Więcej paliwa = więcej mocy

Domena publiczna
Maciej Blum
30.5.2022
Reklama
Reklama

Tytułowa fraza jest zgodna z prawdą, jednak jej wdrożenie wymaga nieco więcej zachodu. Wynika to choćby z tego, że w cylindrze mieści się ograniczona objętość zarówno powietrza, jak i paliwa.

 

  • Aby spalanie paliwa przebiegało w silniku prawidłowo, konieczne jest zagwarantowanie do tego odpowiednich warunków.
  • Idealnym rozwiązaniem jest spalanie mieszanki stechiometrycznej.
  • Jeśli konieczne jest zwiększenie mocy silnika, to do komory spalania trzeba dostarczyć większej ilości paliwa oraz powietrza.
  • Możliwe jest to dzięki sprężaniu powietrza zasysanego przez silnik.

Aby spalanie paliwa przebiegało w silniku prawidłowo, konieczne jest zagwarantowanie do tego odpowiednich warunków. Idealnym rozwiązaniem jest stworzenie mieszanki stechiometrycznej, czyli takiej, w której każdy atom paliwa będzie mógł ulec reakcji z każdym atomem tlenu zawartym w powietrzu. Mieszanka stechiometryczna jest więc mieszanką, w której teoretycznie otrzyma się najdokładniejsze spalanie paliwa z maksymalnym wykorzystaniem dostarczonego powietrza, a także najmniejszą możliwą emisję produktów spalania.

Ilustracja 1. Turbina napędzana energią gazów spalinowych (kolor czerwony) napędza koło sekcji sprężającej, zasysające świeże powietrze (kolor niebieski). Dalej w formie sprężonej tłoczy je do cylindrów. Źródło: Porsche

W silniku spalinowym ilość energii chemicznej zawartej w paliwie (a dokładnie w mieszance paliwowo-powietrznej) jest ograniczona objętością cylindra i dynamiką przepływu gazu w kolektorze dolotowym i wydechowym. W związku z tym, nawet stosując najbardziej wyrafinowane metody modyfikacji silnika, nie uda się do cylindra zmieścić więcej paliwa, aby otrzymać większą energię spalania.

Problem ilości paliwa spalanego (a dokładnie ilości powietrza dostarczonego do spalania paliwa w silniku) dał się we znaki już w okresie międzywojennym. Wówczas zdano sobie sprawę z tego, że aby skutecznie podróżować w powietrzu, konieczne jest osiągnięcie większych pułapów, co umożliwi wykorzystanie prądów powietrznych i mniejszych oporów powietrza. Mniejsze opory powietrza wynikały wprost z jego mniejszej gęstości. A już w 1934 r. uznano, że na wysokości 6000 m moc silnika tłokowego napędzającego samolot spada o połowę w stosunku do mocy silnika na ziemi. I to właśnie ze względu na mniejszą gęstość powietrza.

W okresie międzywojennym, aby zapobiec spadkowi mocy silnika na większych wysokościach, stosowano 3 rozwiązania:

  1. Znaczne doprężenie silnika (czyli zwiększenie stopnia sprężania), co nie było dobrą drogą, ponieważ dość szybko pojawiało się zjawisko spalania stukowego, niszczące dla silnika. Ponadto niskiej jakości paliwo, którego używano w tamtych czasach, dodatkowo wpływało na powstawanie tego typu zjawiska.
  2. Przewymiarowanie silnika tak, aby osiągał odpowiednią moc już na dużej wysokości. Wymagało to niestety dławienia na niższych wysokościach i na ziemi.
  3. Zastosowanie sprężarek. Sposób ten okazał się najkorzystniejszy w latach 30. XX w. i obecnie.

Zastosowanie sprężarek przyniosło najlepsze efekty i okazało się najmniej inwazyjne w konstrukcję. Zasada działania sprężarki jest prosta – powietrze, które dostaje się do silnika, jest sprężane przez sprężarkę zamontowaną na wale korbowym, który ją napędza. Dzięki sprężeniu do cylindra dostaje się powietrze o większej gęstości, ponieważ jest bardziej sprężone. Jeśli do cylindra dostaje się więcej powietrza, to aby otrzymać stosunek stechiometryczny mieszanki paliwowo-powietrznej, konieczne jest dodanie do tego powietrza większej ilości paliwa. W efekcie więcej energii ze spalania większej ilości paliwa daje więcej mocy.

