Wyobraź sobie niewielki silnik, który z zewnątrz wygląda zupełnie niepozornie. Cztery cylindry, dwa litry pojemności, kilka metalowych elementów i nic, co sugerowałoby ogromną moc. A jednak po uruchomieniu silnika samochód potrafi przyspieszyć tak, jakby pod maską znajdowała się znacznie większa jednostka. Sekret tkwi w powietrzu. Silnik nie potrzebuje przede wszystkim więcej paliwa — potrzebuje więcej tlenu, żeby móc spalić więcej paliwa. I właśnie tutaj pojawia się turbosprężarka: niezwykłe urządzenie, które wykorzystuje energię spalin, aby wtłoczyć dodatkowe powietrze do silnika. W tej lekcji zobaczymy, jak działa turbo, dlaczego pojawia się tak zwana „turbodziura”, po co potrzebny jest intercooler i dlaczego kierowca, który po ostrej jeździe natychmiast wyłącza silnik, może nieświadomie skracać życie turbosprężarki.
Zacznijmy od rzeczy, która może wydawać się dziwna. Silnik spalinowy nie potrzebuje paliwa tak bardzo, jak potrzebuje powietrza. Paliwo jest źródłem energii, ale żeby energia ta mogła zostać uwolniona podczas spalania, potrzebny jest tlen. Im więcej odpowiednio przygotowanego powietrza dostarczymy do cylindra, tym więcej paliwa możemy spalić w kontrolowany sposób. A skoro możemy spalić więcej paliwa, możemy również uzyskać więcej energii podczas każdego cyklu pracy.
To właśnie dlatego konstruktorzy od dziesięcioleci próbują poprawiać napełnianie cylindrów. Silnik wolnossący wykorzystuje przede wszystkim różnicę ciśnień i pracę tłoków do zasysania powietrza. Problem polega na tym, że cylinder nie zawsze napełnia się idealnie. Powietrze ma swoją bezwładność, przepływa przez kanały, zawory i filtr, a przy wysokich obrotach czasu na jego dostarczenie jest bardzo mało.
Turbosprężarka postanawia oszukać naturę.
Zamiast czekać, aż silnik sam zassie powietrze, sprężarka zaczyna je wciskać pod ciśnieniem.
Dwie turbiny połączone jednym wałem
Turbosprężarka składa się z dwóch podstawowych części. Po jednej stronie znajduje się turbina napędzana spalinami, po drugiej sprężarka tłocząca powietrze do silnika. Obie części są połączone wspólnym wałem.
I właśnie tutaj znajduje się cały geniusz tego rozwiązania.
Silnik spala paliwo i produkuje spaliny. Spaliny muszą zostać usunięte z cylindrów, więc przepływają przez układ wydechowy. Zanim jednak opuszczą samochód, mogą wykonać jeszcze jedną pracę. Trafiają na łopatki turbiny i wprawiają ją w ruch. Turbina zaczyna się obracać, a wspólny wał przekazuje ten obrót na sprężarkę. Sprężarka zasysa świeże powietrze i spręża je, zanim trafi ono do silnika.
Zauważ, co właśnie się wydarzyło.
Silnik wykorzystał energię spalin, które normalnie zostałyby po prostu wyrzucone do atmosfery, aby pomóc sobie w dostarczeniu większej ilości powietrza.
To trochę tak, jakby samochód powiedział: „Skoro i tak muszę wyrzucić spaliny, spróbuję wykorzystać ich energię po drodze”.
Dlaczego więcej powietrza oznacza więcej mocy?
Wyobraź sobie ognisko. Jeśli położysz na nim niewielką ilość drewna, ogień będzie ograniczony. Jeżeli jednak dostarczysz więcej paliwa i zapewnisz odpowiednią ilość tlenu, możesz uzyskać znacznie więcej energii.
W silniku zasada jest podobna, choć oczywiście wszystko jest znacznie bardziej precyzyjne. Więcej powietrza oznacza możliwość spalenia większej ilości paliwa przy zachowaniu odpowiednich proporcji mieszanki. Więcej spalonego paliwa oznacza większą ilość energii uwalnianej w cylindrze. Większa ilość energii może oznaczać większe ciśnienie działające na tłok, a więc większy moment obrotowy i moc.
Dlatego turbodoładowanie pozwala uzyskać dużą moc z relatywnie niewielkiej pojemności.
I właśnie tutaj dochodzimy do jednego z najważniejszych zdań w dzisiejszej lekcji:
Turbo nie tworzy energii z niczego. Ono pozwala silnikowi wykorzystać więcej powietrza, a przez to spalić więcej paliwa.
Ale pojawia się problem — gorące powietrze
Sprężanie powietrza ma pewną wadę. Kiedy gaz zostaje sprężony, jego temperatura rośnie. Turbosprężarka może więc dostarczyć więcej powietrza, ale jednocześnie podgrzewa je.
A gorące powietrze jest mniej korzystne, ponieważ przy tej samej objętości zawiera mniej cząsteczek niż chłodniejsze, gęstsze powietrze.
Dlatego wiele turbodoładowanych silników wykorzystuje intercooler, czyli chłodnicę powietrza doładowującego. Powietrze sprężone przez turbosprężarkę przepływa przez intercooler, oddaje część ciepła do otoczenia i dopiero wtedy trafia do silnika.
Możesz więc wyobrazić sobie drogę powietrza jako małą podróż. Najpierw filtr powietrza oczyszcza je z zanieczyszczeń. Następnie sprężarka turbosprężarki zwiększa jego ciśnienie. Powietrze się nagrzewa. Trafia więc do intercoolera, gdzie zostaje schłodzone. Następnie przez przepustnicę i kolektor dolotowy trafia do cylindrów.
I dopiero tam zaczyna się właściwa praca silnika.
Skąd bierze się „turbodziura”?
To jeden z najbardziej charakterystycznych terminów świata motoryzacji.
Wyobraź sobie, że wciskasz pedał gazu w starszym samochodzie z dużą turbosprężarką. Przez chwilę samochód zachowuje się dość spokojnie. Nagle czujesz mocne pchnięcie i samochód zaczyna przyspieszać znacznie gwałtowniej.
To właśnie zjawisko związane z turbodziurą, czyli opóźnieniem reakcji układu turbodoładowania.
Turbosprężarka nie może natychmiast osiągnąć maksymalnej prędkości obrotowej. Potrzebuje energii spalin, żeby rozpędzić turbinę. Gdy kierowca gwałtownie otwiera przepustnicę, przepływ spalin i warunki pracy silnika zmieniają się, ale turbo potrzebuje chwili, aby odpowiednio się rozpędzić.
Konstruktorzy od lat próbują ograniczać to zjawisko. Stosują mniejsze i szybciej reagujące turbosprężarki, układy twin-scroll, zmienną geometrię turbiny w odpowiednich zastosowaniach, elektryczne wspomaganie turbo oraz coraz bardziej zaawansowane sterowanie silnikiem.
W nowoczesnym samochodzie turbodziura może być znacznie mniej odczuwalna niż w starszych konstrukcjach.
Wastegate — zawór, który pilnuje, żeby turbo nie przesadziło
Jeżeli turbosprężarka może zwiększać ciśnienie doładowania, pojawia się naturalne pytanie: co powstrzymuje ją przed zwiększaniem go w nieskończoność?
Odpowiedzią jest między innymi wastegate.
To zawór, który może kierować część spalin poza turbinę, ograniczając jej napędzanie. Dzięki temu można kontrolować prędkość turbiny i ciśnienie doładowania.
To bardzo ważne, ponieważ zbyt wysokie ciśnienie może prowadzić do niepożądanych zjawisk spalania i przeciążać elementy silnika. Turbodoładowanie nie jest więc prostym „dodaniem turbo”. Cały układ musi być kontrolowany.
Sterownik silnika nieustannie obserwuje między innymi ciśnienie doładowania, położenie przepustnicy, temperatury i inne parametry, a następnie odpowiednio steruje układem.
W nowoczesnym samochodzie turbosprężarka jest więc częścią większego organizmu elektroniczno-mechanicznego.
Dlaczego turbo może być gorące jak piekarnik?
Turbina ma kontakt z bardzo gorącymi spalinami. Temperatura w układzie wydechowym może być ekstremalnie wysoka, szczególnie podczas dużego obciążenia silnika.
Dlatego turbosprężarka musi być wykonana z materiałów odpornych na wysoką temperaturę. Musi też być odpowiednio smarowana. Jej wał obraca się z bardzo wysoką prędkością, a łożyskowanie musi pracować w trudnych warunkach.
I tutaj wracamy do poprzedniej lekcji.
Olej.
Turbosprężarka jest kolejnym miejscem, w którym prawidłowe smarowanie ma ogromne znaczenie. Jeżeli olej jest zanieczyszczony, ma niewłaściwe właściwości albo jego przepływ jest niewystarczający, turbosprężarka może ulec zużyciu.
Dlatego jako początkujący kierowca powinieneś zapamiętać jedną bardzo praktyczną rzecz: turbodoładowany silnik nie wybacza zaniedbań serwisowych tak łatwo, jak chciałby tego właściciel.
Czy po ostrej jeździe trzeba chłodzić turbo?
To temat, wokół którego narosło sporo mitów.
W starszych samochodach po intensywnej jeździe rzeczywiście często zalecano pozostawienie silnika na chwilę na biegu jałowym. Chodziło między innymi o umożliwienie turbosprężarce schłodzenia się i zachowanie przepływu oleju. Współczesne samochody są jednak znacznie bardziej zaawansowane i mogą stosować dodatkowe rozwiązania chłodzące oraz procedury sterowania.
Nie oznacza to jednak, że warto po długiej jeździe pod dużym obciążeniem natychmiast wyłączyć silnik bez żadnej refleksji. Najlepszą zasadą jest przestrzeganie zaleceń producenta konkretnego samochodu. Po spokojnej jeździe miejskiej nie ma sensu stać kilka minut na parkingu tylko dlatego, że samochód ma turbo. Po intensywnej jeździe autostradowej, górskiej czy torowej sytuacja może wyglądać zupełnie inaczej.
Najważniejsza zasada brzmi: nie zgaduj — poznaj wymagania konkretnego silnika.
Porada garażowa: naucz się słuchać turbiny
Nie musisz od razu kupować specjalistycznych narzędzi, żeby zacząć uczyć się mechaniki.
Jeżeli masz samochód z turbosprężarką, naucz się słuchać jego normalnej pracy. Przyspieszaj spokojnie i zwróć uwagę, jak zachowuje się silnik. Z czasem możesz zacząć rozpoznawać normalny dźwięk układu dolotowego i wydechowego.
Jeżeli pojawi się nagle nietypowe wycie, metaliczne dźwięki, wyraźna utrata mocy, nadmierne dymienie albo inne niepokojące objawy, nie zakładaj automatycznie, że „turbo tak ma”.
Sam dźwięk nie pozwala oczywiście zdiagnozować awarii, ale znajomość normalnego zachowania samochodu jest bardzo cenną umiejętnością.
Dobry mechanik często zauważa, że samochód zachowuje się inaczej, zanim jeszcze komputer pokaże konkretny błąd.
Samochód lekcji — Volkswagen Golf GTI
Do dzisiejszej lekcji idealnie pasuje Volkswagen Golf GTI. Od wielu lat GTI jest jednym z najbardziej znanych przykładów samochodu, który wykorzystuje turbodoładowanie, żeby połączyć stosunkowo praktyczne nadwozie z osiągami samochodu sportowego. Współczesne generacje wykorzystują turbodoładowane silniki benzynowe z rodziny EA888, choć konkretne parametry zależą od generacji i wersji.
GTI jest ciekawy przede wszystkim dlatego, że pokazuje, jak turbo zmieniło motoryzację. Kiedyś samochód o dużej mocy często potrzebował dużej pojemności silnika. Dzisiaj konstruktor może wykorzystać mniejszy silnik, zwiększyć ilość powietrza dostarczanego do cylindrów i uzyskać bardzo dobre osiągi przy zachowaniu rozsądnych rozmiarów jednostki.
To nie oznacza jednak, że turbodoładowanie jest magicznym sposobem na darmową moc. Większe ciśnienie w cylindrze oznacza większe obciążenia. Więcej mocy oznacza więcej ciepła. Więcej ciepła oznacza większe wymagania wobec chłodzenia. Większe obciążenia mechaniczne oznaczają większe wymagania wobec tłoków, korbowodów, łożysk i całego układu smarowania.
Każdy dodatkowy koń mechaniczny ma więc swoją cenę.
Mini-recenzja mechaniczna Golfa GTI
GTI jest świetnym samochodem do zrozumienia współczesnego turbodoładowania. Nie chodzi tutaj tylko o osiągi. Najciekawsze jest to, jak wiele technologii musi współpracować, żeby samochód zachowywał się normalnie na co dzień, a jednocześnie potrafił bardzo szybko przyspieszać.
Turbo musi reagować szybko. Sterownik musi odpowiednio dawkować paliwo i zapłon. Układ chłodzenia musi radzić sobie z dodatkowym ciepłem. Intercooler musi schładzać powietrze. Olej musi chronić turbosprężarkę. Skrzynia biegów musi przekazywać moment obrotowy. Opony muszą przenieść go na drogę.
Patrząc na GTI z zewnątrz, widzisz zwykłego, praktycznego hatchbacka. Patrząc jak mechanik, widzisz skomplikowany system, którego zadaniem jest zrobić coś pozornie prostego: zamienić nacisk pedału gazu w przyspieszenie.
Najważniejsza rzecz z dzisiejszej lekcji
Turbosprężarka nie jest urządzeniem, które „dodaje koni mechanicznych” w magiczny sposób. Ona wykorzystuje energię spalin do sprężania powietrza. Więcej powietrza pozwala spalić więcej paliwa, a większa ilość spalonego paliwa może dostarczyć więcej energii do tłoków.
Cały łańcuch wygląda więc tak: spaliny napędzają turbinę, turbina obraca sprężarkę, sprężarka zwiększa ciśnienie powietrza, intercooler pomaga obniżyć jego temperaturę, silnik otrzymuje większą ilość powietrza, może spalić odpowiednio więcej paliwa, a większa ilość energii może zostać zamieniona na większą moc.
I nagle zaczynasz rozumieć, dlaczego napis „Turbo” na klapie samochodu przez dziesięciolecia budził tyle emocji.
Ale turbo prowadzi nas do kolejnego fascynującego problemu. Skoro większa ilość powietrza pozwala spalić więcej paliwa, to skąd komputer samochodu wie, ile paliwa podać, kiedy je podać i kiedy dokładnie wywołać iskrę?
Tym zajmiemy się w następnej lekcji.
Dodaj komentarz