Silniki wysokoprężne słynęły kiedyś ze swojej wydajności, ale były powolne. Tak, oszczędnie zużywali paliwo, ale brakowało im dynamiki. Pomysł ten uległ radykalnej zmianie. Jaki jest główny powód? Popularność turbosprężarek.
Nowoczesne silniki Diesla charakteryzują się wybuchowym momentem obrotowym i szybką reakcją. Tu nie chodzi tylko o jeden szczegół. Ważną rolę odgrywa wysokociśnieniowy układ bezpośredniego wtrysku. Jednak turbosprężarka jest „sercem” napędzającym silnik. Co ciekawe, turbodoładowanie nie jest unikalną cechą silników Diesla. Zespoły Formuły 1 korzystają z tej technologii od wielu lat, aby wycisnąć ze swoich jednostek większą moc. Technologia jest uniwersalna. Jednak jego zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym znacznie ewoluowało.
Mechanizm wymuszonego doładowania
Aby zrozumieć znaczenie turbosprężarki, musisz wiedzieć, w jaki sposób silnik wytwarza moc. Występuje w wyniku spalania. Dokładniej, pali się mieszanina paliwa i powietrza. Większa mieszanka oznacza większą moc.
Historycznie rzecz biorąc, inżynierowie osiągali to na dwa sposoby. Zwiększyli objętość cylindra. Dodali cylindry. Zamiast rzędowej czterocylindrowej jednostki zainstalowano silnik V8. Silnik o dużej pojemności. Te metody działają. Ale dodają wagi i złożoności.
Jest trzeci sposób. Do istniejących cylindrów można wtłoczyć więcej powietrza. To jest zadanie turbosprężarki.
Silniki wolnossące zasysają powietrze za pomocą ciśnienia atmosferycznego, natomiast silniki z turbodoładowaniem zasysają powietrze za pomocą gazów spalinowych. Jest to zamknięta pętla wydajności. Wychwytywana jest energia ze spalin, która w przeciwnym razie zostałaby rozproszona do atmosfery. Obraca turbinę. Turbina napędza sprężarkę. Sprężarka wtłacza gęste powietrze do komory spalania.
Proces krok po kroku
Jeśli zwizualizujesz ten proces, łatwo będzie zrozumieć, jak on działa. Nie dzieje się to za pomocą magii. Jest wynikiem określonej serii zdarzeń fizycznych.
- Przepływ spalin: Gorące spaliny opuszczają silnik i uderzają w łopatki turbiny. Ciśnienie powoduje, że turbina obraca się z niewiarygodnie dużymi prędkościami.
- Kompresja: Turbina jest połączona z kołem sprężarki za pomocą wału. Gdy turbina się obraca, sprężarka zasysa powietrze z otoczenia i spręża je.
- Chłodzenie: Sprężone powietrze powoduje jego nagrzanie. Gorące powietrze ma mniejszą gęstość. Aby rozwiązać ten problem, powietrze kierowane jest przez intercooler (intercooler). To obniża temperaturę. Zimniejsze powietrze jest gęstsze. Wysoka gęstość powietrza oznacza, że na centymetr sześcienny przypada więcej cząsteczek tlenu.
- Zapłon: Do cylindra dostaje się gęste, zimne powietrze. Wtryskiwacz wtryskuje do tego medium olej napędowy pod ciśnieniem. Rezultatem jest silniejsze spalanie wybuchowe.
“Główną zaletą jest gęstość. Chłodzenie sprężonego powietrza maksymalizuje ilość tlenu dostępnego do spalania bez zwiększania wielkości silnika.”
Pokonanie histerezy za pomocą turbiny o zmiennej geometrii
Wczesne turbosprężarki miały wady. Opóźnienie (opóźnienie turbo). To nie jest usterka oprogramowania. To jest fizyka. Przy niskich prędkościach obrotowych silnika przepływ spalin jest słaby. Nie wystarczy szybko zakręcić turbiną. Kierowca naciska pedał gazu. Silnik się waha. Potem nagle turbina zaczyna się kręcić. Moc przychodzi późno.
Inżynierowie rozwiązali ten problem, stosując turbiny o zmiennej geometrii (VGT). Łopatki wewnątrz obudowy turbiny mogą zmieniać swój kąt. Przy niskich prędkościach łopatki zwężają kanał wydechowy. Zwiększa to prędkość gazu. Turbina obraca się szybciej pomimo małego przepływu. Przy dużych prędkościach ostrza otwierają się. Zapobiega to „dmuchaniu” silnika na skutek przeciwciśnienia.
Technologia ta eliminuje martwą strefę pomiędzy mocą jałową a mocą szczytową. Sprawił, że silniki wysokoprężne reagowały w sposób, w jaki nigdy wcześniej nie były.
Dwuetapowe podejście BMW
Niektórzy producenci chcą pójść dalej. BMW wprowadziło w modelu 535d układ podwójnej turbosprężarki o zmiennej geometrii. Jest to instalacja dwuetapowa. Wykorzystuje dwie turbosprężarki o różnych rozmiarach.
Mała turbina obraca się natychmiast przy niskich prędkościach. Zapewnia natychmiastowy moment obrotowy i szybkie przyspieszenie podczas jazdy po mieście. Pracuje wydajnie w niskim zakresie prędkości obrotowych, co jest trudne do osiągnięcia w przypadku dużych turbin.
Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej i pojemności silnika, większa turbosprężarka staje się bardziej wydajna. Radzi sobie z wysokimi wymaganiami przepływu powietrza podczas jazdy z dużą prędkością. System płynnie przełącza się pomiędzy obydwoma urządzeniami. Rezultatem jest wysoka wydajność w całym zakresie obrotów. Przy małych prędkościach nie ma opóźnień.
