Budowa charakterystyka i działanie turbosprężarki

Gdy słyszymy słowo turbina, rzadko kojarzymy je z innym rozwiązaniem technologicznym, niż z układem doładowującym silnik spalinowy. Analogicznie silnik wyposażony w turbosprężarkę , to z założenia auto sportowe, potężne, z niesamowitymi osiągami. W jaki sposób wpływa na działanie silnika obecność turbosprężarki? Co to znaczy, że turbo musi się naładować? Jakie są rodzaje turbin?

Turbo, czyli to co tygrysy lubią najbardziej.

Aby jak najprościej opisać działanie turbiny, wystarczy przywołać obraz dmącego w kowalski piec miecha. Dostarczanie powietrza z zewnątrz, zwiększa intensywność przeprowadzanej reakcji utleniania paliwa, a co za tym idzie zwiększa się ilość wydzielanej energii i wykonywane jest więcej pracy. Innymi słowy, turbina zwiększa osiągi silnika, bez zmieniania jego rozmiarów. Oczywiście intensywniejsza eksploatacja, powoduje szybsze zużywanie się podzespołów, ale jest to cena, którą, niestety, musimy zapłacić za osiągi. Turbosprężarka zbudowana jest z dwóch wirników, osadzonych na jednym wspólnym wale, a połączone są tzw. na sztywno, co znaczy, że nie jest zastosowane żadne przełożenie, a stosunek obrotów wynosi 1:1. W budowie turbosprężarki możemy wydzielić część zimną i ciepłą, to znaczy: część w której czynnikiem pracującym są gazy wylotowe, czyli spaliny, które napędzają wirnik turbiny, oraz zimna, której zadaniem jest wprowadzenie do silnika sprężonego powietrza atmosferycznego. Nazwy te, są nieco mylące, ponieważ „część ciepła” jest rzeczywiście gorąca, ze względu na temperaturę spalin napędzających turbinę, dochodzi nawet do 700o C, ale część zimna, też jest ciepła. Wysoka przewodność cieplna metalu i praca wykonywana przez sprężarkę sprawiają, że tłoczone do komory spalania w silniku gazy atmosferyczne, osiągają temperatury wpływające negatywnie na pracę silnika, poprzez podnoszenie temperatury jego pracy. Jest to niepożądane, i w celu wyeliminowania takiego czynnika instaluje się prócz turbosprężarki tak zwany intercooler, czyli wymiennik ciepła pomiędzy turbosprężarką, a silnikiem. Turbosprężarka, jak już wspomniałem, zasilana jest spalinami z naszego silnika, więc nie minę się z prawdą jeśli stwierdzę, że tym szybciej jedziemy... im szybciej jedziemy. Ze względu jednak na bezwładność wirnika turbiny, spowodowaną zastosowaniem łożyska ślizgowego, istnieje niewielkie opóźnienie pracy turbiny, zwane turbodziurą.

Turbina przed regeneracją

Turbina nie nadąża za działaniem silnika, gdy gwałtownie zwiększymy obroty silnika, na przykład przy szybkim przyspieszaniu. Opóźnienie, zanim gazy trafią do turbosprężarki i spowodują, że zacznie pracę, nazywamy turbodziurą, i próby wyeliminowanie tego zjawiska, stanowią główny powód dla którego wciąż wprowadzane są udoskonalenia i innowacje w budowie tego podzespołu. Do najczęściej wymienianych i najbardziej znanych są wprowadzenie do układu drugiej turbosprężarki oraz tzw. zmiennej geometrii. Mimo, usilnych starań turbodziura nadal istnieje i właśnie stopniowe zwiększanie obrotów, powoduje, ładowanie turbosprężarki, czyli przyspieszanie jej obrotów. Zależnie od objętości silnika stosuje się rozwiązania Bi-turbo i TwinTurbo, polegające na instalacji drugiej turbiny „szeregowo” bądź „równolegle”. Bi-Turbo nosi nazwę układ gdzie dwie identyczne sprężarki rozkładają obciążenie pracy równo między sobą, a zastosowanie znalazł głównie w dużych silnikach, w których pojemność skokowa przekracza 3000 cm3. Połączeniem dwóch sprężarek, które możemy nazwać szeregowym, jest rozwiązanie stosowane w Twin-Turbo, a polega ono na podzieleniu pracy między dwie sprężarki różniące się rozmiarami. Mniejsza, obsługuje silnik przy obrotach nie przekraczających 2000 na minutę, powyżej tej wartości, sterownik włącza drugą, większą.

Turbodoładowanie jest dziś najlepszym sposobem na zwiększenie osiągów silnika przy jednoczesnym braku ingerencji w jego rozmiary. Wyższe osiągi to jednoczesna szybsza eksploatacja, jednak dla wielu kierowców jest to cena którą gotowi są zapłacić bez zawahania, w końcu kto nie chciałby mieć w swoim aucie rozwiązania, które wsławione zostało przez legendarną dziewięćset jedenastkę ze stajni Porsche. A może, które wsławiło 911?