Historia turbo: od szwajcarskiego inżyniera po elektryczne turbosprężarki

Historia turbosprężarek BMW

Dość szybko konstruktorzy samochodów i jednostek napędowych doszli do wniosku, że zwiększanie mocy silników poprzez powiększanie ich pojemności skokowej to droga donikąd. Dlatego już pod koniec XIX w. prowadzono prace, których celem było wykorzystanie sprężonego powietrza. Na pierwszą turbosprężarkę przyszło nam jednak jeszcze trochę poczekać, ale niespełna 100 lat później silniki z turbodoładowaniem stały się niemalże standardem, wypierając całkowicie z rynku – w wielu segmentach – silniki wolnossące.

  • Alfred Büchi i jego wkład w historię motoryzacji. 
  • Elektryczny napęd sprężarki w układzie dolotowym silnika. 
  • Turbosprężarki w samochodach wyścigowych, silnikach okrętowych, lokomotywach i w zastosowaniach przemysłowych. 
  • Niemiecka myśl techniczna w służbie rozwoju TURBO.  

Pierwsze koncepcje doładowania silników pojawiły się jeszcze w XIX w., a więc niedługo po tym, jak powstał pierwszy samochód. Prace nad zwiększaniem mocy silnika przy zastosowaniu dodatkowego sprężania prowadzili nawet Gottlieb Daimler i Rudolf Diesel, którzy rozwijali m.in. technologię sprężarek tłokowych.

Z pierwszych rozwiązań na uwagę dziś zasługuje m.in. mechaniczna sprężarka Rootsa (wynalezione przez braci Roots), na której bazie powstały później sprężarki Lysholma i Eatona, czy sprężarka spiralna typu G (wynalazł ją Léon Creux). To jednak nie te technologie zapoczątkowały historię turbodoładowania silników samochodowych w takiej postaci, w jakiej znamy je dzisiaj.

Alfred Büchi ojcem trubodoładowania

Pierwszą turbosprężarkę, uwzględniającą znaną dziś koncepcję turbodoładowania wykorzystującą gazy spalinowe, opracował szwajcarski inżynier i wynalazca Alfred Büchi, który pracował nad badaniem strat energii silników spalinowych. W 1905 r. uzyskał on patent w ówczesnym niemieckim urzędzie patentowym. Jego rozwiązanie, opisane w dokumencie patentowym jako „silnik sprzężony o wysokim doładowaniu”, wykorzystywało turbinę i sprężarkę osadzone na wspólnym wale do wychwytywania energii ze spalin silnikowych.

Pierwsza turbosprężarka na bazie powyższego patentu została zbudowana w latach 1909–1912, kiedy to Büchi dołączył do firmy Sulzer, która prowadziła prace rozwojowe nad silnikami wysokoprężnymi. Powstała nawet pierwsza, eksperymentalna fabryka turbosprężarek, a w 1915 r. zbudowano pierwszy prototyp turbosprężarki dla silnika wysokoprężnego.

Brak większego zainteresowania ze strony rynku sprawił, że turbosprężarki nie trafiły wówczas pod maski samochodów, za to rozwiązanie Büchi’ego zaczęło zyskiwać popularność branży okrętowej, kolejowej, a także w przemyśle. W latach 20. zbudowane pod jego nadzorem nadzorem Buchiego firmę Brown, Boveri & Cie (BBC) turbosprężarki wykorzystano do napędu liniowców pasażerskich Preussen i Hansestadt Danzig.

Z kolei firma Murray-Willat wykorzystała koncepcję Büchiego do stworzenia doładowania w silniku lotniczym. Alfred Büchi cały czas widział swoje rozwiązanie jako sposób na zwiększenie mocy w samochodach osobowych. W końcu dopiął swego w 1925 r., kiedy to przeprowadził pierwsze udane próby wykorzystania turbodoładowania w silniku samochodowym, zwiększając jego moc aż o 40%.

turbosprezarka_schematY

Czterocylindrowy silnik benzynowy (o pojemności 2 l i mocy 170 KM) pracował pod maską BMW 2002 Turbo z 1973 r. i był pierwszym produkowanym na masową skalę samochodem europejskim wyposażonym w silnik z turbosprężarką. Źródło: BMW

Pojazdy użytkowe, sportowe i pierwsze auta osobowe 

Lata 30. ubiegłego wieku to dalszy rozwój technologii turbodoładowania w:

  • silnikach okrętowych,
  • lokomotywach
  • i zastosowaniach przemysłowych.

W dalszym ciągu spory wkład w ten rozwój miał Büchi, który, po opuszczeniu firmy Sulzer, założył nową firmę pod nazwą Syndykat Büchi. Silniki do prac inżynieryjnych dostarczał koncern Swiss Locomotive and Machine Works, a za produkcję gotowych turbosprężarek odpowiadała firma BBC.

W latach 30. XX w. turbodoładowanie zaczęto stosować w silnikach pierwszych samochodów wyścigowych, a pod koniec tej dekady technologia ta dotarła do samochodów użytkowych. W 1938 r. szwajcarska firma Swiss Machine Works Saurer wyprodukowała pierwszy silnik Diesla do samochodów ciężarowych, który wykorzystywał turbodoładowanie.

Ponad dwie dekady trzeba było jednak jeszcze czekać, zanim turbosprężarki trafiły pod maskę seryjnie produkowanych samochodów osobowych. Na taki krok zdecydował się General Motors (GM), który turbodoładowane silniki zastosował w modelach Chevrolet Corvair Monza i Oldsmobile Jetfire. Wersje te pojawiły się na rynku na przełomie 1962 i 1963 r. i nie zdobyły wówczas większej popularności.

Z pewnością jednym z ważniejszych powodów niewielkiego popytu była stosunkowo duża awaryjność tych modeli, w czego efekcie dość szybko wycofano je z oferty. W konstrukcji silników GM dość często dochodziło bowiem do samozapłonu i trzeba było wprowadzać dodatkowe zabezpieczenia w postaci wtrysku mieszanki na bazie wody.

Przyspieszenie dzięki niemieckiej motoryzacji

Może przesadą byłoby stwierdzenie, że to kryzys paliwowy otworzył ponownie drzwi turbodoładowaniu do świata samochodów osobowych, ale z pewnością przyspieszył ten proces. Rosnące dynamicznie ceny paliw sprawiły, że zaczęto rozglądać się za rozwiązaniami, które ograniczą zużycie paliwa. A turbosprężarki były właśnie takim rozwiązaniem.

W efekcie w latach 70. XX w. na rynku zaczęło pojawiać się wiele nowych modeli, których silniki wyposażono w turbosprężarki. Brylowały w tym koncerny niemieckie, które niewątpliwie spopularyzowały turbodoładowanie wśród nabywców indywidualnych. Pierwszym europejskim modelem z silnikiem z turbodoładowaniem było BMW 2002 Turbo, które zostało zaprezentowane w 1973 r.

O tym, że to wcale nie kryzys naftowy stał za wprowadzeniem turbosprężarek do europejskiej motoryzacji, dowodzi fakt, że pierwsze prace testowe nad nową wersją silnikową zaczęto już 2 lata wcześniej. Bawarski model dzięki turbodoładowaniu zwiększył moc dwulitrowej jednostki benzynowej ze 130 do 170 KM. Bardziej imponująco wyglądało przyspieszenie tego modelu do 100 km/h.

W wersji wolnossącej to BMW rozpędzało się w 9,5 s, a z turbodoładowaniem w 6,9 s. Pierwszy większy sukces sprzedażowy należy jednak przypisać Mercedesowi 300 SD Turbodiesel (W116), który na rynek trafił w 1978 r. Z silnika o pojemności 3 l udało się uzyskać wprawdzie tylko 112 KM, jednak duże znaczenie odgrywało tu stosunkowo niewielkie zużycie paliwa. Model ten zyskał dużą popularność na rynku amerykańskim i kanadyjskim, a to za sprawą niższych podatków dzięki niewielkiemu spalaniu. Kolejnym niemieckim producentem, który poszedł tą samą drogą, był Volkswagen.

Model Golf TD (Turbodiesel) z 1981 r. w wersji z silnikiem o pojemności 1,6 l miał 70 KM, podczas gdy ta sama jednostka, ale bez turbosprężarki, miała pod maską 54 KM. Na turbodoładowane jednostki w latach 70. zaczęło też stawiać Porsche. Na początku były to wyścigowe modele 917/10 i 917/30, które m.in. dzięki turbodoładowaniu osiągały moc ponad 1500 KM.

Pierwszym cywilnym modelem Porsche z turbo było 911 (930) Turbo. Wkrótce na silniki z turbodoładowaniem zaczęli stawiać też pozostali europejscy producenci samochodów. W 1979 r. na rynku zadebiutował Peugeot 604 D Turbo, rok wcześniej pojawił się Saab 99 Turbo, wkrótce też do tego grona dołączyły koncerny Renault i Fiat.

Dalsza ewolucja turbo 

Coraz większa popularność silników z turbodoładowaniem sprawiła, że więcej koncernów zaczęło prowadzić badania nad udoskonaleniem tej technologii. Maserati już w 1982 r. wprowadziło do jednego ze swoich modeli silnik bi turbo, a w 1986 r. pojawił się układ twin turbo w modelu Porsche 959. Choć są to bardzo podobne rozwiązanie, to w praktyce mamy tu do czynienia z pewnymi różnicami.

W silnikach bi turbo mamy bowiem dwie turbosprężarki, zaś w silnikach twin turbo – dwie jednakowe turbosprężarki. W silnikach biturbo pracują 2 różne urządzenia – jedno mniejsze i drugie większe, które włączają się do pracy sekwencyjnie. Mniejsza turbosprężarka działa w niskim zakresie obrotów, a większa włącza się po osiągnięciu określonego poziomu obrotów.

W silnikach w układzie twin turbo dwie turbosprężarki pracują równolegle, a każda z nich odpowiada za swoją część cylindrów zlokalizowanych po obu stronach bloku silnika (technologia ta może być również stosowana w silnikach rzędowych, jeśli znajduje się tam parzysta liczba cylindrów). Kolejne etapy rozwoju turbosprężarek to wprowadzenie w latach 90. turbosprężarki ze zmienną geometrią łopatek turbiny, a następnie turbosprężarki hybrydowej, która stanowiła połączenie dwóch różnych turbosprężarek o różnych rozmiarach, i wreszcie elektrycznej turbosprężarki.

To ostatnie rozwiązanie wykorzystuje elektryczny napęd sprężarki w układzie dolotowym silnika. Zapowiadany koniec ery silników spalinowych w teorii oznacza również koniec doładowania w znanej nam obecnie postaci.

Pojawia się jednak pytanie, czy w przyszłości – jeśli rzeczywiście nie będzie już aut z tradycyjnymi silnikami spalinowymi, producenci samochodów i silników elektrycznych nie wprowadzą jakichś rozwiązań, które zasadą działania będą nawiązywać do dzisiejszych turbosprężarek?

Źródło: Materiały redakcyjne 

O Autorze

Wojciech Traczyk

Redaktor miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

autoExpert 7–8 2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę