Wszystko o turbo

Zasada działania, budowa, rodzaje, wygląd turbosprężarki, sposób postępowania

Wygląd zewnętrzny

Kilka słów
Turbosprężarki jeszcze niedawno temu kojarzyły się wyłącznie z samochodami sportowymi z wyższej półki. A teraz? Niemal każdy rodzinny diesel może pochwalić się turbodoładowaniem. Urządzenie to nie dziwi już nawet w małym aucie miejskim. Powszechność tej techniki sprawia, że wielu kierowców zapomina, iż doładowane silniki wymagają "szczególnej troski". Złe traktowanie turbosprężarki zemści się prędzej czy później.

Budowa oraz zasada działania

Zasada działania turbosprężarki jest prosta. Turbo składa się z dwóch wirników umieszczonych na wspólnym wale. Jeden z nich znajduje się w układzie wydechowym i jest napędzany energią spalin wydobywających się z silnika. Drugi z wirników znajduje się w przewodzie dolotowym. Dzięki specjalnie wyprofilowanym łopatkom, pod wpływem ruchu obrotowego wału wtłacza on do silnika powietrze pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego. Dzięki temu silnik pracuje wydajniej. Dzieje się tak dlatego, że uzyskiwana moc zależy od wielkości dawki paliwa spalonej w określonym czasie. Aby jednak spalanie było efektywne, należy dostarczyć odpowiednią ilość tlenu. Do spalenia kilograma paliwa potrzeba ok. 14 kilogramów powietrza. Większa ilość powietrza wtłoczona do silnika powala spalić przy takich samych obrotach i takiej samej pojemności silnika odpowiednio więcej paliwa. Mieszanka spala się dokładniej, więc spaliny są mniej toksyczne.

Skoro to tak wspaniałe rozwiązanie, to dlaczego nadal nie trafiło pod maski wszystkich samochodów? Okazuje się, że wynalazek prosty w teorii, w praktyce niesie ze sobą sporo problemów. Turbosprężarka pracuje w niezwykle ciężkich warunkach. Jej wirnik znajduje się w strumieniu spalin osiągającym nawet ponad 1000°C. W dodatku wał turbiny obraca się z prędkościami dochodzącymi do niewyobrażalnych 290 tys. obr./min. Stworzenie urządzenia, które to wytrzyma, jest prawdziwym wyzwaniem dla konstruktorów. W dodatku cały silnik musi być dostosowany do osiąganej wyższej mocy. Silniki doładowane często mają wzmocniony układ korbowy, wydajniejsze chłodzenie i lepsze smarowanie.

Innym problemem jest nierównomierna charakterystyka pracy silników z turbo. Pierwsze takie konstrukcje słynęły z tzw. turbodziury. Zjawisko to polegało na tym, że między dodaniem gazu a faktyczną reakcją silnika mijała dłuższa chwila. Turbina potrzebowała czasu, zanim mogła dostarczyć do silnika powietrze pod odpowiednim ciśnieniem. Kiedy to jednak następowało, samochód z niesamowitym impetem rwał się do przodu. Kierowcy poszukujący podobnych wrażeń w nowych autach będą rozczarowani. Dzięki udoskonalonej konstrukcji i lepszemu sterowaniu zjawisko "turbodziury" zostało niemal całkowicie wyeliminowane. Turbosprężarki wyposażone w zawory upustowe regulujące ciśnienie doładowania lub systemy zmiennej geometrii turbiny dostarczają właściwego ciśnienia przez cały czas.

Sposób postępowania z silnikami posiadającymi turbosprężarke

Trwałość turbosprężarki zależy przede wszystkim od prawidłowej eksploatacji. Po uruchomieniu silnika nie należy od razu wykorzystywać pełnej mocy jednostki. Nie powinno się też od razu po jeździe gasić doładowanego silnika. Turbo musi ostygnąć na wolnych obrotach. Jeżeli chwilę przedtem silnik był mocno obciążony, wirnik sprężarki może obracać się nawet ponad 100 tys. obr./min. Póki silnik pracuje, jest on smarowany i chłodzony olejem. Gdy zostaje wyłączony natychmiast po zakończeniu forsownej jazdy, smarowanie wirnika zostaje gwałtownie "odcięte". Dopóki nie zatrzyma się on (zajmuje to kilkadziesiąt sekund lub nawet więcej), pracuje bez smarowania. To powoduje szybkie zużycie.

Podobnie oszczędności dotyczące obsługi, wymiany płynów i materiałów eksploatacyjnych zemszczą się szybko. Zużyty olej silnikowy może w szybkim tempie doprowadzić do awarii całego zespołu, podobnie jak stary filtr powietrza. Wystarczy, że do wirnika przedostaną się drobiny piasku lub oderwane fragmenty wkładu filtra. Wobec olbrzymiej prędkości obrotowej turbiny siła uderzenia jest ogromna. Poważne zniszczenia są wtedy nieuniknione.

Rodzaje turbosprężarek

1) Turbosprężarka bez zaworu – wersja podstawowa

2) Turbosprężarka z zaworem upustowym – konstrukcja WASTEGATE

Zawór upustowy ma na celu ograniczenie zbyt szybkiego obracania się układu wirującego. Przy maksymalnej prędkości dopuszczalnych obrotów turbosprężarki wytwarzane ciśnienie powietrza powoduje przesunięcie się cięgna zaworu, który z kolei otwiera tzw. wastegate umieszczony w części gorącej. Dzięki temu zmniejsza się ciśnienie spalin napędzających koło turbosprężarki i cały układ wirujący nie przekracza swojej dopuszczalnej prędkości obrotowej.

3) Turbosprężarki ze zmienną geometrią VTG.

Działanie zmiennej geometrii polega na zmianie kąta ustawienia łopatek turbiny, dzięki czemu nawet przy małym obciążeniu silnika i niskich jego obrotach praca turbosprężarki jest bardzo efektywna. Ponadto stało się możliwe płynne regulowanie ciśnienia doładowania. W silnikach wysokoprężnych z turbosprężarkami VTG nie wyczuwa się opóźnienia w działaniu, a moment obrotowy osiąga wysokie wartości już przy bardzo niskich obrotach jednostki napędowej, wzrasta także jej moc.

4) Dwustopniowe systemy doładowania tzw. R2S.

Konstrukcja R2S jest niczym innym jak połączeniem pracy dwóch turbosprężarek mniejszej i większej. W początkowym (niskim) zakresie obrotów silnika pracuje tylko ”mniejsza” turbosprężarka. Następnie dochodzi do otwierają się przepustnice i zaczynają pracować dwie turbosprężarki jednocześnie. W końcowej fazie tzn. w górnym pułapie obrotów silnika pracuje jedynie turbosprężarka ”duża” i jedynie ona jest odpowiedzialna za kontrolę mocy i momentu obrotowego.
Konstrukcja R2S, która została zaprojektowana przez czołowego producenta systemów doładowania – firmę BorgWarner Turbo Systems – stosowana jest obecnie w najnowszych samochodach marki MAN, BMW oraz Mercedes.

Dziękuje za uwagę, myślę że ten post dobrze posłuży w celu edukacyjnym