Turbo, biturbo, twinturbo to synonimy mocy i uśmiechu na twarzy. Dawniej turbosprężarki montowane były do samochodów o charakterze sportowym, głównie rajdowym oraz przede wszystkim do diesli. Teraz producenci coraz bardziej zmniejszają pojemności silników i turbiny stały się niejako koniecznością, by współczesne ciężkie auta chętniej ruszały z miejsca.
Aby zrozumieć jak działa turbina musicie uruchomić swoją wyobraźnię i przenieść się na chwilę do silnika spalinowego. Na potrzeby dzisiejszego materiału i w dużym uproszczeniu można powiedzieć, że silnik działa jak taka duża pompa, która z jednej strony zasysa powietrze, a z drugiej paliwo. Następnie całość jest sprężana i następuje zapłon. Odpowiednia mieszanka tych dwóch składników wybucha wprawiając w ruch tłoki, które napędzają wał korbowy. Jednak jak pewnie możecie się domyślić, skądś w aucie biorą się spaliny. Powstają właśnie w wyniku tego wybuchu i są usuwane z silnika do układu wydechowego. Aby silnik osiągnął więcej mocy, musi spalić więcej paliwa w szybszym czasie. Doprowadzenie większej ilości paliwa nie jest żadnym problemem. Jednak paliwo bez dodatkowego powietrza jest bezużyteczne, bo jak wspomniałem wcześniej – mieszanka musi mieć odpowiedni skład (dowiesz się o tym więcej w innym materiale). Cylindry w silniku mają ograniczoną wielkość i układ, dlatego nie są wstanie zwiększyć się nagle i zassać dodatkowe powietrze.
Dawniej gdy producenci samochodów potrzebowali większej ilości powietrza do mieszanki, budowali po prostu większe cylindry. To doprowadziło do innego problemu – silniki stały się wielkie i ciężkie, przez co potrzebowały znacznie więcej paliwa lub nie nadawały się do montowania w pojazdach.
Skąd wzięła się turbina
Turbina nie jest wcale takim nowym wynalazkiem jakby mogło się wydawać. Już w 1905 roku, szwajcarski inżynier Alfred Buchi po raz pierwszy wykorzystał gazy wylotowe silnika do napędzania kompresora. W ten sposób udało mu się wprowadzić gęstsze powietrze do komory spalania. Więcej powietrza oznaczało możliwość spalenia większej ilości paliwa, a potężniejsze wybuchy i lepiej spalana mieszanka polepszyły osiągi silnika.
Turbo-normalizacja
Turbiny szybko pokochał przemysł lotniczy. Im jesteś wyżej, tym bardziej spada gęstość powietrza. Oznacza to, że lecąc 6 kilometrów nad poziomem morza, silnik osiągałby jedynie połowę mocy, którą rozwijałby na ziemi. Jak się domyślacie, daleko samoloty nie byłyby w stanie latać. Tutaj pomocna okazała się turbina, a dokładnie zjawisko turbo-normalizacja. Mówiąc prosto, turbo-normalizacja wykorzystuje turbinę spalinową do napędzania sprężarki, która zwiększa ciśnienie w kolektorze dolotowym silnika. System automatycznie ogranicza ciśnienie w kolektorze do poziomu jaki panuje na wysokości tuż nad poziomem morza i to nie ważne, na jakiej wysokości leci samolot. Dzięki temu silnik rozwija cały czas taką samą moc. Wspominając o tym systemie warto poruszyć także temat wysokości krytycznej. Wysokość krytyczna to wysokość, powyżej której system nie jest w stanie utrzymać docelowego ciśnienia w kolektorze. Po jej przekroczeniu spada jego moc. Wysokość krytyczna dla większości obecnych systemów turbo-normalizacji wynosi około 20 000 stóp (około 6 kilometrów). System turbo znormalizowany próbuje utrzymać ciśnienie w kolektorze na poziomie 29,5 inHg (100 kPa).
W przeciwieństwie do turbo-normalizacji, turbodoładowanie zwiększa ciśnienie w kolektorze dolotowym powyżej tego panującego tuż nad poziomem morza. To ważne rozróżnienie. Upraszczając, ponieważ stosunek powietrza do paliwa musi być utrzymywany w wąskich granicach w celu utrzymania spalania, silnik spalinowy można uznać za „palnik powietrzny”. Jeśli zwiększysz ilość powietrza w cylindrach, możesz spalić większą ilość paliwa. Ponieważ paliwo jest cały czas dostępne i odpowiednio dawkowane, moc jest zwiększona. Cena, którą za to płacisz, to zwiększone zużycie silnika z powodu chociażby wyższej temperatury całego układu.
Jak działa turbina w samochodzie
To skoro znamy już różnice i wiemy jak działa silnik, pora dowiedzieć się, jak działa turbo. Kiedy silnik spala mieszankę, powstają gazy wylotowe. Spaliny, które wylatują z kolektora wydechowego napędzają łopatki turbiny. Im wyższe obroty silnika, tym spaliny z większą prędkością obracają wirnikiem, a następnie wędrują dalej, aż są usuwane poprzez tłumik końcowy (przez systemy oczyszczania spalin jak np. katalizatory). Wirując coraz szybciej turbina wytwarza nadciśnienie w układzie dolotowym (powodując doładowanie). Powietrze staje się dzięki temu gęstsze i ma więcej tlenu. To z kolei sprawia, że silnik może spalić szybciej większą ilość mieszanki i osiąga znacznie wyższą moc (dążąc do idealnego AFR – Air Fuel Ratio, więcej na ten temat w innym materiale).
Gdy jednak po ostrym wciśnięciu pedału gazu nagle go puszczacie, przepustnica zamyka się i blokuje przepływ powietrza pod dużym ciśnieniem. Te naciska na łopatki turbiny zaburzając pracę całego systemu. Z pomocą przychodzą dwa kolejne systemy. Pierwszy z nich to wastegate, który we współczesnych samochodach bywa integralną częścią turbiny. Montowany jest po jej gorącej stronie i kontroluje ciśnienie doładowania. Gdy silnik pracuje na jałowych obrotach lub ciśnienie jest zbyt duże, otwiera się wastegate kierując spaliny do wydechu z pominięciem turbiny. Dzięki temu, gdy stoicie na światłach – turbina nie kręci się cały czas.
Drugi rozwiązanie, które możecie znać z filmów to zawór upustowy (Blow-off valve), którego zadaniem jest wypuszczenie nadmiaru sprężonego powietrza z układu dolotowego do atmosfery, by to nie cofało się, a nadwyżka ciśnienia nie uszkodziła całego systemu.
Współczesne samochody z turbo są tak skonstruowane, abyśmy nie słyszeli pracy zaworów upustowych. Oznacza to, że nie usłyszycie charakterystycznego dźwięku znanego np. z filmów Szybcy i Wściekli. Zawory są tak ustawione, że w trakcie normalnej jazdy pozostają cały czas zamknięte by zmniejszać turbo lag (dowiedz się więcej: Jak działa system Anti-lag) – lekko sprężone powietrze cały czas czeka w systemie. Jednak w przypadku dynamicznej jazdy automatycznie otwierają się, aby regulować nadmiar. Poszukując lepszej wydajności oraz oczywiście dźwięku, wiele osób decyduje się na wymianę blow off np. na popularne HKS SSQV lub Forge, czy GReddy. Dzięki temu zawór otwiera się znacznie szybciej pozwalając na sprawniejszą pracę silnika i dając przy tym charakterystyczny dźwięk. Warto jednak zwrócić uwagę, że na rynku jest mnóstwo podróbek renomowanych i znanych firm, które mogą uszkodzić nasz samochód. Dla porównania – HKS SSQV kosztuje około 1300 zł, ale w Polsce nie brakuje sklepów (również motoryzacyjnych i tuningowych), które tanie podróbki i zamienniki tego modelu sprzedają w cenach 120-230 zł. Te są często wykonane byle jak i są także dość awaryjne. Nie warto też inwestować w niskiej jakości zawór dla samego dźwięku.
Strona gorąca turbiny cały czas bombardowana jest ogromną ilością ciepła ze spalin. Przy dużym obciążeniu cały układ potrafi nagrzać się do czerwoności. To setki stopni Celsjusza. To właśnie dlatego bardzo często po wyciągnięciu turbiny z samochodu – jej jedna strona wygląda normalnie, a druga jest skorodowana. Wysoka temperatura działa jak katalizator i przyspiesza nie tylko korozję, ale również zużycie materiałów. Dlatego tak wiele osób uczula na to, by po ostrej jeździe, trasie, jeździe pod górkę itp. By przed zgaszeniem silnika, samochód popracował (lub przejechał) spokojnie przez kilka minut. Dlaczego? Turbina chłodzona jest olejem lub olejem i cieczą (olej przy okazji również smaruje jej elementy). Po ostrej jeździe lub dużym obciążeniu (np. jadąc po autostradzie) wyłączając silnik zbyt wcześnie, ciecz przestaje krążyć i przestaje skutecznie odprowadzać ciepło z rozgrzanego elementu jednocześnie pozbawiając go smarowania. Niektórzy montują dodatkowy moduł o nazwie turbo-timer, który nawet po przekręceniu kluczyka i wyjściu z auta utrzymuje jego pracę przez kilka minut, po czym sam wyłącza silnik. Dzięki temu, turbina jest w stanie spokojnie schłodzić się. Testy pokazują, że w trakcie dynamicznej jazdy, turbina potrafi rozgrzać się nawet do kilkuset stopni Celsjusza. W skrajnych przypadkach – z powodu wysokiej temperatury zaczyna świecić.
Co ciekawe, chłodna strona turbiny również generuje ciepło. Gdy ściskasz molekuły powietrza do siebie, zwiększa się ich tarcie o siebie. To jakbyście ścisnęli dłonie i zaczęli je o siebie pocierać. Jak doskonale wiecie, tarcie wytwarza ciepło i powietrze dodatkowo się nagrzewa. Im cieplejsze powietrze, tym spada jego gęstość, a jak spada gęstość to i osiągi silnika. A tego nie chcemy.
