Dlaczego powstała zmienna geometria?

Zmienna geometria turbosprężarki – dlaczego powstała i co z tego wynika dla naszego silnika w samochodzie.
Na samym początku, gdy pierwsze samochody osobowe wyposażone w silniki turbodoładowane opuszczały fabryki, mało kogo interesowało to, jak wygląda ich przebieg mocy, a elastyczność silników w tamtych czasach, była pojęciem jeszcze mało rozumianym. Jednak pierwsze recenzje tych pojazdów nie pozostawiały na nich suchej nitki. Przyspieszenie tych pojazdów było imponujące, jednak doszukano się wady turbodoładowania. Zjawisko turbo-dziury. Dawniej, turbosprężarka była dużego rozmiaru i prostej konstrukcji, wykonana z dostępnych wtedy materiałów. Efektem tego, był ogromny moment bezwładności turbosprężarek, które potrafiły wstawać i efektywnie pracować dopiero od ok. 3500 obr/min. Po przekroczeniu tej prędkości obrotowej, następował gwałtowny wzrost mocy a także momentu obrotowego, które powodowały często trudności w opanowaniu pojazdu. Konstruktorzy dostrzegli ten problem i zaczęli projektować coraz to nowsze rozwiązania. Wejście na rynek szybkoobrotowych turbosprężarek III generacji (turbina ford fokus) nieznacznie poprawiło ich moment bezwładności, jednak pierwszym skutecznym rozwiązaniem było zastosowanie kanału obejściowego (Waste Gate). Założeniem tego rozwiązania było upuszczanie części spalin przed turbiną prosto do układu wydechowego, gdy silnik utrzymuje stałą prędkość obrotową. Wydatek spalin jest tak dobrany, żeby zapewnić turbosprężarce i silnikowi jak najefektywniejszą pracę. Gdy pojazd zaczyna przyspieszać, zawór zamyka kanał obejściowy co powoduje, że wszystkie spaliny wędrują na wirnik turbiny. Rozwiązanie to poprawiło nadążność turbosprężarek, jednak jeszcze nie do takiego stopnia, jaki zakładali sobie konstruktorzy. Kwestią czasu było więc opracowanie kolejnego rozwiązania, które miało być zbawienne.

Zmienna geometria VNT VTG

Badacze znowu skupili się na tym, jak poprawić wykorzystanie spalin do napędu turbiny. Tak powstał system, turbina o zmiennej geometrii łopatek. Założeniem tego rozwiązania jest odpowiednio ustawiać kąt, pod jakim spaliny będą wpadać na łopatki turbiny w zależności od chwilowego obciążenia silnika. I tak w przypadku pracy silnika w stanach ustalonych, kierownice zmiennej geometrii zmniejszają kąt padania spalin na łopatki, co powoduje mniejszą prędkość obrotową turbosprężarki a tym samym jej wydatku. Gdy silnik zaczyna pracować pod większym obciążeniem, kierownice zmieniają kąt na bardziej agresywny, przez co turbosprężarka szybko się rozkręca a tym samym błyskawicznie dostarcza sprężone powietrze do silnika. Bez względu na prędkość obrotową silnika prędkość przepływu spalin pozostaje stała, a tym samym prędkość turbosprężarki jest niezależna od prędkości obrotowej silnika. Dzięki temu, problem bezwładności turbosprężarek został w znacznym stopniu zminimalizowany. Silniki wyposażone w turbosprężarki ze zmienną geometrią, charakteryzują się wysokim momentem obrotowym oraz mocą, już od niskich prędkości obrotowych silnika. Turbina KKK ma w swojej budowie to rozwiązanie VTG, VNT jak i wiele innych firm powszechnie stosują je na masową skalę.

Działanie zmiennej geometrii

Niestety, zmienna geometria oprócz zalet, okrywa się również pewnymi wadami, przede wszystkim w silnikach Diesla. Jak dobrze wiemy, silniki wysokoprężne generują nagar, który siłą rzeczy, przelatuje przez turbinę. Jako, że zmienna geometria jest również zlokalizowana po stronie spalin w turbosprężarce, jest wielce narażona na wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia oraz uszkodzenia. Nagromadzony nagar w zmiennej geometrii przyczynia się do jej blokowania i nieprawidłowej pracy, co objawia się zazwyczaj słabszą mocą silnika, zwiększonym opóźnieniem działania turbosprężarki oraz często kodem błędu. Często dochodzi do uszkodzenia kierownic zmiennej geometrii na skutek uderzania ciał obcych zawartych w spalinach, bądź w wyniku przegrzania. Na skutek awarii zmiennej geometrii, sama turbosprężarka będzie się nieznacznie szybciej zużywała, gdyż nie pracuje tak jak powinna. Wiele pracowni oferuje usługę czyszczenia zmiennej geometrii, przy okazji badając stan turbosprężarki. Jest to zabieg bardzo korzystny, ponieważ koszt takiego czyszczenia nie jest wysoki, a przy okazji dowiedzieć się można o stanie samej turbosprężarki jak i silnika.