4. Jak działa turbosprężarka w dieslu?

Zwiększenie mocy silnika, polega na wprowadzeniu do niego odpowiednio bogatej mieszanki paliwa z powietrzem. Niestety, dostarczenie większej ilości powietrza jest stosunkowo trudne, ale wykonalne.

 

Pierwszym sposobem aby tego dokonać jest zwiększenie pojemności silnika, dzięki czemu zwiększy się ilość zasysanego powietrza do cylindrów. To jednak wiąże się ze zwiększonym zużyciem paliwa, a dzisiaj konstruktorzy kładą spory nacisk na ekonomię.

 

Drugim sposobem jest dostarczenie większej ilości tlenu, przy jednoczesnym obniżeniu zużycia paliwa.  Innymi słowy – auto jedzie szybciej, ale pali mniej.

I tutaj z pomocą przychodzi genialne w swej prostocie urządzenie – turbosprężarka.

 

Turbosprężarka, to dwa urządzenia połączone ze sobą jednym wałkiem.

Na jednym końcu osadzona jest napędzana spalinami silnika turbina (wirnik), a na drugim końcu wtłaczająca do układu dolotowego powietrze – sprężarka (koło kompresji).

Wirnik osłonięty jest twardym, odpornym na wysokie temperatury żeliwem, a koło kompresji – obudową aluminiową.

Zasada działania turbosprężarki jest bardzo prosta:

 

  • Spaliny opuszczające silnik przez kolektor wydechowy wpadają na wirnik wprawiając go w ruch,
  • Wraz z obracaniem się wirnika, obraca się koło kompresji,
  • Koło kompresji zasysa powietrze z atmosfery i wypycha je w stronę kolektora dolotowego

 

W taki oto sposób, więcej powietrza trafia do cylindrów, dzięki czemu zwiększone zostają osiągi silnika, przy obniżeniu ilości zużycia paliwa.

 

Powietrze, w procesie sprężania, ulega mocnemu rozgrzaniu. Dlatego podczas drogi: sprężarka --> cylinder, następuje jeszcze jeden proces – schłodzenie powietrza.

 

Schłodzone powietrze, jak każdy gaz, zmniejsza swoją objętość, dzięki czemu jeszcze większa jego ilość trafia do cylindrów.

Za proces schładzania sprężonego powietrza, odpowiedzialna jest chłodnica powietrza, tzw. intercooler.

Jak działa turbosprężarka w dieslu:

  • Spaliny wydalane przez kolektor wydechowy napędzają wirnik turbosprężarki,
  • Powietrze z atmosfery zasysane jest przez wirujące koło kompresji,
  • Sprężone, gorące powietrze wypychane jest w stronę intercoolera,
  • W intercoolerze następuje proces jego schłodzenia – zmniejszenie objętości,
  • Schłodzone powietrze trafia do cylindra.

 

Zimne powietrze trafiające do cylindra ma jeszcze jedną zaletę – dzięki niemu, obniża się temperatura spalin, co zwiększa żywotność samej turbosprężarki. 

Kontrola ilości powietrza

 

Każde urządzenie pozbawione kontroli może wyrządzić więcej szkód, niż pożytku. Turbosprężarka również. Dlatego bardzo ważna jest kontrola ilości dostarczanego powietrza do komory spalania.

Kiedy kierowca mocno wciska pedał przyspieszenia, turbosprężarka pompuje więcej powietrza do cylindrów. Natomiast, gdy kierowca jedzie spokojnie – ilość dostarczanego powietrza przez turbo się zmniejsza, przy czym:

- w momencie przyspieszenia – ciśnienie w cylindrze, nie może przekroczyć określonego przez konstruktora silnika, górnego limitu oraz przy spokojnej jeździe – nie może spaść poniżej określonego, dolnego limitu.

 

Jeżeli silnik dostanie zbyt dużo powietrza –  powyżej górnego limitu, określonego przez konstruktora (tzw. przeładowanie turbo), to:

 

  1. Wzrośnie ciśnienie na cylindrach,
  2. Zbyt duże ciśnienie spowoduje wzrost temperatury spalin,
  3. Większe ciśnienie i temperatura spalin uszkodzą elementy silnika – uszczelki, zawory, tłoki, 
  4. Większa temperatura spalin, uszkodzi turbosprężarkę.

 

Jeżeli silnik dostanie zbyt mało powietrza – poniżej dolnego limitu, określonego przez konstruktora (niedoładowanie turbo), to:

 

  1. Dawka wtryśniętego do cylindra paliwa, nie zostanie całkowicie spalona i zostanie ono wyrzucone do układu wydechowego,
  2. W efekcie powyższego wzrośnie zużycie paliwa,
  3. Nastąpi spadek mocy silnika.

 

System sterowania turbosprężarką

Kontrola ilości powietrza dostarczanego do komory spalania jest więc bardzo istotna. Reguluje się ją za pomocą dodatkowych urządzeń sterujących, jakimi są zawory upustu spalin.

 

  1. Wastegate

 

Jest to podstawowy zawór upustu spalin. Zawór ten, najczęściej wbudowany jest w żeliwny korpus turbiny i znajduje się przed wejściem spalin do turbosprężarki.

Zawór upustu spalin jest w pełni regulowany i zależy od siły naciśnięcia na pedał przyspieszenia.

 

Za regulację zaworu upustu spalin, odpowiada pneumatyczny siłownik, połączony z kolektorem dolotowym.

W czasie, kiedy kierowca potrzebuje mocnego przyspieszenia, zawór dociskany przez sprężynę zostaje zamknięty, a spaliny skierowane w ten sposób na łopatki wirnika, napędzają turbinę.

W momencie puszczenia "gazu", wzrasta ciśnienie doładowania na kolektorze dolotowym, które działa na siłownik – pokonuje on opór spalin i sprężyny. W efekcie tego procesu, następuje otwarcie zaworu i spaliny kierowane są bezpośrednio do układu wydechowego, omijając wirnik turbiny.

Regulacja ciśnienia doładowania, następuje w sposób samoczynny – za sprawą odpowiednio dobranej siły docisku sprężyny, siłownika oraz wielkości samego zaworu.

 

Zawór Wastegate również stosowany jest w nowszych rozwiązaniach, ale działa odwrotnie do opisanego powyżej:

 

sprężyna utrzymuje zawór w pozycji otwartej, a za zamknięcie go, odpowiada siłownik podciśnienia. Taki układ wymaga podłączenia siłownika do układu podciśnienia,  co związane jest z wyposażeniem silnika w elektromagnetyczny zawór podciśnienia.

Elektromagnetyczny zawór podciśnienia służy do sterowania turbosprężarką.

 

Takie rozwiązanie, pozwala sterować ciśnieniem doładowania, bez względu na ciśnienie w kolektorze dolotowym. Dzięki temu, turbosprężarka szybciej reaguje na naciśnięcie pedału przyspieszenia.

 

  1. Kierownice spalin o zmiennej geometrii

 

Jeszcze nowszym rozwiązaniem sterowania ciśnieniem doładowania, jest turbosprężarka z kierownicami spalin o zmiennej geometrii.

Są to niewielkie łopatki, umieszczone wokół wirnika turbiny, osadzone na pierścieniu, który zmienia ich położenie za sprawą siłownika pneumatycznego.

Wysokie ciśnienie doładowania uzyskiwane jest, kiedy łopatki ustawione są bardziej równolegle do wirnika, a w przypadku niskiego ciśnienia, kiedy nie potrzeba dużego przyspieszenia, łopatki ustawiają się niemal prostopadle do wirnika.

Zastosowanie kierownic spalin o zmiennej geometrii, pozwala skrócić czas reakcji turbosprężarki na wciśnięcie pedału przyspieszenia (zmniejsza się zjawisko tzw. turbodziury) oraz ciśnienie spalin i ich temperatura ulegają znacznemu obniżeniu.

 

Nowoczesny sposób sterowania

Najnowsze rozwiązania sterowania turbosprężarką oparte są na elektronice.

Pneumatyczne siłowniki, sprawujące kontrolę kiedyś – sukcesywnie zostają zastępowane siłownikami elektronicznymi. Pozwala to lepiej kontrolować pracę silnika i turbosprężarki.