Zasada działa turbosprężarki

Zasada działania turbiny polega na wykorzystaniu energii uchodzących spalin do napędu turbiny umieszczonej na wspólnym wałku ze sprężarką podającą do cylindrów powietrze pod zwiększonym ciśnieniem. Budowa turbosprężarki wiąże się z około 3-procentowym zwiększeniem masy silnika (masa turbosprężarki i instalacji), zrekompensowanym zwiększeniem mocy nawet do 50%, a więc bardzo korzystnym. Korzyści dotyczą także miejsca zabudowy turbosprężarki i zmienionych przewodów dolotowych. Produkowanie silników turbodoładowanych umożliwia zmniejszenie liczby typów silników, gdyż jeden typ silnika doładowanego i wolnossącego obejmuje większy zakres mocy użytecznych. Równocześnie połączenie działania dwóch maszyn przepływowych, tj. silnika o przepływie pulsacyjnym i sprężarki o przepływie ciągłym, tworzy układ o dużej sprawności i małej masie jednostkowej. Z powodu dużych wartości współczynnika nadmiaru powietrza, toksyczność spalin oraz jednostkowe zużycie paliwa są mniejsze niż w przypadku silnika wolnossącego o takiej samej mocy. Zalety te uzyskują silniki turbodoładowane dzięki zwiększeniu poziomu ciśnień i lepszemu wykorzystaniu energii spalin, przez co zwiększa się sprawność ogólną. Związany z tym wzrost maksymalnego ciśnienia spalania jest wolniejszy niż przyrost ciśnienia efektywnego, dzięki czemu rośnie sprawność mechaniczna silnika turbodoładowanego. W silniku turbodoładowanym w cylindrze w okresie napełniania istnieje często niedomiar powietrza w stosunku do wtryśniętej dawki paliwa, gdyż pompa wtryskowa reaguje natychmiast na zmianę prędkości obrotowej silnika, a turbosprężarka nie nadąża z podawaniem niezbędnej ilości powietrza. Z jednej strony jest to spowodowane wspomnianą wcześniej więzią gazową między silnikiem a turbosprężarką, z drugiej zaś bezwładnością samego wirnika turbosprężarki, wpływającą negatywnie na zdolność jej przyspieszania. Niezależnie od tego powietrze, które dostaje się do cylindra, ma również podwyższone właściwości termodynamiczne, co zmusza do zmiany nastaw regulacyjnych w postaci zmniejszenia kąta wyprzedzenia wtrysku w celu uzyskania poprawnej pracy silnika. W przypadku turbodoładowania opisanego wcześniej silnika o wtrysku bezpośrednim konieczne było zmniejszenie kąta wyprzedzenia wtrysku o 1◦OWK na każde 0,013 MPa nadciśnienia doładowania.

Napęd i budowa turbosprężarki

Do optymalnego wykorzystania energii spalin a także zapewnienia poprawnej współpracy silnika z turbosprężarką musi być zachowana równowaga pomiędzy mocą turbiny i sprężarki z uwzględnieniem ich sprawności. W związku z tym, bardzo ważne jest prawidłowe skonstruowanie układu wylotowego, aby jak najlepiej wykorzystać energię spalin, która stanowi nawet 30 ÷ 40% całkowitej energii dostarczonej z paliwem.
Ogólnie rzecz biorąc, zasilanie przy stałym ciśnieniu stosuje się głównie w silnikach pojazdów szynowych, gdzie wymagane są duże wartości sprężu i znacznie mniejsze przyspieszenia niż w silnikach samochodowych. Sprawność turbiny przy tego typu zasilaniu jest znacznie większa.
Zasilanie pulsacyjne wymaga łączenia przewodów wylotowych cylindrów, w których suwy pracy są odległe o 240◦OWK. Ma to za zadanie odpowiednie wykorzystanie pulsacji ciśnienie w przewodzie wylotowym do napędu turbosprężarki. Zapewnia ono znacznie lepsze przyspieszenia turbosprężarki, szczególnie ważne w silnikach samochodowych. Również warunki przepłukania komory spalania są przy tym sposobie zasilania znacznie lepsze. Sposób zasilania turbiny spalinami ma niewątpliwy wpływ na konstrukcję turbosprężarek i ich rozwój.
Urządzenia doładowujące złożone są z turbiny spalinowej powiązanej wspólnym wałkiem ze sprężarką przyjęto nazywać turbosprężarką. O ile od początku sprężarka była sprężarką odśrodkową, turbina przeszła pewne ewolucje, mające na celu lepsze wykorzystanie energii spalin i możliwość uzyskania większych przyspieszeń.

Typowa turbosprężarka składa się z:

kadłuba środkowego i ułożyskowanego w nim wirnika (turbina i sprężarka na wspólnym wałku),
- kadłuba turbiny,
- kadłuba sprężarki.

Koszt regeneracji turbiny jest zawsze uzależniony od rodzaju i charakteru uszkodzeń.

