Kategorie

ABC Turbosprężarek

Turbosprężarka - maszyna wirnikowa składająca się z turbiny i sprężarki osadzonych na wspólnym wale. Służy do doładowania silnika spalinowego, albo kotła parowego. Turbina jest zasilana spalinami z silnika, a sprężone powietrze przez sprężarkę zasila silnik. Do cylindra wprowadzona jest większa ilość powietrza dzięki czemu wzrasta moc silnika, większy jest też stopień sprężania dzięki czemu rośnie sprawność.

Budowa turbosprężarki jest zbliżona do turbiny gazowej, ale nie zawiera komory spalania. Rolę wytwornicy spalin spełnia w tym przypadku silnik spalinowy.

Turbodoładowanie zostało opatentowane w roku 1905 przez Szwajcara, dr. Alfreda Büchi, od 1938 było stosowane w samochodach ciężarowych, zaś od 1973 w osobowych.

Turbosprężarka składa się z turbiny, czyli tzw. gorącej części  i sprężarki, tzw. chłodnej części , których wirniki są sztywno połączone wspólnym wałem. Turbina, napędzana gazami wylotowymi z silnika, napędza wirnik sprężarki sprężającej powietrze przed dostarczeniem go do silnika (element generujący doładowanie).

Obroty sprężarki, a tym samym i jej stopień sprężania zależą od ilości gazów napędzających turbinę, która przy małym zapotrzebowaniu na moc jest mała. Dlatego gdy gwałtownie wzrasta zapotrzebowanie na moc silnika (zmiana biegu, wciśnięcie gazu w celu przyspieszenia) pomimo dostarczenia dodatkowego paliwa, przez moment, aż sprężarka zostanie rozpędzona sprężanie sprężarki jest małe, przez co silnik przez moment ma małą moc. Dodatkowo w tym czasie z powodu mniejszej ilości dostarczonego powietrza do cylindrów, układ dostarczający paliwo nie może dostarczyć go tyle co przy statycznym obciążeniu silnika. Efekt mniejszej mocy silnika przy gwałtownym wzroście zapotrzebowania na moc nazywany jest turbodziurą. Usprawnienia konstrukcyjne sprawiają, że dzisiejsze turbosprężarki mają mniejszy moment bezwładności wirnika, a dawkowanie paliwa jest dokładniejsze, przez co efekt turbodziury jest mniejszy.

W celu ograniczenia tego zjawiska stosuje się też sterowanie wydajnością turbosprężarki. Możliwe są tu dwa sposoby - sterowanie ilością spalin przepływających poprzez turbinę lub sterowanie geometrią przepływu.

W pierwszym rozwiązaniu stosuje się zawór obejściowy, który jest sterowany poprzez ciśnienie doładowywania - gdy ciśnienie wytwarzane przez sprężarkę przekracza ustaloną przez konstruktora silnika wartość, zawór otwiera się i przepuszcza część spalin poza wirnikiem turbiny. Drugim rozwiązaniem jest umieszczenie łopatek sterujących kątem pod jakim spaliny trafiają na łopatki wirnika. Przy małych prędkościach obrotowych silnika, spaliny uderzają w wirnik pod kątem zbliżonym do prostego i jednocześnie łopatki sterujące wytwarzają rodzaj dyszy przyspieszających przepływ spalin. Ograniczenie ciśnienia doładowania polega na kierowaniu strumienia spalin pod coraz ostrzejszym kątem względem łopatek turbiny przy jednoczesnym poszerzeniu kanału przepływu co powoduje ograniczenie prędkości spalin. Konstrukcyjnie rozwiązuje się to w ten sposób, że wirnik turbiny otacza rodzaj żaluzji kierujących przepływem spalin. Pierwotnie ciśnienie doładowywania było sterowane czysto mechanicznie, we współczesnych silnikach samochodowych ciśnieniem steruje sterownik silnika, wykorzystując sygnały z czujników ciśnienia i ilości zassanego powietrza. Elementami wykonawczymi sterującymi zaworami lub żaluzjami są siłowniki pneumatyczne (wykorzystujące podciśnienie) sterowane elektrozaworami lub silniki krokowe - tak jak w silniku 1,2 TSI grupy VW

W sprężarce rośnie temperatura powietrza w wyniku:

 

  • wzrostu ciśnienia (zgodnie z równaniem adiabaty),
  • przepływu ciepła przez elementy konstrukcyjne od gorących spalin do chłodniejszego powietrza.

 

Jest to zjawisko niekorzystne, gdyż obniża efekt działania turbosprężarki, oraz zwiększa temperaturę w momencie spalania. Zwiększenie temperatury wpływa niekorzystnie na elementy silnika, obniża sprawność silnika jak i zwiększa wydzielanie tlenków azotu. Aby obniżyć temperaturę sprężonego powietrza stosowany jest wymiennik ciepła zwany intercoolerem lub chłodnicą międzystopniową powietrza.

 

Twin Turbo/Biturbo

Twin Turbo/Biturbo odnosi się do turbodoładowanego silnika spalinowego, dla którego dwie turbosprężarki sprężają dopływające powietrze. Istnieją dwie powszechnie stosowane konfiguracje: równoległe Twin Turbo i szeregowe Biturbo.

Twin Turbo

Twin Turbo jest rozwiązaniem bardzo podobnym do BiTurbo, różniącym się jednak sposobem pracy. Zastosowano dwie turbosprężarki mniejszą, pracującą w niskim zakresie prędkości obrotowych silnika (do 1500 obr/min) i dużą, która w momencie osiągania wyższych prędkości obrotowych załączana jest stopniowo, żeby od prędkości 2500 obr/min odgrywać decydującą rolę w procesie napełniania silnika. Dzięki zastosowaniu dwóch różnych wielkości turbosprężarek poprawiono zakres efektywnej pracy urządzenia w całym zakresie obrotów silnika. Mniejsza turbosprężarka, charakteryzująca się małą bezwładnością łopatek, pracuje przy małych obciążeniach silnika i dodatkowo wykorzystuje zjawisko "sprężania wstępnego", realizowanego przez większą turbosprężarkę. Przełączanie zasilania strugi powietrza na poszczególne turbosprężarki jest realizowane za pomocą pneumatycznie sterowanego zaworu.

W tego typu rozwiązaniach tylko jedna turbina jest nieprzerwanie napędzana przez spaliny, a druga załącza się w chwili odpowiedniego zapotrzebowania na moc i napędza drugą sprężarkę. W tym czasie dwa źródła doładowania pracują według zasady równoległego Twin Turbo. Zaletą tej techniki jest to, że przy niskich obciążeniach całkowity strumień objętości spalin działa tylko na jedną turbinę, co poprawia współczynnik sprawności źródeł doładowania i zmniejsza turbodziurę. Dodatkową zaletą jest to, że większa turbosprężarka osiąga optymalną prędkość obrotową jeszcze zanim jest potrzebna. Natomiast wadą jest skomplikowany układ kanałów dolotowych i wylotowych. Przykładem wykorzystania tego rozwiązania jest Ford/PSA (DW12BTED4).

Biturbo

Doładowanie BiTurbo jest system dwóch turbosprężarek działających równolegle, co ma na celu poprawę nadążności pracy urządzenia doładowującego do zmiennych warunków obciążenia. Wraz ze skróceniem czasu reakcji turbosprężarki na chwilowe obciążenia, zakres jej pracy w warunkach nieustalonych ulega zmniejszeniu.

System BiTurbo jest charakterystyczny dla silników o większej pojemności skokowej (>2500cm³). Niesie on ze sobą zminimalizowanie zjawiska bezwładności turbosprężarki przez zastosowanie dwóch równoległych urządzeń oraz możliwość pokrycia zapotrzebowania na powietrze dla silnika o znacznie większej pojemności. Oddzielny system doprowadzenia powietrza do sprężarek jest pożądany dla silników o większej pojemności skokowej, jako że nie mają one niedostatków momentu obrotowego w zakresie wolnych obrotów, jak to się dzieje w przypadku jednostek o mniejszej pojemności.

Stwierdzenie "równolegle" dotyczące dwóch urządzeń nie określa sposobu ich połączenia, a wskazuje na jednakową pracę wykonywaną przez dwa takie same urządzenia (równolegle). Dowodem na to jest widok kolektora wylotowego silnika BMW z systemem BiTurbo. Możliwe jest zatem zastosowanie takiego układu do silników rzędowych oraz wskazane przy doładowaniu silników widlastych.

Wielostopniowe turbodoładowanie

Przy wielostopniowym doładowaniu powietrze jest sprężane przez szereg ustawionych obok siebie sprężarek. Są to zazwyczaj kombinacje sprężarek mechanicznych i turbosprężarek. Osiągnięte spręże mogą być sensownie wykorzystane tylko pod warunkiem znacznie obniżonego ciśnienia zewnętrznego, tak więc technika ta odgrywa rolę tylko przy rozwoju silników lotniczych.

Bardzo istotne jest wzrastające zapotrzebowanie na paliwo gdy turbosprężarka jest w użyciu. Ponieważ turbo doprowadza większa dawkę powietrza do komory cylindrowej umożliwia to również większej dawki paliwa. Niepoprawny balans pomiędzy paliwem i powietrzem możne doprowadzić do przedwczesnego zdetonowania benzyny (głównie z powodu wysokiej temperatury tworzonej przez turbosprężarkę) i awarii silnika napędzanego benzyną. Zaleca się wiec przy użytku silników turbo stosowania benzyny wysokooktanowej, która znacznie obniża to ryzyko.