• Turbodziura powróciła – jak radzą sobie z nią producenci pojazdów, co to oznacza dla serwisów samochodowych? 
• Pierwszy impuls momentu obrotowego: rozrusznik-generator i jego znaczenie dla całego układu.
• Wszystko o najnowszym trendzie: o doładowaniu elektrycznym 48 V. 

Normy emisji spalin wymusiły rozwój downsizingu, czyli silników o mniejszej pojemności skokowej przy zachowaniu wysokiej mocy jednostkowej. Turbodoładowanie stało się podstawowym narzędziem realizacji tej strategii, jednak uwidoczniło zjawisko turbodziury – szczególnie przy niskich prędkościach obrotowych.

Aby ograniczyć opóźnienie narastania ciśnienia doładowania i momentu obrotowego, producenci coraz częściej stosują elektryczne wspomaganie doładowania zasilane z instalacji 48 V. Rozwiązanie to poprawia dynamikę napędu, ale jednocześnie wprowadza nowe wyzwania diagnostyczne i serwisowe, znacznie bardziej złożone, niż mogłaby sugerować sama nazwa układu mild hybrid.

Turbodziura – problem, który wrócił tylnymi drzwiami 

Zjawisko turbodziury jest znane mechanikom od dekad, jednak przez lata branża motoryzacyjna skutecznie ograniczała jego wpływ. Turbosprężarki o zmiennej geometrii turbiny (VNT/VTG – Variable Nozzle Turbine / Variable Turbine Geometry) oraz układy dwustopniowego doładowania pozwoliły znacząco skrócić opóźnienie między wciśnięciem pedału przyspieszenia a wzrostem ciśnienia doładowania.

Turbodziura oznacza opóźnienie między chwilowym przepływem spalin a zapotrzebowaniem silnika na powietrze w nieustalonych warunkach pracy. Wynika ono z bezwładności wirnika turbosprężarki, który musi osiągnąć odpowiednią prędkość obrotową, aby sprężać powietrze z wymaganą wydajnością.

Przy niskich obrotach energia spalin jest zbyt mała, by rozpędzić wirnik wystarczająco szybko. W koncepcji downsizingu zamiast dużej jednostki wolnossącej stosuje się silnik o mniejszej pojemności skokowej wyposażony w turbosprężarkę, mający osiągać zbliżone parametry.

Problem polega na tym, że przy niskich obrotach generuje on mniejszy strumień spalin, przez co jest bardziej podatny na turbodziurę podczas ruszania i przyspieszania. Po gwałtownym wciśnięciu pedału przyspieszania przez pierwsze 0,5–1,5 s silnik zachowuje się niemal jak jednostka wolnossąca, a dopiero później następuje gwałtowny wzrost ciśnienia doładowania i momentu obrotowego.

Klasyczne rozwiązania mechaniczne coraz częściej okazują się niewystarczające. Sprężarka mechaniczna eliminuje turbodziurę, ale stale obciąża silnik. Z kolei kosztowny i złożony układ łączący sprężarkę mechaniczną z turbosprężarką był stosowany jedynie w wybranych jednostkach napędowych. Dlatego producenci w coraz większej liczbie modeli sięgają po elektryczne wspomaganie doładowania.

Dlaczego 12 V nie wystarcza do elektrycznego doładowania 

Naturalnym rozwiązaniem wydawałoby się wykorzystanie istniejącej instalacji pokładowej 12 V. Napięcie to nakłada jednak ograniczenia, których nie da się obejść bez zasadniczej przebudowy instalacji elektrycznej pojazdu.

Problem wynika z podstawowych praw fizyki: moc elektryczna jest iloczynem napięcia i natężenia prądu. Aby dostarczyć do elektrycznej sprężarki moc rzędu 10–25 kW przy napięciu 12 V, konieczny byłby prąd o natężeniu 800–2000 A.

Przy takich wartościach przewody musiałyby mieć przekrój zbliżony do szynoprzewodów, a straty rezystancyjne byłyby ogromne. Standardowa instalacja 12 V nie byłaby przystosowana do tak wysokich obciążeń prądowych i cieplnych.

Konwencjonalna instalacja 12 V może odzyskiwać podczas hamowania zwykle jedynie 1–2 kW mocy. Dla porównania system 48 V pozwala odzyskać nawet 12–25 kW energii, która jest magazynowana w akumulatorze litowo-jonowym i wykorzystywana do chwilowego wspomagania doładowania. Instalacja 48 V stanowi kompromis między wydajnością a bezpieczeństwem.

Czterokrotnie wyższe napięcie oznacza czterokrotnie niższy prąd przy tej samej mocy, co pozwala stosować mniejszej średnicy przewody i ograniczyć straty rezystancyjne – teoretycznie nawet szesnastokrotnie. Jednocześnie napięcie 48 V pozostaje poniżej progu napięcia dotykowego uznawanego za niebezpieczne, dzięki czemu obsługa układu nie wymaga procedur charakterystycznych dla instalacji wysokiego napięcia stosowanych w pojazdach HEV i BEV.

48 V fundamentem elektrycznego wspomagania 

Instalacja pokładowa 48 V, będąca podstawą układów mild hybrid, składa się z kilku istotnych elementów. Jej sercem jest akumulator litowo-jonowy o pojemności typowo 0,5–1,7 kWh, coraz częściej wykorzystujący chemię litowo-żelazowo- fosforanową (LFP). Ogniwa LFP mają mniejszą gęstość energii niż warianty NMC czy NCA, ale cechują się większą stabilnością termiczną, dłuższą żywotnością cykliczną i większą odpornością na przeciążenia.

W zastosowaniach motoryzacyjnych, gdzie akumulator jest intensywnie ładowany i rozładowywany w krótkich cyklach, trwałość cykliczna ma pierwszorzędne znaczenie. Zarządzanie akumulatorem nie koncentruje się na zwiększeniu zasięgu elektrycznego pojazdu, lecz na utrzymaniu stanu jego naładowania (SoC – State of Charge) w optymalnym zakresie roboczym, zwykle 50–60% podczas jazdy ekonomicznej.

W tym zakresie akumulator może zarówno przyjmować wysokie prądy ładowania podczas rekuperacji, jak i natychmiast oddawać energię podczas chwilowego wspomagania układu napędowego. Przetwornica DC/DC łącząca sieć 48 V z tradycyjną instalacją 12 V zasila konwencjonalne odbiorniki pokładowe. Jej awaria bywa trudna do jednoznacznej diagnozy: instalacja 12 V stopniowo traci napięcie mimo sprawnego generatora, pojazd zatrzymuje się i nie daje się uruchomić z zewnętrznego źródła 12 V bez wcześniejszego doładowania akumulatora 48 V.

Rozrusznik-generator jako pierwszy impuls momentu obrotowego 

Najprostszym i najczęściej stosowanym elementem elektrycznego wspomagania w układach 48 V jest rozrusznik-generator napędzany paskiem osprzętu (BSG – Belt Starter Generator lub BRM). Zastępuje on klasyczny alternator i rozrusznik 12 V.

Choć konstrukcyjnie przypomina alternator, jego możliwości są znacznie większe. W typowej konfiguracji rozrusznik-generator 48 V może dostarczać moc wspomagającą rzędu 10–12 kW podczas ruszania i przyspieszania.

To krótkotrwały, lecz intensywny impuls momentu obrotowego dostępny niemal natychmiast po wciśnięciu pedału przyspieszenia – bez opóźnienia wynikającego z bezwładności wirnika turbosprężarki. Efekt jest szczególnie odczuwalny w zakresie, w którym turbosprężarka nie osiąga jeszcze wymaganej wydajności, czyli poniżej ok. 1500–2000 obr./min.

Rozrusznik-generator obsługuje również system start-stop na poziomie nieosiągalnym dla klasycznej instalacji 12 V. Ponowne uruchomienie silnika trwa kilkaset milisekund zamiast 0,5–2 s, a jednostka napędowa szybciej osiąga stabilne obroty na biegu jałowym.

Podczas zwalniania maszyna pracuje jako generator, odzyskując 12–15 kW energii kinetycznej – wielokrotnie więcej niż klasyczny alternator. To właśnie szybkie cykle ładowania i rozładowania stanowią istotę układów mild hybrid.

W bardziej zaawansowanych konfiguracjach maszyna elektryczna może być umieszczona między silnikiem a skrzynią biegów, na wyjściu skrzyni biegów lub na osi nienapędzanej przez silnik spalinowy. Montaż za skrzynią biegów eliminuje straty napędu pasowego i umożliwia odzysk energii na wszystkich przełożeniach. Zastosowanie dwóch silników elektrycznych – jednego napędzanego paskiem osprzętu, a drugiego przy wyjściu skrzyni biegów – pozwala na manewrowanie i jazdę w korku z wyłączonym silnikiem spalinowym.

Praktyczne działanie elektryczne kompresora w układzie dolotowym 

Bardziej zaawansowanym rozwiązaniem eliminującym turbodziurę jest elektryczny kompresor (e-kompresor lub eBooster) montowany w układzie dolotowym. To odśrodkowa sprężarka z wirnikiem napędzanym silnikiem elektrycznym zasilanym z instalacji 48 V oraz sterowanym elektronicznie przez sterownik silnika.

W typowym układzie elektryczny kompresor jest montowany w torze dolotowym za turbosprężarką, najczęściej w pobliżu chłodnicy powietrza doładowującego (intercoolera). Gdy sterownik wykrywa wysokie zapotrzebowanie na moment obrotowy przy niewystarczającej energii spalin dostępnej po stronie turbiny, aktywuje e-kompresor.

Zawór obejściowy (bypass) kieruje wtedy strumień powietrza przez sprężarkę elektryczną, która dodatkowo spręża powietrze kierowane do cylindrów. Wirnik elektrycznego kompresora osiąga prędkość rzędu 70 000–90 000 obr./min w ciągu ok. 200–300 ms od aktywacji układu.

Dla porównania klasyczna turbosprężarka może potrzebować od ok. 0,5 do nawet 1,5 s, by osiągnąć docelowe ciśnienie doładowania od prędkości biegu jałowego. W zaawansowanych układach maksymalne ciśnienie doładowania sięgające ok.  3,6 bara absolutnego może pojawić się nawet o blisko sekundę szybciej niż w silniku wyposażonym wyłącznie w turbosprężarkę.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Silnik i układ napędowy

Tuning turbosprężarek samochodowych

Modyfikacja układów doładowania to jedna z najskuteczniejszych metod zwiększania mocy silników spalinowych, ale też jedna z najbardziej wymagających. Nieprawidłowo przeprowadzona może prowadzić do kosztownych awarii i poważnych problemów prawnych.

Kierowca odczuwa dzięki temu znacznie szybszą i bardziej płynną reakcję układu napędowego, bez charakterystycznego efektu turbodziury. Układ sterowania analizuje w czasie rzeczywistym:

• ciśnienie w kolektorze dolotowym,
• prędkość obrotową silnika
• i stopień wciśnięcia pedału przyspieszenia,

koordynując pracę e-kompresora z turbosprężarką.

W trybie ekonomicznym układ aktywuje się jedynie przy większym zapotrzebowaniu na moc, ograniczając obciążenie akumulatora. W trybie sportowym e-kompresor uruchamia się już przy mniejszym otwarciu przepustnicy, zapewniając szybszą reakcję układu napędowego.

Synergia: elektryczny kompresor, klasyczna turbosprężarka i instalacja 48 V 

Podstawą elektrycznego wspomagania doładowania jest współpraca elektrycznego kompresora, turbosprężarki, a także instalacji 48 V i układu zarządzania energią. Po wciśnięciu pedału przyspieszenia sterownik w ciągu kilkudziesięciu milisekund stwierdza, że aktualne ciśnienie doładowania jest niewystarczające, i aktywuje elektryczny kompresor, który zasilany z akumulatora 48 V rozpędza wirnik do pełnej prędkości w ok. 250 ms i spręża powietrze do wymaganego ciśnienia praktycznie bez opóźnienia.

W tym samym czasie strumień spalin rosnący wraz z obciążeniem silnika stopniowo rozpędza wirnik turbosprężarki. Po kilkuset milisekundach osiąga ona efektywny zakres pracy i przejmuje główną część doładowania. Sterownik wyłącza wtedy e-kompresor, a zawór bypass omija jego kanał przepływowy.

Kierowca praktycznie nie odczuwa momentu przejścia – ciśnienie doładowania narasta płynnie i liniowo, bez charakterystycznego efektu turbodziury. Podczas hamowania i wytracania prędkości rozrusznik-generator odzyskuje energię kinetyczną i ładuje akumulator 48 V.

Elektryczny kompresor nie zastępuje turbosprężarki, lecz jedynie wspomaga ją w krótkiej fazie narastania ciśnienia doładowania. W rezultacie poprawia się dynamika silnika, a jednocześnie maleją zużycie paliwa i emisja CO₂.

Znaczenie dla warsztatu 

Układy mild hybrid z elektrycznym wspomaganiem doładowania wprowadzają do warsztatu nowe podzespoły i nowe wyzwania diagnostyczne. Pierwszym obszarem zmian jest układ dolotowy.

Elektryczny kompresor to wysokoobrotowa maszyna elektryczna pracująca z prędkością do 90 000 obr./min, wyposażona w precyzyjne łożyskowanie, zintegrowaną elektronikę mocy (falownik) oraz czujniki temperatury. Zawór bypass jest elementem elektropneumatycznym sterowanym przez moduł układu napędowego.

Jego awaria może objawiać się utratą mocy przy niskich obrotach lub błędami zapisanymi w sterowniku układu dolotowego. Warto pamiętać, że mimo relatywnie niskiego napięcia prądy zwarciowe w instalacji 48 V mogą powodować powstawanie łuku elektrycznego.

W wielu pojazdach przewody instalacji 48 V są oznaczane kolorem fioletowym. Przed rozpoczęciem prac przy układzie napędowym należy odłączyć zarówno akumulator 12 V, jak i 48 V, a następnie zweryfikować brak napięcia resztkowego. Istotnym zagadnieniem pozostaje również zarządzanie temperaturą.

Zarówno silnik elektryczny kompresora, jak i elektronika mocy wymagają aktywnego chłodzenia. Akumulator 48 V jest zwykle zintegrowany z niskotemperaturowym obwodem chłodzenia, utrzymującym jego temperaturę w zakresie około 25–60°C.

Awaria pompy cieczy chłodzącej lub niedrożność wymiennika ciepła mogą doprowadzić do przegrzania akumulatora i przejścia układu w tryb awaryjny, co skutkuje ograniczeniem mocy lub dezaktywacją funkcji elektrycznych. Kolejnym wyzwaniem jest oprogramowanie i kalibracja.

W pojazdach z elektrycznym wspomaganiem doładowania strategia sterowania jest złożona – sterownik koordynuje pracę kilku urządzeń elektrycznych i mechanicznych, uwzględniając aktualny stan naładowania akumulatora, tryb jazdy, prędkość pojazdu i temperaturę podzespołów. Wymiana dowolnego elementu układu 48 V bez przeprowadzenia adaptacji przy użyciu urządzenia diagnostycznego może pozostawić pojazd w trybie awaryjnym. Powstające wówczas kody usterek bywają błędnie interpretowane jako kolejne awarie podzespołów.

Najczęstsze błędy diagnostyczne 

Złożoność układów elektrycznego wspomagania doładowania powoduje pojawienie się nowych błędów diagnostycznych w warsztatach. Jednym z najczęstszych jest wymiana turbosprężarki – mimo że sam element pozostaje sprawny.

Problem braku mocy przy niskich obrotach może wynikać z awarii elektrycznego kompresora, nieprawidłowego działania zaworu bypass lub zbyt niskiego poziomu naładowania akumulatora 48 V, uniemożliwiającego elektryczne wspomaganie. Bez odczytu danych z układu 48 V diagnoza często opiera się wyłącznie na domysłach.

Drugim częstym błędem jest pomijanie instalacji 48 V podczas diagnostyki układu napędowego. Awaria przetwornicy DC/DC może prowadzić do stopniowego rozładowania akumulatora 12 V.

Pojazd traci zasilanie systemów sterowania, zatrzymuje się i nie daje się uruchomić przy użyciu przewodów rozruchowych. Dlatego sprawdzenie napięcia i parametrów pracy instalacji 48 V powinno być jednym z podstawowych etapów diagnostyki pojazdu, który uległ awarii w niewyjaśnionych okolicznościach.

Kolejnym problemem jest błędna interpretacja strategii sterowania. Silnik spalinowy może pozostawać wyłączony podczas ruszania lub jazdy z niewielką prędkością, co bywa mylone z awarią systemu start-stop albo układu zapłonowego.

W rzeczywistości jest to normalny tryb pracy, w którym sterownik ocenia, że aktualny poziom SoC i zapotrzebowanie na moc nie wymagają uruchomienia silnika. Podobnie nagłe uruchomienie jednostki spalinowej podczas jazdy elektrycznej nie musi oznaczać usterki – często jest to reakcja sterownika na wzrost zapotrzebowania na moc lub spadek poziomu naładowania akumulatora.

Warto też zwrócić uwagę na pomijanie odczytu SoC akumulatora 48 V podczas diagnostyki pojazdów mild hybrid. Parametr ten zmienia się w czasie rzeczywistym i bezpośrednio wpływa na dostępność funkcji elektrycznego wspomagania doładowania.

Analiza wartości SoC podczas pracy układu może wskazywać na problemy związane z przegrzewaniem akumulatora, degradacją ogniw lub awarią przetwornicy DC/DC. Warto również pamiętać, że instalacje 48 V zwykle nie mają zabezpieczenia przed odwróceniem biegunowości – nawet chwilowa pomyłka może doprowadzić do uszkodzenia elektroniki mocy lub samego akumulatora.

Trend: doładowanie elektryczne 48 V 

Elektryczne wspomaganie doładowania zasilane z instalacji 48 V nie jest rozwiązaniem przejściowym ani wyłącznie etapem na drodze do pełnej elektryfikacji. To odpowiedź na ograniczenia charakterystyczne dla nowoczesnych silników downsizingowych.

Rozwiązanie to sprawdza się zarówno w samochodach osobowych, jak i w lekkich pojazdach dostawczych czy autobusach miejskich. Normy emisyjne coraz silniej koncentrują się na emisjach w warunkach rzeczywistej eksploatacji (RDE – Real Driving Emissions), gdy silnik często pracuje przy niskim obciążeniu i niskiej prędkości obrotowej – właśnie wtedy elektryczne wspomaganie doładowania staje się istotnym elementem ograniczania emisji oraz poprawy dynamiki układu napędowego.

Instalacja 48 V pozostaje przy tym tańsza i prostsza we wdrożeniu niż pełny układ hybrydowy wysokiego napięcia. Nie wymaga infrastruktury ładowania ani zmiany codziennych przyzwyczajeń eksploatacyjnych użytkownika.

Dla branży warsztatowej oznacza to:

• konieczność inwestowania w narzędzia diagnostyczne obsługujące systemy 48 V,
• szkolenia z zakresu ich bezpiecznej obsługi,
• strategii sterowania oraz procedur diagnostycznych.

Mechanik potrafiący prawidłowo diagnozować układy elektrycznego wspomagania doładowania zyskuje dziś przewagę konkurencyjną. 

Artykuł powstał na podstawie materiałów technicznych producentów systemów 48 V (AUDI, Garrett Advancing Motion, SEG Automotive, Valeo).