Jak działa turbosprężarka? Zasada działania i budowa

Turbosprężarka wykorzystuje energię spalin do sprężania powietrza trafiającego do cylindrów. Większa ilość tlenu pozwala spalić odpowiednią dawkę paliwa wydajniej, a silnik może osiągać wyższą moc bez zwiększania pojemności skokowej.

Czym jest turbosprężarka i dlaczego zwiększa moc?

Turbosprężarka to układ złożony z dwóch współpracujących części: turbiny oraz sprężarki. Turbina znajduje się po stronie gorącej i jest napędzana gazami wylotowymi z silnika. Sprężarka, nazywana też stroną zimną, wtłacza sprężone powietrze do układu dolotowego.

Oba wirniki są połączone wspólnym wałkiem. Dzięki temu energia spalin, która w silniku wolnossącym w dużej części opuszcza układ wydechowy, napędza sprężarkę. Do cylindrów trafia więcej powietrza, a więc także więcej tlenu. Sterownik silnika może wtedy dobrać większą dawkę paliwa, zachowując warunki potrzebne do efektywnego spalania. Rezultatem jest wzrost mocy i momentu obrotowego.

Jak działa turbosprężarka krok po kroku?

Obieg spalin i powietrza przebiega w określonej kolejności:

1. Spaliny opuszczają cylindry i trafiają do kolektora wydechowego.
2. Strumień spalin kieruje się na wirnik turbiny, wprawiając go w bardzo szybki ruch obrotowy.
3. Wałek łączy wirnik turbiny z kołem kompresji, dlatego obrót strony gorącej napędza stronę zimną.
4. Koło kompresji zasysa powietrze atmosferyczne przez układ dolotowy i spręża je w swojej obudowie.
5. Sprężone powietrze przepływa przez intercooler, który obniża jego temperaturę.
6. Ochłodzony ładunek trafia do kolektora dolotowego, a następnie do cylindrów, gdzie uczestniczy w spalaniu paliwa.

Podczas sprężania powietrze nagrzewa się. Intercooler, czyli chłodnica powietrza doładowującego, obniża jego temperaturę, przez co zwiększa się jego gęstość. W tej samej objętości można więc dostarczyć do cylindra więcej tlenu. Chłodniejsze powietrze pomaga także ograniczyć temperaturę spalania i obciążenie cieplne elementów silnika.

Budowa i sterowanie turbosprężarką

Sama zasada działania jest prosta, ale turbosprężarka pracuje w trudnych warunkach. Wirniki osiągają wysoką prędkość obrotową, a strona turbiny ma kontakt z bardzo gorącymi spalinami. Dlatego urządzenie wymaga precyzyjnego smarowania i kontroli ciśnienia doładowania.

Najważniejsze elementy turbosprężarki to:

• Wirnik turbiny – odbiera energię spalin i zamienia ją na ruch obrotowy.
• Koło kompresji – zasysa oraz spręża powietrze kierowane do silnika.
• Wałek – przenosi napęd z turbiny na sprężarkę.
• Łożyska i kanały olejowe – umożliwiają stabilną pracę wałka oraz odprowadzanie ciepła i smarowanie podzespołu.

Wastegate i kontrola ciśnienia

Normalne doładowanie jest częścią prawidłowej pracy silnika. Problem pojawia się wtedy, gdy ciśnienie wzrośnie ponad zakres przewidziany przez konstruktora. Takie zjawisko nazywa się przeładowaniem. Może prowadzić do nadmiernego wzrostu temperatury i obciążeń, a w konsekwencji uszkodzić tłoki, zawory, uszczelki lub samą turbosprężarkę.

Za ograniczanie ciśnienia często odpowiada zawór Wastegate. Po jego otwarciu część spalin omija wirnik turbiny i trafia bezpośrednio do układu wydechowego. Turbina nie otrzymuje wtedy całego strumienia gazów, dzięki czemu prędkość obrotowa wirnika i ciśnienie doładowania pozostają pod kontrolą.

Odwrotnym problemem jest niedoładowanie, czyli zbyt mała ilość powietrza względem zapotrzebowania silnika. Powoduje ono spadek mocy, a przy niewłaściwie dobranej dawce paliwa może też pogorszyć spalanie. Sterowanie zaworem odbywa się zależnie od konstrukcji za pomocą siłownika pneumatycznego, podciśnienia albo napędu elektronicznego.

Turbo dziura i zmienna geometria VTG

Turbodziura to opóźnienie między wciśnięciem pedału przyspieszenia a uzyskaniem wyraźnego wzrostu ciśnienia doładowania. Zanim spaliny osiągną przepływ wystarczający do szybkiego rozpędzenia wirnika, silnik może przez chwilę reagować mniej dynamicznie.

W turbosprężarce ze zmienną geometrią, oznaczaną jako VTG lub VGT, wokół wirnika turbiny znajdują się ruchome kierownice spalin. Przy niskich obrotach zmieniają one przekrój przepływu tak, aby spaliny szybciej napędzały wirnik. Przy większym przepływie otwierają kanał szerzej, ograniczając nadmierne ciśnienie i temperaturę. Takie sterowanie skraca czas reakcji, ale wymaga precyzyjnego działania mechanizmu oraz siłownika.

W praktyce układ musi równoważyć osiągi i obciążenie cieplne. Większa ilość powietrza może zwiększyć moc, lecz ciśnienie doładowania nie powinno przekraczać wartości przewidzianych dla konkretnego silnika.

Rodzaje turbosprężarek

Turbina i sprężarka pełnią więc różne funkcje, choć pracują na wspólnym wałku. Pierwsza odzyskuje energię spalin, druga dostarcza do cylindrów sprężone powietrze. Intercooler poprawia warunki pracy po stronie dolotowej, a Wastegate lub zmienna geometria utrzymują doładowanie w bezpiecznym zakresie.