Wszystko co chcielibyście wiedzieć o Turbo, ale brakuje Wam powietrza żeby zapytać.

Stosowanie turbosprężarek w pojazdach użytkowych ma rzeszę swoich zwolenników, jak i grono zagorzałych oponentów. Jak to mówi pewna ludowa mądrość:

gdzie Polaków dwóch – tam trzy punkty widzenia.

W tym wpisie postaram się przybliżyć nieco zasadę działania turbosprężarki oraz wyjaśnić skąd rodzą się te zbieżne opinie na jej temat. Zatem dmuchamy:

Czym zatem jest to diabelskie urządzenie?

Turbosprężarka jest maszyną wirnikową składającą się z turbiny (tzw. gorąca część) i sprężarki (tzw. chłodna część) osadzonych na wspólnym wale – stąd nazwa turbosprężarka. Służy do doładowania silnika spalinowego, albo kotła parowego. Turbina zasilana jest spalinami z silnika, a sprężone powietrze przez sprężarkę zasila silnik. Do cylindra wprowadzona jest większa ilość powietrza dzięki czemu wzrasta moc silnika, większy jest też stopień sprężania dzięki czemu rośnie sprawność całego układu. Innymi słowy turbosprężarka to urządzenie, które stosuje się przede wszystkim w celu zwiększenia mocy jednostki napędowej. Ma ona za zadanie odzyskać energię spalin i wykorzystać ją do wtłaczania do silnika większych ilości powietrza.

Idea turbosprężarki sprowadza się do zasady, iż większa ilość powietrza i paliwa w cylindrze uwalania więcej energii w czasie spalania. Turbina napędzana jest energią spalin, które po drodze natrafiają na wirnik, połączony wałkiem z wirnikiem sprężarki, wprowadzając go w ruch obrotowy. Kształt wirnika umożliwia zasysanie powietrza z atmosfery, a następnie jego sprężanie i skierowanie w stronę kolektora dolotowego. Dzięki temu do silnika trafia więcej powietrza. To z kolei umożliwia spalanie w tej samej objętości komory znacznie większej ilości paliwa, zwiększając tym samym moc silnika.

Turbosprężarka składa się z turbiny, czyli tzw. gorącej części (na fotografii – widoczna część z prawej strony na pomarańczowo – 7) i sprężarki, tzw. chłodnej części (na fotografii z lewej strony, na niebiesko – 1), których wirniki są sztywno połączone wspólnym wałem.

Skompresowane i wyrzucone przez sprężarkę powietrze (2) zostaje ochłodzone przez chłodnicę doładowanego powietrza (3) i wprowadzone do komory spalania (4). Podane przez wtrysk paliwo w połączeniu z zimnym powietrzem, które podane zostało pod ciśnieniem nadaje energii tłokowi, który powoduje pracę silnika. W wyniku spalania się paliwa – spaliny wydostają się z komory (5) i zassane zostają oraz pod ciśnieniem wyrzucone do kolektora wydechowego przez gorącą część turbosprężarki (7).
TURBOSPRĘŻARKA Z OZNACZONYM PRZEPŁYWEM POWIETRZA ZIMNEGO I CIEPŁEGO. WIDOCZNE WIRNIKI ORAZ WAŁ. (FOT. PORSCHE)

*** Powietrze może być kierowane prosto do kolektora dolotowego. Jednak w większości samochodów, szczególnie w nowoczesnych konstrukcjach, stosowany jest intercooler, w którym rozgrzane po sprężaniu powietrze jest ponownie chłodzone przed wprowadzeniem do komory spalania.

Co autor miał na myśli?

Już w latach 80-tych XIX wieku Rudolf Diesel próbował przez doprowadzenie sprężonego powietrza do komory spalania – zwiększyć jego moc.

