Doładowanie
W obecnie projektowanych jednostkach napędowych coraz powszechniej stosuje się doładowanie, którego podstawowym zadaniem jest poprawa parametrów pracy silnika, a w szczególności zwiększenie mocy i momentu obrotowego.
Pierwsza próba wstępnego sprężania powietrza odbyła się pod koniec XIX wieku, zaraz po powstaniu silników spalinowych. Zakres zastosowania takiego rozwiązania był dosyć ograniczony – sprężanie powietrza odbywało się w dużych silnikach statków oraz samolotów. Pierwsze udane użycie turbosprężarki miało miejsce w roku 1925 w Szwajcarii. Dokonał tego Alfred Büchi, który kilka lat wcześniej opracował ową metodę. W samochodach, jak powszechnie się przyjmuje, turbodoładowanie po raz pierwszy pojawiło się w 1938 roku i zostało opracowane przez szwajcarską firmę Swiss Machine Works Saurer. Rozwiązanie wykorzystano w pojazdach ciężarowych, do aut osobowych trafiło ono dopiero na początku lat sześćdziesiątych – na przełomie 1962/63 roku turbosprężarkę użyto w modelach Chevrolet Corvair Monza i Oldmobile Jetfire.
Zasada działania
Obecnie stosowane rozwiązania zasadniczo nie odbiegają od tego opracowanego 100 lat temu. Praca turbosprężarki polega na zwiększeniu ciśnienia powietrza wpadającego do silnika przez wykorzystanie energii wydalanych spalin. Turbina turbosprężarki, poprzez wykorzystanie energii gazów spalinowych, jest wprowadzana w ruch, przez co napędza sprężarkę, która wtłacza dodatkowe powietrze do silnika. Turbina i wirnik znajdują się na jednej osi, a powietrze rozdzielane jest równo do wszystkich cylindrów jednostki napędowej. Dzięki temu do komory spalania wtłoczona zostaje większa ilość tlenu, co pozwala na spalenie większej ilości paliwa, a to bezpośrednio przekłada się na wzrost mocy silnika.
Kompresor
Innym rozwiązaniem doładowującym, zwiększającym ciśnienie pracy silnika, jest kompresor. Zasada jego działania jest zbliżona do zasady pracy turbosprężarki, jednak wirnik sprężarki nie jest napędzany gazami spalinowymi, a przez wał korbowy silnika, który połączony jest paskiem napędowym z wirnikiem. Zarówno turbina, jak i kompresor posiadają swoje wady i zalety.
Kompresor wyróżnia się liniową charakterystyką i poprawą pracy silnika już od pierwszych obrotów. Działanie turbiny natomiast jest odczuwalne dopiero po osiągnięciu wyższych obrotów i po wytworzeniu w układzie większego ciśnienia (tzw. turbodziury). Jednak z uwagi na wyższą efektywność i możliwość generowania większego ciśnienia doładowania, a tym samym większych przyrostów mocy, popularniejsza stała się turbosprężarka.
Popularność
Ogromna popularność turbosprężarek nie jest zasługą samochodów sportowych (tam powszechnie używano tego rozwiązania), a wymuszonej ekonomii. Na początku zajęto się jednostkami dieslowskimi, które już zgodnie z założeniami konstrukcyjnymi są zdecydowanie mniej wydajne niż benzynowe. Aby móc konkurować z benzynowcami, diesle musiałyby być większe i cięższe, dlatego turbosprężarki znalazły powszechne zastosowanie w wysokoprężnych jednostkach.
Kolejnym krokiem, właściwie oczywistym, stało się zastosowanie turbosprężarek w silnikach benzynowych. Następnie użyto podwójnego turbodoładowania, które polega na włączeniu do pracy małej, a następnie większej turbosprężarki.
Działanie podwójnego turbo
Początkowo praca turbosprężarki odbywa się szeregowo, do około 1 800-2 000 obrotów na minutę. Działa wtedy mała turbosprężarka, przez którą przechodzą spaliny, następnie kierowane do większej turbiny. Przy zwiększeniu obrotów do zakresu 1 800-3 000 obr./min w sposób płynny otwierana jest przepustnica łącząca kolektor wydechowy z wirnikiem dużej turbiny. Gazy spalinowe zaczynają być rozprowadzane równolegle, co zwiększa wydajność wirnika drugiej sprężarki. Przy tych obrotach praca silnika jest maksymalnie wydajna. Zwiększanie obrotów powyżej 3 000 obr/min powoduje całkowite przejęcie pracy dużej turbosprężarki.
Rozwiązania z podwójnym turbodoładowaniem sprawdzają się w przypadku większych pojemności silnika (powyżej 2,5 l) i są stosowane celem zapewnienia jak najbardziej liniowej charakterystyki pracy jednostki napędowej.
Intercooler
Intercooler to – jak sama nazwa wskazuje – chłodnica powietrza doładowującego, która znajduje się pomiędzy motorem a turbosprężarką. Schładzanie powietrza wprowadzanego do układu silnika ma na celu przywrócenie i zwiększenie gęstości, która obniżyła się, gdy powietrze zostało ogrzane podczas fazy sprężania. Zwiększona gęstość powietrza pozwala na zwiększenie mieszanki paliwowej i uzyskanie lepszej efektywności pracy silnika.
Budowa intercoolera zbliżona jest do budowy chłodnicy płynu, jaką znajdziemy w każdym samochodzie. Trudność stosowania tego podzespołu polega na skomplikowanym układzie dolotowym, uzyskaniu odpowiedniej pojemności cieplnej intercoolera oraz spadku ciśnienia powietrza, co przekłada się na efekt końcowy.
Ochrona turbosprężarki
Choć konstrukcyjnie turbosprężarka jest dosyć prostym mechanizmem, to wymaga precyzyjnego wykonania i działania. Jej praca odbywa się w bardzo wysokich temperaturach (w przypadku silników benzynowych mogą to być wartości rzędu 900°C), a jej wirnik może kręcić się z prędkością około 200 000 obr/min. Turbosprężarka smarowana jest olejem silnikowym, dlatego należy pamiętać o regularnym uzupełnianiu poziomu oleju w jednostce napędowej. Ważne jest również, by po uruchomieniu silnika odpowiednio go rozgrzać, celem zagwarantowania odpowiedniego rozprowadzenia oleju. Natomiast po dynamicznej jeździe na wysokich obrotach nie należy natychmiast przerywać pracy jednostki napędowej – zalecane jest odczekanie kilkunastu sekund, by schłodzić i wyhamować obroty turbiny. Przy eksploatacji silnika z turbosprężarką ważna jest również regularna wymiana filtra powietrza, aby zapobiegać zasysaniu do układu drobinek i pyłów, które mogą dostać się do wnętrza turbiny.
Zakup pojazdu z turbiną
Z uwagi na powszechność stosowania turbosprężarek we współczesnych pojazdach właściwie jesteśmy skazani na ich obecność. Decydując się na zakup pojazdu wyposażonego w tego typu rozwiązanie, musimy zwrócić uwagę na stan turbiny. Oznaką jej zużycia będzie duży ubytek poziomu oleju oraz spadek mocy. Te symptomy trudno jednak zweryfikować podczas krótkich oględzin. Niepokojące mogą okazać się również nadmierne zabrudzenia lub idealna czystość turbiny.
Skuteczna kontrola powinna odbyć się w specjalistycznym warsztacie, w którym można przeprowadzić pomiar ciśnienia doładowania. Użytkując pojazd z turbosprężarką na co dzień, uszkodzenia tego podzespołu zauważymy poprzez utratę mocy silnika, objawiającą się spóźnioną reakcją turbiny na dodanie gazu. Awaria turbo nie jest tragedią. Często wystarcza jej rozebranie i dokładne umycie z licznych zanieczyszczeń powstałych z powodu złej eksploatacji. Jeżeli jednak te działania nie okażą się skuteczne, możemy zdecydować się na regenerację turbo w wyspecjalizowanym warsztacie. Zabieg polega na wymianie wszystkich, wewnętrznych podzespołów przy zachowaniu obudowy.
autor: Grzegorz Surowiec, zdjęcia: archiwum, producenci
