Zasada działania turbosprężarki i filtra powietrza
- Szczegóły
Turbosprężarka jest urządzeniem mechanicznym, które w silnikach spalinowych napędzane jest przez gazy wylotowe (spaliny) i powoduje zwiększenie ilości powietrza dostarczanego w jednostce czasu do cylindrów. Stosuje się ją w celu zwiększenia mocy silnika.
W jakim celu stosuje się turbosprężarkę?
Turbosprężarkę stosuje się pośrednio w celu zwiększenia mocy silnika spalinowego. Jest to realizowane właśnie przez opisane zwiększenie ilości powietrza trafiającego w jednostce czasu do cylindrów. Dzięki turbosprężarce, która zapewnia wzrost ilość powietrza dostarczonego do jednostki napędowej, można zwiększyć mieszankę paliwową, a przez to podwyższyć moc silnika.
Aby osiągnąć jeszcze lepszą wydajność, wykorzystuje się intercooler, którego zadaniem jest schłodzenie powietrza doładowanego. Potrafi on schłodzić sprężone powietrze prawie o 40°C, co w praktyce powoduje zwiększenie gęstości powietrza, korzystnie wpływającego na spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej i w efekcie daje nawet wzrost mocy do 20%.
Budowa turbosprężarki
Turbosprężarka składa się z dwóch części: turbiny (strona gorąca) i sprężarki (strona zimna). Jak sama nazwa wskazuje składa się z dwóch części- turbiny i sprężarki połączonych wspólnym wałkiem. Obie strony połączone są za pomocą wirnika i koła kompresji. Obie strony zabudowane są z kadłubów w kształcie ślimaków.
Część gorąca znajduje się od strony wydechowej- to przez nią przepływają spaliny. Składa się z części żeliwnej i wirnika wraz z obudowami. To w niej znajdują się kierownice spalin (tzw. zmienna geometria; vnt/vtg) lub zawory upustowe spalin (tzw. wastegate; o typach sterowania dalej). W związku z wysoką temperaturą spalin, elementy te muszą być wykonane z odpornych materiałów. Część gorąca stanowi element układu wylotowego jednostki napędowej.
Przeczytaj także: Sędziszów Filtr Powietrza do Astry H - Testy i Opinie
Strona zimna składa się z koła kompresji, czapki aluminiowej, a w niektórych rozwiązaniach także z specjalnego zaworu upustowego (tzw. BOV lub DV). Obie strony połączone są korpusem wraz z wałkiem i jago łożyskowaniem. W zdecydowanej większości są to łożyska ślizgowe (wykonane z brązu; stosowane są również łożyska kulkowe, lecz to w dalszym ciągu rzadkość). Z kolei część zimna to element układu dolotowego silnika. Na turbosprężarkę składają się także pierścienie uszczelniające, łożyska ślizgowe i oporowe oraz kanały olejowe, które znajdują się w obudowie łożyskowań.
Turbosprężarki sterowane są za pomocą zmiennej geometrii oraz zaworu upustowego. W obu przypadkach zasada jest taka sama i służy zwiększeniu lub zmniejszeniu ciśnienia gazów spalinowych wewnątrz turbiny, a tym samym zwiększeniu lub zmniejszeniu prędkości obrotowej, a w konsekwencji gwarantuje większe lub mniejsze doładowanie powietrza.
Zasada działania turbosprężarki
Turbosprężarka napędzana jest przez gazy wylotowe silnika spalinowego. Spaliny opuszczające silnik napędzają wirnik. które przepływając przez wirnik, rozpędzają go nawet do 200 000 obr/min. Ten, za pośrednictwem wałka przekazuje energię ze spalin kołu kompresji, które spręża powietrze (zassane z filtra powietrza). Gazy spalinowe wydalane są przez układ wydechowy. Rozpędzony siłą spalin wirnik przekazuje ruch obrotowy na wirnik sprężarki, który spręża powietrze do komory spalania silnika. Tak sprężone powietrze- najczęściej przez intercooler- trafia do silnika.
Jednak w większości nowoczesnych konstrukcji silników, zarówno benzynowych, jak i wysokoprężnych, stosuje się intercooler, który chłodzi rozgrzane w procesie sprężania powietrze, a to z kolei doprowadzane jest do komory spalania silnika. Powietrze dostarczane jest do turbosprężarki poprzez filtr powietrza i układ dolotowy.
Połączenia wirnika z kołem kompresji
Jak widać zasada działania turbosprężarki wcale nie jest przesadnie skomplikowana, jednak warunki jej pracy i dokładność wykonania przekładają się na cenę.
Przeczytaj także: Jak wymienić filtr w Vespa LX 50?
Rodzaje turbosprężarek
Ze względu na rodzaj sterowania wyróżniamy trzy rodzaje turbosprężarek. Najprostsza turbosprężarka nie ma żadnego sterowania. Stosowane są w ciężarówkach i pojazdach specjalnych. Cała ilość spalin trafia bezpośrednio na wirnik. Doładowanie jest zależne tylko i wyłącznie od wielkości wirnika i koła kompresji.
Kolejnym rodzajem turbosprężarek, są te z zaworem upustu spalin- tzw. "Wastegate". Zawór ten jest sterowany podciśnieniową lub ciśnieniową "gruszką". Dzięki temu rozwiązaniu komputer może sterować doładowaniem poprzez upust spalin.
Ostatnim stosowanym typem turbosprężarek, są te ze zmienną geometrią (kierownice spalin, VNT/VTG). Jest to obecnie chyba najczęściej stosowane rozwiązanie. To najefektywniejszy sposób wykorzystania energii spalin, maksymalnie redukujący występowania zjawiska turbo- dziury. Sterowana jest za pomącą zaworów podciśnieniowych lub elektronicznych.
Coraz częściej spotykane są układy kilku turbosprężarek przy jednym silniku. Bi Turbo lub Twinturbo przy mocniejszych silnikach stają się codziennością. Bi Turbo to układ dwóch turbosprężarek działających równolegle. Twinturbo składa się również z dwóch turbosprężarek, różniących się jednak sposobem pracy. Mała turbosprężarka pracuje w niskim zakresie obrotów (do 1500 obr./min.).
Turbodoładowanie - kiedyś i dziś
Turbosprężarki jeszcze niedawno temu kojarzyły się wyłącznie z samochodami sportowymi z wyższej półki. A teraz? Niemal każdy rodzinny diesel może pochwalić się turbodoładowaniem. Urządzenie to nie dziwi już nawet w małym aucie miejskim. Powszechność tej techniki sprawia, że wielu kierowców zapomina, iż doładowane silniki wymagają „szczególnej troski”.
Przeczytaj także: Oczyszczacz Duux: konserwacja filtra
Turbodoładowanie to nienowy wynalazek, ma już niemal 100 lat. Do seryjnych samochodów osobowych trafiło jednak znacznie później, dopiero w latach 70. Kiedyś stosowane było głównie w celu podniesienia osiągów samochodów sportowych lub umożliwienia pracy silników spalinowych na znacznych wysokościach. W autach współczesnych priorytety są najczęściej zupełnie inne - na pierwszym miejscu stawia się zmniejszenie zużycia paliwa, niższą emisję toksycznych spalin, lepszą elastyczność silnika. Turbodoładowane silniki pozwalają oszczędzać masę pojazdu.
Zasada działania turbosprężarki - krok po kroku
Zasada działania turbosprężarki jest prosta. Turbo składa się z dwóch wirników umieszczonych na wspólnym wale. Jeden z nich znajduje się w układzie wydechowym i jest napędzany energią spalin wydobywających się z silnika. Drugi z wirników znajduje się w przewodzie dolotowym. Dzięki specjalnie wyprofilowanym łopatkom, pod wpływem ruchu obrotowego wału wtłacza on do silnika powietrze pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego. Dzięki temu silnik pracuje wydajniej. Dzieje się tak dlatego, że uzyskiwana moc zależy od wielkości dawki paliwa spalonej w określonym czasie. Aby jednak spalanie było efektywne, należy dostarczyć odpowiednią ilość tlenu. Do spalenia kilograma paliwa potrzeba ok. 14 kilogramów powietrza. Większa ilość powietrza wtłoczona do silnika powala spalić przy takich samych obrotach i takiej samej pojemności silnika odpowiednio więcej paliwa.
Wyzwania i problemy związane z turbosprężarką
Skoro to tak wspaniałe rozwiązanie, to dlaczego nadal nie trafiło pod maski wszystkich samochodów? Okazuje się, że wynalazek prosty w teorii, w praktyce niesie ze sobą sporo problemów. Turbosprężarka pracuje w niezwykle ciężkich warunkach. Jej wirnik znajduje się w strumieniu spalin osiągającym nawet ponad 1000°C. W dodatku wał turbiny obraca się z prędkościami dochodzącymi do niewyobrażalnych 290 tys. obr./min. Stworzenie urządzenia, które to wytrzyma, jest prawdziwym wyzwaniem dla konstruktorów. W dodatku cały silnik musi być dostosowany do osiąganej wyższej mocy.
Innym problemem jest nierównomierna charakterystyka pracy silników z turbo. Pierwsze takie konstrukcje słynęły z tzw. turbodziury. Zjawisko to polegało na tym, że między dodaniem gazu a faktyczną reakcją silnika mijała dłuższa chwila. Turbina potrzebowała czasu, zanim mogła dostarczyć do silnika powietrze pod odpowiednim ciśnieniem. Kiedy to jednak następowało, samochód z niesamowitym impetem rwał się do przodu. Kierowcy poszukujący podobnych wrażeń w nowych autach będą rozczarowani. Dzięki udoskonalonej konstrukcji i lepszemu sterowaniu zjawisko „turbodziury” zostało niemal całkowicie wyeliminowane.
Prawidłowa eksploatacja turbosprężarki
Trwałość turbosprężarki zależy przede wszystkim od prawidłowej eksploatacji. Po uruchomieniu silnika nie należy od razu wykorzystywać pełnej mocy jednostki. Nie powinno się też od razu po jeździe gasić doładowanego silnika. Turbo musi ostygnąć na wolnych obrotach. Jeżeli chwilę przedtem silnik był mocno obciążony, wirnik sprężarki może obracać się nawet ponad 100 tys. obr./min. Póki silnik pracuje, jest on smarowany i chłodzony olejem. Gdy zostaje wyłączony natychmiast po zakończeniu forsownej jazdy, smarowanie wirnika zostaje gwałtownie „odcięte”. Dopóki nie zatrzyma się on (zajmuje to kilkadziesiąt sekund lub nawet więcej), pracuje bez smarowania.
Podobnie oszczędności dotyczące obsługi, wymiany płynów i materiałów eksploatacyjnych zemszczą się szybko. Zużyty olej silnikowy może w szybkim tempie doprowadzić do awarii całego zespołu, podobnie jak stary filtr powietrza. Wystarczy, że do wirnika przedostaną się drobiny piasku lub oderwane fragmenty wkładu filtra. Wobec olbrzymiej prędkości obrotowej turbiny siła uderzenia jest ogromna.
Filtr powietrza - ważny element układu
Warto wiedzieć, że powietrze do turbosprężarki dostarczane jest poprzez filtr powietrza i układ dolotowy. Filtr powietrza filtruje powietrze, które trafia najpierw do układu dolotowego, a później do turbosprężarki i komory spalania. Odcedza z niego zanieczyszczenia, które mogą być naprawdę groźne dla silnika.
Filtr powietrza najlepiej wymieniać raz w roku, ewentualnie co maksymalnie 20 tys. km. Interwał należy skrócić np. w sytuacji, w której auto jest eksploatowane w środowisku mocno zapylonym - wtedy szybciej się zapycha. A jak już się zapcha, w pierwszej kolejności ogranicza ilość powietrza dostarczanego do układu dolotowego. Skutkiem takiego stanu rzeczy jest na ogół utrata mocy i np. dymienie w dieslu bez filtra cząstek stałych - dymienie, bo mieszanka nie jest spalana w pełni. W tym punkcie warto zaznaczyć, że nowy filtr powietrza kosztuje od kilku do kilkunastu złotych.
Z czasem zapchany filtr powietrza może zostać uszkodzony. A to już czarny scenariusz. Bo zacznie przepuszczać do prawda więcej powietrza do układu dolotowego, ale z drugiej strony nie będzie ono filtrowane. Skutek? Pogorszy się jakość mieszanki paliwowo-powietrznej, a do tego może dojść do uszkodzenia turbosprężarki. Wirnik turbo obraca się z prędkością dochodzącą nawet do 200 tys. obr./min. Jeżeli w tak rozpędzoną łopatkę uderzy nawet niewielkie ziarenko piasku przepuszczone przez niesprawny filtr, dojdzie do jej wyszczerbienia. Zapchany filtr powietrza jest w stanie skutecznie zniszczyć wirnik w turbosprężarce.
Skutkiem stanie się brak mocy i hałas. W takim przypadku konieczna będzie ingerencja mechanika. Nowa turbosprężarka kosztuje od blisko 2 do 6 - 7 tys. zł. zł.
Podsumowanie
Turbosprężarka to nieodzowny element współczesnych silników spalinowych, pozwalający na zwiększenie ich sprawności i mocy. Dzięki zastosowaniu dwóch głównych elementów - turbiny i sprężarki - połączonych wspólnym wałem, urządzenie to dostarcza dodatkowego powietrza do komory spalania. Pamiętajmy o regularnej wymianie filtra powietrza, który chroni turbosprężarkę przed uszkodzeniami.
tags: #filtr #powietrza #turbosprężarki #zasada #działania