W 1905r. Szwajcar Alfred Büchi wynalazł pierwszą turbosprężarkę napędzaną spalinami a w 1925 roku jako pierwszy połączył turbodoładowanie z wydechem spalin dzięki czemu uzyskał ponad 40% więcej mocy! Dzięki temu, iż wynalazek ten pozwolił znacząco zwiększyć moc dużych niskoobrotowych jednostek, wkrótce wykorzystano go także w lotnictwie. Jeśli chodzi o pojazdy „naziemne”, turbodoładowanie pojawiło się najpierw w samochodach ciężarowych (rok 1938), których silniki diesla nie wymagały skomplikowanej regulacji turbosprężarki. Na początku lat 60-tych XX wieku po raz pierwszy przemysł motoryzacyjny USA wprowadził w seryjną produkcję – turbosprężarki. Chevrolet Corvair Monza i Oldsmobile Jetfire otrzymały zaszczytne miejsce w historii jako pierwsze seryjne samochody cywilne z doładowaniem turbo.

W latach siedemdziesiątych dużą popularność zdobyło wprowadzenie turbosprężarek do zawodów Formuły 1. W samochodach osobowych powszechne stosowanie turbosprężarki rozpoczęło się w 1973 roku. Od tego czasu w dziedzinie turbodoładowania następuje postęp, a za przełom przyjmuje się rok 1991. Wówczas jeden z największych producentów turbosprężarek do silników spalinowych – firma „Garrett” należąca do koncernu „Honeywell”, wprowadziła do produkcji turbosprężarkę ze zmienną geometrią.

VNT/VTG – zmienna geometria

Turbosprężarka VNT/VTG jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem w pojazdach. Jej inna nazwy to: turbosprężarka ze zmienną geometrią lub z kierownicami spalin. Technologia ta pozwala na najlepsze i najefektywniejsze wykorzystanie energii spalin. Za sprawą tego modelu wyeliminowano efekt “turbo-dziury”, który występuje w jednostkach napędowych starszego typu. Za sprawą zmiennej geometrii, osiągi silników znacznie się poprawiły.

Inne rodzaje turbosprężarek

“Wastegate” – turbosprężarka z zaworem upustu spalin

Wastegate jest to zawór upustu spalin. Turbosprężarki w niego wyposażone mają możliwość regulacji doładowania. Jest to specjalna klapka w części wydechowej turbosprężarki, która przy odpowiednim wychyleniu wypuszcza część spalin, zmniejszając ich ilość trafiającą na wirnik. Najczęściej jest stosowana w silnikach benzynowych.

Bypass

Przypatrzcie się jeszcze części zimnej turbosprężarki (zaznaczonej na niebiesko na rysunku). Jest tutaj tak zwany bypass. Co to i po co to? Załóżmy, że przyspieszasz – silnik jest wkręcony na obroty i z jakichś powodów zdejmujesz nogę z gazu (przy zmianie biegu albo przy zaistniałej sytuacji na drodze). Przepustnica się zamyka, ale turbina jest rozpędzona i nadal spręża powietrze. By uchronić przepustnicę przez zniszczeniem wskutek wzrostu ciśnienia (z drugiej strony przepustnicy tworzy się podciśnienie), wymyślono sprytny zawór, który mierzy różnicę ciśnień przed i za przepustnicą i jak jest zbyt duża, to się otwiera i wypuszcza nadmiar powietrza do kolektora dolotowego. Jednak ludzie kochający tę właściwość turbosprężarek stwierdzili, że wypuszczanie ciśnienia do dolotu jest bezproduktywne i nijakie. Wymyślono więc…

BOV

Czyli Blow Off Valve. Zawór ten jest montowany w miejsce zaworu bypass po zaślepieniu otworu w kolektorze dolotowym i wyrzuca nadmiar powietrza do atmosfery. Czy jest to bezproduktywne? Tak – równie dobrze mógłby kierować go do kolektora dolotowego. Zatem co jest szczególnego w BOV? Otóż jest nim sposób, w jaki ten zawór upuszcza ciśnienie. A sposób ten jest dość spektakularny i brzmi on tak:

Anti-Lag

Generalnie zasada wydawałaby się oczywista – im większa sprężarka, tym lepiej. Jednak większa sprężarka zaczyna kręcić się później i gdy jeszcze nie pracuje, powstaje efekt turbodziury. Efekt ten jest szczególnie dokuczliwy w samochodach biorących udział we wszelkiego rodzaju rajdach i wyścigach. Tam poradzono sobie z tym w dość spektakularny sposób. Mianowicie po zamknięciu przepustnicy do kolektora wylotowego (przed turbiną) dodawana jest mieszanka paliwa i powietrza. Paliwo zapala się samoczynnie pod wpływem ciepła, jakie panuje w kanale. Dzięki temu podtrzymywana jest prędkość obrotowa sprężarki i po dodaniu gazu lub po zmianie biegów nie występuje zjawisko turbodziury. Ten system nazywa się Anti-Lag.

A w związku z tym, że Anti-Lag jest zabroniony na drogach publicznych, to inżynierowie musieli sobie poradzić w inny sposób, chociażby poprzez zamontowanie dwóch turbinek. 

BiTurbo

BiTurbo to równoległe doładowanie silnika wykorzystywane głownie w silnikach o dużej pojemności i mających zazwyczaj więcej niż cztery cylindry. W tym rozwiązaniu używa się dwóch turbosprężarek pracujących względem siebie równolegle. Każda z turbin doładowuje swoją część cylindrów. BiTurbo może być stosowane w rzędowych jednostkach napędowych, o ile silnik posiada parzystą liczbę cylindrów oraz powinno być wykorzystywane w doładowaniu silników widlastych.

Zadaniem rozwiązania BiTurbo jest zastąpienie jednej dużej turbosprężarki dwoma mniejszymi, które pracują w identyczny sposób, przez co czas reakcji silnika na otwarcie przepustnicy jest o wiele krótszy (minimalizowanie tzw. zjawiska turbodziury). System BiTurbo jest charakterystyczny szczególnie dla jednostek napędowych o większej pojemności skokowej (ponad 2500 cm3).

Doładowanie równoległe w silniku benzynowym V8 BMW (fot. BMW)
TwinTurbo

TwinTurbo to tzw. doładowanie sekwencyjne, gdzie pracują dwie całkiem inne turbiny (mniejsza i większa), włączające się sekwencyjnie. Mniejsza turbosprężarka pracuje na niskim zakresie prędkości obrotowych silnika, działając najbardziej efektywnie od 1500-1800 obr./min do 2500-3000 obr./min. W momencie, gdy jednostka napędowa osiągnie takie wartości, stopniowo załącza się druga, większa turbosprężarka. Zazwyczaj w układzie TwinTurbo mniejsza turbina pracuje w pełnym zakresie obrotów wspomagając pracę większej lub też wyłącza się, gdy osiągnięty zostanie określony poziom obrotów silnika, a główna rolę przejmuje wówczas większa turbina.

Doładowanie sekwencyjne w 6-cylindrowym silniku Diesla BMW (fot. BMW)

Rozwiązanie TwinTurbo jest wykorzystywane zarówno w małych jednostkach napędowych, których pojemność nie przekracza dwóch litrów, jak i w dużych motorach wielocylindrowych. W przeciwieństwie do układu BiTurbo, gdzie konieczna jest parzysta ilość cylindrów oraz pojemność silnika na poziomie co najmniej 2,5 litra, system TwinTurbo jest bardziej elastyczny i możliwy do zastosowania praktycznie w dowolnym silniku samochodowym.

Zarówno BiTurbo, jak i TwinTurbo doskonale sprawdzają się w określonych modelach jednostek napędowych. Doładowanie sekwencyjne umożliwia osiągnięcie szerszego zakresu efektywnego ciśnienia doładowania, natomiast doładowanie równoległe pozwala na wydajniejszą i szybszą reakcje silnika na dodanie gazu. Oba rozwiązania działają lepiej niż pojedyncza turbosprężarka, ponieważ skutecznie zmniejszają zjawisko turbodziury. Doładowanie sekwencyjne jest używane często w mniejszych motorach i raczej wysokoprężnych, a doładowanie równoległe w większych, zwykle benzynowych.

W ramach radzenia sobie z turbodziurą wymyślono również układ Twin Scroll.

Twin Scroll

Twin Scroll jest rozwiązaniem konstrukcyjnym, polegającym na innym od standardowego kształtu wirnika turbiny oraz sprężarki. Warto wspomnieć o zmienionym kształcie obudowy turbiny, który w tym rozwiązaniu jest dwudzielny. Służy to lepszemu wyizolowaniu napływających pulsacyjnie gazów wydechowych.

