Turbosprężarka: jakie są jej zalety i czym jest turbodziura?

Turbosprężarka, w skrócie „turbosprężarka”, to urządzenie zwiększające moc silnika spalinowego poprzez wtłaczanie powietrza do komory spalania.

Wzrost mocy wynika z tego, że silnik otrzymuje znacznie więcej cząsteczek tlenu z tej samej objętości powietrza. Ponieważ powietrze jest pod ciśnieniem, mieszanka jest bardziej wybuchowa, silnik łatwiej przyspiesza i nie potrzebuje więcej paliwa.

Oprócz turbosprężarki do doładowania silnika stosuje się również kompresor lub kombinację turbosprężarki i kompresora.

Jaka jest różnica między turbosprężarką a kompresorem?

Kluczowa różnica między turbosprężarką a kompresorem polega na tym, że kompresor jest napędzany mechanicznie za pomocą paska przymocowanego do wału korbowego, podczas gdy spaliny z silnika napędzają turbosprężarkę.

Ponieważ kompresor wykorzystuje energię z silnika do swojego napędu, pobierze część energii silnika, ale ostatecznie dostarczy mu więcej energii. Kolejną wadą sprężarki jest jej mniejsza sprawność adiabatyczna w porównaniu z turbosprężarką.

Sprawność adiabatyczna to zdolność kompresora do sprężania powietrza bez dodawania nadmiaru ciepła do powietrza. Im niższa temperatura powietrza, tym jest ono gęstsze i zawiera więcej cząsteczek tlenu. Tak więc kompresory dostarczają więcej ciepła do powietrza niż turbosprężarki, przez co są mniej wydajne.

Jak już wspomniano, turbosprężarka nie jest napędzana mechanicznie, lecz spalinami, dzięki czemu nie pobiera energii z silnika, który jest bardziej wydajny. W porównaniu do kompresora ma jednak wadę: turbolag.

Co to jest turbolag?

Turbolag to czas między żądaniem zwiększenia mocy, czyli naciśnięciem pedału przyspieszenia, a początkiem mocy (włączenie turbo). W nowszych modelach wykorzystujących turbosprężarki może to być około 1 sekundy, ale wszystko zależy od typu turbosprężarki.

Innymi słowy, turbodziura to czas potrzebny układowi wydechowemu i turbosprężarce na wytworzenie wymaganego doładowania w celu zwiększenia mocy. Kompresory nie mają tego problemu, ponieważ są napędzane bezpośrednio silnikiem, a reakcja na dodanie gazu jest zatem natychmiastowa.

Niskie obroty silnika NIE są turbodziurą

Czasami niskie obroty silnika są mylone z turbodziurą w przypadku samochodów z manualną skrzynią biegów. Jeśli prędkość obrotowa silnika jest niska, oczekiwanie na przyspieszenie może zająć kilka sekund po naciśnięciu pedału przyspieszenia. Jednak to opóźnienie nie jest efektem turbodziury, ale złym wyborem biegu.

Turbosprężarki polegają na narastaniu ciśnienia spalin w celu napędzania turbiny (śmigła), czego nie można osiągnąć na biegu jałowym lub przy niskich prędkościach obrotowych silnika. Gdy silnik osiągnie odpowiednie obroty, turbina zaczyna się obracać w taki sposób, aby wytworzyć ciśnienie dolotowe wyższe niż atmosferyczne.

Turbosprężarka ma na celu poprawę wydajności objętościowej silnika poprzez zwiększenie gęstości powietrza dolotowego, co pozwala uzyskać większą moc na cykl silnika.

Czy większe turbo doda więcej mocy?

Rozmiar i kształt turbiny (obraca się z prędkością do 300 000 obr./min) wpływają na niektóre parametry pracy turbosprężarki. Wymiary turbiny określają również ilość powietrza, które przepłynie przez układ. Ogólnie rzecz biorąc, im większa turbina, tym większa wydajność przepływu powietrza.

Wydajność turbosprężarki jest ściśle związana z jej wielkością. Duże turbosprężarki wymagają większego ciśnienia, co powoduje opóźnienie turbodoładowania przy niskich prędkościach. Małe turbosprężarki obracają się szybko, ale mogą nie mieć takiej samej mocy przy dużym przyspieszeniu.

Aby skutecznie połączyć zalety dużych i małych turbosprężarek, stosuje się turbosprężarki podwójne lub turbosprężarki o zmiennej geometrii łopatek.

Bi-turbo, Twin-turbo:

Twin-turbo lub Bi-turbo to dwie turbosprężarki pracujące równolegle (łącznie) lub sekwencyjnie (osobno). W układzie równoległym jedna turbosprężarka jest napędzana jedną połową, a drugą drugą połową gazów spalinowych z silnika i obie działają jednocześnie. Mniejsze turbosprężarki mają mniejsze opóźnienie turbosprężarki niż większe turbosprężarki, dlatego często stosuje się dwie małe turbosprężarki.

W konfiguracji sekwencyjnej jedna mniejsza turbosprężarka pracuje na niskich obrotach, a druga większa jest włączana na wyższych z góry określonych obrotach silnika. Sekwencyjne turbosprężarki zmniejszają opóźnienie turbosprężarki, ale wymagają skomplikowanych rur do zasilania obu turbosprężarek.

Turbosprężarka typu twin-scroll:

Ten typ turbosprężarki posiada dwa kanały dolotowe spalin w części turbiny. Rury wydechowe wyprowadzają oba porty Twin-Turbo z cylindrów, dzięki czemu podciśnienie nie pobiera energii ze spalin jednego cylindra. Natomiast zawór wydechowy drugiego cylindra jeszcze się nie zamknął, ale jego zawór wlotowy już zaczął się otwierać.

Jeśli zapłon w cylindrach jest w kolejności 1-3-4-2, cylindry 1 i 4 będą prowadziły do jednego kanału, a cylindry 2 i 3 do drugiego kanału. W takim przypadku nie będzie strat energii spalin, ponieważ cylinder 3, który pobierałby energię ze spalin z cylindra 1, nie jest podłączony do tego samego przewodu.

Wadą turbosprężarki typu twin-scroll jest jej trudność, ale także fakt, że konieczne jest posiadanie parzystej liczby cylindrów, aby spaliny z tej samej liczby cylindrów wpływały do każdego kanału.

Turbosprężarka o zmiennej geometrii:

Turbosprężarka o zmiennej geometrii wykorzystuje ruchome łopatki do regulacji przepływu powietrza do turbiny, naśladując optymalnie dobrane turbosprężarki w całej krzywej mocy. Rezultatem jest turbosprężarka bez zauważalnego opóźnienia turbosprężarki.

Do czego służy Wastegate?

Wastegate kieruje spaliny z dala od turbiny turbosprężarki. Prędkość turbiny jest kontrolowana przez kierowanie gazów spalinowych. Główną funkcją zaworu obejściowego jest regulacja ciśnienia napełniania tak, aby nie uszkodzić silnika lub turbosprężarki.

Do czego służy zawór upustowy?

Zawór upustowy to zawór, który uwalnia ciśnienie w silnikach z turbodoładowaniem. Ten zawór pomaga opróżnić przestrzeń między turbosprężarką a przepustnicą, uwalniając sprężone powietrze do otoczenia, aby zmniejszyć zużycie turbosprężarki.

Kiedy powietrze jest uwalniane, pojawia się charakterystyczny syczący lub gwiżdżący dźwięk.

Dlaczego więc silniki z turbodoładowaniem?

Turbodoładowanie może zwiększyć moc silnika i zmniejszyć zużycie paliwa, ale niektórzy producenci nadal preferują duże, wolnossące silniki benzynowe. Silniki wysokoprężne bez turbodoładowania nie są już obecnie produkowane, ponieważ mają słabsze osiągi w porównaniu z silnikami benzynowymi.

Obejrzyj krótką animację działania silnika z turbodoładowaniem: