Chłodzenie turbosprężarki a wydajność i trwałość silnika

Chłodzenie turbosprężarki a wydajność i trwałość silnika Adobe Stock – Dreamnicon
Bogdan Kruk
12.6.2024

Turbosprężarka jest zaawansowanym mechanizmem, który składa się z wielu elementów współpracujących ze sobą w celu zwiększenia mocy i wydajności silnika. Dzięki niej silnik może generować większy moment obrotowy przy zachowaniu stosunkowo niewielkich wymiarów i masy jednostki napędowej.

  • Smarowanie i chłodzenie elementów turbosprężarki jako elementy zapewniające optymalne funkcjonowanie oraz wydajność silnika.
  • Działanie wirnika turbinowego wyposażonego w wastegate. Działanie wirnika sprężarki, który zwiększa ciśnienie powietrza, a więc zwiększa moc i wydajność silnika. 
  • Surge, czyli zjawisko niepożądane w układzie doładowania. Znaczenie uszczelnień dla izolacji komory turbosprężarki. 
  • Regularna wymiana oleju zapewnia długotrwałą i bezawaryjną pracę całej jednostki napędowej.
  • Specyfikacja intercoolerów, które odpowiadają za stabilizację temperatury powietrza doładowującego. 

Dziś, kiedy poszukiwanie wydajności i oszczędności paliwa jest priorytetem, turbosprężarka stała się kluczowym elementem wyposażenia nowoczesnych jednostek napędowych. Jej głównym zadaniem jest sprężanie powietrza i wtłaczanie go do komory spalania silnika spalinowego. Dzięki temu można zwiększyć moc silnika i optymalizować spalanie paliwa.

Doładowanie prowadzi do znacznego polepszenia stopnia napełnienia cylindrów. Z kolei to przekłada się na wyższą sprawność silnika spalinowego i lepszą dynamikę jazdy. Nowoczesne turbosprężarki są wyposażone w zaawansowane systemy sterowania, które umożliwiają optymalne dostosowanie doładowania do warunków pracy silnika. Dodatkowo − dzięki postępom w dziedzinie materiałoznawstwa i technologii produkcji − współczesne turbosprężarki są:

  • lżejsze,
  • wytrzymalsze
  • i efektywniejsze niż kiedykolwiek wcześniej.

Najważniejsze elementy turbosprężarki 

Turbodoładowanie jest integralną częścią konstrukcji silnika, która wpływa na jego charakterystykę doładowania bardziej niż jakikolwiek inny układ. Żeby jednak zapewnić optymalne funkcjonowanie i wydajność silnika, istotne jest odpowiednie smarowanie i chłodzenie elementów turbosprężarki. Pozwala to utrzymać prawidłową temperaturę pracy zarówno urządzenia doładowującego, jak i jednostki napędowej, co oznacza zwiększenie trwałości całego układu. Zrozumienie, jak to się dzieje, wymaga bliższego przyjrzenia się głównym elementom turbosprężarki, które są sercem tego rozwiązania.

Wirnik turbinowy 

Wirnik turbiny jest napędzany energią gazów spalinowych, które przepływając przez niego, powodują jego obrót. Prędkość obrotowa wirnika zależy od jego konstrukcji i charakterystyki przepływu gazów spalinowych. Im większa ilość i prędkość gazów, tym szybszy obrót wirnika. Istnieje jednak także ograniczenie wiążące się z konstrukcją samej turbosprężarki i osiągami silnika, które determinują optymalną prędkość obrotową wirnika.

Zbyt wysoka prędkość może prowadzić do przegrzania wirnika i jego nadmiernego zużycia, podczas gdy zbyt niska prędkość może ograniczać efektywność turbosprężarki. Za regulację dawkowania spalin odpowiada zawór upustu spalin, znany również jako wastegate.

To kluczowy element układu, który umożliwia odprowadzenie nadmiaru spalin do układu wydechowego, kiedy ciśnienie doładowania osiąga określony poziom, zapobiegając w ten sposób przeładowaniu silnika. Co więcej: efektywne działanie zaworu upustu spalin przyczynia się również do ograniczenia przegrzewania turbosprężarki. Przekłada się to na stabilną temperaturę pracy i wydłuża jej żywotność.

Wirnik sprężarki 

Wirnik sprężarki jest trwale połączony z wirnikiem turbiny i odpowiada za sprężanie powietrza. Dodatkowe sprężone powietrze dostarczane jest kolektorem dolotowym do komory spalania silnika. Zwiększenie ciśnienia powietrza pozwala na efektywniejsze spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej, co z kolei oznacza większą moc i lepszą wydajność silnika.

Duże ciśnienie w momencie zamknięcia przepustnicy może być jednak dużym zagrożeniem dla samej turbosprężarki. Kiedy przepustnica powietrza zostaje zamknięta, a turbosprężarka nadal pracuje, ciśnienie powietrza w układzie doładowania może gwałtownie wzrosnąć, co prowadzi do zjawiska zwanego surge. Zjawisko to występuje, kiedy sprężone powietrze w układzie się cofa, uderzając w wirnik sprężarki oraz powodując jego drgania i niekorzystne obciążenia mechaniczne.

Powtarzające się przypadki surge mogą prowadzić do uszkodzenia wirnika sprężarki, co skutkuje zmniejszeniem wydajności i trwałości turbosprężarki oraz samego silnika. Żeby zapobiec tego rodzaju problemom, w układzie doładowania stosuje się zawór Blow-Off (BOV). Zaprojektowano go tak, żeby otwierał się w momencie zamknięcia przepustnicy, uwalniając nadmiar sprężonego powietrza na zewnątrz.

Dzięki temu BOV zapewnia płynną pracę turbosprężarki i chroni ją przed uszkodzeniami spowodowanymi gwałtownymi wzrostami ciśnienia. BOV jest zazwyczaj wyposażony w zawór przeponowy lub tłokowy, który otwiera się pod wpływem nadmiaru ciśnienia w układzie doładowania.

Korpus środkowy 

W centralnej części korpusu turbosprężarki znajduje się wałek, który łączy wirnik turbiny z wirnikiem sprężarki. Łożyskowanie wałka wykonane jest za pomocą łożysk − ślizgowego i oporowego, których poszczególne elementy wykonane są ze specjalnych stopów brązu i stali stopowej, zapewniając stabilność i zmniejszając tarcie.

Ważnymi elementami konstrukcji korpusu środkowego są również uszczelnienia zastosowane między wirnikiem turbiny a wirnikiem sprężarki. Uszczelnienia te pełnią kluczową funkcję w zapobieganiu przedostawaniu się oleju smarującego z układu smarowania do komory sprężania powietrza oraz do układu wydechowego.

Najczęściej stosowane są uszczelnienia labiryntowe lub pierścieniowe, które skutecznie izolują komory turbosprężarki, minimalizując ryzyko wycieków i zapewniając efektywne działanie układu. Dzięki temu uszczelnienia pomagają utrzymać wysoką wydajność turbosprężarki i chronią cały układ przed awariami związanymi z nieszczelnościami.

Układ smarowania i chłodzenia 

Ważnym elementem korpusu środkowego jest jego układ smarowania i chłodzenia. W obudowie turbosprężarki znajdują się specjalnie zaprojektowane kanały olejowe, przez które przepływa olej smarujący, pobierany z magistrali olejowej silnika. Olej ten zapewnia odpowiednie smarowanie i ochronę elementów ruchomych turbosprężarki.

Oprócz zapewnienia odpowiedniego smarowania olej pełni także funkcję chłodzenia, odprowadzając ciepło z poszczególnych elementów turbosprężarki. W trakcie pracy turbiny i wirnika bowiem generowane jest znaczne ciepło, które może prowadzić do przegrzania się i uszkodzenia tych ruchomych elementów. Skuteczne chłodzenie olejem jest więc niezbędne do utrzymania optymalnej temperatury i zapobiegania przegrzaniu.

Olej przepływający przez obudowę turbosprężarki absorbuje ciepło, przekazując je dalej i zwiększając efektywność chłodzenia. Warto również zaznaczyć, że prawidłowy poziom i jakość oleju w układzie smarowania silnika mają kluczowe znaczenie dla trwałości i wydajności turbosprężarki. Regularna wymiana oleju i dbałość o jego odpowiednią jakość są niezbędne do zapewnienia długotrwałej i bezawaryjnej pracy turbosprężarki i jednostki napędowej.

Zaleca się stosowanie oleju silnikowego zgodnego ze zaleceniami producentów pojazdów i uzupełnianie go do odpowiedniego poziomu. Użycie oleju, który nie spełnia określonych specyfikacji producenta, może prowadzić do uszkodzenia turbosprężarki. Nowsze rozwiązania obejmują sprężarki dodatkowo chłodzone płynem chłodniczym, co poprawia ich wytrzymałość mechaniczną i wydłuża żywotność. Chłodzenie płynem może być efektywniejsze w przypadku silników o wyższej mocy lub w warunkach ekstremalnych, w których wymagane jest intensywniejsze chłodzenie.

Przygotowanie powietrza doładowującego 

W układzie doładowania istotną rolę odgrywa również chłodnica powietrza doładowującego, znana też jako intercooler. To umieszczony między turbosprężarką a kolektorem dolotowym wymiennik ciepła, który odpowiada za przygotowanie sprężonego powietrza dostarczanego do cylindrów silnika. Poprzez obniżenie jego temperatury nawet o 40°C intercooler zwiększa gęstość powietrza, co przekłada się na efektywniejsze spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej i zwiększoną wydajność silnika.

Dzięki swojej funkcji intercooler nie tylko pozytywnie wpływa na moc silnika. Przyczynia się też do jego trwałości, zmniejszając ryzyko przegrzania i poprawiając ogólną efektywność spalania. Chłodniejsze powietrze odziałuje poprawia również kulturę pracy jednostki napędowej i reduukuje emisję szkodliwych zanieczyszczeń. Należy zauważyć, że wydajność chłodnicy powietrza doładowującego w dużej mierze zależy od sposobu jej chłodzenia.

Najczęściej spotykane są intercoolery chłodzone powietrzem (air-to-air intercooler), które do chłodzenia wymiennika wykorzystują strumień powietrza. Coraz częściej stosowane są jednak także intercoolery chłodzone cieczą (water-to-air intercooler), która zapewnia stabilniejszą temperaturę powietrza doładowującego, zwłaszcza w warunkach wysokiego obciążenia silnika.

Warto także podkreślić, że wybór odpowiedniego rodzaju chłodzenia intercoolera może istotnie wpływać nie tylko na wydajność silnika, ale także na jego trwałość i responsywność w różnych warunkach jazdy. Optymalne chłodzenie powietrza doładowującego pozwala na utrzymanie stabilnej temperatury i zapewnia niezawodność działania układu doładowania, co ma znaczenie dla komfortu jazdy i osiągu samochodu.

Skuteczne chłodzenie turbosprężarki odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu optymalnej wydajności i trwałości silnika. Trzeba pamiętać, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika wirniki turbiny i sprężarki turbosprężarki obracają się szybciej, powodując większe tarcie, a w konsekwencji generując więcej ciepła. Wirniki mogą obracać się z prędkością 250 obrotów na minutę, a obudowa turbosprężarki może osiągnąć temperaturę 900°C.

Tak wysokie temperatury stawiają ogromne wymagania przed systemami chłodzenia i smarowania, które muszą efektywnie zarządzać ciepłem generowanym podczas pracy turbosprężarki. Żeby zapobiec przegrzaniu i uszkodzeniom, turbosprężarki wyposaża się w różne mechanizmy chłodzenia. Olej smarujący pełni tu podwójną funkcję – nie tylko smaruje elementy ruchome, ale również odprowadza nadmiar ciepła.

W nowoczesnych turbosprężarkach coraz częściej stosuje się również chłodzenie cieczą, co dodatkowo stabilizuje temperaturę, zwłaszcza w warunkach dużego obciążenia. Poprzez utrzymanie odpowiedniej temperatury wewnętrznej turbosprężarki systemy chłodzenia przyczyniają się do zminimalizowania ryzyka przegrzania i uszkodzeń, co może istotnie wpływać na długoterminową wydajność i trwałość silnika.

Jednocześnie efektywne chłodzenie powietrza doładowującego, wspomagane przez intercoolery i inne systemy, może poprawić wydajność silnika i kontrolę parametrów pracy. Dlatego też dbałość o właściwe funkcjonowanie układu chłodzenia turbosprężarki i jego regularna konserwacja są kluczowe w utrzymaniu optymalnych osiągów i trwałości silnika.

Źródło: Materiały redakcyjne 

O Autorze

Bogdan Kruk

Redaktor miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

autoExpert 7–8 2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę