Turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek

Wsiadając do samochodu z silnikiem doładowanym, właściwie rzadko kiedy zastanawiamy się po co zastosowano w nim sprężarkę. Turbo najczęściej kojarzy nam się z samochodami sportowymi, czy z osiąganiem wysokich mocy. I prawidłowo, bo przecież taki był początkowy zamysł. Dawniej turbosprężarki czy kompresory stosowano w pojazdach, gdzie silnik musiał osiągnąć jak najwyższą moc. Takimi przykładami są między innymi Porsche, Saab czy Subaru. Dzięki zastosowaniu doładowania powietrzem, silnik o mniejszej pojemności był w stanie wygenerować znacznie wyższą moc, niż taki sam lecz bez dodatkowej dawki tlenu. Z biegiem czasu okazało się, że stosowanie sprężarek przynosi dużo więcej korzyści niż tylko wyższa sprawność jednostki napędowej.

Zobacz też: Różnice pomiędzy wtryskiem pośrednim i bezpośrednim

Wiadomo, że do uzyskania pracy potrzeba energii. Silnik wykonywaną pracę, poprzez wał przekazuje na układ przeniesienia napędu, skąd trafia na koła. Dzięki temu pojazd możemy wprawić w ruch. Na ruch potrzebuje jednak odpowiedniej porcji energii, która nie cała spożytkowana jest na napęd. Część z niej „ucieka”, gdyż podczas pracy wydzielane się ciepło. Jest to zależne od sprawności każdego silnika. Stosując turbosprężarkę ta sprawność rośnie. Nie tylko można zaserwować większą porcję paliwa, które spali się, ponieważ doładowanie wprowadza więcej powietrza do cylindra. Także wykorzystujemy energię gazów powstałych w wyniku spalania, czyli spalin, które są napędem dla turbiny.

W przypadku silników zasilanych benzyną musi zostać zachowana odpowiednia proporcja. Na 1 kilogram paliwa, potrzeba 14,7 kilograma powietrza (wtedy lambda równa jest jedynce). Inaczej spalanie przebiega nieprawidłowo. Wiąże się to ze zbyt wysoką temperaturą, która uszkodzi silnik, gdy mieszanka będzie zbyt uboga (lambda powyżej jedynki), lub „zalewaniem” jeśli mieszanka jest za bogata (lambda poniżej jedynki). Czyli jest jasne, żeby podać więcej paliwa musimy „wtłoczyć” do cylindra więcej powietrza i uzyskamy wyższą moc.

Zobacz też: Świece żarowe. Problemy i eksploatacja

Co w takim razie z Dieslem?

Silnik Diesla zawsze pracuje z nadmiarem tlenu. Dzieje się tak, gdyż nie ma przepustnicy, która ograniczałaby dopływ powietrza. Nadmiar tlenu nie jest tutaj szkodliwy, wręcz odwrotnie, jest pożądany. Natomiast zbyt mało tlenu nie spowoduje zakłóceń w pracy silnika, jedynie z rury wydechowej wydobędzie się sadza. Po co więc doładowanie?

Podobnie jak w przypadku silnika o zapłonie iskrowym, aby podnieść sprawność. Czyli uzyskać wyższy moment i moc. Jednak przede wszystkim właśnie po to, by silnik mógł posiadać zawsze nadmiar tlenu. By nie dopuścić do wydzielania się sadzy, która jest szkodliwa dla środowiska. A przecież o to dzisiaj chodzi, by być ekologicznym. W przypadku Diesla sprężarka okazała się nieodłącznym jego elementem. Nie dość, że znacznie poprawia treść spalin, to jeszcze dzięki temu, że nie ma wspomnianej wcześniej przepustnicy, gazy spalinowe napędzają turbinę od niemal najniższych obrotów. Jest ich ciągle pod dostatkiem. Charakterystyka takiego silnika zostaje znacznie poprawiona. Wzrasta sprawność. Szybciej dostępny jest wysoki moment obrotowy, lepiej rozłożony. Motor osiąga wyższą moc, jest bardziej elastyczny. Jednym słowem same plusy.

Zobacz też: Czym jest porting głowicy? Co dzięki niemu uzyskamy?

Konstruktorzy turbosprężarek widząc jak wiele korzyści za sobą niosą. Szczególnie w przypadku silników o zapłonie samoczynnym. Zaczęli je udoskonalać. Początkowo gazy, które musiały zostać usunięte, jeśli ciśnienie doładowania zbyt rosło, regulował zwór turbiny. Zwany wastegate (z ang.). Był to zawór umieszczony po stronie gorącej przed turbiną, który uchylając się, wpuszczał nadmiar spalin bezpośrednio do kolektora wydechowego, omijając turbo, aby nie doprowadzić do dalszego rozpędzania wirnika, a w efekcie zbyt wysokiego doładowania.

Jednak turbiny ze wspomnianym wastegate’m, miały problem z szybkim rozpędzeniem wirnika przy niskich obrotach. Szczególnie jeśli były większych gabarytów. Gdyż potrzebna większa ilość spalin, pojawiała się dopiero przy wyższych obrotach. Stąd duża zwłoka, zanim ciśnienie doładowania osiągnęło pożądaną wartość, co przekładało się na później dostępny maksymalny moment obrotowy.
* (na samym dole artykułu źródło obrazka powyżej i poniżej)

Chcą uniknąć takiego zachowania i uzyskać go szybciej. Wymyślono turbosprężarkę o zmiennej geometrii łopatek. Różni się ona od wcześniejszej, ponieważ po stronie gorącej zastosowano pierścień z „żaluzjami”, które odpowiednio ukierunkowują spaliny na wirnik. Nie występuje już w niej zawór wastegate. Kierownice gazów wylotowych umieszczone są przed wirnikiem. Ich zadaniem jest skierowanie spalin na zewnętrzną części łopatek, tak by wałek nabrał jak największego rozpędu, jeśli jest mało gazów wylotowych lub ich brakuje, a wymagany duży przyrost ciśnienia. Spowoduje to jego uzyskanie, gdy silnik ma jeszcze niskie obroty i w efekcie niewiele spalin. Natomiast przy wzroście obrotów i pojawieniu się dużej ilości, ich nadmiar spowodowałby za mocne rozpędzenie łopatek. Nastąpiłoby zbyt wysokie doładowanie, dlatego żaluzje układają się w taki sposób, aby kierować gazy do wewnątrz łopatek (do osi wałka) i spowolnić wirnik, właściwie regulując ciśnienie doładowania. Takie rozwiązanie pozwoliło pozbyć się potocznie zwanej „turbodziury”, która jest praktycznie niezauważalna w przypadku turbosprężarki VTG (Variable Turbo Geometry) ze zmienną geometrią.

Zobacz też: Mechanizm różnicowy – jak to działa?

Oczywiście, każde rozwiązanie ma jakieś bolączki. Nie inaczej jest w tym przypadku. Kierownice spalin wewnątrz turbiny sterowane są najczęściej podciśnieniowo. Pośrednio poprzez cięgno, które niestety w przypadku zanieczyszczeń „żaluzji” nie jest w stanie nimi płynnie poruszać. Zanieczyszczenia biorą się zwykle z sadzy, która w małym stopniu pojawia się w spalinach i osiada na kierownicach. Zaczynają się one blokować. Nieprecyzyjne sterowanie powoduje skoki ciśnienia doładowania. Ostatecznie złą pracę sprężarki.

Samochody wyposażone w tego rodzaju turbo nie znoszą jazdy na krótkich odcinkach, szczególnie po mieście. Układ nie pracuje w pełnym zakresie, a niedostatecznie rozgrzany silnik ma więcej sadzy w spalinach, która osiada i bez wykonania dynamicznej jazdy nagromadza się. Wręcz zalecane są wyjazdy na trasę i praca rozgrzanego silnika pod obciążeniem, by oszczędzić problemów. Gdy jednak zmienna geometria poprzez nieczystości zostanie zablokowana wystąpi przeładowanie lub zbyt niskie doładowanie (rzadziej) i sterownik silnika przejdzie w tryb awaryjny. Samochód będzie jechał jakby z wyłączoną turbosprężarką. Wtedy należy udać się do serwisu, na jej wymontowanie.

Zobacz też: Napęd 4x4 - jakie rozwiązania oferują producenci?

Po otworzeniu „muszli” strony gorącej, wymontowaniu zespołu sterującego geometrią i wyczyszczeniu elementów, ponownym zamontowaniu i założeniu, problem powinien zniknąć. Wówczas znów można cieszyć się – dynamiczną jazdą.