Znajdź nasze oddziały regeneracja turbosprężarek Wrocław, Mielec, Warszawa, Rzeszów, Lublin, Radom, Kielce itd. zajmujące się demontażem i montażem turbo i wysyłką do centrali w Stalowej Woli.

Rodzaje turbosprężarek

Biorąc pod uwagę parametry przepływowe turbosprężarki i jej zdolność przyspieszeń (czy też uzyskiwania znacznych prędkości obrotowych), można podzielić turbosprężarki na trzy generacje. Podziału tego można dokonać biorąc pod uwagę następujące kryteria: rodzaj turbiny, rodzaj sprężarki, łożyskowanie wirnika oraz prędkość obrotową wirnika:

I generacja:

- sprężarka odśrodkowa,
- turbina osiowa,
- wirnik ułożyskowany w łożyskach tocznych.

II generacja:

- sprężarka odśrodkowa,
- turbina odśrodkowa,
- wirnik ułożyskowany w łożyskach tocznych.

III generacja:

- sprężarka odśrodkowa,
- sprężarka dośrodkowa,
- wirnik ułożyskowany ślizgowo w łożyskach pływających (ślizgowych).

Obecnie konstruowane turbosprężarki do silników samochodowych są wykonywane jako konstrukcje o dużym podobieństwie geometrycznym (Schwitzer, Holset, KKK, TKR). Najczęściej turbosprężarka taka złożona jest ze sprężarki odśrodkowej i turbiny promieniowej. Maksymalne wartości ciśnienia doładowania występują przy 25 do 50% całkowitego wydatku i sprawność sprężarki w tym obszarze jest największa. Zaletą pracy sprężarki w pobliżu punktu maksymalnej sprawności jest minimalne nagrzewanie się sprężonego powietrza. Niestabilna praca sprężarki występuje po przenoszeniu granicy pompowania lub w procesie gwałtownego przyspieszania, kiedy to zachodzi urywanie się strugi powietrza z łopatek wirnika, powodujące nienadążanie sprężarki z podawaniem powietrza niezbędnego silnikowi do całkowitego spalenia zwiększającej się dawki paliwa. Wykorzystując te właściwości sprężarek odśrodkowych, opracowano metodę doboru dynamicznego turbosprężarki na stanowisku bezwładnościowym.

W początkowym okresie jeden model turbosprężarki miał obsługiwać bardzo szeroki wachlarz silników (np.: Eberspächer 50 kW do ok. 150 kW czy BSA). Późniejsze konstrukcje mają znacznie zawężony zakres zastosowań, ale są za to dużo lepiej dopasowane do silnika pod względem gazodynamicznym, uzyskując we współpracy z silnikiem większą sprawność i korzystniejsze właściwości dynamiczne. Turbosprężarki I generacji cechowały się dość dużym opóźnieniem reakcji na zmianę prędkości obrotowej i obciążenia silnika doładowanego. Wydłużony czas rozpędzenia zespołu doładowującego wynika z właściwości konstrukcyjnych turbiny (osiowa) oraz dość dużych średnic wirnika, a tym samym ze znacznego momentu jego bezwładności, który jak wiadomo przeciwstawia się zwiększaniu prędkości obrotowej. Wprowadzenie turbosprężarek II generacji poprawiło właściwości dynamiczne dzięki zastosowaniu turbiny dośrodkowej, znacznie lepiej przyspieszającej, mimo pozostawienia łożyskowania tocznego. III generacja turbosprężarek ma jeszcze lepsze właściwości dynamiczne dzięki zastosowaniu łożyskowania ślizgowego pływającego i zmniejszeniu średnicy wirników turbiny i sprężarki, działających w promieniowym układzie przepływu spalin (turbina dośrodkowa i sprężarka odśrodkowa). Te turbosprężarki są obecnie stosowane przez wszystkich producentów samochodów osobowych jak i ciężarowych.

Potrzeba wyważania wirników turbosprężarek III generacji oraz czynniki wpływające na sprawność turbosprężarki

Wraz z wprowadzeniem turbosprężarek III generacji pojawił się dodatkowy aspekt brany pod uwagę przez producentów turbosprężarek – potrzeba wyważania zespołu wirującego. Brak wyważenia powoduje nadmierne drgania przenoszące się na korpus i uszkodzenia łożysk, a tym samym zmniejszenie niezawodności urządzenia. Charakterystyczną cechą niewyważonego zespołu wirującego jest płynny wzrost amplitudy drgań łożysk, towarzyszący zwiększeniu prędkości obrotowej. Jeżeli znacznie różni się ona od najbliższej prędkości krytycznej, to amplitudy drgań łożysk zmieniają się proporcjonalnie do kwadratu ich prędkości obrotowej. Drgania takie są zawsze drganiami harmonicznymi o częstości równej częstości obrotów wirnika. W związku z bardzo dużymi prędkościami obrotowymi zespołu wirującego problem częstości drgań własnych nabiera szczególnego znaczenia. Krytyczna prędkość obrotowa wirników, przy której występuje rezonans pomiędzy drganiami wymuszonymi i własnymi turbosprężarki, powinna oczywiście znacznie przewyższać jej szybkobieżność znamionową. Oprócz tego wymagane się, aby w całym zakresie użytecznych prędkości biegu silnika, niezależnie od chwilowej prędkości obrotowej wału korbowego, turbosprężarka nie przejawiała skłonności do jakichkolwiek drgań. Inną przyczyną występowania drgań może być nadmierne zwiększenie lub zmniejszenie się luzów łożysk. Zjawisko takie nosi nazwę samowzbudnych drgań olejowych. W niektórych przypadkach drgania są tak duże, że uniemożliwiają normalną pracę turbosprężarki, a niekiedy w krótkim czasie niszczą łożysko. Przyczyną powstawania drgań może być także cieplna niestabilność wirnika. Charakterystyczną cechą stanu dynamicznego zespołu wirującego z wirnikiem cieplnie nie ustabilizowanym jest szybki wzrost amplitudy drgań, towarzyszący wzrostowi temperatury czynnika w kadłubie turbiny.

Ogólnie rzecz biorąc, niewyważenie zespołów wirujących turbosprężarek może pojawić się w skutek:

- uszkodzenia łopatek wirnika turbiny lub sprężarki,
- nierównomiernego zużycia łopatek w wyniku erozji i korozji,
- zgromadzenia zanieczyszczeń,
- osłabienia połączenia między wałkiem a wirnikiem sprężarki,
- cieplnego skrzywienia wirnika turbiny wywołanego niejednorodnością materiału wirnika lub naprężeniami wewnętrznymi.

Obecnie produkowane turbosprężarki wyważa się dwuetapowo, co pozwoliło na zwiększenie maksymalnych prędkości obrotowych wirników:

I etap: wyważenie koła turbiny z wałkiem, koła sprężarki, jej nakrętki, elementów dystansowych i uszczelniających,
II etap: wyważenie zestawu wirującego w korpusie sprężarki na własnych łożyskach, zgodnie z wcześniej opisanymi zasadami.

Taki sposób postępowania wynika z bardzo rygorystycznych wymagań, stawianych przez producentów turbosprężarek. Wymagania te drastycznie rosną wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej oraz pomniejszaniu średnicy wirnika. Niestety, jest to ograniczone zmniejszaniem się sprawności turbiny w miarę zmniejszania średnicy jej wirnika.

Wiadomo, że współczesne turbosprężarki samochodowe pracują w szerokim zakresie wydatków powietrza i spalin, wymuszanych przez współpracę z silnikiem spalinowym. Jednocześnie stosunek minimalnego wydatku spalin (powietrza) do wydatku maksymalnego waha się w granicach 0,35 ÷ 0,45.

Rezultaty badań małych turbosprężarek pozwoliły na określenie przyczyn zmniejszania się ich sprawności wraz ze zmniejszaniem się średnicy wirnika:

- dużą wysokością łopatek, działaniem ciśnienia oraz niską prędkością spalin w części dolotowej,
- zwiększonym obciążeniem turbiny, cechującym się zwiększeniem liczby Macha. Zwiększanie średnicy zewnętrznej wirnika powoduje zwiększenie sprawności turbiny; zwiększanie tej średnicy i w związku z nim zwiększanie prędkości stycznej gazów może w efekcie doprowadzić do zmniejszenia sprawności turbiny w wyniku i tak już małej zdolności przepływowej kierownicy spalin,
- wysoką prędkością przepływu w części przepływowej przy dużym rozprężeniu czynnika oraz bardzo dużą (często naddźwiękową) prędkością na wlocie do koła turbiny (zjawiska falowe),
- aktywnym charakterem przepływu przez aparat kierowniczy w kierunku wirnika turbiny (straty większe niż w przypadku konfuzorowego dolotu do turbiny reakcyjnej),
- specyficzną konstrukcją i technologią wykonania.

Analiza przyczyn mniejszej sprawności tych turbosprężarek wskazuje na to, że przy projektowaniu ich należy zwrócić uwagę na:

- optymalizację parametrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych,
- konieczność obliczania elementów części przepływowej turbiny na podstawie procesów gazodynamicznych,
- racjonalną konstrukcję i technologię wykonania elementów.
- czyszczenie turbiny cena

Części przepływowe małogabarytowych turbin

Uzyskane wyniki badań części przepływowej małogabarytowych turbin, uzyskane w wyniku analizy teoretycznej to:

