mojeauto.pl > motogazeta > Technika > Turbo - ekstra oddech dla silnika

Turbo - ekstra oddech dla silnika

W latach 70. ubiegłego wieku świat motoryzacji uległ nowej modzie, którą ukształtowało pięć liter. Słowo "Turbo" - wypowiadane z ust entuzjastów samochodów niosło za sobą emocje, siłę i nowoczesność. Mimo że od czasu pojawieniu się na rynku takich aut jak BMW 2002 ti, Porsche 911 czy Renault 5 minęło wiele lat, koncepcja doładowywania silnika spalinowego dodatkową dawką sprężonego powietrza nie upadła. Wręcz przeciwnie, ma się doskonale. A za sprawą tzw. downsizingu, czeka ją świetlana przyszłość.

Turbo - ekstra oddech dla silnika
Pomysł na zwiększenie potencjału silników poprzez wykorzystanie dodatkowej dawki sprężonego powietrza pojawił się oczywiście znacznie wcześniej, niż producenci zaczęli stosować to rozwiązanie w seryjnej produkcji. Za wynalazcę tej koncepcji uważa się dr Alfreda Büchi. Szwajcarki naukowiec nie był zadowolony ze współczynnika sprawności silników spalinowych. Według jego wyliczeń maksymalnie 1/3 energii dostarczanej w paliwie, zamieniania była w pracę. Pozostała, niewykorzystana część, uciekała między innymi przez układ spalinowy. Büchi zamierzał zniwelować te proporcje konstruując w 1905 roku pierwszą sprężarkę powietrzną, którą chwilę później opatentował.

Dość szybko okazało się, że pomysł szwajcarskiego wynalazcy, może doskonale sprawdzić się w lotnictwie. Sprężarki montowane silnikach samolotów pozwalały wyrównywać spadki mocy na dużych wysokościach. W samochodach pierwsze tego typu mechanizmy zadebiutowały dekadę później. Najpierw mechaniczne sprężarki zaczął stosować Mercedes (np. w modelu 400), a tuż przed rozpoczęciem II Wojny Światowej rozwiązanie to trafiło także do pierwszego silnika wysokoprężnego w samochodzie dostawczym marki Surer. W latach 60-tych XX w. turbodoładowaniem zainteresował się koncern General Motors, ale ze względu na wysoką awaryjność silników montowanych między innymi w modelu Chevrolet Corvair Monza, szybko wycofał się z tej idei. Do koncepcji dr Alfreda Büchi świat motoryzacji powrócił na początku lat 70-tych. Wówczas na rynku w Europie zadebiutowały takie auta jak wspomniane wcześniej BMW 2002 tii, Renault 5 czy słynne Porsche 911 Turbo. Te samochody przynoszą pewien przełom, jednak prawdziwy rozkwit turbodoładowania nastąpił w momencie skutecznego połączenia zalet sprężarki powietrznej w silnikach z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Teraz priorytetem dla koncernów motoryzacyjnych jest konstruowanie nadal wydajnych jednostek, ale przy tym bardziej ekonomicznych i o mniejszym litrażu. W ten sposób dochodzimy do idei downsizingu, czyli mówiąc wprost - upychania dużej mocy w małej przestrzeni. Bez Turbo i kompresorów nie da się tego zrealizować.

Sposób działania doładowania jest bardzo prosty. Silnik potrzebuje powietrza, które wykorzystuje w procesie spalania paliwa. Dzięki elektronicznie sterowanym zaworom ssącym, sam dobiera właściwą dawkę tlenu. Zasada jest jednak ta sama - więcej powietrza oznacza więcej mocy, jednak każda jednostka napędowa ma swoje ograniczenia pojemnościowe. Turbina lub kompresor załatwiają ten problem, ponieważ dzięki nim do cylindrów może być wdmuchana dodatkowa porcja powietrza. Możliwe jest dzięki temu wtryśnięcie większej ilości paliwa - ciśnienie w komorze spalania rośnie, tak samo jak moment obrotowy. Efekt zauważalny dla kierowcy? Samochód lepiej przyspiesza.

Turbodoładowanie przez wiele lat nie było jednak pozbawione wad. Jednym z największych minusów tego rozwiązania są tzw. turbo-dziury. Efekt ten dobrze powinni kojarzyć właściciele samochodów z małymi i czterozaworowymi silnikami Diesla. Gdy wskazówka obrotomierza znajdowała się poniżej 2000-2300 obr./min. rozpędzanie auta przypominało niekończącą się opowieść. Ze względu na niewielki dopływ powietrza w tej fazie jazdy, dochodzi do bezwładności wirnika turbosprężarki. Stąd jednym z najważniejszych wyzwań przed jakimi stanęli inżynierowie, było opracowanie takiego mechanizmu, który umożliwiłby wykorzystanie dodatkowo tłoczonego powietrza w możliwie jak największym przedziale obrotów. Jednym z nich jest sprężarka VTG, czyli turbina ze zmienną geometrią łopatek. Jej zaletą jest możliwość zmian kąta strumienia spalin napędzającego turbinę. Zaleta - nawet przy małym obciążeniu silnika i jego niskich obrotach, praca turbosprężarki jest bardzo efektywna. Wada - regulacja tej sprężarki jest dość skomplikowana, produkcja droga, a łopatki muszą być odporne na bardzo wysokie temperatury pracy: w samochodach z silnikami Diesla dochodzącymi do 800, a w benzyniakach nawet do 1000 stopni Celsjusza.

Na rynku jest jednak kilka innych równie ciekawych rozwiązań. Co prawda nie tak wydajna, ale za to tańsza jest turbina typu Twin-Scroll, czyli inaczej mówiąc sprężarka z podwójnym przepływem. W Twin-Scroll spaliny są prowadzone na wirnik turbiny dwoma ślimakowatymi kanałami. W ten sposób uniknięto interakcji pomiędzy kolumnami gazów i dodatkowo zredukowano przeciwciśnienie spalin. Dzięki powstałej w ten sposób dynamice gazów, doładowanie w silniku jest bardziej zoptymalizowane.

Jak już powiedzieliśmy sobie wcześniej, celem inżynierów jest opracowanie takich rozwiązań, które pozwolą osiągnąć możliwie wysoki i równomierny przyrost momentu obrotowego już od momentu ruszenia pojazdu. Jedną z kolejnych koncepcji stosowanych w obecnych modelach są doładowania Bi-Turbo lub Twin-Turbo. Pomysł jest prosty - dwie mniejsze, połączone ze sobą turbiny są efektywniejsze w konkretnych przedziałach obrotów silnika, niż pojedyncza duża. Bowiem im mniejsza turbina, tym szybciej udaje się wytworzyć właściwe ciśnienie pracy, skracając w ten sposób jej moment bezwładności. Jeszcze lepsze rezultaty daje zastosowanie sekwencyjnego Bi-Turbo, gdzie do małej turbiny rozpędzającej pojazd w niskich zakresach obrotów, po przekroczeniu pewnej wartości dołączana jest automatycznie większa sprężarka.

Interesujący sposób na zwiększenie skuteczności Turbo opracowała firma BorgWarner, łącząc podwójne doładowanie z małą turbiną VTG, wykonującą pracę tylko podczas ruszania z miejsca. Taki system montowany jest na przykład w sześciocylindrowym BMW 740d. Jeszcze inną drogą podąża koncern Volkswagena. Twincharger to sposób doładowania siników TSI, polegający na zastosowaniu podwójnego doładowania, czyli sprężarki mechanicznej i turbosprężarki. Sprężarka mechaniczna daje maksymalną wartość momentu obrotowego w dolnym zakresie obrotów, a turbosprężarka - w średnim i górnym zakresie obrotów. Od biegu jałowego, aż do osiągnięcia ok. 2400 obr./min. pracuje kompresor, w przypadku odpowiedniego zapotrzebowania kierowcy na moc - w trybie ciągłym. W zakresie od ok. 2400 do 3500 obr./min. kompresor jest załączany zależnie od potrzeb, np. podczas wyprzedzania. Ciśnienie ładowania zostaje dodatkowo zwiększone przez podłączoną rzędowo turbosprężarkę. Od ok. 3500 obr./min., za zwiększenie ciśnienia wypełnienia w cylindrze odpowiada tylko turbosprężarka. Silniki Twincharger pozwalają osiągać bardzo wysoką moc z małej pojemności silnika.

Podobne wiadomości:

Audi R8 bez silników turbo

Audi R8 bez silników turbo

Samochody luksusowe 2015-07-30

Cztery turbiny w nowym BMW Serii 7

Cztery turbiny w nowym BMW Serii 7

Technika 2015-07-29

Komentuj:

~chychak 2011-10-07

szacuneczek aaa, coś Ty jakiś ekspert w dziedzinach technicznych jesteś?

aaa 2011-10-07

Bardzo dobry artykuł. Przy okazji warto by opisać jeszcze jeden system który zagości w nowych BMW (raczej w mniejszych M'kach). Chodzi o bi-turbo doposażone dla poszerzenia zakresu pracy jeszcze w turbinę napędzaną elektrycznie. I nie jest to kompresor jak w VW, ale zimna część niewielkiej turbiny napędzana przez silnik elektryczny. Mamy więc trzy turbiny łącznie, co daje bardzo szeroki zakres obrotów. Uzupełnię jeszcze o jeden szczególny przypadek - silniki diesla w Jaguarach. One mają zupełnie inaczej rozwiązane bi-turbo. Większa (ale nie będąca zbyt duża) turbina pracuje od małych obrotów, a kiedy jej zakres pracy się kończy dołącza dodatkowa mała turbina uzupełniająca pracę pierwsze. Efekt to wyższa moc w górnym zakresie. Oprócz VTG i twinscroll (a właściwie w ich uzupełnieniu) ostatnio w silnikach wysokoprężnych pojawiły się znane z benzyniaków zmienne fazy rozrządu. Efekt jest bardzo ciekawy, turbodziura znika, zakres pracy się zwiększa i mamy całkiem dużą moc (mowa o nowych silnikach mitsubishi). Nie poruszono jednej kwestii więc pozwolę sobie o niej też napisać. Turbina to nie tylko turbo dziura (zakres bez ładowania) ale i turbo lag (zwłoka w reakcji na gaz). Im dłuższa instalacja turbo (np. większa chłodnica powietrza doładowanego, która umożliwia uzyskanie większej mocy) tym lag będzie większy. Dlatego wielu producentów stosuje wymienniki wodno-powietrzne zamiast chłodnic powietrze-powietrze. Taki wymiennik nie musi mieć dostępu powietrza (bo chłodzi go ciecz) i może być przy samym silniku. Ostatni silnik w M5 ma między innymi to rozwiązanie. Jest ono bardzo efektywne i likwiduje lag prawie całkowicie.

ZOBACZ RÓWNIEŻ Zamknij
Prześlij zdjęcie i zagraj o jedną z 30 nagród
Prześlij zdjęcie i zagraj o jedną z 30 nagród
Konkurs na 25-lecie magazynu "auto motor i sport". Zrób sobie zdjęcie z jubileuszowym wydaniem magazynu i prześlij je do nas koszystając z formularza na stronie. Masz szansę na wygranie jednej z 30 nagród. Weź udział!
Wydania cyfrowe auto motor i sport Wydania cyfrowe auto motor i sport