Sposobem na zwiększenie mocy silnika jest jego doładowanie. Przez pojęcie to rozumie się sprężenie wpadającego do silnika powietrza turbosprężarką lub sprężarką mechaniczną. Zasada doładowania sprężarką odśrodkową napędzaną gazami spalinowymi (turbodoładowania) została opracowana w 1905 roku, jednak dopiero 50 lat później wynalazek ten został użyty w dużych silnikach.

Zasada działania

Turbosprężarka składa się z jednostopniowej turbiny napędzanej gazami spalinowymi oraz sekcji sprężającej, które są osadzone na wspólnym wałku. Turbina wykorzystuje gazy spalinowe do wprawienia wałka sprężarki w ruch obrotowy. Sekcja sprężająca zasysa powietrze atmosferyczne i po wstępnym sprężeniu wtłacza je do kolektora dolotowego i dalej do każdego z cylindrów. Dzięki temu do każdego cylindra może zostać dostarczona większa masa powietrza, która wymaga automatycznie większej masy paliwa. Takie proporcjonalne zwiększenie ilości mieszanki w cylindrze automatycznie zwiększa energię spalania, co wiąże się ze wzrostem mocy silnika. Przez równowagę obrotów miedzy turbiną a sekcją sprężającą można łatwo zauważyć zależność skuteczności turbiny (wydajności) od energii spalin wydobywających się z cylindrów i wpadających do turbiny. Im więcej paliwa dostanie się do cylindra, tym większą energię będą miały spaliny wydobywające się z niego. To wiąże się ze zwiększeniem ich prędkości wylotowej i w rezultacie zwiększeniem prędkości obrotowej turbiny i ciśnienia doładowania. W silnikach z dużym zakresem prędkości obrotowych wymaga się, aby turbosprężarka dawała dostateczne ciśnienie już przy niskich prędkościach obrotowych silnika. Taką reakcję można wymusić, stosując koło turbiny o małej średnicy. Rozwiązanie to zwiększy czułość turbiny na zmianę energii gazów spalinowych i sprawi, że już przy niskich obrotach silnika turbosprężarka będzie doładowywała.

Do zabezpieczenia silnika przed niekontrolowanym przyrostem ciśnienia stosuje się zawory regulujące ciśnienie doładowania. Dzięki nim możliwe jest utrzymanie stałego stosunku obrotów silnika do ciśnienia doładowania. Zgodnie z prawami fizyki powietrze podczas sprężania zwiększa swoją temperaturę. Zwiększenie temperatury powietrza powoduje z kolei zmniejszenie jego gęstości (zwiększenie objętości). Aby możliwe było wpompowanie możliwie jak największej masy powietrza do cylindra, między turbosprężarką a silnikiem po stronie dolotowej stosuje się chłodnice powietrza doładowującego (intercooler), która schładza powietrze, umożliwiając zmniejszenie jego objętości. Zmniejszenie objętości powietrza przy tej samej masie pozwala na wtłoczenie go w większej ilości do cylindra, co skutkuje jeszcze większym wzrostem mocy silnika.

Silnik turbodoładowany ma szereg zalet w porównaniu z silnikiem wolnossącym. Są nimi miedzy innymi:

• wagowy współczynnik mocy [kW/kg] – w przypadku silnika turbodoładowanego jest większy niż w przypadku silnika wolnossącego,
• wielkość silnika turbodoładowanego jest mniejsza od wielkości silnika wolnossącego o tej samej mocy,
• przebieg momentu obrotowego w silniku doładowanym jest korzystniejszy niż w przypadku silnika wolnossącego; to oznacza, że wykres momentu obrotowego ma płaską charakterystykę, a jego duże wartości są dostępne już przy niskich obrotach silnika,
• zaletą dla producenta pojazdów jest to, że turbosprężarka może poszerzyć ofertę silników wolnossących; przeróbka silnika wolnossącego na turbodoładowany nie wymaga konstruowania jednostki od nowa,
• dzięki zastosowaniu turbodoładowania silnik dobrze znosi pracę na dużych wysokościach, gdzie silniki wolnossące odczuwają spadek gęstości powietrza.

Samochód turbodoładowany będzie zużywał mniej paliwa od samochodu wyposażonego w taki sam silnik, ale bez turbodoładowania. Jest to możliwe właśnie dzięki zmianie charakterystyki momentu obrotowego oraz zwiększeniu jednostkowym mocy silnika. Stosowanie turbosprężarki pozwala na spełnienie wyśrubowanych norm emisji spalin.

Sposób napędu

Turbosprężarki napędzane są gazami spalinowymi, jednak te doprowadzane są do nich w różny sposób. Najpopularniejszym z nich jest doprowadzenie gazów spalinowych z kolektora, do którego dostają się spaliny ze wszystkich cylindrów. Za pojemnikiem zbiorczym przykręcona jest turbosprężarka odbierająca spaliny. Ten sposób sprawia, że minimalizowana jest pulsacja spalin, co wyrównuje ich oddziaływanie na turbinę. Kolejnym sposobem jest zasilanie turbiny z każdego cylindra osobno. W tym celu kolektor nie posiada pojemnika zbiorczego. Spaliny wyprowadzane są osobnymi kanałami znajdującymi się we wspólnym odlewie kolektora. To pozwala na zmniejszenie strat energii spalin, jednak powoduje pulsacje ciśnienia zależną od obrotów silnika, która przenosi się na wałek turbiny. Trzecim sposobem jest zasilanie częściowe stosowane na przykład w silniku V6, montowanym w samochodzie Saab. W nim turbosprężarka zasilana jest spalinami tylko z jednego rzędu trzech cylindrów, natomiast zasila sprężonym powietrzem wszystkie 6. Spaliny z pozostałych trzech cylindrów są kierowane do układu wydechowego z pominięciem turbosprężarki.

Wymagania konstrukcyjne dla silnika

Turbosprężarka jest w dość prosty sposób zamontowana na silniku, ale od niego wymaga spełnienia dość ważnych kryteriów. Po pierwsze konieczne jest dopasowanie tych podzespołów pod względem termodynamicznym. W przypadku silnika z turbosprężarką mamy do czynienia ze zwiększonym ciśnieniem w komorze spalania, a co za tym idzie – ze zwiększoną temperaturą, która najbardziej daje się we znaki głowicy i tłokom. Podstawową różnicą między silnikiem wolnossącym a turbodoładowanym jest dodatkowy natrysk oleju od spodu tłoków. Olej ten służy chłodzeniu denek tłoka, a natryskiwany jest do kanału chłodzącego znajdującego się wewnątrz tłoka. Kolejną ważną różnicą w silniku turbodoładowanym jest wytrzymałość termiczna głowicy. To oznacza, że głowica jest wykonana w sposób umożliwiający lepsze odprowadzanie ciepła. Z tego względu konstrukcja głowicy jest sztywniejsza i bardziej odporna na odkształcenia niż w przypadku silnika wolno ssącego. Aby poprawić odprowadzanie ciepła, często stosuje się także stalowe – wielowarstwowe uszczelki pod głowicę. Standardowo używane uszczelki kryngielitowe izolują cieplnie głowicę od bloku silnika. W przypadku uszczelki stalowej nie ma problemów z odprowadzaniem nadmiaru ciepła z głowicy do bloku silnika.

„autoFACHMANN”