AutoExpert
Reklama
Reklama

Na czym polega hybrydowe turbo

Preview
Christoph Schütz/Pixabay
Maciej Blum
15.6.2021
Reklama
Reklama

Sposobem na zwiększenie mocy silnika jest jego doładowanie. Przez pojęcie to rozumie się sprężenie powietrza, które wpada do silnika turbosprężarką lub sprężarką mechaniczną. Zasadę doładowania sprężarką odśrodkową napędzaną gazami spalinowymi, czyli turbosprężarką, opracowano w 1905 r., jednak dopiero 50 lat później wynalazku tego zaczęto używać na szeroką skalę.

 

  • Turbosprężarka jest zamontowana na silniku w dość prosty sposób, ale od niego wymaga spełnienia dość ważnych warunków.
  • Wśród użytkowników samochodów wyposażonych w turbodoładowanie dość popularnym pojęciem jest tzw. turbodziura.
  • Turbosprężarka hybrydowa to dość popularne rozwiązanie wśród użytkowników, którzy chcą podnieść moc silnika.
  • Aby zapewnić większą wydajność, niektórzy producenci samochodów zaczęli stosować sprężarki odśrodkowe napędzane elektrycznie.
  • Kolejnym rozwiązaniem jest elektryczne wspomaganie turbosprężarki napędzanej gazami spalinowymi.
Reklama

 

Turbosprężarki napędzane są gazami spalinowymi, które doprowadzane są do nich w różny sposób. Najpopularniejszym jest doprowadzenie gazów spalinowych z kolektora, do którego dostają się spaliny ze wszystkich cylindrów. Za pojemnikiem zbiorczym przykręcona jest turbosprężarka, która odbiera 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 ma pojemnika zbiorczego. Spaliny wyprowadzane są osobnymi kanałami, które znajdują się we wspólnym odlewie kolektora. To pozwala na zmniejszenie strat energii spalin, jednak powoduje zależną od obrotów silnika pulsację ciśnienia, która przenosi się na wałek turbiny.

Trzecim sposobem jest zasilanie częściowe, stosowane swego czasu np. w silniku V6, montowanym w samochodzie Saab. W nim turbosprężarka zasilana jest spalinami tylko z jednego rzędu 3 cylindrów. Natomiast sprężonym powietrzem zasila wszystkie 6 cylindrów. Spaliny z pozostałych trzech są kierowane do układu wydechowego z pominięciem turbosprężarki.

Wymagania konstrukcyjne dla silnika

Turbosprężarka jest zamontowana na silniku w dość prosty sposób, ale od niego wymaga spełnienia dość ważnych warunków.

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, który znajduje się wewnątrz tłoka.

Kolejną ważną różnicą w silniku turbodoładowanym jest wytrzymałość termiczna głowicy. To oznacza, że głowica jest wykonana w sposób, który umożliwia lepsze odprowadzanie ciepła. Z tego względu konstrukcja głowicy jest sztywniejsza i bardziej odporna na odkształcenia niż w przypadku silnika wolnossącego. 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 bloku silnika.

Co to jest turbodziura?

Wśród użytkowników samochodów wyposażonych w turbodoładowanie dość popularnym pojęciem jest tzw. turbodziura. To czas, jaki upływa od przyciśnięcia pedału przyspieszenia do odczuwalnego poczucia zadziałania turbosprężarki, czyli skokowego przyrostu przyspieszenia. Zjawisko jest wynikiem opóźnienia (przesunięcia fazy) między chwilowym wydatkiem spalin a zapotrzebowaniem na powietrze w danym momencie, czyli w nieustalonych warunkach pracy silnika. Jest wynikiem bezwładności wirnika turbosprężarki i gazodynamicznego połączenia między zespołem turbosprężarki a silnikiem.

