Jak działa turbosprężarka?

Zasada działania turbosprężarki

Podstawowe zasady działania turbosprężarek

Turbosprężarka to urządzenie składające się z turbiny i sprężarki, które osadzone są na wspólnym wale. Urządzenie to jest od wielu lat wykorzystywane przez producentów samochodów osobowych, ale nie tylko do doładowania silnika spalinowego lub diesla, który dzięki turbosprężarce ma lepsze parametry pracy.

Turbina zasilana jest spalinami, które pochodzą z silnika, dzięki czemu wytwarza się sprężone powietrze, które przez sprężarkę trafia do cylindra, dzięki czemu znacząco wzrasta moc jednostki napędowej, a także zwiększa się stopień sprężania, co z kolei przekłada się na podwyższoną sprawność. Znacząco polepsza się przyspieszenie, co oznacza, że do współczesnych pojazdów nie trzeba montować silników o dużej pojemności, które charakteryzują się zwiększonym zapotrzebowaniem na paliwo, a jedynie niewielkie jednostki napędowe wyposażone w turbosprężarkę, które mogą być równie szybkie przy jednoczesnym obniżeniu kosztów spalania.

Działanie turbosprężarki obrazuje poniższy materiał filmowy:

Turbodoładowanie zostało opatentowane w roku 1905 przez Szwajcara, dr. Alfreda Buchi, od 1938 było stosowane w samochodach ciężarowych, zaś od 1973 w osobowych

Budowa:

Turbosprężarka składa się z turbiny, czyli tzw. gorącej części i sprężarki, tzw. chłodnej części, których wirniki są sztywno połączone wspólnym wałem. Turbina, napędzana gazami wylotowymi z silnika, napędza wirnik sprężarki sprężającej powietrze przed dostarczeniem go do silnika (element generujący doładowanie).

Zasada działania:

Obroty sprężarki, a tym samym i jej stopień sprężania zależą od ilości gazów napędzających turbinę, która przy małym zapotrzebowaniu na moc jest mała. Dlatego gdy gwałtownie wzrasta zapotrzebowanie na moc silnika (zmiana biegu, wciśnięcie gazu w celu przyspieszenia) pomimo dostarczenia dodatkowego paliwa, przez moment, aż sprężarka zostanie rozpędzona sprężanie sprężarki jest małe, przez co silnik przez moment ma małą moc. Dodatkowo w tym czasie z powodu mniejszej ilości dostarczonego powietrza do cylindrów, układ dostarczający paliwo nie może dostarczyć go tyle co przy statycznym obciążeniu silnika. Efekt mniejszej mocy silnika przy gwałtownym wzroście zapotrzebowania na moc nazywany jest turbodziurą. Usprawnienia konstrukcyjne sprawiają, że dzisiejsze turbosprężarki mają mniejszy moment bezwładności wirnika, a dawkowanie paliwa jest dokładniejsze, przez co efekt turbodziury jest mniejszy.

W celu ograniczenia tego zjawiska stosuje się też sterowanie wydajnością turbosprężarki. Możliwe są tu dwa sposoby – sterowanie ilością spalin przepływających poprzez turbinę lub sterowanie geometrią przepływu.

W pierwszym rozwiązaniu stosuje się zawór obejściowy, który jest sterowany poprzez ciśnienie doładowywania – gdy ciśnienie wytwarzane przez sprężarkę przekracza ustaloną przez konstruktora silnika wartość, zawór otwiera się i przepuszcza część spalin poza wirnikiem turbiny. Drugim rozwiązaniem jest umieszczenie łopatek sterujących kątem pod jakim spaliny trafiają na łopatki wirnika. Przy małych prędkościach obrotowych silnika, spaliny uderzają w wirnik pod kątem zbliżonym do prostego i jednocześnie łopatki sterujące wytwarzają rodzaj dyszy przyspieszających przepływ spalin. Ograniczenie ciśnienia doładowania polega na kierowaniu strumienia spalin pod coraz ostrzejszym kątem względem łopatek turbiny przy jednoczesnym poszerzeniu kanału przepływu co powoduje ograniczenie prędkości spalin. Konstrukcyjnie rozwiązuje się to w ten sposób, że wirnik turbiny otacza rodzaj żaluzji kierujących przepływem spalin. Pierwotnie ciśnienie doładowywania było sterowane czysto mechanicznie, we współczesnych silnikach samochodowych ciśnieniem steruje sterownik silnika, wykorzystując sygnały z czujników ciśnienia i ilości zassanego powietrza. Elementami wykonawczymi sterującymi zaworami lub żaluzjami są siłowniki pneumatyczne (wykorzystujące podciśnienie) sterowane elektrozaworami lub silniki krokowe.

Źródło: Wikipedia