Z pewnościa sie przyda

Turbodoładowanie
Podstawy teoretyczne

Silniki spalania wewnętrznego są silnikami "oddychającymi". Oznacza to, że potrzebują paliwa i powietrza aby wytworzyć energię. Energia ta wytwarzana jest podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Turbodoładowanie sprawia że mieszanka paliwowo-powietrzna jest bardziej wybuchowa poprzez wtłoczenie do cylindrów więcej powietrza, co wytwarza większą siłę działającą na tłok w czasie spalania. Powietrze pod ciśnieniem jest skompresowane, cząsteczki są bliżej siebie, więc można zmieścić większą ilość powietrza w tej samej objętości.

Turbosprężarka jest w zasadzie pompą powietrza. Gorące spaliny opuszczające cylindry po spaleniu mieszanki są kierowane na turbinę i obracają ją. Koło turbiny jest połączone wałkiem z kołem sprężarki. Gdy wzrasta prędkość obrotowa turbiny także koło sprężarki zaczyna się szybciej kręcić. Pod wpływem obracania się sprężarki zasysane jest świeże powietrze, następnie podlega kompresji i wtłaczane jest do cylindrów.

Jak można się domyśleć skompresowane powietrze opuszczające sprężarkę jest bardzo gorące, zarówno pod wpływem tarcia jak i wyższego ciśnienia. Zachodzi więc potrzeba jego schłodzenia zanim dotrze do komory spalania. Stosuje się więc chłodnice powietrza doładowanego (po prostu wymiennik ciepła). Zmniejsza on temperaturę skompresowanego powietrza, przez co staje się ono gęstsze (jak wiadomo powietrze rozszerza się w wysokiej temperaturze). Chłodniejsze powietrze pozwala też na uniknięcie przegrzania komór spalania.



Turbosprężarki składają się z napędzanej spalinami turbiny oraz sprężarki zamontowanych na przeciwnych końcach wspólnego wałka i zamkniętych w odlewanych obudowach. Typowa turbosprężarka może osiągać obroty powyżej 100 000rpm.



Sekcja turbiny składa się z odlewanego koła turbiny oraz obudowy z wlotem i wylotem. Jest to urządzenie o dolocie dośrodkowym lub promieniowym, do którego wlatują spaliny, przepływają między łopatkami i wylatują otworem w środku obudowy. Spaliny są kierowane do turbiny przez kanały wydechowe. Ciśnienie gazów powoduje obrót turbiny, która z kolei napędza sprężarkę.

Sekcja sprężarki składa się z odlewanego koła sprężarki oraz obudowy. Jest to urządzenie o wylocie odśrodkowym lub promieniowym, do którego wlatuje świeże powietrze, przepływa między łopatkami i wylatuje otworem na zewnętrznej stronie obudowy. Obracająca się sprężarka zasysa świeże powietrze przez filtr powietrza. Łopatki przyspieszają i wyrzucają powietrze tym samym je kompresując, następnie powietrze to kierowane jest do kanałów dolotowych.

Obudowa wałka i części wirujących podtrzymuje koła sprężarki i turbiny za pomocą starannie zaprojektowanego systemu łożysk. Łożyska te są zaprojektowane na osiąganie dużych prędkości i, w przeciwieństwie do łożysk wału korbowego, małych obciążeń. Muszą one utrzymywać koła turbiny i sprężarki w jak najmniejszej odległości od obudowy. Kluczowym elementem w utrzymaniu ich pozycji są przestrzenie wypełnione olejem znajdujące się pomiędzy obudową, łożyskami i wałkiem. Mają one decydujący wpływ na wydajność i trwałość turbosprężarki.

Systemy uszczelnień oddzielają środkową część obudowy od sekcji turbiny i sprężarki. Zapobiegają one przedostawaniu się oleju do przestrzeni roboczej turbiny i sprężarki oraz przedostawaniu się gazów do obudowy środkowej. W skład takich uszczelnień mogą wchodzić pierścienie uszczelniające, O-ringi, uszczelki labiryntowe (gwintowane).

Urządzenie kontrolujące upust spalin pomagają kontrolować prędkość obrotową turbiny (co z kolei reguluje ciśnienie doładowania) poprzez zmniejszenie ciśnienia spalin działających na turbinę. Mogą być integralną częścią turbiny lub też zamontowane poza turbosprężarką. Gdy się otwierają, ciśnienie spalin spada, zaś one same są kierowane do układu wydechowego a następnie do atmosfery.

Zalety turbodoładowania są oczywiste - zamiast tracić energię cieplną spalin, możemy ją wykorzystać na podniesienie mocy silnika. Spaliny napędzają turbinę, która z kolei napędza sprężarkę, tłoczącą świeże powietrze do komór spalania pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego. Mały silnik jest wtedy w stanie wytworzyć moc porównywalną z dużo większymi oponentami. Np. turbodoładowany silnik o pojemności 2,0 pracujący przy ciśnieniu doładowania 1,5 bar odpowiada 3,0-litrowemu silnikowi wolnossącemu. W rezultacie można zmniejszyć wagę i rozmiary silnika, co prowadzi do lepszych osiągów, choć zużycie paliwa niekoniecznie maleje.

Problem turbodziury

Turbodoładowanie po raz pierwszy w samochodzie produkcji masowej zaprezentowało GM we wczesnych latach 60 w Chevrolecie Corvair. Samochód ten miał bardzo słabą opinię dotyczącą mocy na niskich obrotach i dużej turbodziury, które uniemożliwiały płynną jazdę.

Turbodziura była największym problemem we wczesnych turbodoładowanych silnikach, czyniąc je nieprzydatnymi do codziennej jazdy. Pomimo, że turbo było stosowane z dużymi sukcesami w wyścigach samochodowych, począwszy od BMW 2002 aż do F1, samochody osobowe zawsze wymagały bardziej równomiernego dostarczania mocy. Turbiny z tamtego okresu były duże i ciężkie, zaczynały się obracać dopiero przy obrotach wału rzędu 3500rpm, więc moc na niskich obrotach była mała. A ponieważ stopień sprężania w takich silnikach musiał być zmniejszony do 6,5:1 w celu uniknięcia przegrzania głowicy, moc przed załączeniem się sprężarki była niższa niż w wolnossącym silniku o tej samej pojemności!

Turbodziura może być kłopotliwa w codziennym użytku. Zanim załączy się turbo samochód zachowuje się jakby miał zwykły wolnossący silnik. Cegła na gaz, wzrastają obroty silnika, 1, 2, 3, 4 .... nagły wzrost mocy przy 3500rpm i samochód staje się dziką bestią. Na mokrych nawierzchniach lub ostrych zakrętach może to spowodować poślizg kół lub nawet utratę kontroli nad pojazdem. Jeżeli występuje duża turbodziura bardzo trudno o płynną jazdę.

Poza tym turbodziura odbiera dużo przyjemności z jazdy samochodem. Wciśnięcie pedału gazu w podłogę nie powoduje natychmiastowego wzrostu mocy spodziewanego przez kierowcę - wszystkie reakcje pojawiają się kilka sekund później, nieważne czy dodajemy czy ujmujemy gazu. Wyobraźcie sobie jak ciężko jest szybko jeździć w mieście lub na krętych drogach.

Rozwiązanie problemu turbodziury w Porsche

Pierwszy "praktyczny" turbodoładowany samochód pojawił się w 1975 r. Było to Porsche 911 Turbo 3.0. W celu zmniejszenia turbodziury, inżynierowie Porsche zaprojektowali mechanizm pozwalający turbinie kręcić się już przed właściwym doładowaniem. Kluczem tego rozwiązania była rura recyrkulacyjna i zawór - zanim spaliny wytworzą odpowiednia ciśnienie do napędzenia turbiny zostaje otwarta ścieżka recyrkulacyjna pomiędzy wlotem i wylotem świeżego powietrza ze sprężarki, co pozwala na kręcenie się turbiny bez zwalniania przez spaliny. Kiedy spaliny wytworzą odpowiednie ciśnienie zawór zamyka ścieżkę recyrkulacyjną a już obracająca się sprężarka będzie w stanie szybko doładować powietrze do cylindrów. Dzięki temu turbodziura jest znacznie krótsza i przyrost mocy znacznie bardziej liniowy.

Intercooler

3,3-litrowa wersja 911 Turbo została następcą Turbo 3.0 w 1978. Wyposażona była w intercooler pomiędzy sprężarką a silnikiem. Zmniejszał on temperaturę powietrza o 50-60°C, nie tylko poprawiając sprawność objętościową (powietrze doładowania miało większą gęstość) ale pozwalał również na podniesienie stopnia sprężania bez obawy o przegrzanie głowicy. Oczywiście wyższy stopień sprężania oznaczał wyższą moc na niskich obrotach.

Stały rozwój

W latach 80 turbosprężarki ewoluowały w kierunku lepszych manier na drodze. Wraz z ulepszaniem materiałów i technologii waga i bezwładność sprężarki ulegały znacznemu zmniejszeniu, co z kolei pomagało wyeliminować efekt turbodziury. Aby wytrzymać bardzo wysoką temperaturę spalin turbiny są głównie wykonywane z nierdzewnej stali lub materiałów ceramicznych (szczególnie japońskie turbiny IHI) Niektóre samochody mają turbiny tytanowe, które są jeszcze lżejsze lecz bardzo drogie.



Tytanowa turbina z Mitsubishi Lancer GSR

Kolejnym obszarem usprawnień była kontrola doładowania. Wczesne silniki turbo miały mechaniczny zawór upustowy w celu uniknięcia nadmiernego ciśnienia doładowania Bez zaworu upustowego ciśnienia doładowania byłoby proporcjonalne do obrotów silnika (ponieważ obroty turbiny zależą od ilości spalin, tym samym od prędkości obrotowej silnika). Na wysokich obrotach ciśnienia byłoby zbyt wysokie, powodując zbyt duże naprężenia i temperatury w komorze spalania i mogłoby prowadzić do zniszczenia silnika. Zawór upustowy jest zaworem na kanale dolotowym. Jeśli tylko ciśnienie przekracza pewną wartość zawór otwiera się, redukując tym samym ciśnienie.

Zapoczątkowana w późnych latach 80 kontrola doładowania byłą wielkim krokiem naprzód w stosunku do mechanicznego zaworu upustowego. Podczas gdy zawór upustowy pozwalał jedynie na ustawienie górnego limitu ciśnienia doładowania, elektroniczna kontrola ciśnienia doładowania steruje ciśnieniem w całym zakresie obrotów. Na przykład może ona ograniczyć ciśnienie do 1,4 bar poniżej 3000rpm, potem do 1,6 bar pomiędzy 3000 a 4500rpm i na koniec do 1,8 bar powyżej 4500rpm, Pozwala to na uzyskanie liniowego przyrostu mocy. Zasadniczo elektroniczna kontrola ciśnienia doładowania jest po prostu zaworem upustowym sterowanym elektronicznie.

Twin-Turbo: Równoległe czy sekwencyjne?

Użycie dwóch turbosprężarek jest kwestią wydajności i upakowania. Przy większych silnikach, powiedzmy 2,5 litra lepiej jest użyć 2 małych turbosprężarek zamiast jednej dużej, ponieważ małe turbiny szybciej się rozpędzają. Dzisiaj w samochodach wyczynowych nie stosuje się już jednej turbosprężarki jak we wczesnych modelach 911 Turbo.

Dla silników V i boxerów zalecane jest użycie dwóch turbosprężarek, ponieważ każda z nich obsługuje jeden rząd cylindrów, co pozwala na skrócenie kanałów dolotu i oszczędza miejsce. Co więcej, im krótsze rury tym szybszy czas reakcji silnika na turbodoładowanie i mniejszy efekt turbodziury.

Niektóre silniki wykorzystujące twin-turbo są zaprojektowane w taki sposób, że spaliny z jednego rzędu cylindrów napędzają turbinę, której sprężarka doładowuje drugi rząd cylindrów. Nazywa się to "pętlą zwrotną", która pozwala na osiągnięcie równowagi pomiędzy dwoma rzędami cylindrów.

W większości silników twin-turbo sprężarki pracują niezależnie od siebie, każda obsługuje jeden rząd cylindrów. Nazywane jest to równoległym twin-turbo. Alternatywne sekwencyjne twin-turbo zostało zaprojektowane w celu zmniejszenia efektu turbodziury i czasu reakcji silnika. Turbosprężarki pracują sekwencyjnie tj. przy niskich obrotach wszystkie spaliny napędzają jedną turbinę, druga w tym czasie nie pracuje. W ten sposób pierwsza turbina ma szybki czas reakcji. Kiedy ilość spalin wzrośnie tak, aby napędzać obie turbiny, do akcji wkracza druga turbosprężarka pomagając osiągnąć maksymalne ciśnienie doładowania. Niestety sekwencyjne twin-turbo wymaga bardzo skomplikowanego orurowania (spaliny z obu rzędów powinny dotrzeć do obu turbin, jak również dolot świeżego powietrza) i z tego powodu spada zainteresowanie tym rozwiązaniem wśród producentów samochodów. Stosowane jest w Porsche 959, 3 generacji Mazdy RX7, Toyocie Suprze i Subaru Legacy.

Turbo o niskim ciśnieniu doładowanie (LPT)



Turbo o niskim ciśnieniu doładowania jest w ostatnich latach jedną z najchętniej stosowanych technologii doładowania. Saab, pionier użycia turbo w zwykłych samochodach osobowych, jako pierwszy wdrożył je do produkcji masowej. W 1992 zaskoczył wielu wypuszczając Saab 9000 2.3 turbo Ecopower. Silnik miał moc tylko 170KM , zaledwie o 20KM więcej niż wolnossący odpowiednik i 30KM mniej niż standardowe 2,3 turbo. Zasadniczo był to zwykły silnik z mniejszą turbosprężarką i o niższym ciśnieniu doładowania.

Podczas gdy wielu producentów goni za jak najwyższą mocą maksymalną, sprytni inżynierowie Saaba doszli do wniosku, że mniej może dać więcej. Pomimo dość niskiej mocy maksymalnej, turbo przyczynia się do wysokiego momentu obrotowego, co przekłada się na lepsze przyspieszenia, a co najważniejsze znacznie wzrasta elastyczność z powodu braku turbodziury. Reakcje na pedał gazu są niemal natychmiastowe. Poza tym Saab udowodnił, że lepszy przebieg krzywej momentu obrotowego pozwala na stosowanie dłuższych przełożeń, co przekłada się na mniejsze zużycie paliwa niż w porównywalnym silniku wolnossącym.

W przeszłości nierównomierne rozwijanie mocy oraz duże zużycie paliwa powstrzymywało stosowanie turbo w samochodach osobowych. Teraz ten trend uległ odwróceniu - z powodu rosnących wymagań co do bezpieczeństwa i komfortu samochody z roku na rok stają się cięższe. Cięższy samochód wymaga większej mocy. Dla wielu sedanów z czterocylindrowym silnikiem oznacza to albo przejście na silnik sześciocylindrowy albo dodanie turbo o niskim ciśnieniu doładowania. Oczywiście to drugie rozwiązanie jest tańsze - nie potrzebuje więcej miejsca, koszty produkcji wzrastają w niewielkim stopniu i silnik spala mniej niż sześciocylindrowiec. Z tego powodu jest to rozwiązanie preferowane przez coraz więcej producentów.

Zalety: Poprawia moment obrotowy niewielkim kosztem i jest oszczędne
Wady: Brak
Kto tego używa? Volkswagen 1.8T (150KM)
PSA 2.0-litry turbo
Saab 2.0, 2.3 i 3.0 Ecopower
Volvo 1.9 i 2.4LPT.


Turbina o zmiennej geometrii (VTG)



Turbina o zmiennej geometrii jest używana głównie w silnikach turbodiesla ale nie ma przeciwwskazań w jej użycie w silnikach benzynowych. Turbina najlepiej wykorzystuje energię przepływających gazów jeżeli uderzają one w jej łopatki pod kątem prostym przy niskich obrotach i pod kątem ostrym przy wysokich obrotach. Mechanizm zmiennej geometrii zmienia kierunek dyszy wylotu spalin w zależności od obrotów, poprawiając przyspieszenie turbiny.

Inna odmiana turbiny o zmiennej geometrii zmienia przekrój dyszy wylotu spalin, tym samym zmieniając ciśnienie doładowania. W tym rozwiązaniu regulowane jest położenie łopatek turbiny. Przy niskich obrotach ograniczają one przepływ gazów ograniczając ciśnienie doładowania zaś przy wysokich obrotach otwierają się szeroko zmniejszając opory wydechu.

Zalety: Poprawia czas reakcji turbiny bez zmiany maksymalnego ciśnienia doładowania
Wady: Brak
Kto tego używa? Audi 1.9 TDi, 2.5 TDi V6, 3.3 TDi V8 turbo diesel
BMW 2.0 czwórka, 3.0 szóstka i 4.0 V8 turbo diesel
Mercedes 2.2 CDI czwórka, 2.7 CDI piątka i 3.2 CDi szóstka turbo diesel


Doładowanie mechaniczne

GM chętnie stosuje doładowanie mechaniczne. Większość sedanów takich jak Pontiac Grand Prix GPX na zdjęciu obok może być wyposażonych w silnik V6 3.8 litra doładowany mechanicznie.

Zanim w latach 60 pojawiło się turbodoładowanie, w świecie doładowania dominowało doładowanie mechaniczne. Pojawiło się ono w latach 20 w samochodach wyścigowych Grand Prix, aby podnieść moc. Ponieważ sprężarka jest napędzana bezpośrednio wałem korbowym ma tę przewagę nad turbo, że nie występuje efekt turbodziury. Jednak sama sprężarka jest raczej ciężka i mało wydajna, więc nie potrafi wytworzyć takiej mocy jak turbosprężarka. Szczególnie przy wysokich obrotach wytwarza się spore tarcie, które konsumuje sporą część energii.

Typowa sprężarka mechaniczna bardzo wpływa na charakterystykę silnika - ma on bardzo wysoki moment obrotowy przy niskich i średnich obrotach ale maksymalne obroty i moc maksymalna pojawiają się dużo wcześniej. Oznacza to, że silnik niechętnie kręci się wysoko ale w każdym momencie masz dostepny wysoki moment obrotowy, nie zachodzi więc konieczność częstej zmiany biegów. Z tych powodów doładowanie mechaniczne stosowane jest w ciężkich sedanach, szczególnie w połączeniu ze skrzynią automatyczną. W samochodach sportowych doładowania mechanicznego prawie się nie spotyka.

Hałas, tarcie i wibracje wytwarzane przez sprężarkę mechaniczną są głównym powodem, dla którego nie stosuje się jej w wyrafinowanych luksusowych samochodach. Chociaż Mercedes wprowadził kilka mechanicznie doładowanych silników czterocylindrowych w klasie C, uważane są one za zbyt toporne w porównaniu z silnikami V6 w innych wersjach.

Pojawienie się turbo o niskim ciśnieniu doładowania zagroziło sprężarkom mechanicznym. Volkswagen porzucił długo stosowane sprężarki mechaniczne G i postawił na turbo o niskim ciśnieniu doładowania. W tanich samochodach już od dawna nie stosuje się doładowania mechanicznego, spotyka się je jedynie w kilku samochodach GT lub usportowionych sedanach, gdzie ważny jest wysoki moment obrotowy. Jedynym prawdziwym zwolennikiem doładowania mechanicznego jest GM, które oferuje silnik V6 3,8l doładowany mechanicznie do większości sedanów.

Zalety: Duży moment obrotowy, niska cena
Wady: Niska moc maksymalna, niechęć do "wkręcania" się na obroty, hałas i wibracje
Kto tego używa? Aston Martin DB7 3.2 szóstka i Vantage 5.3 V8
GM 3.8-litra V6
Jaguar 4.0 V8 w XKR i XJR
Mercedes 2.0 i 2.3 czwórka Kompressor
Mazda Miller Cycle V6
Subaru Pleo 0.66 czwórka


Wloty powietrza

Wyraźnie widać wlot powietrza na masce Ferrari 550 Maranello. Nie należy go mylić z wlotem powietrza chłodzącego intercooler, ten samochód nie jest doładowany!

Wloty powietrza również mogą zapewnić doładowanie. Gdy samochód porusza się z dużą prędkością, powietrze jest wtłaczane do kanałów dolotu przez wlot, który zazwyczaj znajduje się na masce. Ciśnienie takiego powietrza jest zazwyczaj nieco wyższe od atmosferycznego.

Takie wloty powietrza widać w niemal każdym samochodzie sportowym, np. w samochodach wyścigowych GT, gdzie wloty znajdują się na dachu lub w F1 tzw. "air box". Konstruktorzy F1 twierdzą, że samochód może z tego powodu zyskać 20KM przy prędkości 200km/h.

Zalety: Niski koszt
Wady: Mały zysk mocy, dostępny tylko przy dużych prędkościach.
Kto tego używa? Ferrari 550 Maranello
Lamborghini Diablo SV i GT
McLaren F1
GM Pontiac Firebird WS6 i Chevrolet Camaro SS


(pobrane z klubu A4)