Zjawisko pulsacji spalin zostało uporządkowane za pomocą dwóch przegród ulokowanych wewnątrz obudowy. Za utrzymywanie zadanego ciśnienia między górną a dolną częścią turbiny odpowiedzialny jest zawór upustowy. W tym rozwiązaniu konstruktorzy zastosowali także inny kształt kolektora wydechowego, który podzielony jest na dwie części. Rozwiązanie przyniosło duże korzyści w postaci znacznie skróconego czasu reakcji turbosprężarki na zmianę obciążenia. Twin Scroll pozwala na maksymalne skrócenie czasu pracy turbosprężarki, co jest bardzo istotne podczas procesu napełniania silnika świeżym ładunkiem powietrza pod stałym ciśnieniem. Dzięki podzieleniu obudowy turbiny i kolektora wydechowego na dwie części, praca turbosprężarki stała się o wiele bardziej płynna w całym zakresie prędkości obrotowych silnika.

“Free float” – swobodny przepływ

Turbosprężarka ta nie ma zaworu sterującego, dlatego też wszystkie spaliny opuszczają jednostkę napędową i trafiają bezpośrednio na wirnik turbiny. Ciśnienie w tymże modelu jest zależne tylko i wyłącznie od wielkości wirnika i koła kompresji. Zwykle “Free float” spotyka się w maszynach roboczych i pojazdach ciężarowych.

No dobrze, jeśli chcemy “wyczerpać temat” to muszę w tym miejscu jeszcze wspomnieć o rozwiązaniu, które nazwano kompresorem. O ile turbosprężarka zaprzęga do pracy efekt uboczny procesu spalania (spaliny), o tyle kompresor jest napędzany przez wał korbowy silnika. Ma to swoje zalety i wady. Zaletą jest liniowy przyrost mocy, brak turbodziur oraz wszelakiego rodzaju przeładowań. Jego moc jest dostępna zawsze i zależy tylko i wyłącznie od aktualnej prędkości obrotowej silnika. Wady są dwie. Kompresor nie jest tak wydajny jak turbo oraz obciąża silnik, czyli zabiera część mocy, którą produkuje, a także generuje dodatkowe kilogramy wagi.

Kompresor może być połączony z wałem korbowym za pomocą kół zębatych, łańcucha lub paska. Jest prosty w naprawie, nie ma części gorącej narażonej na ekstremalne skoki temperatur, pracuje w lekkich warunkach.  W praktyce działa on tak: 

Odpowiadając na potencjalne pytanie: TAK, możliwe jest zastosowanie w jednym silniku zarówno kompresora, jak i turbosprężarki.

Leo, why?

Skoro już ustaliliśmy, że turbosprężarki pozwalają zwiększyć moc w pojeździe, a moc równa się lepsze osiągi, a te z kolei potrzebne są chociażby w motorsporcie, to zasadnym pozostaje pytanie dlaczego we współczesnych silnikach montuje się to rozwiązanie do aut masowo produkowanych. 

W przypadku wykorzystania turbosprężarki w samochodach osobowych producenci kierują się kwestiami ekonomii i ekologii niż osiągów. Efektami pośrednimi, uzyskanymi przez doprowadzenie większej ilości powietrza do silnika są: zmiana kształtu charakterystyki jednostki napędowej, redukcja emisji szkodliwych substancji oraz generalnie zmniejszenie zużycia paliwa. Podobnie jest w przypadku Diesli, gdzie powszechnym stało się stosowanie turbodoładowania. Silniki Diesla ze względu na swoją konstrukcję mają mniejszą wydajność, więc aby osiągnąć moc porównywalną z silnikiem benzynowym o tej samej pojemności musiałyby być znacznie większe i cięższe. To wpłynęłoby znacząco na wzrost spalania i zwiększenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery.

Czyli same plusy? – mówię “sprawdzam”…

Turbosprężarka bywa skomplikowanym mechanizmem narażonym na działanie ogromnych sił i bardzo wysoką temperaturę. Wirnik turbiny kręci się z prędkościami dochodzącymi do 200 000 obr/min, a w silnikach benzynowych przepływające spaliny osiągają temperaturę w okolicach 900°C.

Tak ekstremalne warunki pracy wymagają stosowania odpowiednich środków smarnych. Należy zatem bezwzględnie przestrzegać zaleceń producenta odnośnie rodzaju i klasy lepkości oleju stosowanego w silniku, gdyż często zbierają się w nim opiłki metalu, co z kolei przekłada się na szybsze zużycie turbosprężarki. Otwory w łożyskach są małe i szybko mogą się przytkać, co spowoduje braki w smarowaniu i szybsze zatarcie. Nie warto zatem zwlekać z wymianą oleju. Wielu kierowców stawia na przeglądy tak zwane “long life”, czyli wymianę oleju co dwa lata, bądź co trzydzieści tysięcy kilometrów. Warto jednak wymieniać olej nawet częściej niż przewiduje producent. Z pewnością nie zaszkodzi to naszemu autu.

Przy wymianie oleju należy też pamiętać o filtrze. Warto jednak postawić na droższe produkty, gdyż tańsze ograniczają przepustowość oraz stopień filtracji. Nie wytrzymują one również eksploatacji, co w efekcie może – poniekąd – doprowadzić do zatarcia turbosprężarki.

Nie powinniśmy też przesadzać z tzw. “ekodrivingiem”, czyli jazdą na niskich obrotach pod dużym obciążeniem. Szkodzi to bowiem silnikowi oraz turbosprężarkom z układami zmiennej geometrii. Po pewnym czasie skutki ekodrivingu można zauważyć przy zablokowanej kierownicy spalin, co jest efektem zarzucenia jej złogami spalin i zablokowania.

Po uruchomieniu silnika należy chwilę rozgrzać go na biegu jałowym, aby olej silnikowy dotarł w każdy jego zakątek, a w szczególności do turbiny. Z kolei po zakończeniu jazdy, w czasie której silnik długotrwale pracował na relatywnie wysokich obrotach (np. szybka jazda po autostradzie) nie powinno się od razu wyłączać silnika. Turbina bowiem musi wyhamować i zmniejszyć wysokie obroty. Po zgaszeniu dochodzi do odcięcia dopływu oleju, jednak wirnik nadal się kręci jeszcze przez kilkadziesiąt sekund. Należy zatem pozwolić jednostce napędowej popracować chwilę na wolnych obrotach.

Clou programu.

Na początku tego artykułu zawarłem pewną ludową prawdę (no dobrze, kiedyś przyszła mi na myśl taka sentencja i po prostu ją uskuteczniam), którą chciałbym teraz podeprzeć innym branżowym i jakże wyczerpującym stwierdzeniem:

Kto jak dba – tak ma

Stąd bywa, że po zakupie auta z turbosprężarką nowi właściciela borykają się z serią awarii, a ich miłość do tego typu rozwiązań przemija wraz z pierwszym rachunkiem za naprawę. Podobne doświadczenia mogą mieć osoby, które nieumiejętnie obchodzą się z tym urządzeniem i nie przestrzegają zasad regularnych serwisów i konserwacji. Częstym rozwiązaniem jest wówczas wystawienie swoich “czterech kółek” na sprzedaż i koło się zamyka. 

Ale przecież jest jeszcze kwestia ekologii. Producenci zostają postawieni pod ścianą i muszą sprostać wyśrubowanym regulacjom unijnym dotyczącym emisji i składu spalin.  To przekłada się na zmniejszanie pojemności jednostek napędowych i powszechne stosowanie turbosprężarek. Silniki o małych pojemnościach z dwiema, czy nawet trzema turbinami są współcześnie praktykowane. Nie będę w tym miejscu rozpisywać się na temat relacji: Unia vs Producenci, ani dywagował na temat trwałości takich jednostek, ich eksploatacji, kosztów serwisowania i remontowania. Staram się jedynie wskazać, skąd mogą wynikać różnice zdań i kontrowersje wokół układów z turbosprężarkami.

 

Życzę bogatych mieszanek.