Preview
Turbosprężarka wyposażona w kierownice spalin (układ VNT). Odpowiednie ustawienie kierownic spalin w stronę wirnika turbiny wymusza przepływ spalin w niskim zakresie prędkości obrotowych silnika, zmniejszając efekt „turbodziury”. Źródło: Porsche
Reklama

Aby zmniejszyć uciążliwość tego zjawiska, stosuje się różne metody. Najczęściej obniża się bezwładność wirnika sprężarki przez zmniejszenie jego wymiarów. Niesie to niestety ograniczenia wydatku sprężarki w górnym zakresie prędkości obrotowych silnika. Aby móc w pełni wykorzystać możliwości turbosprężarki w pełnym zakresie prędkości obrotowych, stosuje się kierownice spalin. Zmieniają one kąt, pod jakim spaliny padają na koło turbiny, powodując tym samym jego wydajniejsze napędzanie i zapas ciśnienia w zakresie niskich prędkości obrotowych.

Stosuje się także kombinacje dwóch turbosprężarek – większej i mniejszej. Mniejsza pracuje przy niskich prędkościach obrotowych silnika, natomiast większa (o większej wydajności) – zapewnia doładowanie przy maksymalnym obciążeniu.

W zaawansowanych technicznie silnikach iskrowych stosuje się doładowanie dwusystemowe. Przy niższych mocach (i małym wydatku spalin) aktywne jest doładowanie mechaniczne. Przy większych mocach włącza się do obiegu turbosprężarka – jak w silnikach TSI.

Co to jest turbo hybrydowe?

Turbosprężarka hybrydowa to dość popularne rozwiązanie wśród użytkowników, którzy chcą podnieść moc silnika. Polega ono na zbudowaniu turbosprężarki niestandardowej z wykorzystaniem elementów różnych turbosprężarek. Założeniem jest tutaj jednak maksymalne zbliżenie się do turbosprężarki oryginalnej pod względem możliwości jej montażu na silniku bez konieczności stosowania wielu przeróbek mechanicznych.

Turbosprężarka hybrydowa to typowa turbosprężarka, którą zmodyfikowano w celu uzyskania parametrów nieosiągalnych przez standardową – fabryczną turbosprężarkę.

Dlaczego wprowadza się takie modyfikacje? Otóż turbosprężarka zamontowana fabrycznie w samochodzie musi stać w równowadze między wydajnością na wysokich obrotach a czasem reakcji na wciśnięcie pedału przyspieszenia. W wielu przypadkach wysoka wydajność na wysokich obrotach idzie w parze ze zwłoką turbiny na gwałtowne wciśnięcie pedału przyspieszenia. Wynika to z wielu czynników, z których duże znaczenie ma wielkość koła kompresji, wielkość koła turbiny i ich geometria oraz masa. Duże koło kompresji gwarantuje wysokie doładowanie przy wysokich obrotach, jednak ma swoją bezwładność i nie natychmiast reaguje na przyspieszenia.

Aby zmniejszyć efekt „turbodziury”, czyli braku doładowania na niskich obrotach, stosuje się optymalnie dobrane turbosprężarki. Ich wydajność jest dopasowana tak, aby zapewniały odpowiedni stopień doładowania w zakresie niskich prędkości obrotowych oraz zapewniały wystarczający stopień doładowania przy dużych obciążeniach. W pewnym zakresie parametrów użytkowych samochodu taki kompromis istnieje i stosuje się go np. w samochodach seryjnych. Jednak gdy zaczynamy myśleć o zwiększaniu mocy silnika, konieczna jest modyfikacja turbosprężarki lub jej wymiana na taką, która zagwarantuje odpowiednie parametry pracy.

Jak zbudowana jest turbosprężarka hybrydowa?

Turbosprężarka hybrydowa najczęściej zbudowana jest jako połączenie części dwóch turbosprężarek o różnych rozmiarach. Strona kompresji, potocznie nazywana „zimną”, pochodzi z większej turbosprężarki. Natomiast strona „gorąca”, czyli turbina, pozostaje oryginalna lub też zmodyfikowana, jednak w takim stopniu, że jej obudowa ciągle pasuje na kolektor.

Modyfikacji ulega koło turbiny, a obudowę roztacza się, aby zmieściło się w niej większe koło turbiny. Sama modyfikacja koła kompresji i koła turbiny niesie ryzyko utraty wytrzymałości wałka, na którym są osadzone. Większe koła oznaczają większe siły działające na wałek, dlatego często konieczne jest zastosowanie wałka o większej średnicy. A to oznacza już praktycznie budowę turbosprężarki od podstaw.

Ponadto sama modyfikacja turbosprężarki to półśrodek w drodze do profesjonalnego tuningu silnika. Zmiana parametrów przepływu powietrza doładowującego wymusza stworzenie praktycznie od początku map wtrysku i sterowania turbosprężarką.

Pojęcie turbosprężarki hybrydowej jest używane także w przypadku, kiedy turbina i sprężarka nie są modyfikowane, natomiast modyfikacji ulega sterowanie – np. ze sterowanego elektronicznie na sterowane podciśnieniowo. Cel jednak jest taki sam – zwiększenie wydajności turbosprężarki.

Prąd lekarstwem?

Aby zapewnić większą wydajność, niektórzy producenci samochodów zaczęli stosować sprężarki odśrodkowe napędzane elektrycznie. Pierwszym tego typu rozwiązaniem były sprężarki w Audi SQ7 z silnikiem V8 o pojemności 4 l i mocy 435 KM. Samochód ten jest wyposażony w sieć elektryczną o napięciu 48 V, która zasila elektrycznie napędzane sprężarki w układzie dolotowym silnika. Według producenta sprężarka może osiągnąć 70 000 obr./min w 1/4 s po podaniu sygnału wysterowującego pełną moc. To oznacza, że maksymalne doładowanie dostępne jest praktycznie od razu i to niezależnie od prędkości obrotowej silnika.

Kolejnym rozwiązaniem jest elektryczne wspomaganie turbosprężarki napędzanej gazami spalinowymi. W tym przypadku między kołem kompresji a kołem turbiny zamontowany na wspólnym wałku jest silnik elektryczny, który – podobnie jak w przypadku sprężarki elektrycznej – może rozpędzić wirnik niezależnie od aktualnego zasilania turbosprężarki spalinami.

Preview
Sprężarka napędzana elektrycznie i jej elementy składowe. Źródło: Audi AG
Preview
Turbosprężarka napędzana spalinami i wspomagana elektrycznie. Źródło: Daimler AG

Jakie są dodatkowe zalety elektrycznego napędu lub wspomagania turbosprężarki? Warto wspomnieć o czystości spalin – wszak obecnie jest to temat bardzo na czasie. Elektryczna sprężarka lub turbo z elektrycznym wspomaganiem zapewniają stałe utrzymywanie współczynnika lambda na poziomie 1. Nawet w warunkach nagłego przyspieszania lambda jest utrzymywana na stałym poziomie, ponieważ łatwiejsze jest dostarczanie odpowiedniej ilości powietrza do mieszanki spalanej w cylindrze.

Warto wiedzieć
E-turbo
Elektryczne turbo to tradycyjna sprężarka odśrodkowa, która nie jest napędzana energią gazów spalinowych, lecz za pomocą silnika elektrycznego. Dzięki temu sprężarka nie jest uzależniona od obrotów silnika i może osiągnąć pełną wydajność już przy biegu jałowym silnika. E-turbo pozwala na całkowite wyeliminowanie efektu turbodziury, co znacząco wpływa na dynamikę pojazdu. Ponadto pełne doładowanie od obrotów biegu jałowego pozwala na korzystniejsze ukształtowanie przebiegu momentu obrotowego, który jest dostępny od bardzo niskich obrotów silnika. Największym problemem elektrycznego doładowania jest moc, jakiej ono potrzebuje. Aby sprostać zasilaniu silnika napędzającego turbinę producenci samochodów specjalnie konstruują dodatkową sieć elektryczną samochodu pracującą z napięciem 48V.
Po raz pierwszy E-turbo zastosowano w koncepcyjnym silniku V6 TDI produkowanym przez Audi. W produkcji seryjnej turbo elektryczne zadebiutowało dopiero w modelu SQ7 napędzanym silnikiem 4.0 TDI V8.

 

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama