko vratila daje snagu za pogon kompresora, odnosno zračne pumpe, koja nabija zrak, odnosno gorivnu smjesu u cilindre. Foto: Quentin Schwinn (NASA)

Tako je omogućena njihova primjena u zrakoplovima, jer na velikim visinama u razrijeđenom zraku klipni motor ne bi mogao normalno raditi bez prednabijanja. Prvi turbobenzinski motor izradila je 1919. američka tvrtka General Electric i ugradila ga u dvokrilac LePere biplane.

Taj zrakoplov 1920. postiže visinski rekord od 10.093 m (33.113 ft). Uskoro počinje ubrzan razvoj avionskih turbomotora, koji su znatno poboljšali manevarska svojstva i performanse, posebice na velikim visinama. Kod klasičnih (usisnih) motora u prvom taktu usisni plinovi ustrujavaju u cilindre kroz otvorene usisne ventile.

Usisavanje se završava u donjoj mrtvoj točki, kad se u cilindru postiže tlak od 0,1 (prazan hod) do 1,0 bara (puno opterećenje). U drugom taktu klip stlačuje nestlačenu ili razrijeđenu smjesu plinova. Kod motora s prednabijanjem se tijekom prvog takta u cilindar nabijaju plinovi pod tlakom, te se u donjoj mrtvoj točci postižu znatno viši tlakovi.

Prirast tlaka – 0,5 ili 0,6 bara (kat i više) naziva se tlakom pretpunjenja ili prednabijanja. Klip naknadno stlačuje već djelimice stlačenu smjesu plinova, što znatno povećava performanse motora.

U drugoj polovici 1920-ih, u automobilskim utrkama, masovno sui se počeli koristiti motori s prednabijanjem i mehaničkim kompresorima, a automobilska turbo-era počinje 1962. A sad malo teorije: turbopunjač se sastoji od turbine i punjača (puhala) smještenih na zajedničkom vratilu.

Turbina se pokreće kinetičkom energijom ispušnih plinova i pokreće punjač. Ako punjač stvara prirast tlaka do 80 posto riječ je o puhalu, a preko toga o kompresoru. Kod turbo-motora se u pravilu se radi o sklopu turbine i puhala. To je turbinsko prednabijanje ili skraćeno – turbo?

Kod klasičnih, usisnih motora tijekom prvog takta usisni plinovi ustrujavaju u cilindre kroz otvorene usisne ventile. Usisavanje se završava u donjoj mrtvoj točki (DMT). Tada se u cilindru postiže veći ili manji podtlak, ovisan o koncepciji, brzini vrtnje i opterećenju motora. Kod benzinskih motora s usisnom zaklopkom podtlak je veći nego kod dizelaša sa slobodnim usisom.

Podtlak se također povećava smanjenjem brzine vrtnje i opterećenja. Benzinski (otto) motor u praznom hodu postiže razmjerno velik podtlak, na čije se stvaranje troši energija te se smanjuje učinkovitost motora i povećava potrošnja goriva.

Zbog toga su dizelaši ekonomičniji od benzinaca, znatno više kod malog opterećenja (u gradskoj vožnji), nego kod punog. Osnovna ideja turbo motora je da se tijekom prvog takta u cilindar nabiju plinovi pod tlakom te se u donjoj mrtvoj točki povisuje tlak – za 0,4 do 0,8 bara, kod sportskih motora i više. Taj se tlak naziva tlakom pretpunjenja ili prednabijanja.

Ako uređaj stvara prirast tlaka do 80 posto, radi se o puhalu, a kod većeg prirasta o kompresoru (u oba slučaja to su punjači). Automobilski motori u pravilu imaju turbopuhalo, odnosno turbopunjač.

Motori s turbinskim prednabijanjem su ekonomičniji od jednako snažnih klasičnih (usisnih) motora, jer se energija utrošena na turbini djelomice kompenzira manjim gubitkom energije na usisu.

