Turbosprężarka - co to jest i dlaczego się ją stosuje?
Lepsze zrozumienie techniki turbodoładowania możliwe jest dzięki zapoznaniu się z zasadą spalania paliwa w silniku. Współcześnie najczęściej wykorzystywane są czterosuwowe silniki, których cykl roboczy wykonywany w trakcie dwóch obrotów wału korbowego, składa się z 4 suwów:
• Ssanie - w momencie, w którym tłok się opuszcza i zasysa powietrze (w przypadku silnika dieslowskiego) bądź mieszankę powietrza z paliwem (w przypadku silnika benzynowego).
• Kompresja - w momencie gdy objętość cylindra ulega ściśnięciu.
• Rozprężanie - na tym etapie mieszanka powietrza i paliwa zapalana jest przez iskrę (w przypadku silnika benzynowego) bądź też zapala się samoczynnie, po uprzednim wstrzyknięciu do cylindra pod bardzo wysokim ciśnieniem (w przypadku silnika dieslowskiego).
• Wydech - usuwanie spalin.
Sposoby zwiększania mocy
Opisana wyżej prosta zasada działania silnika, pozwala na zwiększenie jego mocy na kilka sposobów.
Zwiększenie pojemności skokowej.
Dzięki powiększeniu pojemności skokowej można zwiększyć moc silnika, im bardziej zwiększona będzie komora spalania, tym większa ilość paliwa będzie spalana. Powiększenie możliwe jest na dwa sposoby: przez wzrost liczby cylindrów lub zwiększenie objętości każdego z nich. Przyczynia się to do zwiększenia gabarytów, a co za tym idzie także wagi silnika. Pomijając poziom emisji spalin i zużycia paliwa, dzięki tej metodzie możliwe jest osiągnięcie niewielkiego wzrostu mocy silnika.
Zwiększenie prędkości obrotowej.
Kolejnym sposobem mającym doprowadzić do zwiększenia mocy silnika jest wzrost jego prędkości obrotowej, dzięki zwiększeniu liczby suwów pracy silnika w jednostce czasu. Ten sposób zwiększenia mocy jest jednak ograniczony. Zwiększająca się prędkość obrotowa zwiększa tarcie, a straty pompowania rosną w wykładniczy sposób, powodując tym samym spadek sprawności silnika. W powyższych przypadkach spaliny usuwane są z silnika w sposób naturalny. Powietrze potrzebne do zapłonu zostaje zassane bezpośrednio do cylindra poprzez zawór ssący.
Turbodoładowanie.
W przypadku silników z turbodoładowaniem powietrze niezbędne do spalania zostaje sprężone jeszcze przed tym jak znajdzie się w komorze spalania. Pomimo faktu, iż silnik zasysa powietrze co takiej samej objętości cylindra, wyższe ciśnienie sprawia, że do komory dostaje się jego większa masa. W efekcie ze względu na większą ilość paliwa możliwego do spalenia, uzyskana jest wyższa moc silnika, przy jednoczesnym zachowaniu tej samej prędkości obrotowej oraz pojemności skokowej. Sprężone powietrze nagrzewane jest do temperatury nawet 180°C. Intercooler schładza powietrze, przez co zwiększa jego gęstość, a to przekłada się na wzrost mocy silnika. Chłodzenie powietrza to jedno z rozwiązań mających korzystny wpływ na moc, emisję spalin, a także zużycie paliwa. Dzięki niższej temperaturze wlotu powietrza osiągana jest niższa temperatura zapłonu, a co za tym idzie wyraźne zmniejszenie emisji NOx. Jest jednak różnica pomiędzy doładowaniem turbosprężarkowym a mechanicznym. Doładowanie mechaniczne polega na sprężaniu powietrza niezbędnego do spalania poprzez sprężarkę napędzaną silnikiem. Niewielki wzrost mocy osiąga się przez stratę energii potrzebnej do napędu sprężarki. W zależności od wielkości silnika mechaniczne doładowanie pozwala na zwiększenie mocy silnika o 10-15%. Zastosowanie tej technologii prowadzi jednak do zwiększenia zużycia paliwa .W doładowaniu turbosprężarkowym energia wylotu spalin, która standardowo nie byłaby wykorzystana, napędza turbinę. Na tym samym wale, gdzie jest turbina znajduje się również sprężarka, która zasysa, a następnie spręża powietrze i kieruje je do silnika. Turbosprężarki połączone są z silnikiem więzią gazową, nie jest z nim połączona mechanicznie.
rys. Mitsubishi Turbochargers - Przekrój turbosprężarki
Turbosprężarka – zalety
Poza eksploatacyjnymi wymaganiami, jakie ten podzespół stawia zarówno przed mechanikami jak i użytkownikami samochodów turbodoładowanych, jej zastosowanie w jednostkach napędowych, niewątpliwie posiada wiele zalet. Niżej postaramy się wymienić najważniejsze z nich:
• W porównaniu z silnikiem o identycznej mocy, w którym spaliny są naturalnie usuwane, zużycie paliwa jest mniejsze, a wykorzystana energia wylotu spalin przyczynia się do podniesienia sprawności takiego silnika.
• Z powodu mniejszej pojemności skokowej, straty ciepła i tarcia są mniejsze.
• Stosunek mocy do wagi tzn. kilowat (produkowana moc) / kilogram (waga silnika) silnika z doładowaniem turbosprężarkowym jest o wiele lepszy niż w silniku, w którym spliny usuwane są w sposób naturalny.
• Silnik z turbosprężarką ma mniejsze gabaryty w porównaniu z silnikiem bez turbodoładowania o tej samej mocy.
• Wydajność silnika z doładowaniem turbosprężarkowym na dużych wysokościach jest znacznie lepsza. Z powodu niższego ciśnienia powietrza, strata mocy w silniku bez turbodoładowania jest znaczna, przeciwnie dzieje się z wydajnością turbiny, która rośnie w wyniku różnicy ciśnienia między niższym ciśnienie otoczenia a wyższym ciśnieniem w turbinie. Przez to, w znacznej mierze zrównoważona jest niższa gęstość powietrza na wlocie do kompresora. Stąd, silnik ma niewielkie straty mocy.
• Ponieważ wielkość silnika jest mniejsza a zatem i hałas przez niego wytwarzany jest mniejszy, turbina staje się dodatkowym tłumikiem przez który przepływają spaliny.
• Silniki z turbodoładowaniem mogą pracować z dużym nadmiarem powietrza, co jest dzisiaj jednym z podstawowych wymagań stawianych silnikom, umożliwiającym im niską emisję spalin oraz niskie zużycie paliwa.
• moment obrotowy jest odczuwalny już w niskim zakresie prędkości obrotowych
.