1. Straty hydrauliczne przepływu strumienia gazów wynoszą 14 ÷ 24% w stosunku do pracy adiabatycznej jaką może wykonać energia spalin. Straty energii paliwa wynoszą odpowiednio 4,5 ÷ 5%, co w sumie pozwala na określenie rzeczywistej energii spalin w części przepływowej turbiny z dokładnością do 6 ÷ 8%.
2. Z powodu małych rozmiarów turbosprężarki, wspomniane wyżej straty powodują znaczne zmniejszenie jej sprawności adiabatycznej.
3. Mówiąc o turbosprężarkach z podwójnym kanałem spiralnym przeznaczonych do doładowania silników o objętości skokowej większej lub równej 4,0 dm3, część wlotowa turbiny nie musi się zwężać jak to ma miejsce przy wlocie i wylocie koncentrycznym. Dla silników o objętości skokowej w zakresie 2,0 ÷ 4,0 dm3 dla uniknięcia strat zawirowania w przypadku pulsacyjnego napędu turbiny dobiera się stały kąt strumienia gazów na wlocie i proporcjonalnie go zmniejsza na wylocie w dyfuzorze bezłopatkowym.
4. W silnikach o objętości skokowej mniejszej niż 2,0 dm3 stosuje się proporcjonalny jednokanałowy wlot spiralny o minimalnej długości zachowując stosunek Amin/A0 = 0,05 ÷ 0,15, pozwalający na optymalne wykorzystanie energii gazów do napędu wirnika. Dla dyfuzora bezłopatkowego dopuszczalny jest luz wirnika wynoszący do 3 mm między łopatkami a kanałem. Strumień gazów przy wlocie na łopatki wirnika wpada pod kątem 120◦ w kierunku osiowym, a wypada pod kątem 110◦ . Dzięki temu osiąga się małą długość kanału między łopatkowego i zmniejszenie strat wskutek tarcia. W celu zmniejszenia strat wynikających z zawirowania, łopatki nie mają zakończenia prostopadłego, lecz są odchylone pod kątem 8◦ . Przy takim rozwiązaniu stosunek względnych prędkości w przekroju wylotowym zmniejsza straty na wylocie.
5. Zwiększenie sprawności małogabarytowych turbosprężarek o 5 ÷ 8% uzyskuje się zwiększając średnicę wirnika na wlocie gazów. Poprawę sprawności małowymiarowych turbosprężarek do wysokiego doładowania silników wysokoprężnych uzyskuje się dzięki układowi regulacji łopatek kierownicy i doborowi technologii wykonania części przepływowej turbiny z odpowiednich stopów, a wirników – z wykorzystaniem pokryć ceramicznych.

Poprawa efektywności działania turbosprężarek

Poważną wadą turbodoładowania jest to, że pomiędzy turbosprężarką a silnikiem istnieje wyłącznie więź gazowa i w momencie przyspieszania silnika czas odpowiedzi turbosprężarki na zwiększone zapotrzebowanie powietrza jest dość długi. Wprowadzenie szybkoobrotowych turbosprężarek III generacji poprawiło znacznie ten stan, lecz nie na tyle, by sprostać wymaganiom odnośnie do właściwości dynamicznych zespołu silnik-turbosprężarka. Pierwszym rozwiązaniem, które miało poprawić te właściwości było zastosowanie kanału obejściowego. W teorii działa to tak, że w stanie ustalonym nadmiar spalin jest spuszczany przed turbiną, gdyż dobrany jest optymalny dla danej pracy silnika wydatek. W trakcie przyspieszania, kiedy wydatek powietrza jest zbyt mały i spada jego ciśnienie w przewodzie dolotowym silnika, sterownik automatycznie zamyka upust spalin i cały ich wydatek jest wykorzystywany do napędu turbiny powodując jej przyspieszenie, a tym samym przyspieszenie sprężarki i zwiększony wydatek powietrza. Następnym rozwiązaniem mającym na celu poprawę właściwości roboczych turbosprężarki jest lepsze wykorzystanie gazów wylotowych dzięki regulacji ukierunkowania napływu spalin na łopatki turbiny (zmienna geometria turbiny). Bez względu na prędkość obrotową silnika prędkość przepływu spalin pozostaje stała, a tym samym prędkość turbosprężarki jest niezależna od prędkości obrotowej silnika. W dotychczasowych rozwiązaniach prędkości te były ze sobą ściśle powiązane i sprawność turbosprężarki zwiększała się w miarę zwiększania prędkości obrotowej silnika, co było niekorzystne w przypadku zastosowania go do celów trakcyjnych. Taki sposób regulacji napływu spalin powoduje lepszy przebieg momentu obrotowego silnika, tak że dużą wartość mocy uzyskuje się już przy małych prędkościach obrotowych silnika, który reaguje na najmniejszy ruch sterownika pompy wtryskowej. Podobny efekt uzyskuje się stosując pierścień przesuwny, przesłaniający wlot spalin na łopatki kierownicy.

Turbo serwis znając jaka jest zasada działania turbosprężarki skutecznie wykonuje czyszczenie turbo, a głównie wtedy kiedy turbina w samochodzie posiada zmienna geometrie łopatek.

Turbosprężarka o zmiennej geometerii:

Przedstawione rozwiązania techniczne dotyczące współpracy dwóch maszyn przepływowych o różnych sposobach działania, jakimi są silnik (przepływ cykliczny) i turbosprężarka (przepływ ciągły), miały na celu zachowanie stałego stosunku powietrze-paliwo. Teoretycznie powinno to zapewnić całkowite i zupełne spalenie paliwa wtryśniętego do cylindra. Dodatkowym elementem wpływającym korzystnie na przygotowanie mieszaniny palnej jest zwiększona turbulencja powietrza wywołana doładowaniem. Dzięki tym rozwiązaniom współczesne silniki wysokoprężne z doładowaniem turbosprężarkowym spełniają ostre wymagania odnośnie zawartości składników toksycznych w spalinach. Jedną z dróg do osiągnięcia tego celu było doskonalenie konstrukcji turbosprężarek, tak by nadążały one z podawaniem silnikowi wymaganej ilości powietrza podczas pracy w stanach nieustalonych (przyspieszanie), a nie tylko podczas pracy statycznej. Wszystkie te zabiegi miały na celu uniknięcie kłopotów związanych z przyspieszaniem silnika turbodoładowanego w przypadku zastosowania turbodoładowania w formie pierwotnej.

Bezwładność wirnika wciąż jest największą wadą turbosprężarek

Jak wiadomo, bezwładność turbosprężarki wpływa ujemnie na właściwości dynamiczne doładowanego przez nią silnika. Ocenę wpływu tego zjawiska przeprowadzono na przykładzie dwóch silników o mocy 73,6 kW, przeznaczonych do napędu samochodu średniej ładowności Jelcz. Jeden z tych silników był w wersji wolnossącej standardowym źródłem napędu wspomnianego samochodu, a drugi miał moc w wersji wolnossącej 59 kW, a po doładowaniu uzyskał moc jak silnik podstawowy. Stopień doładowania silnika wynosił 24%, co jest wartością przeciętną dla silników typu samochodowego. Dla porównania właściwości dynamicznych obydwu silników dokonano rozpędzenia samochodu Jelcz przez biegi oraz rozpędzania go na biegu bezpośrednim (najmniej korzystny), przy czym był on napędzany raz jednym a następnie drugim badanym silnikiem. W celu wyeliminowania wpływu innych czynników zachowywano stałą temperaturę cieczy chłodzącej, stałe ciśnienie i temperaturę oleju oraz wykonano pomiary przy takim samym ciśnieniu otoczenia, temperaturze otoczenia i wilgotności względnej powietrza. Zachowanie stałych parametrów otoczenia w czasie pomiarów było bardzo istotne, gdyż przy stosunkowo niewielkich zmianach masowego momentu bezwładności wirnika turbosprężarki, wpływ parametrów powietrza zasysanego przez sprężarkę na temperaturę spalin uchodzących z silnika jest znaczny. Gęstość powietrza zasysanego przez sprężarkę i temperatura spalin wpływają z kolei na wydatek i zdolność przyspieszania turbosprężarki. Porównanie wyniki czasów rozpędzenia samochodu napędzanego silnikiem wolnossącym i doładowanym dowodzi, że mimo jednakowych mocy silników, właściwości dynamiczne pojazdu pogorszyły się w wyniku turbodoładowania, czego dowodem jest dłuższy o 12,5% czas rozpędzania. Wpływa na to w znacznej mierze bezwładność wirnika turbosprężarki, powodująca nienadążanie jej z podawaniem powietrza do silnika, a tym samym chwilowe zmniejszenie momentu obrotowego. Przebieg zmian prędkości obrotowej wirnika turbosprężarki wykazuje charakterystyczne wyprzedzanie przez nią silnika w uzyskiwaniu maksymalnej prędkości obrotowej, co jest właściwe dla napędu pulsacyjnego, niemniej jednak nie wiąże się z podawaniem przez turbosprężarkę wymaganych ilości powietrza. Aby dokładniej zbadać wpływ turbodoładowania na właściwości dynamiczne silnika, rozpędzono go na biegu bezpośrednim, na którym proces rozpędzania trwa tak długo, że możliwa była dokładna obserwacja zmian prędkości obrotowych silnika i turbosprężarki oraz wykonanie pomiarów zadymienia spalin. Silnik turbodoładowany rozpędzono biorąc pod uwagę dwie różne wartości masowe momentu bezwładności wirnika turbosprężarki. Zauważono wyraźnie niekorzystny wpływ tego momentu na właściwości dynamiczne zarówno silnika, jak i turbosprężarki, nawet przy stosunkowo nie wielkich zmianach ww. momentu. Zakres zmian momentu bezwładności wirnika turbosprężarki wynosił 3,85% całkowitej jego wartości, a był ograniczony temperaturą spalin przed turbiną, która zgodnie z zaleceniami wytwórcy nie mogła przekraczać 700◦C. Taka też była temperatura w przypadku największego momentu bezwładności wirnika. Zwiększenie masowego momentu bezwładności wirnika turbosprężarki o 3,85% spowodowało zmniejszenie jej przyspieszeń o 22%, pogorszyło przyspieszenie silnika o 14%, wydłużyło czas jego pracy poza granicę dymienia o 28%. Mimo to konstruktorzy dążą do zniwelowania niekorzystnych skutków turbodoładowania jako jednego z najskuteczniejszych sposobów poprawy wskaźników silnika.

Dobór urządzenia doładowującego (Turbosprężarki)

Turbina samochodowa jest dobierana do danego silnika, z wykorzystaniem charakterystyki sprężarki wykonanej w układzie spręż-wydatek. Części do turbosprężarek muszą być wykonane z najwyższej jakości materiałów. Wymiana turbosprężarki to dość kosztowny zabieg, dlatego warto profesjonalnie naprawiać ten zespół a będzie działał jak fabrycznie nowy. Doładowanie turbosprężarkowe samochodowych silników wysokoprężnych znalazło szerokie zastosowanie mimo trudności wynikających z częstej zmiany obciążeń i prędkości obrotowych silnika doładowanego, powodujących zmiany temperatury spalin i prędkości obrotowych wirnika zespołu doładowującego. Powoduje to w efekcie do nienadążania turbosprężarki z podawaniem powietrza doładowywanemu silnikowi. Niedomiar powietrza w stosunku do wtryśniętej dawki paliwa powoduje zazwyczaj:

- wzrost zadymienia spalin,
- chwilowe zmniejszenie momentu obrotowego silnika.

Wymagania zapewnienia należytych właściwości dynamicznych samochodom ciężarowym oraz bardzo rygorystyczne warunki dotyczące zanieczyszczenia atmosfery spalinami, skłoniły szereg wytwórni produkujących silniki wysokoprężne do wyposażenia ich w urządzenia zmniejszające dawkę pompy wtryskowej w przypadku spadku ciśnienia doładowania. Powoduje to bezdymną pracę silnika nawet w stanach nieustalonych, lecz pogarsza równocześnie w sposób znaczący jego dynamiczne właściwości. Do samochodowych silników wysokoprężnych jest wymagany bardzo staranny dobór dynamiczny turbosprężarki, oprócz doboru statycznego, tj. przeprowadzonego na podstawie charakterystyki konwencjonalnej w układzie spręż-wydatek. Najbardziej przydatne są do tego metody graficzne, pozwalające na szybkie określenie wpływu parametrów regulacyjnych silnika i turbosprężarki na ich współpracę. Metody te z reguły opierają się na pewnych uproszczeniach i ostateczny dobór turbosprężarki do silnika musi odbywać się doświadczalnie. Dla turbosprężarek napędzanych przez silnik energią spalin o stałym ciśnieniu opracowano taką metodę przyjmując następujące założenia:
- stałą optymalną regulację silnika,
- stałe przepłukanie, stałą sprawność napełnienia i spalania,
- przepływ przy prędkościach podkrytycznych i w warunkach ustalonych,
- zasilanie turbiny pod stałym ciśnieniem,
- stałą sprawność sprężarki ɳs i turbiny ɳt.

Metoda ta ułatwia w znacznym stopniu dobór turbosprężarki do silnika średniej lub dużej mocy, który w większości przypadków napędza ją – jak powiedziano – energią spalin o stałym ciśnieniu. Jest ona mało przydatna, gdy trzeba dobrać turbosprężarkę do szybkoobrotowego silnika wysokoprężnego typu samochodowego, z reguły napędzaną pulsacyjnie. Jeśli stopień doładowania nie przekracza 30%, system pulsacyjny pozwala na lepsze wykorzystanie energii spalin, a tym samym lepsze przyspieszenie turbosprężarki i silnika doładowanego, mimo mniejszej sprawności turbiny. Niedogodnością systemu pulsacyjnego jest fakt, że w przypadku silnika czterosuwowego wymaga on łączenia przewodów wylotowych cylindrów o kolejności zapłonu co najmniej 240◦OWK, a tym samym układ wylotowy silnika ulega skomplikowaniu.

Dynamiczny dobór turbosprężarki

Stanowisko bezwładnościowe pozwala na przeprowadzenie badań doładowanego silnika w warunkach jego rzeczywistych obciążeń, występujących w momencie przyspieszania układu, jak to ma miejsce w przypadku napędzania samochodu silnikiem turbodoładowanym. Na korzyść stanowiska bezwładnościowego przemawia możliwość uzyskania większej powtarzalności wyników niż w warunkach badań drogowych, gdzie jest to utrudnione na skutek działania takich czynników, jak zmiana stanu nawierzchni, zmiana sił oporu powietrza, zmiana stanu cieplnego silnika czy też ilość powietrza zasysanego przez sprężarkę . Oprócz tego, stanowisko bezwładnościowe pozwala na znacznie lepszą zabudowę elektronicznych urządzeń pomiarowych oraz zabezpieczenie ich przed szkodliwymi drganiami, co jest trudne do uniknięcia przy badaniach drogowych. Badania na stanowisku bezwładnościowym gwarantują dokładny pomiar parametrów współpracy układu silnik-turbosprężarka w trakcie symulowanego rozpędzania silnika i dobór dynamiczny turbosprężarki do silnika. Opisywana metoda polega na wrysowaniu w obszar charakterystyki statycznej turbosprężarki przebiegu jej rozpędzania na stanowisku bezwładnościowym, uzyskanego oscylogramu. Proces rozpędzania turbosprężarki od jej prędkości obrotowej odpowiadającej prędkości biegu jałowego silnika do prędkości odpowiadającej ustabilizowanej pracy przy założonym ciśnieniu doładowania. Znając przebieg rozpędzania turbosprężarki, można wyznaczyć jej wymagane przyspieszenia. Jeśli znana jest zależność funkcyjna między masowym momentem bezwładności wirnika turbosprężarki a jej przyspieszeniem w procesie rozpędzania, to można obliczyć moment bezwładności zapewniający turbosprężarce odpowiednie przyspieszenie, a tym samym nadążanie z podawaniem powietrza niezbędnego podczas rozpędzania.

Osiągi silników turbodoładowanych i początki stosowania tego doładowania w silnikach benzynowych

Zastosowanie doładowania turbosprężarkowego powoduje zmianę wielu wskaźników charakteryzujących pracę silnika. W celu lepszego zobrazowania różnić w osiągach silników wolnossących i doładowanych najbardziej nadaje się charakterystyka uniwersalna, przedstawiająca cały obszar pracy silnika. Przykładem poprawy ekonomiczności pracy silnika SW 680 doładowanego turbosprężarką Holset 4 LE jest charakterystyka uniwersalna jednostkowego zużycia paliwa. Zauważono wyraźną poprawę jednostkowego zużycia paliwa, które w wyniku doładowania zmniejszyło się o około 9,6% przy jednoczesnym znacznym zwiększeniem mocy. Również obszar objęty warstwicą najmniejszego zużycia paliwa w silniku doładowanym jest większy niż w silniku wolnossącym. Dotyczy to zarówno silnika o stopniu doładowania 30%, jak i o stopniu doładowania 63% (był to silnik doświadczalny). Jeszcze korzystniej przedstawiało się zadymienie spalin, które w wyniku doładowania 30% uległo czterokrotnemu ograniczeniu. Jedynie w zakresie małych prędkości obrotowych wynik ten nie był tak korzystny, ale jest to objaw normlany, gdyż turbodoładowanie jest tym skuteczniejsze, im większa jest prędkość obrotowa silnika i turbosprężarki. Doładowanie silników spalinowych rozpoczęło się wraz z zastosowaniem ich do napędu pojazdów mechanicznych. Co prawda pierwsze próby były niezbyt udane, jednak w miarę doskonalenia konstrukcji silników doskonalono również urządzenia doładowujące i systemy doładowania. Postęp w technologii wytwarzania elementów maszyn wpłynął na to, że rozwiązania, które mimo poprawności technicznej nie mogły być zastosowane, w miarę upływu lat stały się rozwiązaniami standardowymi w dziedzinie doładowania.

W początkowym okresie do silników o zapłonie iskrowym stosowano doładowanie mechaniczne, realizowane za pomocą sprężarek wypornościowych. Mimo pewnych problemów związanych z wytwarzaniem mieszanki palnej, system ten działał poprawnie i jak na owe czasy był bardzo korzystny, jeśli chodzi o poprawę parametrów roboczych silnika. W miarę rozwoju konstrukcji układów dolotowych oraz zasilania silników benzynowych rozwijały się inne systemy doładowania, co wynikało z postępu technicznego w budowie urządzeń doładowujących oraz układów zasilania. Pod koniec XX wieku, samochodów wyposażonych w silniki wolnossące było 89%, 9% to udział silników turbodoładowanych a pozostałe 2% to silniki z doładowaniem mechanicznym. Pominięto w tych statystykach silniki doładowane dynamicznie, szeroko rozpowszechnione w tej grupie. Jednocześnie wiele firm stosuje doładowanie turbosprężarkowe połączone z doładowaniem dynamicznym (długie, odpowiednio ukształtowane przewody dolotowe), co w rezultacie jest doładowaniem kombinowanym.

Doładowanie Maxidyn

Rozwiązanie typu Maxidyn polega na takim zgraniu wydatku turbosprężarki z wydatkiem pompy wtryskowej, żeby silnik uzyskiwał maksymalny moment obrotowy zapewniając utrzymanie stałej mocy w zakresie małych prędkości obrotowych. W ten sposób można zniwelować niektóre wady opisywanego wcześniej sposobu doładowania silników. Zamierzenie to można zrealizować stosując dodatkową turbinę powietrza, która napędza wentylator chłodzący powietrze doładowujące. Turbina powietrza napędzana sprężonym wstępnie powietrzem w turbosprężarce działa jak swego rodzaju regulator dostosowujący napełnienie powietrzem cylindrów silnika do jego prędkości obrotowej i obciążenia. Każde zwiększenie chwilowego wydatku sprężarki turbosprężarki powoduje zwiększenie chwilowej wydajności wentylatora, co przekłada się na zwiększenie skuteczności chłodzenia wstępnie sprężonego powietrza. Przy niewielkim natężeniu dopływu spalin do turbiny turbosprężarki (tj. podczas biegu jałowego silnika lub jego pracy z małym obciążeniem), a więc przy niewielkim wydatku powietrza doładowującego, które w znikomym stopniu zasila turbinę powietrza, wentylator chłodzący prawie nie wymusza przepływu powietrza przez chłodnicę, tak że powietrze dopływające do cylindrów prawie nie ulega schłodzeniu. Tego rodzaju więź gazowa między sprężarką turbosprężarki i turbiną powietrza sprawia, że chwilowa skuteczność chłodzenia wstępnie sprężonego powietrza jest proporcjonalna do zmiennego natężenia dopływu spalin do turbiny turbosprężarki (czyli do prędkości obrotowej i obciążenia silnika). Odpowiednie opracowanie parametrów sterowanego przez turbinę powietrzną bezpośredniego chłodzenia wstępnie sprężonego powietrza zapewnia praktycznie uniezależnienie największej mocy użytecznej turbodoładowanego silnika wysokoprężnego od jego chwilowej prędkości obrotowej w stosunkowo szerokim przedziale jej zmienności. Szczególnie duże napełnienie cylindrów uzyskuje się wówczas, gdy napływa do nich powietrze od znacznej gęstości. Uzyskuje się to przez sprężenie do odpowiednio wysokiego ciśnienia, a następnie intensywne schłodzenie. Zapewnienie takiego turbodoładowania (wysokiego) stwarza różne problemy konstrukcyjno-technologiczne. Doładowanie systemu Maxidyn wymaga dość wysokich ciśnień powietrza doładowującego, wynoszących od 0,220 do 0,262 MPa, co pozwala na uzyskiwanie przez silnik średniego ciśnienia efektywnego od 1,28 do 1,83 MPa.

Doładowanie Hyperbar

Doładowanie Hyperbar polega na zastosowaniu wysokowydajnej wytwornicy spalin, które wraz ze spalinami uchodzącymi z cylindrów silnika są doprowadzane do turbiny doładowującej go turbosprężarki. Pozwala to na zasilanie turbiny strumieniem energii ciśnienia wystarczającym do wysokiego doładowania silnika wysokoprężnego, szczególnie w zakresie małych prędkości obrotowych (co jest niemożliwe przy tradycyjnym turbodoładowaniu).

Instalacja doładowania Hyperbar składa się z:

- turbosprężarki od dużym sprężu znamionowym,
- chłodnicy powietrza,
- silnika,
- wytwornicy spalin,
- elektrycznego rozrusznika turbosprężarki,
- odgałęzienia obejściowego,
- zespołu wysokociśnieniowych pomp do zasilania paliwem wytwornicy spalin oraz olejem łożysk wirników.

Silnik z doładowaniem Hyperbar jest uruchamiany pneumatycznie (silnik czołgu AMX), a turbosprężarka w tym czasie jest zasilana wyłącznie z wytwornicy spalin. Do cylindrów silnika niechłodzone sprężone powietrze wstępnie napływa wówczas przez odgałęzienie obejściowe chłodnicy, ulegając dodatkowemu nagrzewaniu od spalin (będących w recyrkulacji), z którymi miesza się w strefie ich wypływania z wytwornicy.

Stosowanie tego doładowania zapewnia różne korzyści z punktu widzenia funkcjonowania silnika wysokoprężnego. Przy dużym sprężu znamionowym turbosprężarki można obniżyć stopień sprężania silnika, co pozwala na uzyskiwanie dużego średniego ciśnienia użytecznego bez konieczności przekraczania dopuszczalnych obciążeń mechanicznych i cieplnych. Umożliwia to sterowanie podstawowymi parametrami silnika, a szczególnie przebiegiem krzywej momentu obrotowego, co poprawia pracę silnika w warunkach nieustalonych i zapewnia dobre właściwości dynamiczne silnikowi. Dodatkowym plusem zastosowania doładowania Hyperbar jest łatwość rozruchu zimnego silnika w niskich temperaturach otoczenia (dzięki zastosowaniu wytwornicy spalin).

Do niedogodności stosowania tego urządzenia należy zaliczyć dość duże jednostkowe zużycie paliwa przez silnik (w okresach działania wytwornicy spalin), wyrażającą się znaczną zawartością tlenków azotu w spalinach. Dlatego też rozwiązanie to znalazło zastosowanie głównie w pojazdach wojskowych (silnik POYAUD czołgu AMX).