Turbosprężarka, kompresor, wastegate, BOV, Anti-Lag - co to do cholery jest?

Takie zwiększanie pojemności czy prędkości obrotowej nie mogło trwać w nieskończoność. Przyszły kryzysy paliwowe, potem wprowadzano coraz ostrzejsze normy emisji spalin i nagle okazało się, że potrzeba czegoś ekstra. I to coś się odnalazło - nosi nazwę turbosprężarek i kompresorów. I dziś właśnie troszkę o nich.

Turbosprężarka

Urządzenie proste - wręcz banalne. Spaliny powstałe po pracy silnika napędzają wirnik turniny. A ten połączony jest wałkiem z innym wirnikiem, który spręża powietrze, które ma trafić do silnika. A ponieważ to sprężone powietrze jest gorące, a gorące powietrze to rozrzedzone powietrze - trzeba je schłodzić, by zgęstniało. Więc powietrze przechodzi przez magiczne urządzenie zwane intercoolerem, które to urządzenie jest niczym innym jak chłodnicą powietrza. Schłodzone powietrze trafia sobie do sinika. A ponieważ jest go więcej - silnik zaczyna żwawo pracować. Proste i banalne, nieprawdaż?


Jednak przed twórcami turbosprężarek staje kilka wyzwań. Pierwsze z nich to ciśnienie doładowania. Jak jest wytwarzane? Poprzez spaliny. Im szybciej silnik się kręci, tym mocniej napędza turbinę i tym większe jest ciśnienie doładowania. Niby oczywiste, ale silnikowi tak naprawdę potrzebny jest kop w niskich i średnich obrotach. W wysokich jest niepożądany, wręcz zbędny - za wysokie ciśnienie doładowania spowoduje, że komora spalania nie opróżni się do końca podczas otwarcia zaworów, a skompresowane powietrze będzie stawiać opór. I silnik będzie słabł, zamiast przyspieszać. Co za dużo, to niezdrowo. Jak temu zaradzić? Z pomocą przychodzi urządzenie zwane...

Wastegate


Co to takiego? To w gruncie rzeczy obejście, które kieruje spaliny nie na łopatki turbiny, a na kanał obejściowy. Po osiągnięciu założonego ciśnienia sprężania czujnik zaworu N75 porównuje je z ciśnieniem, które znajduje się w kanale dolotowym (ciśnieniem atmosferycznym). Przy założonej różnicy ciśnień zawór otwiera wastegate i to wszystko. Część spalin uchodzi obejściem, część idzie na turbinę, która nie spręża powietrza bardziej, niż to zostało ustalone. Gdy jednak zawór się zatnie - następuje przeładowanie i sterownik wymusza tryb awaryjny (całe spaliny uchodzą przez wastegate i turbina nie pracuje).

Bypass

Przypatrzcie się jeszcze części zimnej turbosprężarki (zaznaczonej na niebiesko na rysunku w poprzednim punkcie). Tu też się dzieją fajne rzeczy. Jest tu tak zwany bypass. Co to i po co to? Załóżmy, że przyspieszasz - silnik jest wkręcony na obroty i z jakichś powodów zdejmujesz nogę z gazu (przy zmianie biegu albo przy zaistniałej sytuacji na drodze). Przepustnica się zamyka, ale turbina jest rozpędzona i nadal spręża powietrze. By uchronić przepustnicę przez zniszczeniem wskutek wzrostu ciśnienia (z drugiej strony przepustnicy tworzy się podciśnienie), wymyślono sprytny zawór, który mierzy różnicę ciśnień przed i za przepustnicą i jak jest zbyt duża, to się otwiera i wypuszcza nadmiar powietrza do kolektora dolotowego. Jednak ludzie kochający tę właściwość turbosprężarek stwierdzili, że wypuszczanie ciśnienia do dolotu jest bezproduktywne i nijakie. Wymyślono więc...

BOV

Czyli Blow Off Valve. Zawór ten jest montowany w miejsce zaworu bypass po zaślepieniu otworu w kolektorze dolotowym. Zatem gdzie wyrzuca nadmiar powietrza? Do atmosfery. Czy jest to bezproduktywne? Tak - równie dobrze mógłby kierować go do kolektora dolotowego. Zatem co jest szczególnego w BOV? Ano jest nim sposób, w jaki ten zawór upuszcza ciśnienie. A sposób ten jest spektakularny. To jest to charakterystyczne pssst (choć niekoniecznie - dźwięki mogą być różne, w zależności od głębokości portfela osoby montującej taki zawór). BOV po prostu brzmi, i to jak!

https://www.youtube.com/watch?v=Gn-AoxKQB90
Anti-Lag

Porozmawiajmy jeszcze o turbosprężarkach jako takich. Generalnie zasada jest taka - im większa sprężarka, tym lepiej. Jednak większa sprężarka zaczyna kręcić się później i gdy jeszcze nie pracuje, powstaje efekt turbodziury. Efekt ten jest szczególnie dokuczliwy w samochodach biorących udział we wszelkiego rodzaju rajdach i wyścigach. Tam poradzono sobie z tym w dość spektakularny sposób. Mianowicie po zamknięciu przepustnicy do kolektora wylotowego (przed turbiną) dodawana jest mieszanka paliwa i powietrza. Paliwo zapala się samoczynnie pod wpływem ciepła, jakie panuje w kanale. Dzięki temu podtrzymywana jest prędkość obrotowa sprężarki i po dodaniu gazu lub po zmianie biegów nie występuje zjawisko turbodziury. Ten system nazywa się Anti-Lag i jego działanie jest spektakularne:

https://www.youtube.com/watch?v=UhbuQM-bRuU
Ponieważ niestety Anti-Lag jest zabroniony na drogach publicznych (a szkoda), to producenci musieli sobie poradzić w inny sposób. Jak? Montując dwie turbinki - jedną małą, a drugą większą. Mała doładowuje silnik na niskich obrotach, po czym doładowanie przejmuje duża sprężarka, która przy niskich obrotach silnika zwyczajnie nie pracuje. Ponieważ takie rozwiązanie jest kłopotliwe - wymyślono turbinę ze zmienną geometrią łopatek. Łopatki sprężarki się składają bądź rozchylają i taka sprężarka może pracować w każdych obrotach praktycznie eliminując zjawisko turbodziury.

Co to jest Twin Turbo i BiTurbo?


Twin Turbo to najczęściej dwie identyczne sprężarki (stosowane w silnikach widlastych). Każda jest niezależnie napędzana przez układ wydechowy każdego z rzędu cylindrów. Zmniejszenie turbosprężarek pozytywnie wpływa na zachowanie silnika i wyeliminowanie turbodziur.

BiTurbo opisałem powyżej - to najczęściej dwie różne sprężarki, z których jedna pracuje nieprzerwanie, a druga załącza się przy określonych obrotach silnika.

Co jeszcze warto wiedzieć o turbo? Ano - podczas pracy może rozgrzewać się do dość wysokich temperatur. Dlatego, gdy jedziesz dość dynamicznie, warto jest schłodzić turbinę (pozwolić, by silnik po jeździe popracował z minutę na wolnych obrotach. W przeciwnym razie olej smarujący turbinę zapieka się na łożyskach ślizgowych, co wiąże się z nadmiernym zużyciem łożysk. A potem? Potem olej trafia do wydechu, turbina jest niesmarowana i zaciera się, a za nami widok jest spektakularny.

https://www.youtube.com/watch?v=4ozwISmZod0
A gdy olej trafi do kolektora dolotowego i zassie go silnik - no wtedy są hece. Rozbiegany do 20 000 obrotów na minutę silnik w 90% przypadków kończy w silnikowym niebie.


Zatem przed forsowną jazdą rozgrzej silnik, a nawet po zapaleniu pozwól, by silnik pochodził z 15 sekund na wolnych obrotach, a po jeździe pozwól, by turbina ostygła, nawet jak producent mówi inaczej. Bo producent chce, by turbina się zepsuła, bo jej naprawa to spore pieniądze dla serwisu.

Kompresor

Kompresory upodobał sobie Mercedes. Co to takiego? To także sprężarka, tyle że napędzana inaczej niż turbosprężarka. O ile turbosprężarka zaprzęga do pracy efekt uboczny procesu spalania, czyli spaliny, o tyle kompresor jest napędzany przez wał korbowy silnika. Ma to swoje zalety i wady. Zaletą jest liniowy przyrost mocy, brak turbodziur oraz wszelakiego rodzaju przeładowań. Jego moc jest dostępna zawsze i zależy tylko i wyłącznie od aktualnej prędkości obrotowej silnika. Wady są dwie. Kompresor nie jest tak wydajny jak turbo oraz obciąża silnik, czyli zabiera część mocy, którą produkuje.


Kompresor może być połączony z wałem korbowym za pomocą kół zębatych, łańcucha lub paska. Jest prosty w naprawie, nie ma części gorącej narażonej na ekstremalne skoki temperatur, pracuje w lekkich warunkach. Jednak swoje waży. Kompresor jednak jest stosunkowo łatwy w naprawach, a naprawy sprowadzają się najczęściej do wymiany łożysk. A jak to wszystko działa? Ano - działa to właśnie tak:

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Przyszłość

Na pewno silniki bez doładowania odejdą do lamusa. Doładowanie to niestety przyszłość, czy się tego chce, czy nie. Audi postanowiło połączyć zalety turbo i kompresora i jednocześnie wyeliminować ich wady. Zaproponowało zatem elektryczną sprężarkę. Dzięki temu wyeliminowano turbodziurę, a także układ taki nie obciąża nadmiernie silnika, doładowując go na zadowalającym poziomie. Sprężarki pracują w przyjaznych warunkach i można sterować doładowaniem w pełnym zakresie (w zależności od zapotrzebowania silnika na powietrze).

https://www.youtube.com/watch?v=btK6dsBrUVs
Czy to jest przyszłość silników spalinowych? Nie wiem. Wiem natomiast, że chętnie bym wszedł w posiadanie 7-litrowej gaźnikowej V8 bez żadnych sprężarek i innych wynalazków. Tylko czysta mechanika. Ale niestety - te czasy nie wrócą. Turbo czy kompresor? Wybór pozostawiam Tobie.

Zdaję sobie sprawę, że nie poruszyłem tu wszystkich naukowych i technicznych kwestii, ale ten artykuł czytają różni ludzie - nie tylko maniacy budowy silników, którzy znają je co do śrubki. Dlatego też swoją wiedzę przekazałem w niezbędnym minimum, by artykuł był ciekawy i nie powodował zaśnięcia przed monitorem podczas jego czytania.

Kopiowanie dozwolone tylko z podaniem źródła!

A jeśli mało Ci motoryzacji - to zapraszam na Motokillera: