Turbosprężarka wykorzystuje energię spalin do wtłaczania większej ilości powietrza do cylindrów. Więcej tlenu pozwala spalić większą dawkę paliwa w tej samej objętości silnika, dzięki czemu można uzyskać wyższą moc bez zwiększania jego pojemności. W języku potocznym urządzenie często nazywa się „turbiną”, ale technicznie turbina jest tylko jego częścią.
Czym jest turbosprężarka samochodowa?
Turbosprężarka to układ dwóch wirników połączonych wspólnym wałem. Pierwszy z nich należy do turbiny i pracuje po stronie wydechowej, dlatego określa się ją jako stronę gorącą. Drugi znajduje się po stronie dolotu, czyli po stronie zimnej, i należy do sprężarki.
Spaliny opuszczające cylindry napędzają wirnik turbiny. Wał przekazuje jego ruch do wirnika sprężarki, który spręża powietrze zasysane z otoczenia. Do cylindrów trafia wtedy większa masa powietrza, a sterownik silnika może dobrać do niej większą dawkę paliwa. Rezultatem jest wzrost momentu obrotowego i mocy, choć sama pojemność skokowa jednostki pozostaje bez zmian.
Z czego składa się turbosprężarka?
Obie części urządzenia pracują w bardzo różnych warunkach. Strona gorąca ma kontakt z rozgrzanymi spalinami, natomiast strona zimna spręża powietrze w układzie dolotowym. Wirnik może osiągać bardzo wysoką prędkość obrotową, w niektórych konstrukcjach sięgającą około 200 000 obr./min. Dlatego turbosprężarka wymaga precyzyjnego wykonania, skutecznego smarowania i materiałów odpornych na temperaturę.
Najważniejsze elementy układu to:
- Wirnik turbiny – odbiera energię przepływających spalin i zamienia ją na ruch obrotowy.
- Wirnik sprężarki – zasysa oraz spręża powietrze kierowane do silnika.
- Wał – łączy oba wirniki i przekazuje napęd ze strony gorącej na zimną.
- Łożyska i kanały olejowe – umożliwiają obrót wału oraz doprowadzają olej silnikowy potrzebny do smarowania i chłodzenia.
- Obudowy turbiny i sprężarki – kierują przepływem spalin i powietrza, a przy tym muszą wytrzymywać wysoką temperaturę oraz ciśnienie.
- Intercooler – chłodzi sprężone powietrze przed jego wpuszczeniem do cylindrów.
Intercooler nie jest częścią samej turbosprężarki, lecz należy do układu doładowania. Sprężanie podnosi temperaturę powietrza, a cieplejszy gaz ma mniejszą gęstość. Po schłodzeniu w intercoolerze do cylindrów może trafić więcej tlenu w tej samej objętości, co poprawia warunki spalania.
Jak działa turbosprężarka krok po kroku?
W całym procesie energia przepływa od spalin do powietrza dolotowego. Obieg można przedstawić w następującej kolejności:
- Spaliny opuszczają cylindry i przepływają przez kolektor wydechowy w stronę turbiny.
- Strumień spalin uderza w łopatki wirnika turbiny, wprawiając go w szybki ruch obrotowy.
- Wał połączony z wirnikiem turbiny obraca wirnik sprężarki po stronie zimnej.
- Sprężarka zasysa powietrze przez filtr i układ dolotowy, a następnie zwiększa jego ciśnienie.
- Gorące, sprężone powietrze przepływa przez intercooler, gdzie oddaje część ciepła i zwiększa swoją gęstość.
- Schłodzone powietrze trafia do kolektora dolotowego, a następnie do cylindrów, w których może zostać spalona większa dawka paliwa.
Turbosprężarka nie wytwarza energii z niczego. Korzysta głównie z energii spalin, które w silniku wolnossącym zostałyby odprowadzone przez układ wydechowy. Większa ilość powietrza poprawia potencjał jednostki, ale jednocześnie zwiększa obciążenie cieplne i mechaniczne silnika. Z tego powodu ciśnienie doładowania musi być stale kontrolowane.
Jak kontroluje się ciśnienie doładowania?
Bez regulacji turbosprężarka mogłaby dostarczać zbyt dużo powietrza przy wysokim obciążeniu albo reagować zbyt słabo przy niskich obrotach. Stosuje się więc układy, które zmieniają ilość energii przekazywanej turbinie.
Wastegate to zawór upustowy, który może skierować część spalin obok wirnika turbiny. Gdy ciśnienie doładowania zbliża się do ustalonego poziomu, otwarcie zaworu ogranicza prędkość obrotową turbiny i zapobiega dalszemu wzrostowi ciśnienia. Sterowanie może odbywać się za pomocą siłownika pneumatycznego albo elektronicznego, zależnie od konstrukcji samochodu.
W turbosprężarkach ze zmienną geometrią, oznaczanych jako VNT lub VGT, za wirnikiem znajdują się ruchome kierownice spalin. Przy niskich obrotach ustawiają przepływ tak, aby spaliny skuteczniej napędzały wirnik. Przy większym obciążeniu zmieniają położenie i ograniczają zbyt gwałtowny wzrost ciśnienia. Takie rozwiązanie poprawia reakcję na gaz i może ograniczyć turbodziurę, czyli opóźnienie między wciśnięciem pedału przyspieszenia a wzrostem doładowania.
Niewłaściwe ciśnienie doładowania może mieć różne przyczyny i skutki:
| Zjawisko | Przyczyny | Skutki dla silnika |
|---|---|---|
| Przeładowanie | Zablokowany układ sterowania, niewłaściwa praca wastegate albo kierownic zmiennej geometrii | Wzrost temperatury i ciśnienia spalania, przeciążenie elementów silnika oraz ryzyko uszkodzeń mechanicznych |
| Niedoładowanie | Nieszczelność dolotu, problem z regulacją, zużycie turbosprężarki albo ograniczony przepływ powietrza | Spadek mocy, gorsza reakcja na gaz i możliwy wzrost zużycia paliwa |
Do popularnych konstrukcji należą także turbosprężarki Twin Scroll, w których podzielone kanały turbiny oddzielają strumienie spalin z poszczególnych cylindrów. Pozwala to lepiej wykorzystać impulsy spalin i ograniczyć opóźnienie reakcji. Turbosprężarka hybrydowa łączy natomiast rozwiązania różnych konstrukcji, zwykle w celu uzyskania określonej charakterystyki pracy.
Jak dbać o turbosprężarkę?
Największe znaczenie mają olej, temperatura pracy i czystość układu dolotowego. Kierowca nie kontroluje wszystkich parametrów sterownika, ale może ograniczyć warunki przyspieszające zużycie. Pomaga w tym kilka stałych zasad:
- Po uruchomieniu silnika odczekaj, aż olej zacznie prawidłowo krążyć, zanim wykorzystasz wysokie obroty i duże obciążenie.
- Po intensywnej jeździe pozwól jednostce spokojnie obniżyć temperaturę, zamiast natychmiast ją wyłączać.
- Stosuj olej silnikowy zgodny z wymaganiami producenta i wymieniaj go w terminach przewidzianych dla danego silnika.
- Wymieniaj filtr powietrza i sprawdzaj szczelność układu dolotowego, aby zanieczyszczenia nie dostały się do wirnika.
- Reaguj na nagły spadek mocy, nietypowy świst, gwizd lub zwiększone zużycie oleju, ponieważ mogą wskazywać na problem z układem doładowania.
Większa moc z mniejszej pojemności jest możliwa dzięki temu, że turbosprężarka zwiększa masę powietrza dostarczanego do cylindrów. Za cały efekt odpowiada współpraca strony gorącej, wału, strony zimnej, intercoolera i układu regulacji. Prawidłowa eksploatacja ma znaczenie, ponieważ szybki wirnik oraz jego łożyska są wrażliwe zarówno na brak smarowania, jak i na przegrzewanie.
