Jak działa turbo i kompresor: rodzaje doładowania

Systemy doładowania pozwalają znacznie zwiększyć wydajność silnika. Zasadniczo doładowanie silnika ma na celu wtłoczenie do cylindrów większej ilości powietrza, niż silnik jest w stanie zassać sam pod ciśnieniem atmosferycznym.

Po co chcemy więcej powietrza w komorze spalania? Ponieważ, mówiąc w bardzo uproszczony sposób, moc silnika zależy od ilości tlenu (a więc i powietrza), który możemy wprowadzić w reakcję z paliwem, aby wytworzyć silną eksplozję – lub spalanie, w zależności od tego, czy mówimy o benzynie, czy o oleju napędowym – która popycha tłok.

W tym celu trzeba sprężyć powietrze dolotowe za pomocą mechanizmu doładowania, który może być dwojakiego rodzaju: turbo (zwane także turbosprężarką) lub kompresor.

Przyjrzyjmy się zasadzie działania turbo i kompresora. Dzięki temu lepiej zrozumiesz ich zalety i wady w każdym przypadku.

Wcześniej warto przypomnieć, że ani kompresor, ani turbo nie są technologiami nowymi.

Doładowanie jest wykorzystywane w motorsporcie od pierwszej dekady XX wieku. W przypadku kompresorów zaadaptowano mechanizm, który już wcześniej stosowano w innych zastosowaniach przemysłowych. Jeśli chodzi o turbosprężarkę, jej pierwotny rozwój nastąpił w silnikach lotniczych, by kompensować mniejszą gęstość powietrza wraz ze wzrostem wysokości.

Tak działa turbo

Turbo składa się zasadniczo z dwóch turbin połączonych sztywno wałem, które obracają się wewnątrz obudowy. Zasada działania polega na wykorzystaniu energii kinetycznej spalin silnika.

Spaliny są kierowane na pierwszą turbinę, powodując jej obrót. Ponieważ druga turbina jest sztywno połączona, również zacznie się obracać. W tym przypadku ruch drugiej turbiny wykorzystuje się do wytworzenia ciśnienia, tłocząc powietrze do kolektora dolotowego.

Warto wiedzieć kilka ważnych rzeczy o silnikach z turbosprężarką. Oczywiście im większe turbo, tym większa zdolność wytwarzania ciśnienia. Jednak także większy będzie wysiłek potrzebny do tego, by spaliny rozpędziły turbinę, co może powodować opóźnienie reakcji między naciśnięciem pedału gazu a skutecznym przekazaniem mocy. Jest to znane jako turbo lag.

Kolejna rzecz. Turbiny mogą obracać się z bardzo dużymi prędkościami, przekraczającymi 150 000 obr./min. Dlatego prawidłowe smarowanie turbo (a konkretnie jego wału) jest tak ważne, aby zapobiegać awariom. W tym celu warto dobrze zrozumieć, jak wielkie znaczenie ma olej silnikowy.

Ewentualny nadmiar ciśnienia wytwarzany przez turbo kontroluje zawór upustowy. Regulacja tego zaworu, który „wypuszcza” powietrze, pozwala ustawić nastawę lub ciśnienie doładowania turbo.

Ponadto, aby poprawić wydajność, silniki z doładowaniem zazwyczaj są wyposażone w chłodnicę zwaną intercoolerem. Zadaniem tej chłodnicy jest schłodzenie powietrza dolotowego po przejściu przez turbo, które podniosło temperaturę podczas sprężania, tracąc gęstość tlenu.

Na zakończenie tematu turbosprężarki warto wspomnieć, że jest to system zwiększający wydajność, który szczególnie dobrze współpracuje z silnikami Diesla, działającymi na zasadzie sprężania mieszanki, a nie jej zapłonu za pomocą iskry świecy zapłonowej.

Silniki benzynowe wymagają mieszanki o określonym stosunku tlenu do paliwa (dla bardziej dociekliwych nazywa się ona mieszanką stechiometryczną), aby spalanie było efektywne, podczas gdy silnik Diesla jest w stanie spalić cały tlen, jaki uda się wprowadzić do komory spalania.

W rzeczywistości od dawna nie ma na rynku atmosferycznych silników Diesla. W benzynowych turbo zaczęło nabierać znaczenia wraz z pojawieniem się wtrysku elektronicznego, który pozwalał kontrolować mieszankę z większą precyzją niż w silnikach turbo z gaźnikiem. Ale to temat na inną historię. Obecnie istnieją marki z doskonałymi silnikami benzynowymi bez turbo. Przykładem jest 2.0 Skyactive marki Mazda, który testowaliśmy w CX-30.

Rodzaje turbo

Istnieją różne typy turbosprężarek, w zależności od zastosowania, do którego są przeznaczone. Ze względu na swoją „geometrię” dzielą się na turbo stałe lub zmienne.

• Turbosprężarka o stałej geometrii. W tego typu turbosprężarkach strumień powietrza uderzający w turbinę napędzaną spalinami zawsze przebiega w ten sam sposób. Jej produkcja jest prostsza, ponieważ ma mniej ruchomych części. Problem polega na tym, że przy niskich obrotach silnika strumień spalin nie niesie wystarczająco dużo energii, by szybko rozpędzić turbinę, co powoduje wspomniany już turbo lag, czyli opóźnienie reakcji turbo.
• Turbosprężarka o zmiennej geometrii. Są one znane także jako VGT (od angielskiego skrótu Variable Geometry Turbocharger). Posiadają łopatki w strefie turbiny, sterowane pneumatycznie lub elektrycznie. Pozwalają zmieniać sposób, w jaki spaliny uderzają w turbinę, głównie po to, by przyspieszyć jej ruch, gdy przepływ spalin jest niewielki. W dużej mierze eliminują opóźnienie reakcji turbo.
• Turbo twin-scroll: Nazywane są także turbo o podwójnym wlocie. Polegają na rozdzielaniu strumienia spalin z cylindrów, aby nie powstawało przeciwciśnienie w kolektorze dolotowym

W tym filmie możesz zobaczyć, jak przebiega proces działania turbosprężarki, a dokładniej turbosprężarki o zmiennej geometrii.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

Tak działa kompresor

Przechodzimy teraz do kompresora. Cel pozostaje ten sam co w turbo – wtłoczenie sprężonego powietrza do komory spalania. Jednak tutaj nie wykorzystuje się energii spalin, lecz mechanizm sprężający napędzany jest przez sam silnik, zazwyczaj za pomocą paska połączonego z wałem korbowym.

Jego zastosowanie sięga również początku XX wieku, kiedy stosowano go w modelach wyścigowych jako sposób na osiągnięcie dużej mocy. Ponieważ nie zależy od spalin, nie ma opóźnienia reakcji. Jednak przy wysokich obrotach wiąże się to z dużą utratą mocy silnika, co obniża efektywność.

Rodzaje kompresorów

Istnieją różne typy kompresorów, w zależności od ich budowy.

• Kompresor typu Roots. Nazywany także „dwułopatkowym”, od wirników w kształcie ósemki, które obracają się w przeciwnych kierunkach wewnątrz obudowy, tłocząc powietrze.
• Kompresor Eaton. Znany także jako kompresor „śrubowy”. Składa się z dwóch elementów o kształcie helikoidalnym, które obracają się zazębiając się, tak że powietrze wchodzące między obracające się części napotyka objętość, która się zmniejsza, co powoduje wzrost ciśnienia.

Innym typem kompresora, który Volkswagen bez powodzenia stosował w latach 90., jest kompresor G, znany jako kompresor Scroll. Składa się ze stałej spirali i wewnętrznej ruchomej, które sprężają powietrze podczas ruchu. Zaprzestano ich stosowania ze względu na złożoność produkcji i niską niezawodność.

Film o kompresorze roots

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Film o kompresorze Eaton

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Co jest lepsze, turbo czy kompresor?

Jeśli dotarłeś aż tutaj, możesz mieć własne zdanie na temat tego, czy lepsze jest turbo, czy kompresor. Nie ma bowiem jednej odpowiedzi na to pytanie. Zależy to od rodzaju silnika i tego, co chcesz osiągnąć. Jak zobaczysz, niektóre marki stosują nawet oba systemy jednocześnie.

Krótko mówiąc, kompresor pozwala uzyskać praktycznie natychmiastową reakcję na gaz już od bardzo niskich obrotów. Jest jednak obszerny, a jego napęd zabiera moc silnikowi.

Turbosprężarka nie „kradnie” energii silnikowi, wykorzystuje energię spalin, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana. Pojawia się jednak problem opóźnienia reakcji, gdy nie ma wystarczającej ilości spalin, by poruszyć turbinę, a im większe turbo, tym problem jest większy. Zmusza to do stosowania rozwiązań, takich jak użycie więcej niż jednej turbosprężarki (mniejsza na niskie obroty, większa dla wysokiej mocy przy wysokich obrotach); Mercedes-Benz lub BMW stosowały nawet do trzech turbo w niektórych swoich silnikach.

Są też marki, które sięgnęły po podwójne doładowanie, by połączyć zalety obu systemów. I to nie tylko w modelach sportowych. Choćby wiele modeli Grupy Volkswagen stosowało kompresor i turbo w popularnym silniku 1.4 R4, który był montowany m.in. w Volkswagen Golfie.

Nowa era elektryfikacji otworzyła drzwi do turbosprężarek z napędem elektrycznym, jak EPC, który Audi, z elektrycznym kompresorem, który przyspiesza turbinę, aby zmniejszyć turbo lag przy niskich obrotach. Innym rozwiązaniem, widzianym również w najnowszych modelach sportowych Audi z silnikiem TDI, jest połączenie elektrycznego kompresora z turbo.

Jeden z największych specjalistów od doładowania, BorgWarner, opracował już swoją technologię eBooster, która wykorzystuje właśnie elektryczny kompresor do wspomagania turbo napędzanego spalinami. Możesz zobaczyć, jak działa, w tym filmie.

https://youtu.be/iEGisoOnewg