Turbosprężarka ze stałą i zmienną geometrią – czym się różnią?

Turbosprężarka to powszechnie stosowane w dieslach od lat 80. urządzenie zwiększające moment obrotowy i moc oraz pozytywnie wpływające na zużycie paliwa. To dzięki turbosprężarce diesle przestały być postrzegane jako mułowate maszyny robocze. W silnikach benzynowych zaczęły mieć to samo zadanie i częściej pojawiały się w latach 90. Z czasem zyskiwały popularność, a po 2010 r. stały się tak powszechne w benzyniakach, jak w latach 80 i 90. były już w dieslach.

Jak działa turbosprężarka?

Turbosprężarka składa się z turbiny i sprężarki osadzonych na wspólnym wałki i w jednym korpusie podzielonym na dwie niemal bliźniacze strony. Turbinę napędzają gazy wylotowe z kolektora wylotowego, a sprężarka, która kręci się na tym samym wirniku co turbina i jest nią napędzana, tworzy ciśnienie powietrza, tzw. doładowanie. To następnie trafia do kolektora dolotowego i komór spalania. Im większe ciśnienie spalin (większa prędkość obrotowa silnika), tym większe ciśnienie sprężania.  

Podstawowym problemem turbosprężarek jest właśnie ten fakt, bo bez odpowiedniej prędkości gazów wylotowych nie będzie  właściwego ciśnienia sprężania powietrza trafiającego do silnika. Aby pojawiło się doładowanie, potrzebna jest pewna porcja spalin wylatujących z silnika z określoną prędkością – bez odpowiedniego ładunku spalin nie ma odpowiedniego ładunku doładowania, dlatego silniki doładowane przy niskich obrotach są wyjątkowo słabe.

Aby zminimalizować to niepożądane zjawisko, należy zastosować turbosprężarkę o właściwych wymiarach do danego silnika. Mniejsza (wirnik o mniejszej średnicy) szybciej się "rozkręca", bo stawia mniejsze opory (mniejsza bezwładność), ale daje mniej powietrza, a tym samym nie wytworzy dużego doładowania, czyli mocy. Im większa turbina, tym wydajniejsza, ale potrzebuje większego ładunku spalin i dłuższego czasu na "rozkręcenie". Ten czas to tzw. turbodziura lub lag. Zatem sens ma stosowanie małej turbosprężarki do małego silnika (do ok. 2 l) i dużej do większego. Mimo to, większe i tak miewają problem z "lagiem", dlatego w dużych silnikach stosuje się z reguły układy bi-turbo oraz twin-turbo.

Bezpośredni wtrysk benzyny – dlaczego turbo?

Zmienna geometria – rozwiązanie problemu turbodziury

Najbardziej wydajny sposób na zmniejszenie turbodziury to zastosowanie zmiennej geometrii turbiny. Ruchome łopatki, zwane kierownicami, zmieniają swoje położenie (kąt nachylenia), a tym samym nadają zmienny kształt strumieniowi spalin padających na niezmienne łopatki turbiny. W zależności od ciśnienia spalin łopatki ustawiają się pod większym lub mniejszym kątem, co przyspiesza wchodzenie wirnika na obroty już przy mniejszym ciśnieniu spalin, a przy większym turbosprężarka działa tak, jak zwykła bez zmiennej geometrii. Kierownice ustawiane są siłownikiem w sposób pneumatyczny lub elektroniczny. Zmienną geometrię turbiny początkowo stosowano niemal wyłącznie w silnikach wysokoprężnych, ale obecnie coraz częściej trafia również do benzynowych.

Efektem działania zmiennej gemoetrii jest bardziej płynne przyspieszanie z niskich obrotów oraz brak wyczuwalnego momentu "włączenia się turbo". Zwykle silniki Diesla ze stałą geometrią turbiny przyspieszają wyraźnie mocniej po przekroczeniu ok. 2000 obr./min. Jeśli turbo ma zmienną geometrię, mogą płynnie i wyraźnie przyspieszać już od ok. 1700-1800 obr./min.

Zmienna geometria turbosprężarki wydaje się mieć same zalety, ale nie zawsze tak jest. Przede wszystkim trwałość takich turbin jest niższa. Osadzający się nagar na kierownicach może je blokować, przez co silnik w dolnym lub górnym zakresie nie ma swojej mocy. Co gorsza, turbosprężarki o zmiennej geometrii trudniej się regeneruje, co jest bardziej kosztowne. Niekiedy pełna regeneracja jest nawet niemożliwa.