Czym jest „turbo lag”, czyli opóźnienie reakcji turbosprężarki?

Antonio Roncero @roncero_antonio 1 June 2020 5 min.

Czym jest „turbo lag”, czyli opóźnienie reakcji turbosprężarki?

Z nielicznymi wyjątkami (małe silniki o niewielkiej pojemności i mocy) turbosprężarka jest dziś praktycznie standardem zwiększającym wydajność silników spalinowych, zarówno benzynowych, jak i wysokoprężnych.

A jeśli prowadziłeś samochód z turbodoładowaniem, z pewnością w niektórych sytuacjach zauważyłeś lekkie opóźnienie między chwilą wciśnięcia pedału przyspieszenia, by uzyskać większą moc, a momentem, w którym ta moc faktycznie się pojawia. Ten efekt nazywa się „turbo lag”, czyli opóźnieniem reakcji turbosprężarki.

Aby lepiej zrozumieć, na czym polega „turbo lag”, warto poznać choćby podstawowe zasady działania układu doładowania silnika za pomocą turbosprężarki.

Tak działa turbosprężarka

Turbosprężarka to jeden z typów mechanizmów służących do doładowania, czyli wymuszenia wtłaczania powietrza do komory dolotowej silnika. Składa się z sprężarki i turbiny (stąd jej nazwa, od połączenia tych dwóch słów), połączonych wałem i obracających się wewnątrz obudowy.

Gazy spalinowe powstające podczas pracy silnika napędzają turbinę, która z kolei obraca sprężarkę. To właśnie sprężarka sprężą powietrze dolotowe do maksymalnego ciśnienia, ograniczonego przez zawór upustowy. Sprężone powietrze trafia do komory spalania, zwiększając wydajność silnika.

Dlaczego występuje turbo lag?

Opóźnienie reakcji, charakterystyczne dla niektórych silników z turbosprężarką, pojawia się wtedy, gdy gazy spalinowe muszą pokonać bezwładność turbiny, która stoi lub obraca się przy niskich obrotach. Należy pamiętać, że aby sprężarka obracała się z prędkością pozwalającą sprężać powietrze dolotowe, turbina musi obracać się wystarczająco szybko.

Jeśli strumień gazów spalinowych jest niewielki, na przykład przy przyspieszaniu z niskich obrotów, turbina będzie miała trudności z pokonaniem swojej bezwładności i jej ruszeniem. Podobnie, jeśli turbosprężarka jest bardzo duża, by generować wyższe ciśnienie doładowania, turbina będzie większa, a jej obrócenie wymagać będzie więcej energii.

Dawniej, gdy silniki nie miały dzisiejszej elektronicznej zaawansowania, w samochodach sportowych często stosowano duże turbosprężarki, aby uzyskać znaczny wzrost mocy. Sprężały one jednak dużo powietrza – a tym samym pozwalały silnikowi osiągać znacznie większą moc – dopiero przy wysokich obrotach.

Przy niskich obrotach, gdy strumień gazów spalinowych był niewielki, turbosprężarki długo nie wchodziły w działanie, przez co kierowca musiał z wyprzedzeniem dodawać gazu, a cała moc pojawiała się praktycznie nagle.

Jak zwalczać turbo lag

Logiczne wydaje się zatem, że aby zwalczyć turbo lag, stosuje się małe turbosprężarki, w których rozpędzenie turbiny wymaga jak najmniejszego wysiłku, albo lekkie materiały w jej konstrukcji.

Problem polega na tym, że mała turbosprężarka ogranicza możliwości układu doładowania w zakresie poprawy wydajności. Z kolei wysokie temperatury i prędkości obrotowe, jakie osiąga turbosprężarka (nawet do 300 000 obr./min), wymuszają stosowanie specjalnych materiałów, takich jak tytan czy ceramika.

Istnieją jednak różne technologie, które pozwoliły ograniczyć opóźnienie reakcji silników z doładowaniem. Najpopularniejsze z nich to:

Turbosprężarka o zmiennej geometrii. Łopatki turbiny nie są stałe, lecz mogą się zmieniać, modyfikując kąt, pod jakim uderzają w nie gazy spalinowe, dzięki czemu turbina przyspiesza szybciej.
Turbosprężarka z dwoma wlotami Twin-Scroll. Nie należy mylić technologii Twin-Scroll, czyli turbo z dwoma wlotami, z podwójnym doładowaniem. W turbo Twin-Scroll stosuje się dwa oddzielne wloty do kierowania gazów spalinowych na turbinę, co pozwala rozdzielić cylindry dostarczające ciśnienie od tych, które mogłyby je zmniejszyć, „zasysając” ponownie gazy spalinowe.
Podwójne doładowanie. Dzięki tej technologii można zastosować mniejszą turbosprężarkę, która zapewni natychmiastową reakcję przy niskich obrotach, oraz większą, która dostarczy więcej ciśnienia i mocy przy wysokich obrotach silnika. Takie układy mogą wykorzystywać dwie (lub więcej) turbosprężarki o różnych rozmiarach. Stosuje się też zalety innych rodzajów doładowania, jak sprężarki wyporowe lub elektryczne sprężarki, które zapewniają szybką reakcję przy niskich obrotach, połączone z klasyczną turbosprężarką.

„Bang-bang”: anti-lag starych samochodów wyścigowych

Przed wprowadzeniem wszystkich tych systemów w dawnych samochodach wyścigowych, które używały ogromnych turbosprężarek do uzyskania dużej mocy, kierowcy musieli mierzyć się z ogromnym opóźnieniem reakcji na gaz. Aby temu zaradzić, inżynierowie opracowali układ anti-lag, który szybko zyskał nazwę „Bang-bang” od swojego charakterystycznego dźwięku.

Polegał on na opóźnianiu zapłonu, tak aby iskra ze świecy pojawiała się nieco później, co lekko opóźniało spalanie. Dzięki temu w gazach spalinowych powstawało większe ciśnienie wskutek powietrza dolotowego wpadającego do cylindrów. Było to pomysłowe i technicznie łatwe do wdrożenia rozwiązanie, ale nie nadawało się do samochodów drogowych ze względu na wysokie zużycie paliwa i problemy z niezawodnością silnika, jakie by powodowało.