Jak zmniejszyć turbodziurę? Tak radzą sobie producenci silników

Producenci walczyli od lat z turbodziurą by zapewnić przyjemną i przewidywalną charakterystykę rozwijania momentu obrotowego w swoich silnikach. Pierwsze jednostki doładowane charakteryzowały się niemal zupełnym brakiem momentu obrotowego przy niskich obrotach i gwałtownym jego przyrostem gdy turbosprężarka była napędzana już odpowiednim ciśnieniem gazów wydechowych.

To właśnie od tego ciśnienia zależy efektywność działania doładowania. Problem w tym, że nie jest ono dostępne przy niskich obrotach i wtedy, gdy motor nie jest obciążony. Wówczas trzeba "dopompować" turbo by silnik odpowiedział na wciśnięcie prawego pedału jak należy.

Zjawisko turbodziury jest niepożądane nie tylko z powodu odczuć użytkownika i mało płynnej dynamiki samochodu. To również coś, co przeszkadza w osiągnięciu najwyższej efektywności paliwowej. Mówiąc wprost: okres trwania tzw. turbodziury to okres, w którym paliwo nie jest wykorzystane efektywnie. To z kolei przekłada się na wyższe jego zużycie. Dlatego producenci zwłaszcza teraz, w czasach wyśrubowanych norm emisji CO2 robią co mogą by turbodziurę całkowicie wyeliminować.

Dwie turbosprężarki kojarzą się z dużymi, mocarnymi jednostkami napędowymi samochodów sportowych i tak było jakieś 15 lat temu i wcześniej. Jednak dziś tego typu rozwiązania nie dziwią nawet w samochodach z niedużym motorem i nie mającym wiele wspólnego ze sportową jazdą.

Jeżeli dobrze rozumiecie zjawisko turbodziury, to wiecie również, że gazy wydechowe muszą mieć tym większą energię im większy jest wirnik turbosprężarki – większa jest jego bezwładność. Natomiast wielkość wirnika zależy wprost od tego jak duży jest silnik, ponieważ sprężarka musi ten silnik "nakarmić" powietrzem.

Zastosowanie małego wirnika w dużej jednostce byłoby nieefektywne, bo choć spisałby się dobrze przy niskich obrotach, miałby pewne ograniczenia przy wysokich. Układy doładowania ze zbyt małą turbosprężarką nazywa się soft turbo i dziś w już takich układów się nie stosuje. Są mało wydajne.

Producencie już dawno temu stwierdzili, że zamiast jednej turbosprężarki o dużych rozmiarach lepiej byłoby zastosować dwie mniejsze. Podzielili silnik na dwie części (zwykle jednostki widlaste) i dopasowali rozmiary turbo do liczby i pojemności cylindrów, które miały być nim obsługiwane. W ten sposób powstał popularny układ biturbo, czyli doładowanie równoległe.

Niestety z czasem i to nie wystarczyło, ponieważ niewygodny efekt turbodziury pozostał. Na innym froncie powstał podobny układ, ale różniący się zasadą działania. Jako jeden z pierwszych producentów Porsche zastosowało w modelu 959 doładowanie sekwencyjne, czyli system znany powszechnie jako twinturbo.

Mamy tu również dwie turbosprężarki, ale jedną większą, a drugą mniejszą. Gdy silnik pracuje z niską prędkością obrotową zapotrzebowanie na odpowiednie ciśnienie doładowania realizuje mała turbosprężarka, którą łatwiej rozpędzić niewielką energią spalin.

Duża w tym czasie również pracuje, ale zupełnie nieefektywnie dla silnika, natomiast pomaga małej, zapewniając jej już doładowanie wstępne. Im wyższe obroty, tym mała turbosprężarka bardziej zbliża się do kresu swoich możliwości, a duża jeszcze efektywniej ją wspomaga. Dochodzimy wreszcie do obrotów, przy których duża przejmuje główną rolę.

W tym momencie mała usuwa się w cień, ale cały czas czuwa, bo gdy kierowca zdejmie nogę z pedału gazu (np. hamowanie do zakrętu i redukcje) to znów mała zapewni odpowiednie ciśnienie doładowania zaraz po tym, jak kierowca ponownie doda gazu.

Takim sprytnym sposobem wyeliminowano w dużej mierze zjawisko turbodziury, ale układ doładowania sekwencyjnego (szeregowego) ma pewne wady. Po pierwsze, zajmuje dużo miejsca w komorze silnika, a po drugie i co najważniejsze, jest dość skomplikowany i bardzo kosztowny.

Natomiast równoległe powoli odchodzi w cień w dzisiejszych czasach, ale nawet nie ze względu na swoje niedoskonałości czy koszt dwóch turbosprężarek, lecz z powodu zmniejszającej się pojemności silników i liczby cylindrów. Stosowanie systemu równoległego w jednostkach 4-cylindrowych do 2 litrów nie ma sensu, a w zasadzie do takich dążą producenci.

Warto jednak zaznaczyć, że nawet w motorach V6 czy R6 uznawanych dziś za duże, chętniej stosuje się doładowanie sekwencyjne ze względu na efektywniejszą pracę silnika w całym zakresie obrotów.

Idea tego rozwiązania była genialna, ponieważ prawie całkowicie wyeliminowano zjawisko turbodziury przy niskich prędkościach obrotowych. Problem w tym, że sprężarka napędzana silnikiem nie jest tak wydajna jak turbosprężarka, ponieważ stanowi duże obciążenie dla jednostki napędowej.

Tak czy inaczej, gdyby nie chodziło o emisję dwutlenku węgla, prawdopodobnie system nazwany twin charger (dwie sprężarki) byłby dziś powszechnie używany, zwłaszcza w silnikach samochodów sportowych.

Zasada działania jest podobna to systemu doładowania sekwencyjnego. Właściwie jest to niemal dokładnie to samo, lecz realizowane dwoma różnymi urządzeniami: turbosprężarką i kompresorem. To drugie pracuje na korzyść pierwszego, tworząc już od najniższych obrotów ciśnienie, dzięki napędowi z silnika.

Można zatem powiedzieć, że sprężarka mechaniczna doładowuje turbosprężarkę i dzieje się tak do prędkości obrotowej rzędu 2400 obr./min. Wtedy wyłącza się, natomiast za doładowanie silnika odpowiada już tylko turbosprężarka.

Nie zawsze można, z różnych powodów stosować system dwóch urządzeń doładowujących, dlatego producenci pracują równie długo nad doskonaleniem jednej turbosprężarki. W rezultacie nic nie stoi na przeszkodzie, by taką jedną udoskonaloną zaprzęgnąć do pracy w parze z drugą.

Tak jak wspomniałem wcześniej, zastosowanie mniejszej turbosprężarki ma sens, ale tylko do czasu. Zresztą dziś używa się niewielkich urządzeń w małych silnikach, które legitymują się wysokim momentem obrotowym, ale niezbyt dużą mocą maksymalną.

Ponadto technologia materiałowa poszła na tyle do przodu, że dziś wirniki kręcą się znacznie szybciej niż na przykład w latach 90. Jednak problem turbodziury wciąż pozostaje i ten został częściowo rozwiązany zmienną geometrią turbiny.

Gdy popatrzycie na łopatki turbiny, zauważycie pewnie, że ich finezyjny kształt jest ściśle określony z pewnych względów. Jest to efekt optymalizacji, polegającej na tym, by wirnik możliwie szybko rozpędzał się przy niskim ciśnieniu gazów wydechowych, ale także pozostawał efektywny przy wysokim ciśnieniu. Niestety optymalizacja ma to do siebie, że jest niczym innym jak kompromisem.

Dlatego opracowano system dodatkowych, prostych łopatek zwanych kierownicami, których zadaniem jest zmiana strumienia spalin wydechowych, trafiających na łopatki turbiny. Mowa o rozwiązaniu zwanym VGT (variable geometry turbochargers), czyli zmiennej geometrii turbiny.

Wprowadzenie tego systemu było jednym z największych przełomów w dziedzinie turbodoładowania i w zasadzie najważniejszym wynalazkiem w tym obszarze. Dziś praktycznie we wszystkich silnikach wysokoprężnych samochodów osobowych stosuje się taki rodzaj doładowania. Powoli VGT wchodzi również do silników benzynowych, które już teraz swoją charakterystyką pracy przypominają diesle, a po wprowadzeniu zmiennej geometrii zbliża się do nich jeszcze bardziej.

Zasada działania zmiennej geometrii jest skuteczna, ale i prosta. Gdy silnik pracuje na wolnych obrotach, kierownice ustawiają się pod dużym kątem do strumienia spalin i tym samym tak kształtują ten strumień względem łopatek turbiny, że pracuje ona szybciej, a tym samym efektywniej.

Kątem nachylenia kierownic zarządza układ pneumatyczny, a dziś coraz częściej elektryczny. Siłownik przy pomocy prostej dźwigni steruje płynnie kierownicami tak, by w możliwie szerokim zakresie obrotów silnika wykorzystać energię spalin.

Różnica po zastosowaniu takiego rozwiązania jest na tyle duża, że diesel legitymuje się dobrą reakcją na dodanie gazu przy obrotach niższych o około 500-1000 w porównaniu z sytuacją, gdyby nie miał systemu VGT. Natomiast silnik benzynowy jest w stanie uzyskać maksymalny moment obrotowy nawet poniżej 1500 obr./min.

W tym miejscu możemy się zatrzymać, ponieważ warto przejść na drugie pole bitwy z turbodziurą i jedną turbosprężarką. Tam powstało rozwiązanie twin scroll – bez zmiennej geometrii, za to z dwoma kanałami doprowadzającymi spaliny do wirnika.

By zrozumieć ideę tego rozwiązania, warto zapoznać się z zasadą doładowania dynamicznego i zjawisk falowych w silnikach wolnossących, ponieważ właśnie te zjawiska wykorzystano w układach doładowania z turbosprężarką twin scroll.

Krótko można wytłumaczyć to tak, że doładowanie dynamiczne wykorzystuje efekt rozpędzonego słupa spalin w układzie wydechowym do tworzenia za sobą podciśnienia. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, za sprawą coraz szybszej pulsacji spalin, dochodzi do sytuacji, że słup spalin porusza się w układzie wydechowym szybciej niż wynikałoby to z prędkości poruszającego się tłoka w cylindrze, który wypycha spaliny do wydechu.

Wówczas gazy wylotowe niejako wyprzedzają to, co dzieje się w cylindrze i przez tworzące się za nimi podciśnienie, są w stanie zasysać powietrze z kolektora dolotowego do cylindra. W ten sposób, bez użycia turbosprężarki powstaje efekt doładowania. Zaletą jest również to, że gdy silnik zacznie zwalniać, to spaliny nadal mają dużą prędkość i ponowne naciśnięcie gazu skutkuje natychmiastową reakcją.

Doładowane dynamiczne i towarzysząca mu pulsacja spalin są ważne w jednostkach wolnossących, ale teoretycznie bez znaczenia w silnikach z doładowaniem realizowanym przez sprężarkę. Tak było do czasu, gdy producenci zaczęli szukać rozwiązania problemu turbodziury.

Efektem tych poszukiwań jest właśnie turbosprężarka twin scroll. Ma ona dwa oddzielne kanały doprowadzające spaliny do turbiny. Również kolektor wydechowy podzielony jest na dwie części przypisane określonym cylindrom, w zależności od cyklu ich pracy. Konieczne było użycie dwóch kanałów dolotowych by wykorzystać efekt pulsowania spalin.

Co prawda nie ma tu mowy o doładowaniu dynamicznym, analogicznym do silników wolnossących, ale dzięki temu podziałowi, w muszli turbiny nie powstają niepotrzebne zaburzenia przy niskich obrotach, a niewielka turbosprężarka bardzo szybko odpowiada na naciśnięcie pedału gazu.

Doładowanie typu twin scroll wykorzystuje się głównie w samochodach sportowych, ale od pewnego czasu trafia również do aut typowo osobowych. Rozwiązanie to pokazuje jak rzeczy kilka lat temu nieistotne, stają się ważne gdy poszukuje się lepszej efektywności.

Tak, to się udało. Walka z turbodziurą powoli dobiega końca, ponieważ są systemy całkowicie ją eliminujące. Jednym z nich jest doładowanie elektryczne, którym już jakiś czas temu pochwaliło się Audi, ale do produkcji seryjnej wprowadziło je dopiero w tym roku w modelu SQ7.

Potężny SUV napędzany jednostką V6 3.0 TDI został wyposażony w doładowanie sekwencyjne, ale by całkowicie pozbyć się turbodziury, do pracy włączono dodatkowy układ doładowania elektrycznego.

Gdy w silniku nie ma zjawiska mogącego spowodować efekt turbodziury, czyli turbosprężarki są rozpędzane odpowiednią energią spalin, układ doładowania elektrycznego wpięty niejako w przewód dolotowy jest wyłączony. Powietrze pompowane przez turbosprężarki omija ten system poprzez odpowiednio sterowane klapy.

W momencie gdy pojawia się zapotrzebowanie na dodatkowe ciśnienie w układzie dolotowym, klapy zamykają stosowany wcześniej kanał obejściowy i przepuszczają powietrze przez część z kompresorem elektrycznym. Ten włącza się do akcji prawie natychmiastowo i zwiększa ciśnienie doładowania. Czas potrzebny na rozpędzenie wirnika do około 70 000 obr./min to 0,25 s.

Dzięki temu reakcja silnika na dodanie gazu jest natychmiastowa, a co ciekawe, maksymalny moment obrotowy wynoszący 900 Nm dostępny jest od 1000 obr./min, czyli prawie od biegu jałowego. Oznacza to, że w pełnym zakresie obrotów, silnik przyspiesza efektywnie.

Co stoi na przeszkodzie, by elektryczny kompresor stosować powszechnie? Przede wszystkim wysoki koszt takiego doładowania, ale również zasilanie. Jak twierdzi Audi, do efektywnej pracy kompresora potrzebna jest instalacja 48V. W taką wyposażono wspomnienie Audi SQ7 i być może pojawi się w innych, drogich samochodach, ale na przejście tego rozwiązania do aut klasy kompakt będziemy musieli jeszcze bardzo długo czekać.

Nieco prostszy, a nie mniej skuteczny układ doładowania pomocniczego zastosowało Volvo w swoim nowym modelu serii S90 i V90. Jak być może wiecie, szwedzki producent zadeklarował, że wszystkie jego silniki nie będą miały pojemności większej niż 2 litry, a w segmencie premium do tej pory wydawało się to nie do pomyślenia.

Zatem Volvo postawiło na małe jednostki, które mają pracować wydajnie i podobnie do dużych. Tym samym, eliminacja zjawiska turbodziury jest jednym z ważniejszych celów marki. W ich silniku wysokoprężnym zastosowano ciekawe, a zarazem proste rozwiązanie Power Pulse, polegające na doładowaniu turbiny porcją powietrza sprężonego pod wysokim ciśnieniem.

Auto jest wyposażone w zasobnik powietrza i elektryczny kompresor sprężający je do około 20 barów. Gdy kierowca potrzebuje szybkiego przyrostu momentu obrotowego, zasobnik otwiera się i wtłacza do kolektora wydechowego porcję powietrza pod dużym ciśnieniem, przepuszczając ją przez wirnik turbiny.

Ten zostaje sztucznie rozpędzony, co powoduje wzrost ciśnienia w układzie dolotowym. W tej jednostce również stosowane są dwie turbosprężarki w układzie sekwencyjnym i podobnie jak w rozwiązaniu Audi, dodatkowy system odpowiada tylko i wyłącznie za minimalizowanie efektu turbodziury.

Jak zatem widzicie, turbodziura nie jest zjawiskiem obcym i tak jak dawniej, tak i teraz, pozostaje jednym z obszarów badań i rozwoju nowości w układach doładowania silników. Do przeszłości odeszły mechanicznie napędzane kompresory, które pozostały już tylko w użyciu tunerów zajmujących się głównie samochodami amerykańskimi.

O tym jak bardzo nieefektywny z punktu widzenia zużycia paliwa jest kompresor, niech świadczy fakt wyeliminowania go z motoru 1.4 TSI i zastąpienia go tradycyjnymi silnikami z turbosprężarką, nawet o większej pojemności skokowej.

Dopóki samochody będą napędzane silnikami spalinowymi, dopóty układy ich doładowania będą przechodziły ewolucję i być może doczekamy się jeszcze kilku ciekawych rozwiązań. Jedno jest pewne – do silników wolnossących nie wrócimy już nigdy.