Najveće se uštede postižu manjim gabaritima (motor je manji, lakši te stvara manje usisne gubitke) i manjim usisnim gubicima. Najpoznatiji proizvođači turbopunjača su njemački KKK (Kühnle, Kopp & Kauch) i američki Garrett.

KRONOLOGIJA
1962. – GM je u Oldsmobile Jetfire, potom i u Chevrolet Corvair Monza Spyder, ugradio benzinac 3.5 V8, koji je turbopunjačem Garrett T5, s max. tlakom 0,34 bara, pojačan na 215 KS
1973. – BMW 2002 Turbo, koji je bazni razvijao 100 KS, ‘ti’ s dvostrukim rasplinjačem 120 KS, ‘tii’ s mehaničkim ubrizgavanjem Kugelfischer 130 KS, turbopunjačem KKK dobiva 170 KS
1977. – Saab 99 Turbo, prvi europski visokoserijski turbo auto, je iz 1985 ccm izvukao 145 KS i 236 Nm, što mu je omogućilo špicu od 197 km/h i ubrzanje do stotke za 9,2 s 1980. – Mercedes-Benz 300 SD, prvi turbodizelaš: uspješna serija W126 je za američko tržište, 5-cilindarskog dizelaša obujma 2998 ccm pojačala na 122 KS za 175 km/h i 15 s
1977. – Renault doveo turbopunjač u Formulu 1
1979. – prvu pobjedu u utrci ostvario je J. P. Jabouille
1981. – Maserati Biturbo prvi ugradio dva turbopunjača, a njegov 2.0 V6 180 do 205 KS, izveden iz prethodnog V8 motora Formule 1, bio je i prvi motor s 3 ventila po cilindru
1981. – Honda CX 500 Turbo prvi je motocikl s turbomotorom: V2 s tekućinskim hlađenjem pojačan je s 48 na 82 KS te je s kardanskim prijenosom i 5 stupnjeva postizao 200 km/h
1982. – konstruktorski F1 naslov za Ferrari
1983. – vozački Piquet za Brabham-BMW
1988. – Ograničena serija Honde Legend 2.0 V6 za američko tržište opremljena je prvim turbopunjačem promjenjive geometrije (sa zakretnim krilcima statora turbine), za 190 KS
1989. – u Mazdu RX-7, ugrađen je turbopunjač s dva ulaza (twin-scroll), odnosno razdijeljenom turbinskom komorom, radi povećanja učinkovitosti korištenja dinamičkog tlaka ispušnih plinova
1991. – Fiat Croma Turbo D i.d. s 94 KS iz 1929 ccm i 94 KS prvi je dizelski automobil s turbopunjačem promjenjive geometrije, koji je povećao elastičnost i ‘dao krila’ dizelašima.
1993. – Toyota Supra je redni 6-cilindraš 3.0 opremila sklopom malog i velikog turbopunjača, s oznakom ‘twin-turbo’, umjesto ‘bi-turbo’, osiguravši uvjerljive performanse u širokom području okretaja
2005. – Peugeot 407 2.2 HDi je prvi u dizelski motor ugradio dva turbopunjača, što mu je osiguralo tada vrlo respektabilnih 170 KS i 370 Nm. Isti je dizelaš ugrađen u Ford Mondeo.
2012. – BMW M550d xDrive iskoračio je prvim motorom s tri turbopunjača. Redni 6-cilindraš obujma 2993 ccm s dva manja i jednim većim turbopunjačem nabijen je na 381 KS i 740 Nm
2016. – Premda je 4 turbopunjača 2005. prvi ugradio Bugatti Veyron 16.4, za tržišni iskorak smatra se kad je BMW M550d xDrive s dva mala i dva velika turba nabijen na 394 KS i 760 Nm.
2017. – Dizelaš 3.0 V6 TDI najveće snage 340 KS u Audiju RS 5 TDI kombinira klasično i strujom potpomognuto prednabijanje, što se kolokvijalno naziva električnim turbopunjače.