Sprężarka mechaniczna ma jednak pewne wady. Do pracy zużywa moc silnika, ponieważ napędzana jest od wału korbowego. Nie trzeba było długo czekać, żeby zacząć wykorzystywać energię, która się marnuje, czyli energię kinetyczną gazów spalinowych. Wykorzystanie ich zapoczątkowało powszechne stosowanie turbosprężarki.

Ilustracja 2. Pierścień sterujący ustawieniem kierownicy spalin napędzany jest pneumatycznie lub elektrycznie. Źródło: Raven Media – Maciej Blum

Jak działa turbosprężarka?

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, a 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 między 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 wydobywające się z niego spaliny. To wiąże się ze zwiększeniem ich prędkości wylotowej, a 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. Wzrost 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, zwiększając jego gęstość.

Reklama

Silnik turbodoładowany ma wiele zalet w porównaniu z silnikiem wolnossącym. Są to między innymi:

  • Wagowy współczynnik mocy [kW/kg] – w przypadku silnika turbodoładowanego jest większy niż w przypadku silnika wolnossącego.
  • Objętość skokowa silnika turbodoładowanego jest mniejsza niż objętość skokowa silnika wolnossącego o tej samej mocy.
  • Przebieg momentu obrotowego w silniku doładowanym jest korzystniejszy niż w przypadku silnika wolno ssącego. To oznacza, że wykres momentu obrotowego ma płaską charakterystykę, a jego duże wartości są dostępne już przy niskich obrotach silnika.
  • Turbosprężarka może poszerzyć ofertę silników wolnossących. Przeróbka silnika wolnossącego na turbodoładowany nie wymaga konstruowania jednostki od nowa.

Samochód turbodoładowany będzie zużywał mniej paliwa niż samochód wyposażony w taki sam silnik, ale bez turbodoładowania. Jest to możliwe właśnie dzięki zmianie charakterystyki momentu obrotowego oraz zwiększeniu jednostkowej mocy silnika.

Wymagania konstrukcyjne dla silnika

Turbosprężarka jest w dość prosty sposób zamontowana na silniku, ale wymaga się od niego spełnienia dość ważnych kryteriów. 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, zaworom i tłokom.

Ilustracja 3. Układ zasilania powietrzem w silniku Diesla V8 produkcji BMW. Źródło: BMW

Podstawową różnicę między silnikiem wolnossącym a turbodoładowanym stanowi dodatkowy natrysk oleju na denka tłoków. Dzięki niemu tłoki są wydajniej chłodzone.
Kolejną ważną różnicą w silniku turbodoładowanym jest wytrzymałość termiczna głowicy. Głowicę wykonano 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 głowicy do bloku silnika.

Turbosprężarka wymaga wydajnego smarowania. Do korpusu turbiny doprowadzony jest przewód olejowy, który dostarcza środek smarny do osi wirnika. Dalej olej spływa do miski olejowej. Zatkanie kanału odpływowego jest jednym z częstszych powodów uszkodzenia turbosprężarki, ponieważ zakłócony jest odpływ oleju. Podobnie na kondycję turbosprężarki wpływają uszczelki stosowane przy montażu przewodu odpływowego. Odwrotne założenie uszczelki potrafi znacznie ograniczyć światło przewodu, co również ograniczy przepływ oleju.

Mechaniczne usterki turbosprężarki mogą objawiać się w różny sposób. Od utraty mocy do uszkodzenia silnika. Najczęściej silnik z turbosprężarką eksploatowany jest aż do jego trwałego uszkodzenia. W przypadku usterki turbosprężarki może to oznaczać moment, w którym konsumpcja oleju przez nieszczelną turbosprężarkę będzie tak duża, że dojdzie do rozbiegnięcia się silnika lub nadmiernej konsumpcji oleju skutkującej zatykaniem katalizatora w silniku ZI.

Pozostałe usterki mechaniczne dają się często sprawdzić tylko po odsłonięciu turbosprężarki w taki sposób, aby można było przeprowadzić oględziny łopatek turbosprężarki z obu stron. W najgorszym przypadku sprężarkę należy całkowicie zdemontować.

Twin Scroll

Zastosowanie technologii Twin Scroll pozwoliło na zwiększenie sprawności pojedynczej turbosprężarki poprzez zastosowanie dwóch kanałów wydechowych. Dzięki temu usprawnieniu gazy wydechowe nabierają dużej prędkości (którą dodatkowo zwiększa stożkowaty, zwężający się kształt podzielonych kanałów), trafiając następnie na wirnik sprężarki.

Reklama

Dynamika gazów odczuwalnie ożywia turbinę, a ciśnienie zwrotne spada. Aby ograniczyć ciśnienie wsteczne cylindry 1–3 (bank 1) i cylindry 4–6 (bank 2) tworzą dwa kanały wylotowe. Spaliny w kanałach wydechowych (1 i 2) są kierowane do dwóch zwojów (spirali) wewnątrz turbosprężarki do napędzania koła turbiny. Ten układ umożliwia optymalne wykorzystanie  dynamiki spalin do generowania ciśnienia doładowania w oparciu o kolejność zapłonu silnika. Poprawia to sprawność silnika poprzez zwiększenie reakcji przepustnicy i ograniczenie niepożądanego zjawiska „turbodziury”.

Ilustracja 4. a) Przekrój turbosprężarki Twin Scroll. Źródło: Domena publiczna
b) Schemat zasilania turbosprężarki Twin Scroll gazami spalinowymi (dół). Źródło: Domena publiczna

Co to jest zmienna geometria turbosprężarki?

Standardowe turbosprężarki o stałej geometrii turbiny wymagają określonej pojemności spalin. Żeby więc osiągnąć ciśnienie doładowania, wykazują pewne opóźnienie działania w momencie, w którym spalin napędzających jest mniej, czyli na wolnych obrotach silnika.

Ilustracja 5. Turbosprężarka ze zmienną geometrią. Zmiana geometrii odbywa się przez zmianę położenia kierownicy gazów spalinowych. Przy niskich prędkościach obrotowych silnika i małej ilości gazów spalinowych kierownice są zamykane wymuszając wzrost prędkości gazów w turbinie. To przekłada się na wyższą prędkość obrotową wirnika i lepsze doładowanie. Źródło: Porsche

Aby zwiększyć obroty wirnika sprężarki na niskich obrotach silnika – czyli przy niższej objętości spalin napędzających turbinę – konieczne stało się zastosowanie tzw. kierownicy gazów spalinowych, która zamienia kierunek przepływu gazów wokół wirnika turbiny. Pozwala to na przyspieszenie obrotów turbiny i utrzymanie ciśnienia doładowania na odpowiednim poziomie, nawet przy małym obciążeniu silnika.

Jeżeli obroty silnika wzrosną, regulacja silnika zmniejsza stopniowo zmianę geometrii. W wyniku tego ciśnienie doładowania nie jest za wysokie, a koło turbiny nie obraca się zbyt szybko. Aby także w przypadku usterki nie doszło do uszkodzenia turbosprężarki (albo nawet silnika), łopatki kierownicze ustawiają się w położeniu awaryjnym i zapewniają największy przekrój wlotowy.

Opisane zmiany następują pod wpływem działania zaworu podciśnienia lub regulacji silnika elektrycznego sterującego ustawieniem kierownicy spalin. Początkowo wszystkie układy zmiennej geometrii były sterowane przez zawory pneumatyczne. Niestety to rozwiązanie mimo dużej zalety, jaką jest prostota budowy, ma dwie podstawowe wady – brak informacji zwrotnej od ECU oraz prędkość reakcji.

Wraz z rozwojem technologii znaleziono rozwiązanie – sterownik elektroniczny. Rozwiązanie to eliminowało wady zaworu pneumatycznego i pomogło producentom zrobić krok w kierunku osiągnięcia mieszanki stechiometrycznej.

Podczas produkcji nowej turbosprężarki ze zmienną geometrią łopatki ustawia się przy użyciu precyzyjnego urządzenia sterującego przepływem powietrza. Daje to gwarancję ustawienia minimalnego otwarcia łopatek, co umożliwia przepływ ściśle określonych mas powietrza.

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama