Turbosprężarka została wynaleziona przez Dr. Alfreda J. Buchi w okresie 1909-1911 i po raz pierwszy użyta była w samolocie podczas I Wojny Światowej...

Artykuł pochodzi z serwisu UKCar

Ogólnie

Turbosprężarka została wynaleziona przez Dr. Alfreda J. Buchi w okresie 1909-1911 i po raz pierwszy użyta była w samolocie podczas I Wojny Światowej. W czasie II Wojny Światowej użycie turbosprężarek w silnikach samolotów było powszechnie akceptowanym sposobem radzenia sobie z wydajnością na dużych wysokościach gdzie zdolność sprężarek do zasysania powietrza do silników pozwalała zwalczyć rozrzedzoną naturę powietrza.

Wkrótce również turbosprężarki zostały wbudowane w silniki pojazdów drogowych. Trubo było głównie używane w ciężarówkach z silnikiem diesla ze względu na ogromne odległości, które są przez nie pokonywane i związane z tym zapotrzebowanie na moc. Najbardziej interesujące w trubosprężarkach jest to, że ważą one tylko ok. 10 kg, dzięki czemu mogą być umieszczone praktycznie w każdym silniku z wtryskiem i co najważniejsze, pozwalają zwiększyć moc silnika bez wykładniczego zwiększenia zużycia paliwa.

Niedawno wiele najważniejszych zakładów produkujących samochody zaczęło używać turbo z korzyścią dla siebie. Dzięki turbo możliwe jest produkowanie mniejszych silników o mocy porównywalnej do większych, mniej ekonomicznych silników. Z czysto prozaicznego punktu widzenia, producent może na przykład z 2 litrowego standardowego silnika o mocy 130 KM z wykorzystaniem dużej liczby jego części, zbudować 250 konny silnik turbo. Oszczędności są tutaj ogromne.

Inżynierowie Volkswagena stwierdzają, że ich turbodoładowany silnik diesla może przebyć o 11% dłuższą drogę niż ten sam silnik bez doładowania. To jest godne uwagi osiągnięcie dla urządzenia, które waży jedynie od 5 do 10 kg, a dodatkowo podnosi moc.

Prosta teoria

Główna zaleta turbodoładowania jest oczywista - zamiast tracić energię termiczną w spalinach, można by zrobić z niej użytek, aby zwiększyć moc silnika. Poprzez skierowanie spalin na turbinę i dzięki temu wprawienie w ruch łopatek, która napędza z kolei drugą turbinę, dodatkowe świeże powietrze jest wpompowywane do komory spalania, co więcej pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie atmosferyczne, dzięki czemu mały wymiarowo silnik może dostarczać mocy porównywalnej z dużo większymi konkurentami. Dla przykładu, jeśli 2 litrowy, turbudoładowany silnik pracuje z ciśnieniem ładowania 1.5 bara, osiąga on rezultaty 3 litrowego, naturalnie ssącego silnika. W wyniku, rozmiar i waga silnika mogą być znacznie zmniejszone co z kolei prowadzi do lepszego przyspieszania, prowadzenia i hamowania, chociaż zużycie paliwa niekoniecznie staje się niższe.

Problemy - turbo dziura

Turbodoładowanie zostało po raz pierwszy zaprezentowane w samochodzie seryjnym przez koncern GM w ich Chevrolecie Corvair z początku lat 60-tych. Samochód ten miał bardzo złą reputację ze względu na bardzo słabe osiągi na niskich biegach i ogromną turbo dziurę, która czyniła płynną jazdę niemożliwą.

Turbo dziura była naprawdę największą przeszkodą w akceptacji i praktyczności wczesnych samochodów z turbodoładowaniem. Chociaż trubodoładowanie było szeroko i udanie używane w sportach motorowych - poczynając od BMW 2002 turbo przez rajdy terenowe do formuły jeden - samochody osobowe zawsze wymagały przyjaźniejszej formy dostarczania mocy. Ówczesne turbiny były duże i ciężkie i w efekcie nie potrafiły rozpędzać się przy obrotach niższych niż 3.500 obr/min. Wynikiem tego były bardzo słabe osiągi na niskich obrotach. Dodatkowo, ze względu na wymóg zmniejszonego do ok. 6:5:1 współczynnika kompresji pozwalającego uniknąć przegrzania głowicy cylindra, moc oddawana przed doładowaniem była nawet niższa niż w normalnych wolnossących silniach tej samej pojemności!

Turbo dziura powodowała również kłopoty innego typu przy codziennej jeździe. Zanim turbo się załączało, samochód jeździł tak jak zwykły salonowiec lub nawet gorzej. Natomiast przy pełnym otwarciu przepustnicy i policzeniu do 4 nagle moc samochodu przy 3,500 obr/min gwałtownie rosła i samochód stawał się dziką bestią. Wskutek tego na mokrych nawierzchniach lub w ciasnych zakrętach samochód mógł tracić przyczepność i w efekcie przestawał być kontrolowany. W obecności turbo dziury trudno jest płynnie kierować samochodem.

Dodatkowo turbo dziura rujnuje "ogładę" w prowadzeniu samochodu. Wciśnięcie pedału gazu do tzw. dechy nie powodowało wcale nagłego przypływu mocy - wszystko działo się z kilkusekundowym opóźnieniem, bez znaczenia czy gaz był akurat wciskany, czy WYCISKANY! Można sobie łatwo wyobrazić jak trudna jest szybka jazda z czymś takim po mieście lub pozamiejskich serpentynach.

Aby ocenić jak trudnym może być samochód Turbo, można spojrzeć na recenzje wczesnych 911 turbo, które nadal mają swoją reputację ze względu na dzikie zachowanie.

Sposób Porsche'a na turbo dziurę

Pierwszym "praktycznym" turbodoładowanym samochodem, który pojawił się w 1975 roku, był Porsche 911 Turbo 3.0. Aby zredukować turbo dziurę, inżynierowie Porsche'a zaprojektowali mechanizm pozwalający turbinie na tzw. "pre-spin" czyli "przedwkręcenie" zanim nastąpi zwiększenie ciśnienia doładowania. Sekretem tego urządzenia była kanał cyrkulacji powietrza i zawór: zanim spaliny osiągały odpowiednie ciśnienie do napędzenia turbiny, pomiędzy wlotem i wylotem turbiny świeżego powietrza tworzony był kanał cyrkulacji powietrza i w ten sposób turbina mogła się swobodnie kręcić i nie zwalniać obrotów np. z powodu niższego ciśnienia ładowania. Kiedy spaliny osiągały odpowiednie ciśnienie potrzebne do turbodoładowania, wspomniany zawór zamykał kanał recyrkulacyjny, a już kręcąca się turbina była w stanie wtłoczyć świeże powietrze od razu do komory spalania. Z tego powodu turbo dziura została znacznie osłabiona podczas gdy przyrost mocy był łagodniejszy. Mimo to wczesne Porsche 911 turbo nadal uważane jest za dziką bestię pomimo siły umysłu niemieckich inżynierów.

Intercooler

3.3 litrowy silnik w 911 Turbo zastąpił w 1978 roku wspomniany silnik 3.0. Nowością w tym silniku był intercooler pomiędzy kompresorem i silnikiem. Dzięki temu urządzeniu temperatura powietrza mogła być obniżona do 50-60 °C co nie tylko powodowało zysk w postaci większej możliwej do wtłoczenia ilości powietrza (chłodniejsze powietrze miało większą gęstość), ale przede wszystkim pozwalało na zwiększenie współczynnika kompresji bez konieczności martwienia się o temperaturę głowicy. Oczywiście, większa kompresja prowadziła do zwiększenia osiągów na niskich obrotach.

Dalszy rozwój

W latach 80-tych, technologia turbodoładowania nadal rozwijała się pozwalając na lepsze zachowanie się na drodze samochodu. Wraz z udoskonaleniem materiałów i technologii produkcji, waga turbiny i inercji zostały znacznie znacznie zredukowane stąd polepszenie szybkości reakcji oraz zmniejszenie turbo dziury. Aby poradzić sobie z ogromną temperaturą spalin, turbiny są obecnie w większości produkowane ze stali nierdzewnej lub ceramiczne (faworyzowany przez Japońskie IHI). Okazjonalnie spotyka się samochody posiadające tytanowe turbiny, które są jeszcze lżejsze, ale niestety bardzo drogie (na zdjęciu tytanowa turbina w Mitsubishi Lancer GSR).

Inną metodą udoskonalenia pracy turbiny była kontrola doładowania. Wczesne silniki turbo zawierały mechaniczną przepustnicę, aby możliwe było uniknięcie przeładowania komory spalania. Bez przepustnicy ciśnienie doładowania byłoby proporcjonalne do szybkości silnika (ponieważ szybkość turbiny zależy od szybkości przepływu spalin, stąd prędkość silnika). Przy wysokich obrotach ciśnienie byłoby zbyt wysokie powodując zbyt duże obciążenie i temperaturę w komorze spalania i w konsekwencji zniszczenie silnika. Przepustnica to po prostu zawór dodany do kanału wlotowego. Za każdym razem, gdy ciśnienie przekracza określoną wartość, przepustnica otwiera się i zmniejsza w ten sposób ciśnienie doładowania.

Od wprowadzenia mechanicznej kontroli ciśnienia doładowania za pomocą przepustnicy w końcu lat 80-tych dokonał się spory krok naprzód. Podczas gdy przepustnica mechaniczna pozwalała na ustalenie górnego limitu ciśnienia doładowania, Elektroniczna Kontrola Doładowania (EBC) zarządza ciśnieniem doładowania w całym zakresie obrotów. Przykładowo może ograniczać ciśnienie do 1.4 bara dla obrotów poniżej 3000 obr/min, a następnie zwiększać ciśnienie do 1.6 bara w zakresie 3000 - 4500 obr/min. Przy obrotach powyżej 4500 obr/min ciśnienie może być również zwiększone elektronicznie do 1.8 bara. W ten sposób osiągnięte zostało liniowe dostarczanie mocy i dużo bardziej wyrafinowana praca silnika. Elektroniczna Kontrola Doładowania to po prostu taka mechaniczna przepustnica aktywowana przez system zarządzania silnikiem, a nie przez ciśnienie atmosferyczne.

Tłumaczenie: Rafał P.
Rudy 600 (Turbo :-)