Turbosprężarka

Turbosprężarka (turbina) – jest to urządzenie zwiększające ogólną moc silnika, wykorzystujące energię kinetyczną gazów spalinowych.

Szczerze mówiąc, z technicznego punktu widzenia, nazywanie turbosprężarki turbiną jest niepoprawne!
Dopiero turbina w zestawie z kompresorem (sprężarką) tworzą turbosprężarkę.
Nie będziemy jednak zbyt "pedantyczni", jedynie pokrótce wyjaśnimy, co odpowiada za co...

Turbina – urządzenie, zmieniające kinetyczną energię gazu w energię mechaniczną. W turbosprężarce, turbina jest jej "gorącą" częścią, przez którą przechodzi potok gorących gazów spalinowych, zmuszających wał z kołem roboczym do obracania się.

Kompresor (sprężarka) – urządzenie, stosowane do sprężania gazu, w tym przypadku - powietrza. W turbosprężarce, sprężarka jest jej "zimną" częścią i służy do zwiększania ciśnienia dostarczanego do cylindrów silnika powietrza za pomocą koła roboczego ("koła kompresora"), które jest napędzane przez wirnik turbiny w "gorącej" części.

Gazy spalinowe pod ciśnieniem wymuszają ruch wirnika turbiny, który obraca znajdujące się na tym samym wale koło robocze sprężarki, który z kolei, spręża potok powietrza do kolektora dolotowego silnika. Turbosprężarka zwiększa w ten sposób ciśnienie mieszanki powietrza z paliwem wewnątrz komory silnika. W cylindrach, sprężone powietrze zwiększa gęstość ładunku mieszaniny palnej, co prowadzi do spalania większej ilości paliwa i uwolnienia większej objętości gazu, co przekłada się na podwyższenie mocy silnika.

Prędkość obrotowa wirnika w zwykłej turbosprężarce, w trybie roboczym, oscyluje w granicach 70000 – 90000 obrotów na minutę. Jednak w przypadku wysokiego obciążenia, może sięgać 200000 i więcej obrotów na minutę. Na przykład, w zwykłych turbinach Garrett w warunkach testów lub naprawy, przeprowadzając wyważenie centralnego wkładu (kartridża, a dokładniej: wirnika) turbosprężarki, prędkość obracania się wała turbiny sięga 130000 – 150000 obrotów na minutę, a z kolei w turbosprężarkach BorgWarner (z serii KP35, KP39) oraz Mitsubishi (MHI) (z serii TD03, TD025) 200000 obrotów na minutę. Zwykle, im mniejsze są wymiary turbosprężarki, tym wyższa jest prędkość obrotowa jej wirnika.

Wysokie prędkości obrotowe wirnika wywołują bardzo silne tarcie i nagrzewanie części turbiny. Do smarowania i schładzania elementów turbosprężarki używany jest system smarowania silnika. Olej silnikowy z silnika, dochodząc do turbiny, pokrywa wał cienką warstwą smarującą, smarując i chłodząc go w ten sposób. Taki sposób smarowania wała olejem zapewnia zastosowanie w turbosprężarkach łożysk hydrostatycznych. Łożysko hydrostatyczne pozwala wirnikowi turbiny osiągać wysokie prędkości obrotowe bez przegrzania i tarcia. System smarowania i chłodzenia turbiny jest bardzo czuły na jakość oleju silnikowego, wykorzystywanego w silniku. Wadliwe działanie turbiny jest najczęściej związane z nieprawidłowym działaniem układu smarowania spowodowanym stosowaniem oleju niskiej jakości.

Większość współczesnych pojazdów mechanicznych jest wyposażonych w turbosprężarkę, ze względu na znaczące podwyższenie efektywności pracy silnika. Początkowo, turbosprężarka zamontowana na drodze wylotu spalin, w nieznacznym stopniu obniża moc silnika z powodu generowania nieznacznego oporu. Jednak finalny przyrost mocy generowany przez układ turbonadmuchu, znacznie przewyższa stratę. Turbosprężarka średnio zwiększa moc silnika o 30 – 40%. Z efektywnością turbiny ciężko się sprzeczać. Silniki, wyposażone w turbinę są o wiele bardziej wydajne od zwykłych silników, ze względu na to, że skuteczniej wykorzystują paliwo oraz pozwalają zwiększyć moc bez zwiększenia prędkości obrotowej silnika.

Zastosowanie turbin ma również swoje minusy, są to pewnego rodzaju skutki uboczne. Na przykład: praktycznie wszystkie turbosprężarki wykazują się pewną bezwładnością podczas działania. Od momentu naciśnięcia na pedał gazu do skutecznego wzrostu mocy silnika, obserwowany jest chwilowy brak mocy, zwany również "turbo dziurą". Potem nagle obserwuje się gwałtowny wzrost mocy i odczuwalne ostre szarpnięcie silnika. Jest to związane głównie z siłą tarcia wirnika, który wymaga czasu, żeby zwiększyć prędkość obracania się do normalnego trybu pracy. Tego typu negatywne efekty udało się praktycznie wyeliminować w turbosprężarkach wyposażonych w układ zmiennej geometrii łopatek(VNT) oraz w turbinach z zaworami przepustowymi (turbiny Wastegate).

W związku z powyższym możemy określić kilka podstawowych rodzajów turbin – są to turbosprężarki VNT (Variable-Nozzle Turbine) z układem zmiennej geometrii łopatek, zwykłe turbiny bez systemów podobnych do VNT oraz turbiny wykonane z wykorzystaniem technologii Wastegate. Technologia Wastegate wykorzystuje podobną zasadę działania jak VNT, lecz w odróżnieniu od VNT, Wastegate turbosprężarki nie mają kierownicy sterującej wychyleniem łopatek. Turbiny z Wastegate wykorzystują specjalny zawór przepustowy dla sterowania poziomem gazów spalinowych.