Chłodzenie gorącego powietrza – oto Intercooler
Jest kilka sposobów na to, aby schłodzić powietrze skompresowane przez turbinę zanim dotrze ono do silnika. Dzięki temu molekuły powietrza są spokojniejsze i grzecznie siedzą blisko siebie i powietrze staje się chłodniejsze i jeszcze gęstsze.
Najpopularniejszym i najprostszym rozwiązaniem jest intercooler. Umieszcza się go pomiędzy turbiną a silnikiem. Podczas jazdy powietrze z zewnątrz przelatuje przez chłodnicę (intercooler) i absorbuje ciepło ze specjalnych kanalików wewnątrz chłodnicy. To z kolei zmniejsza temperaturę w całym układzie dolotowym.
Skoro więc turbina jest kompresorem powietrza zwiększającym wydajność silnika, dlaczego nie zamontować do każdego samochodu największej jaką się da? Duże turbo ma większą bezwładność obrotową, więc wylatujące z kolektora wydechowego spaliny potrzebują znacznie więcej czasu, by odpowiednio nakręcić wirnik turbiny i skompresować powietrze. Czas między wciśnięciem pedału gazu, a odczuciem doładowania nazywa się turbo-lagiem.
W trakcie różnych prób inżynierowie testowali różne rozwiązania. Okazało się, że lepszym rozwiązaniem na redukcję laga jest zastosowanie dwóch mniejszych turbin zamiast jednej dużej. Jeżeli w komorze silnika jest wystarczająco dużo miejsca, zastosowanie dwóch turbin jest prostsze konstrukcyjnie niż jednej. Widać to w szczególności w autach z silnikami w układzie V. Każdy rząd może mieć własne turbo zamiast kierować każdy cylinder do jednej sprężarki. Problemem z dwiema sprężarkami w układzie V jest osiągnięcie właściwego balansu pomiędzy blokami. Chodzi o to, aby obie turbiny generowały identyczną moc by silnik równo pracował. W pierwszych autach z systemem twin-turbo takich jak Nissan 300ZX, czy Mitsubishi 3000GT inżynierowie odkryli, że najlepszym rozwiązaniem tego problemu jest naprzemienny montaż. W ten sposób gazy wylotowe jednego bloku napędzały turbinę drugiego bloku i problem rozwiązano, ale nie do końca.
Rozwiązało to jeden problem, ale jak to w życiu bywa, stworzyło zupełnie nowy. Turbiny nakręcały się dość szybko, ale powietrze potrzebowało znacznie więcej czasu, by odbyć całą drogę od turbiny do dolotu. Z tego powodu powstał zupełnie nowy rodzaj opóźnienia i pojawił się nowy turbo-lag.
System Twin-turbo vs lag
Jak więc zrobić, aby silnik dostawał zimne, skompresowane powietrze i aby reakcja na pedał gazu była równa i przewidywalna? Zastosować układ sekwencyjny. Podczas gdy równolegle pracujące turbiny działają cały czas, sekwencyjny korzysta z mniejszej turbiny i większej. Mała kręci się by dać mniejsze, ale szybkie doładowanie do momentu nakręcenia większej.
Mówiąc o systemie twin-turbo warto wspomnieć o kilku wariantach. Istnieje kilka metod na połączenie dwóch turbin ze sobą: równolegle, sekwencyjnie oraz także mniej znany – dwustopniowy. Pierwszym seryjnie produkowanym autem, który wykorzystał koncepcję bi-turbo był Maserati Biturbo sprzedawany w 1981 roku. Korzystał z dwóch zamocowanych równolegle turbosprężarek.
Z sekwencyjnego turbo korzystały legendy lat 90. – Toyota Supra MK4 i Mazda RX7FD. Do dziś silniki w tych autach uważane są za jedne z najlepszych dotychczas. A aktualnie? Ekologia, oszczędności na materiałach oraz wyśrubowane normy bezpieczeństwa sprawiły, że auta stały się znacznie cięższe niż te produkowane jeszcze 20 lat temu. Chcąc oszczędzić na karach za emisję spalin, producenci lata temu rozpoczęli down-sizing. Pojemność silników została mocno ograniczona i bez turbiny zwiększającej moment i moc silnika, wiele z nich po prostu nie nadawałaby się do jazdy. Jako przykład podam Wam chociażby Skodę Otavię z 2020 roku. III generacja waży 1250 kilogramów i napędzana jest… silnikiem V3 1.0 TSI o mocy 115 koni mechanicznych. Mocno reklamowany SUV od Renault, model Captur waży niemal tyle samo i w ofercie znajdziemy jeszcze słabszy silnik – 0.9 TCe i mocy 90 koni. Bardzo popularny w Polsce Nissan Qashqai przytył do 1.5 tony, a najnowsza generacja straciła silnik 1.6 turbo na rzecz „oszczędnego” 1.3 turbo o mocy 160 koni mechanicznych.
Zobacz także:
