Turbosprężarka

Jak działa Turbo

Kiedy mówimy o samochodach wyścigowych lub szybkich samochodach drogowych często pojawia się temat "turbo doładowania". Turbiny zagościły również w dużych silnikach Diesla. Dzięki doładowaniu możemy podnieść moc silnika bez znaczącego podnoszenia jego wagi, co jest główną zaletą tego typu systemów, czyniąc je bardzo popularnymi w świecie motoryzacji.

W tym krótkim artykule, pozwolę sobie przedstawić jak doładowanie wpływa na podwyższenie mocy silnika podczas eksploatacji. Dowiemy się jaki wpływ na działanie turbiny ma wastegate, do czego służą łożyska, oraz po co stosuje się ceramiczne blaszki w turbinie itp.

Czym jest Turbodoładowanie?

Turbodoładowanie to system podnoszenia mocy w silnikach spalinowych. Głównym zadaniem turbiny jest zwiększenie ciśnienia powietrza wpadającego do silnika. Zaletą kompresji powietrza jest natomiast to ze więcej powietrza może dotrzeć do cylindra, a więcej powietrza oznacza możliwość dodania większej ilości paliwa. Dzięki temu uzyskujemy większą siłę z każdej eksplozji w cylindrze. Silnik z systemem doładowania jest silniejszy od tego samego silnika nie posiadającego doładowania. Poprawia to znacznie zależność miedzy mocą a wagą silnika.

Aby osiągnąć przyrost mocy, spaliny zasilają cześć wydechowa turbiny, przez co część pompująca może kompresować powietrze które dopiero ulegnie spaleniu w cylindrze. Wirnik turbiny potrafi kręcić się z prędkościami dochodzącymi do 150.000 obrotów na minutę - to około 30 razy szybciej niż większość silników samochodowych. Jednakże przez czas gdy turbina jest połączona z wydechem temperatura powietrza jest bardzo wysoka.

Podstawy

Wiadomo że, aby osiągnąć dużą moc w silniku należy zwiększyć dawkę mieszanki powietrzno paliwowej którą można spalić. Jednym ze sposobów aby to osiągnąć jest zwiększenie ilości cylindrów lub powiększenie już istniejących. Często jednak takie zmiany nie mogą być wykonane - turbodoładowanie jest na to rozwiązaniem! W prosty sposób dodaje mocy.

Turbina pozwala na spalenie więcej mieszanki paliwowo powietrznej poprzez "upchanie" jej do istniejących już cylindrów. Przeważnie turbina potrafi wytworzyć ciśnienie o 6-8 psi więcej od ciśnienia atmosferycznego (14.7psi). Oznacza to ze wzrost ciśnienia przy użyciu turbiny może wynosić nawet do 50%, przez co tyle samo więcej powietrza może dostać się do cylindrów. Jednak skuteczność ta nie jest za każdym razem taka sama.

Jednym z powodów mniejszej efektywności jest to ze siła obracająca turbinę nie jest darmowa. Montując turbinę w części wydechowej ograniczamy dosyć radykalnie układ wydechowy. Oznacza to że silnik musi pokonać ciśnienie zwrotne i nijako przepchnąć spaliny w głąb wydechu. Powoduje to ze mała część mocy uzyskanej w cylindrach jest od razu tracona na wydechu.

Turbo w górach

Turbina pomaga na dużych wysokościach, gdzie jak wiemy jest mniej powietrza. W zwykłych silnikach możemy odczuć utratę mocy na dużych wysokościach spowodowaną dopływem do każdego z cylindrów rzadszego powietrza. W silnikach turbo, wpływ rzadkiego powietrza jest mniejszy, ponieważ można je szybciej przepompować.

Starsze samochody z gaźnikiem automatycznie podnoszą ilość paliwa aby dopasować stosunek mieszanki paliwowo powietrznej wpadającej do cylindrów. Nowocześniejsze samochody z wtryskiem paliwa również to potrafią. System wtrysku paliwa oparty na czujnikach ilości tlenu znajdującego się w spalinach określa prawidłowość mieszanki i automatycznie ustala jej wielkość jeśli dodamy turbo.

W sytuacji gdy turbina pompuje zbyt duże ciśnienie do samochodu wyposażonego we wtrysk paliwa, system może nie zagwarantować wystarczającej ilości paliwa lub program obsługujący może być nie wystarczający, tudzież pompa posiada zbyt małą wydajność lub wtryski przestają być wydajne. W tym przypadku, musimy poczynić inne modyfikacje, aby osiągnąć maksymalny zysk z wprowadzonych zmian.

Jak to działa

Turbina jest połączona z wydechem. Spaliny z cylindrów napędzają turbinę, która jest połączona wałkiem z kompresorem ulokowanym miedzy filtrem powietrza, a dolotem. Kompresor ściska powietrze trafiające do cylindrów.

Gazy wydechowe z cylindrów natrafiają na blaszki turbiny, powodując jej ruch obrotowy. Im więcej spalin przechodzi przez część wydechową tym szybciej turbina się kreci.

Na końcu wału turbina jest połączona z kompresorem pompującym powietrze do cylindrów. Kompresor to w pewnym sensie pompa odśrodkowa. Wciąga powietrze kierując je na blaszki które wyrzucają je na zewnątrz podczas ruchu obrotowego.

Ponieważ turbina kreci się nawet z prędkością 150.000 obrotów na minutę, wał łączący jej dwa główne elementy musi być osadzony w specjalny sposób. Większość łożysk niewytrzymała by takich prędkości obrotowych dlatego w turbinach wykorzystuje się łożyska olejowe. Ten typ łożyska pozwala na ciągłe oliwienie wału. Służy to dwóm celom: chłodzi wał i kilka innych cześć turbiny, oraz pozwala na obracanie się wału z minimalnym tarciem.

Zbyt duże doładowanie

Podczas pompowania dużej ilości powietrza do cylindrów pod wysokim ciśnieniem wytworzonym przez turbinę może wystąpić zjawisko "spalania stukowego". Spalanie stukowe powstaje ponieważ kompresując powietrze jego temperatura rośnie. Może ona osiągnąć taką wartość że nastąpi samozapłon zanim pojawi się iskra w cylindrze. Samochody z turbodoładowaniem często musza jeździć na paliwie o większej liczbie oktanowej, aby uniknąć spalania stukowego. Jeśli doładowanie jest naprawdę duże , może wystąpić potrzeba odprężenia silnika.

Turbo Lag

Jednym z problemów w doładowanych silnikach jest to ze nie oferują one natychmiastowego wzrostu mocy tuz po wciśnięciu pedału gazy do podłogi. Taka "turbo dziura" trwa kilka sekund , podczas których turbina rozpędza się do wymaganej prędkości produkując wymagane ciśnienie. To zjawisko znane jest pod nazwa "turbo dziury" lub laga. Jednym ze sposobów zredukowania "turbo dziury" jest zredukowanie siły bezwładności obracających się części, poprzez obniżenie ich wagi. Pozwala to turbinie i kompresorowi na szybsze rozpędzenie i produkowanie ciśnienia wcześniej.

Mała a duża turbina

Jedną z najbardziej znanych dróg prowadzących do zredukowania wagi, a co za tym idzie sił bezwładności elementów turbiny jest samo zmniejszenie turbiny. Mniejsze turbo zapewni szybsze rozpędzenie elementów, przy niskich prędkościach obrotowych silnika, ale może zarazem nie być w stanie wyprodukować wystarczającego doładowania podczas dużych prędkości obrotowych. Problemem może być też zbyt duża prędkość obrotowa przy dużej prędkości obrotowej silnika, kiedy dużo spalin przechodzi przez turbinę.

Duże turbo jest w stanie wyprodukować o wiele większe doładowanie przy dużych prędkościach obrotowych silnika, ale ma większą "turbo dziurę" wynikającą z czasu jaki jest potrzebny do rozpędzenia łopatek turbiny.

Ważne elementy układu

Wastegate

Większość samochodowych turbin posiada tzw. zawór upustowy, pozwalający na użycie malej turbiny, aby zredukować efekt "turbo dziury", oraz chroniący je przed zbyt duża prędkością obrotową przy wysokich obrotach silnika. Wastegate to zawór który zezwala powietrzu ominąć turbinę i wpaść prosto do wydechu. Zawór wyczuwa ciśnienie doładowania. Jeśli jest ono zbyt duże czyli turbina obraca się zbyt szybko zawór otwiera się obniżając ciśnienie dzięki czemu turbina zwalnia.

Łożyska kulkowe

Niektóre turbiny mają łożyska kulkowe zamiast olejowych. Nie są to jednak zwyczajne łożyska kulkowe, to bardzo dokładne łożyska, wykonane ze specjalnych materiałów, aby wytrzymały prędkości obrotowe i temperatury wewnątrz turbiny. Pozwalają na obracanie się turbiny z mniejszym tarciem niż olejowe, a zarazem pozwalają na użycie mniejszych i lżejszych wałów. Dzięki temu turbina szybciej przyspiesza co skutecznie redukuje efekt "turbo dziury".

Ceramiczne blaszki turbiny

Ceramiczne blaszki turbiny są lżejsze niż stalowe używane w większości turbin. Tak jak poprzednio pozwala to na szybsze rozpędzenie turbiny i zredukowanie laga.

Turbo sekwencyjne

Niektóre silniki używają dwóch turbosprężarek o różnych rozmiarach. Mniejsza rozpędza się szybciej przy małych prędkościach obrotowych, redukując laga podczas gdy duża włącza się do pracy przy dużych prędkościach obrotowych produkując większe ciśnienie.

Intercooler

Kiedy powietrze jest ściśnięte, grzeje się, a gdy się grzeje to się rozszerza. Tak wiec powietrze z turbiny jest gorące. Aby podnieść moc należy dostarczyć do silnika więcej zimnego powietrza nie koniecznie pod dużym ciśnieniem.

Dlatego powietrze z turbiny należy schłodzić. W tym celu stosuje się tzw. Intercooler czyli chłodnice sprężonego powietrza.

Intercooler to dodatkowy element montowany z zestawem turbo, wyglądający jak chłodnica, z takim wyjątkiem ze w środku znajduje się powietrze pod ciśnieniem wytworzone przez turbinę, a z zewnątrz chłodzony jest on powietrzem przepływającym przez niego. Dobrze zainstalowany Intercooler może zapewnić dostateczne schłodzenie skompresowanego powietrza zanim dotrze ono do silnika, a co za tym idzie podnieść jego moc.

Czym w takim razie jest kompresor?

Służy do zwiększania ciśnienia powietrza dostarczanego do silnika. Jest napędzany mechanicznie, np. paskiem klinowym od koła pasowego silnika. Jest mniej wydajny niż turbosprężarka.

---