Oficjalna strona Fundacji Emanio Arcus. Poprawa bezpieczeństwa poprzez informację, edukację i profilaktykę
Turbosprężarka czy kompresor

Turbosprężarka czy kompresor co lepsze? cz1 turbiny

Turbosprężarka czy kompresor co lepsze? cz1 turbiny

By pomóc Wam odpowiedzieć na odwieczny dylemat Turbosprężarka czy kompresor co lepsze? musimy poznać poszczególne  rodzaje systemów doładowania silników tłokowych. Historia doładowania sięga początków wieku XX kiedy szukano możliwości zwiększenia ilości powietrza w cylindrze by spalić więcej paliwa i dostać więcej mocy. Pierwsze z tym problemem spotkały się samoloty już w I Wojnie Światowej. Wtedy zauważono że im wyżej tym mniej mocy bo powietrze rzadsze. Zaczęto szukać rozwiązań. Tak narodziły się całkiem odmienne urządzenia doładowujące powietrze. Na początku były te mechaniczne a na końcu turbo gdzie sprężarka nie ma połączenia z wałem napędowym silnika.

Turbosprężarka czy kompresor – po co stosujemy sprężarki w silnikach spalinowych i na jakie rodzaje je dzielimy.

Sprężarki jak sama nazwa mówi sprężają powietrze czyli zwiększają jego gęstość, dzięki temu w jednostce objętości mamy możliwość wtłoczenia większej ilości powietrza. Krótko mówiąc mając silnik o pojemności 1L możemy dzięki doładowaniu poprawić jego wydajność jak byłby np. silnikiem o pojemności 2L. W taki sposób właśnie FORD obecnie zbudował silnik benzynowy doładowany turbosprężarką mający poj. 1L i jedynie 3 cylindry który występuje w 2 wersjach o mocy 100 i 125KM. Do tej pory takimi mocami dysponowały silniki atmosferyczne(bez sprężarki) odpowiednio o poj. 1.6L oraz 1.8L. Zyskujemy małą lekką konstrukcję która jest sprawniejsza energetycznie(mniej pali od jednostki podobnej mocy ale większej poj.) i co ważne mniej waży, mniej surowca zużywamy do jej zbudowania i mniej waży nasze auto.  Są dwa zasadnicze systemy doładowania, doładowanie sprężarką napędzaną gazami wydechowymi tzw. Turbo oraz doładowanie z napędem mechanicznym od wału silnika i jest to kompresor.

 

Turbosprężarka czy kompresor – turbo ze stałą geometrią

Sprężarki turbo dzielimy na sprężarki o stałej oraz o zmiennej geometrii oraz systemu Comprex, sprężarki mechaniczne na Rootsa, Lysholma, Promieniowe oraz Rotrex. W tym artykule zaczniemy nasz opis od sprężarki najbardziej popularnej czyli sprężarki o stałej geometrii napędzanej spalinami czyli turbosprężarce. Zasada działania jest prosta gazy wylotowe mając ogromną energię wylotu. Przy prędkości powyżej 1000km/h za zaworem wylotowym i temperaturze ok. 800oC  kierowane są na łopatki turbiny jak woda na koło młyńskie tyle tylko że turbina ma kilka centymetrów średnicy ale to właśnie jest zaleta. Turbina może obracać się z prędkością ok., 50tys obr/min, na tym samym wale osadzona jest sprężarka która działa dokładnie odwrotnie czyli zasysa powietrze i spręża je szczytowo nawet do 1,5 bara.

Turbosprężarka czy kompresor

turbo ze stałą geometrią

Wadą turbosprężarek jest to że przy niskich obrotach silnika mała ilość gazów powoduje słaby efekt doładowania. Tak więc nasze auto marnie reaguje na gaz zanim ilość dostarczonych spalin rozbuja turbinę mija czasem i pół sekundy. Czasem jest to kluczowe np. w sporcie, druga wada to przy pełnych obrotach ciśnienie doładowania jest tak wysokie że mogłoby zniszczyć silnik więc potrzebny jest tzw. Zawór upustowy. Zaletą takiego układu jest prostota jego budowy a co za tym idzie niski koszt produkcji. Dzięki temu nawet małe silniki są już wyposażane w turbosprężarki zarówno benzynowe jak i diesle. Większa ilość powietrza produkuje jeszcze jeden kłopot.

Turbosprężarka czy kompresor

turbo ze stałą geometrią – schemat działania

Jest to wzrost ciśnienia(pamiętacie pompkę od roweru jaka była gorąca po napompowaniu koła) powoduje niestety wzrost temperatury. A za tym idzie problem ze spalaniem(wczesny zapłon) oraz jego gęstość maleje. Oczywiście jest rozwiązanie tzw. Intercooler czyli chłodnica powietrza doładowanego ale o tym na końcu artykułu. Dalszy rozwój to turbosprężarki ze zmienną geometrią łopatek.

Turbosprężarka czy kompresor – turbo ze zmienną geometrią

Turbosprężarki ze zmienną geometrią kierownic powietrza jest kolejnym krokiem rozwoju systemu doładowania silnika. W zwykłej turbosprężarce pojawia się problem braku mocy przy niskich obrotach silnika. Wtedy to jak wspominaliśmy w poprzednim artykule ilość gazów spalinowych jest niewielka. Turbina ma mało mocy by osadzona na wspólnym wale sprężarka dostarczyła wystarczającej ilości powietrza do cylindrów silnika. Drugi skrajny przypadek pracy turbo to kiedy już wciśniemy pedał przyśpiesznika i gazy wydechowe będą już w dużej ilości (np. przy wysokich obrotach) wydobywać się z silnika. Wtedy turbina dostarczy nadmiaru mocy do sprężarki i pojawi się z kolei zbyt dużo powietrza doładowującego którą zawór upustowy bezproduktywnie wypuści na zewnątrz.

Turbosprężarka czy kompresor

turbo ze zmienną geometrią łopatek kierujących spaliny na turbinę; a-zamknięte; b-otwarte

Jeśli będziemy chcieli dostosować turbo do niskich obrotów silnika zastosujemy małe urządzenie by mała ilość gazów już mogła wprawić je w wystarczający ruch. Niestety wtedy na wysokich obrotach dostanie zadyszki. By przy dużych obrotach dostać dużo ciśnienia zastosujemy duże urządzenie to z kolei możemy w krytycznym momencie mieć zbyt dużo powietrza. To powietrze które musimy upuścić a znów przy małych obrotach niewiele się dzieje. Jedynym rozwiązaniem jest dobranie małej ale wysokoobrotowej turbiny która przy niskich obrotach jest już sprawna ale przy narastaniu obrotów turbiny sprężarka pompując coraz więcej powietrza może wyregulować sensownie ciśnienie. Kierownice powietrza w sprężarce ograniczają wydatek urządzenia nie wypuszczając go na zewnątrz układu co jest kompletnie bezproduktywne ale w miarę narastania ciśnienia komputer zamiast zaworem upustowym steruje wychyleniem kierownic.

Turbosprężarka czy kompresor

Turbosprężarka czy kompresor regulator łopatek kierownicy spalin w turbinie ze zmienną geometrią

Turbosprężarka czy kompresor – turbo ze zmienną geometrią diesel i benzyna

Kierownice po prostu zawracają częściowo powietrze do wirnika sprężarki i nie tracimy uzyskanego sprężu mając go w każdej chwili do dyspozycji. Na pewno patrząc np. na parametry różnych wersji silnikowych zauważyliście że niektóre modele o tej samej pojemności silnika doładowanego mają różną moc. Mają też różny moment obrotowy ale takie samo zużycie paliwa bądź minimalnie większe choć różnica w mocy jest duża. Np. FIAT Punto w wersji 1.3 Multijet  może mieć 75 lub 95KM mocy i dysponując dużo lepszymi parametrami oraz ponad 20% większą mocą spala tylko kilka % więcej paliwa. W chwili obecnej kiedy tzw. Downsizing jest coraz powszechniejszy Systemy doładowania powietrza stają się po prostu normą niezależnie od typu silnika czy diesel, benzyna czy LPG.

Turbosprężarka czy kompresor

a tak fizycznie wyglądają łopatki kierownicy spalin w turbinie ze zmienną geometrią

Doładowanie silnika jest przyszłością, coraz większe skomplikowanie przy bezawaryjności powoduje że parametry silników są coraz wyższe, wydajność i ekonomia oraz komfort dzięki elastyczności staje się faktem. Niestety faktem do tego stopnia że traktujemy to jak coś normalnego nie zadając sobie trudu refleksji co tam pod maską hasa ale skoro Ty czytasz ten artykuł to już jest nieźle. Wracając do praktycznej strony sprężarek ze zmienną geometrią to niestety coś za coś. Sprężarka o zmiennej geometrii kierownic powietrza jest bardziej zaawansowana technicznie co za tym idzie jest droższa. Dodatkowo niestety wymusza większą chłodnicę powietrza doładowującego czyli INTERCOOLER.

Turbosprężarka czy kompresor

wykres obrazujący charakterystykę pracy silnika z i bez turbo

ciąg dalszy Turbosprężarka czy kompresor cz2 sprężarka Lysholma. 

przeczytaj też Układ zapłonowy czy wiesz jak działa?