Turbina samochodowa – jaką odgrywa rolę?

Uzyskanie jak najlepszych parametrów pracy silnika spalinowego było priorytetowym zagadnieniem dla konstruktorów i badaczy od pierwszych lat jego powstania. Początkowo wyrażało się to dążeniem do zwiększania mocy a także sprawności silnika. Wyzwaniem na ten moment była by też naprawa turbosprężarki. W raz z upływem czasu, dążenia te stały się bardziej „rozbudowane” i dotyczyły większej liczby parametrów roboczych silnika. Podstawowym problemem pozostała jednak poprawa napełnienia cylindra czynnikiem roboczym. Najprostszą metodą zwiększenia ilości ładunku w cylindrze jest wprowadzenie go pod zwiększonym ciśnieniem i w nie zmienionej temperaturze, co powoduje zwiększenie jego gęstości w tej samej objętości, a tym samym masy w cylindrze. Zabieg ten przyjęto nazywać doładowaniem, a więc zwiększeniem napełnienia cylindra.

Doładowanie charakteryzują następujące parametry:

- ciśnienie doładowania - ciśnienie, pod jakim znajduje się ładunek w cylindrze pod koniec suwu napełnienia; może być spowodowane działaniem turbiny lub zjawiskami falowymi w przewodach dolotowych,

- temperatura powietrza doładowującego – temperatura ładunku znajdującego w cylindrze pod koniec suwu napełnienia,

- spręż (tyczy się zwłaszcza sprężarek) – stosunek ciśnienia doładowania (ładunku) do ciśnienia otoczenia, informujący o tym, w jakim stopniu (z jaką sprawnością) powietrze zostało sprężone w urządzeniu doładowującym,

- stopień doładowania STD – parametr wyrażany w procentach informujący o ile moc silnika zwiększyła się w wyniku doładowania.

Ze względu na ciśnienie powietrza doładowującego, doładowania możemy określić jako: niskoprężne (niskie), średnioprężne oraz wysokoprężne, gdzie wymagane jest chłodzenie ciśnienia doładowującego, a także wzmocnienie elementów wewnętrznych silnika (tłoki, korbowody, wały korbowe) a czasem nawet natrysk oleju od wewnątrz tłoka w celu jego chłodzenia.

Bardzo ważnym parametrem silników tradycyjnych jest ich stopień doładowania, czyli budowa turbosprężarki . W przypadku silników konstruowanych jako wolnossące, których moc zwiększa się stosując doładowanie, nie przekracza on na ogół 30%, ponieważ nie wymaga to wzmacniania elementów układu korbowego, a jednocześnie gwarantuje silnikowi zachowanie wymaganej trwałości. Spotkać można również silniki konstruowane z myślą o doładowaniu wysokim, których stopień doładowania w stosunku do wersji podstawowej wynosi 100% (Leyland 500). 

Wpływ turbosprężarki na pracę silnika

ednostki napędowe używane powszechnie do napędzania samochodów osobowych cechuje duża dojrzałość konstrukcyjna, wysokie zużycie paliwa i duża toksyczność spalin. Prędkości obrotowe tych silników wahają się od 6000 do 7000 min-1, co powinno zagwarantować korzystne właściwości dynamiczne (zdolność do przyspieszania w zmiennych warunkach drogowych). Adaptację tych silników do warunków wymaganych w przyszłości rozpoczęto od poprawienia dwóch parametrów wymienionych wcześniej, tj. zmniejszenia zużycia paliwa i toksyczności spalin, gdyż są one ściśle powiązane ze sobą. Turbina samochodowa daje mniejsze zużycie paliwa, a to oznacza mniej produkowanych spalin, a tym samym mniej szkodliwych składników tych spalin. Rygorystyczne wymagania co do toksyczności spalin wymusiły konieczność zrezygnowania z zasilania gaźnikowego na rzecz wtryskowego , tj. zmiany sposobu tworzenia mieszanki z ilościowego na jakościowy. Można zatem zauważyć, że uzyskano znaczny progres w zakresie czystości spalin i ekonomiczności pracy silników. Kolejnym zabiegiem było zastosowanie bezpośredniego wtrysku do komory spalania w cylindrze. Wymagało to zastosowania w silnikach z wtryskiem doładowania dynamicznego jako reguły do zapewnienia prawidłowości tworzenia mieszanki palnej. Przyszłość jak już możemy to zaobserwować, należy do jednostek napędowych z turbodoładowaniem. Od kilku lat możemy zauważyć, że większość obecnie produkowanych silników z zapłonem iskrowym to silniki turbodoładowane. Niegdyś taka sytuacja miała miejsce wyłącznie w przypadków silników o zapłonie samoczynnym. Silniki o zapłonie iskrowym stosowane są do napędu samochodów osobowych ewentualnie dostawczych (ale w niewielkim procencie), natomiast silniki o zapłonie samoczynnym są stosowane do napędu przede wszystkim samochodów ciężarowych i dostawczych, a także coraz szerzej do samochodów osobowych. Zmniejszanie toksyczności oraz poprawy ekonomiczności w przypadku tych silników wymusiło nowe podejście, odbiegające od tradycyjnych rozwiązań. Silniki samochodów ciężarowych są przygotowane do spełnienia zaostrzonym wymaganiom już od lat dlatego, że w ich konstrukcji dokonał się znaczny postęp, wymuszony przez restrykcyjne przepisy z jednej strony oraz konieczność obniżenia kosztów zużycia paliwa z drugiej. Inna była sytuacja dla silników samochodów dostawczych i osobowych. Stosowano silniki wtryskowe, głównie z komorą wirową, które zapewniały uzyskiwanie prędkości obrotowych rzędu 4000 ÷ 5000 min-1 przy łagodnym przebiegu spalania i względnie niskiej toksyczności spalin. Wadą tych silników w porównaniu z silnikami samochodów ciężarowych, było dość duże zużycie paliwa. W związku z tym, że w silnikach o wtrysku bezpośrednim, stosowanych do napędu samochodów ciężarowych, było ono małe, postanowiono umożliwić stosowanie takich silników również w samochodach osobowych. Wymagało to poprawienia systemu przygotowania mieszanki palnej i spalania tak, by uzyskać prędkości obrotowe 4500 min-1 zamiast dotychczasowych 3000 min-1. Plany te udało się zrealizować w silnikach TDI (turbodoładowanych o bezpośrednim wtrysku paliwa – problem stanowi jedynie czyszczenie turbiny). Otwarta pozostała sprawa właściwości dynamicznych silnika i – co się z tym wiąże – napędzanych przez nie pojazdów. Dotyczyło to w mniejszym stopniu silników samochodów ciężarowych, ale problem ten narasta również, w związku ze znacznym zatłoczeniem dróg w miastach - turbosprężarka Warszawa.

Przedstawiona problematyka dotycząca doładowania silników spalinowych stosowanych do napędu pojazdów samochodowych i zagrożeń związanych z ich eksploatacją pozwala stwierdzić, że:

- silnik spalinowy skutecznie broni się jako źródło stosowane w samochodach i na razie nie widać alternatywnych rozwiązań, [aczkolwiek co raz więcej producentów wprowadza samochody o napędzie hybrydowym (silnik spalinowy z silnikiem elektrycznym) lub całkowicie elektrycznym.]

- należy dalej obniżać oddziaływanie silników na zanieczyszczanie środowiska, co jak dotychczas udaje się skutecznie realizować,

- w związku z coraz to większego zatłoczenia dróg należy zwrócić szczególną uwagę na problem elastyczności silników, która ma decydujący wpływ na elastyczność pojazdu, choć – jak widać w praktyce – w silnikach TDI problem ten jest skutecznie rozwiązany,

- aby zagwarantować płynność ruchu, należy poszukiwać nowych rozwiązań organizacyjnych infrastruktury w postaci budowy autostrad bądź przewozów kombinowanych, wspólnych z transportem kolejowym czy żeglugą śródlądową; w tych środkach transportu te same silniki spalinowe zużywają relatywnie mniej paliwa i są mniej uciążliwe dla otoczenia, a doładowanie ich nastręcza znacznie mniej problemów niż w silnikach samochodowych, gdzie możliwości zabudowy są znacząco ograniczone. Budowa turbosprężarki jak widać na co dzień cały czas ewoluuje, a regeneracja turbin i części do turbosprężarek stają już bardzo powszechnie stosowane.