Krótka historia turbodoładowania

Historia doładowania silników jest stara jak sama motoryzacja, ale nie zawsze wyglądało to tak jak dziś. Konstruktorzy jednostek napędowych już w okresie międzywojennym zdawali sobie sprawę z tego, że zwiększanie pojemności prowadzi do pewnych problemów. W erze cylindrów wielkich jak wiadro w sportowych samochodach to właśnie silnik definiował całe auto – wszak stanowił połowę wielkości i masy całego pojazdu. Popatrzcie na Bentleya 4 ½ Litre Supercharged "Blower" z 1929 roku. Większość auta to komora silnika, choć ma niewielką jak na ten okres pojemność. Z przodu wyraźnie widać sprężarkę powietrza.

Doładowanie w samochodach z początku motoryzacji było realizowane mechanicznymi sprężarkami, nierzadko umieszczonymi przed silnikiem i napędzanymi bezpośrednio od wału korbowego. W ostatnim dziesięcioleciu XIX wieku Rudolf Diesel i Gottlieb Daimler – ojcowie motoryzacji – pracowali nad doładowaniem realizowanym przez same tłoki, ale później nastąpił szybki rozwój sprężarek. Ewoluowały one do kompresorów śrubowych, tłokowych, walcowych, spiralnych typu G i innych. Jednak niektórzy konstruktorzy już wtedy wiedzieli, że do wytworzenia wyższego ciśnienia w układzie dolotowym można wykorzystać marnującą się energię gazów spalinowych, czyli ciśnienie w układzie wydechowym.

Szwajcarski inżynier Alfred Büchi jest uważany za ojca turbodoładowania, które opracował już w 1905 roku i opatentował. 20 lat później przeprowadził pierwszą udaną próbę wykorzystania turbo w silniku samochodowym. Uzyskał 40-procentowy wzrost mocy. Jego patent został wykorzystany nieco wcześniej do stworzenia doładowania w lotniczym silniku obiegowym Murray-Willat. Prace nad podobnym rozwiązaniem w 1919 roku rozpoczęła też firma General Electric, również zajmująca się produkcją silników lotniczych.

Przyjmuje się, że pierwszą turbosprężarkę, czyli sprężarkę wykorzystującą gazy wydechowe do doładowania silnika wyprodukowała w 1938 roku firma Swiss Machine Works Saurer. Szwajcarskie przedsiębiorstwo zajmowało się wytwarzaniem pojazdów użytkowych, m. in. ciężarówki i autobusy z silnikami wysokoprężnymi.

Pierwsze auta osobowe, które wyposażono turbodoładowanie powstały za Oceanem. Były to Chevrolet Corvair Monza i w Oldsmobile Jetfire w latach 1962-1963. Silnik Oldsmobile'a reklamowano pod dobrze brzmiącą nazwą Turbo Rocket V-8. Niestety Amerykanie nie poradzili sobie z tym wynalazkiem i być może dlatego do dziś jest tam ono skutecznie wypierane przez mechaniczne kompresory. W produkcyjnych autach dochodziło do spalania stukowego i częstych awarii silnika. Ratunkiem był wtrysk mieszanki wody z alkoholem metylowym, który zapobiegał samozapłonowi. Stąd też nazwa tego silnika.

Choć to szwajcarski Saurer jako pierwszy wdrożył turbodoładowanie do produkcji seryjnej, to jednak prawdziwy rozkwit tej technologii zaczął się dopiero wtedy, gdy firmy niemieckie podjęły temat.

Pierwszy europejski samochód produkcyjny, wyposażony w motor z turbodoładowaniem przedstawiła firma BMW. Model 2002 turbo narodził się co prawda w 1973 roku, czyli dokładnie w roku wybuchu pierwszego kryzysu naftowego, ale pierwsze eksperymenty prowadzono już dwa lata wcześniej. Niemcy uzyskali z dwulitrowej jednostki benzynowej moc około 170 KM, czyli o 40 więcej niż wersja wolnossąca. Przyspieszenie do 100 km/h spadło z 9,5 do 6,9 s. Sukces!

Tymczasem Mercedes-Benz już w latach 30. wprowadzał silniki wysokoprężne do aut osobowych, co w tym okresie trochę kłóciło się z tradycyjnym podejściem – benzyna do osobówki, diesel do ciężarówki. Co ciekawe, to właśnie na rynku amerykańskim, szczególnie trzymającym się tej zasady, Niemcy proponowali kolejne modele z jednostkami Diesla i tam też premierę miał ważny w historii motoryzacji Mercedes 300 SD Turbodiesel – pierwszy samochód osobowy z turbodoładowanym silnikiem Diesla.

Auto wprowadzono na amerykański rynek w 1978 roku, a turbodoładowanie było przepustką dla takich jednostek do klasy wyższej. Wcześniej było nie do pomyślenia, aby motor wysokoprężny napędzał limuzynę. Trzylitrowy turbodiesel uzyskiwał rozsądną jak na ówczesne warunki moc 125 KM.

W 1981 roku kolejny niemiecki producent przedstawił na amerykańskim rynku diesla z turbo w postaci Volkswagena Golfa TD. Obie propozycje idealnie trafiły w konsekwencje kryzysu paliwowego, a jednocześnie tu właśnie można upatrywać początków drugiego podłoża afery spalinowej, ale to już inna historia.

Tym samym torem co Niemcy poszli również francuzi, którzy przedstawili Peugeota 604 D Turbo w 1979 roku. W międzyczasie turbodoładowanie na dobre zadomowiło się w Formule 1, gdzie francuskie Renault było pionierem, ale o tym opowiemy w piątek. Nie było to bez znaczenia, ponieważ nastąpił gwałtowny rozwój i popularyzacja tej technologii.

W latach 70. i 80. słowo turbo stało się synonimem mocy, osiągów i nowoczesności w świecie motoryzacji, a także czegoś ekstra w pozostałych dziedzinach życia. Można powiedzieć, że turbo było marketingowym synonimem słowa ekstra. Powstawały turbomiksery, turboodkurzacze i gumy do żucia Turbo. Niektóre modele samochodów dumnie nosiły napis turbo lub turbodiesel, a inne nawet zyskały takie nazwy. Najsłynniejszym modelem Turbo było i jest do dziś sportowe Porsche 911.

Porsche to kolejna niemiecka firma, która zaangażowała się w turbodoładowanie już na początku lat 70. Pierwszym, ważnym modelem było doładowane, wyścigowe 917/10 i później 917/30, osiągające moc ponad 1500 KM. W 1976 roku przygotowano samochód do wyścigów aut sportowych w grupie 4. Było to Porsche 934 RSR, które bazowało na pierwszym Porsche 911 (930) Turbo, debiutującym w 1975 roku.

Swoje pierwsze silniki turbo w latach 70. zaprezentowała szwedzka firma, mająca duży wkład w rozwój doładowania. Mowa o marcie Saab, która w 1978 roku rozpoczęła produkcję modelu 99 turbo. To jedna z tych marek, która bez słowa turbo byłaby zupełnie inna niż taka, jak ją dziś postrzegamy.

W 1982 roku powstał pierwszy model z BiTurbo w nazwie. Mowa o całej rodzinie Maserati noszącej to oznaczenie. Niestety choć auto z podwójnie doładowanym V6 – początkowo ledwie dwulitrowym - dziś jest wysoko cenionym klasykiem, to w swoim czasie nie zdobył uznania.

W 1986 roku Porsche zaprezentowało w modelu 959 układ twinturbo, czyli sekwencyjne doładowanie dwustopniowe. Dziś w zasadzie wyparło niemal całkowicie doładowanie równoległe.

Ważną datą w rozwoju turbodoładowania może być także 1985 rok. Druga generacja Mazdy RX-7 z silnikiem Wankla dostała turbosprężarkę, przez co rozwijała 180 KM mocy. Bez doładowania ten silnik kontrowersyjny nie przetrwałby tak długo.

Co ciekawe, niepochlebne opinie m. in. o sportowych BMW 2002 turbo i Porsche 911 Turbo sprawiły, że klienci sceptycznie podchodzili do tego wynalazku zwiększającego moc. W testach pisano, że samochody prowadzą się nieprzewidywalnie, a moc ze względu na turbodziurę nie jest rozwijana harmonijnie, przez co trudno je uznać za rasowe maszyny. Podobno niektórzy klienci Porsche nawet wycofali swoje zamówienia na Turbo. W dłuższej eksploatacji okazywało się nierzadko, że turbodoładowanie przysparza więcej problemów niż pożytku, głównie z powodu awaryjności. Tu oczywiście przyczyny należy szukać ekscytacją pierwszych kierowców tym wynalazkiem i jednocześnie brakiem wiedzy o nim, szczególnie o technice użytkowania.

Podczas gdy w jednostkach benzynowych rozwiązywano problem turbodziury bardzo powoli, lata 80. to rozkwit turbodiesli. W kategorii aut osobowych niedościgniony był Mercedes-Benz, który oferował takie motory w autach coraz niższych klas oraz w terenówkach. Z czasem doszło do znacznej poprawy niezawodności i popularyzacji tego rozwiązania, także w autach ciężarowych.

W latach 90. silniki wysokoprężne bez doładowania należały już do rzadkości. Coraz częściej otrzymywały turbosprężarki ze zmienną geometrią, a pierwszym samochodem seryjnym z takim rozwiązaniem było ciężarowe Mitsubishi Fuso FU z 1986 roku. To właśnie w Japonii najszybciej rozwijano technologię zmiennej geometrii łopatek turbiny. W 1988 roku Honda zaprezentowała silnik 2-litrowy V6 z takim doładowaniem. Warto jednak wspomnieć, że to znów Niemcy byli tu pionierami, bo już w 1945 opracowano w biurach BMW - przynajmniej na szkicach - pierwszą turbosprężarkę VNT.

W 1991 roku Fiat wykorzystał zmienną geometrię w swoim turbodoładowanym silniku wysokoprężnym, a rok później Peugeot przedstawił sportową wersję 405 T16 z dwulitrowym benzyniakiem i turbosprężarką tego typu. Producenci widzieli liczne zalety, m. in. łagodniejsze reakcje na dodanie gazu i płynniej rozwijany moment obrotowy, przez co właściwie każdy pracował nad zmienną geometrię we własnym zakresie.

Warto dodać, że technologia początkowo nie była i wciąż nie jest zbyt popularna w silnikach benzynowych, za to w Dieslach obecnie jest normą. Porsche wprowadziło zmienną geometrię dopiero w 2007 roku w swoim topowym modelu Turbo.

Wydawać by się mogło, że mniej, ale w rzeczywistości ważniejszym rozwiązaniem, pozwalającym łatwiej kontrolować ciśnienie doładowania w układzie dolotowym jest także zawór westegate, czyli tzw. zawór upustowy.

Już w latach 90. dostrzeżono, że turbo wcale nie musi kojarzyć się wyłącznie z mocą. Wraz z rosnącymi wymaganiami w zakresie toksyczności spalin oraz emisji CO2, turbodoładowanie traktowano jako jedno z rozwiązań obok wtrysku paliwa (również systemowi Common Rail), mające pomóc w uzyskaniu wyższej wydajności, niższego zużycia paliwa i niższej emisji szkodliwych substancji. Przypominamy, że normę Euro 1 wprowadzono w 1992 roku, a w 1996 pojawiło się Euro 2, dużo bardziej restrykcyjne od wcześniejszej.

Stało się jasne, że dzięki turbodoładowaniu będzie można zmniejszyć zużycie paliwa nie tylko w dieslach, ale także jednostkach benzynowych. Jednocześnie wciąż trwał wyścig mocy.

Obecnie turbodoładowanie stało się w zasadzie normą, a za kilka lat silnik wolnossący będzie tak samo egzotyczny jak turbodoładowany w latach 70. Bez turbosprężarki trudno osiągnąć zadowalające wyniki w dziedzinie downsizingu.

Do rozkwitu turbodoładowania, a tym samym gwałtownego wzrostu mocy nie tylko w silnikach benzynowych, ale także wysokoprężnych, przyczyniły się układy twin turbo, czyli połączenie dwóch turbosprężarek szeregowo.

Tylko nieliczne firmy bronią się przed turbo, choć niezbyt skutecznie. Toyota poddała się prezentując motor 1.2 Turbo, natomiast w kategorii benzynowych opierają się wciąż Mazda i Mitsubishi. Ferrari nie ma już wątpliwości, że w zasadzie większość ich przyszłych modeli będzie wyposażonych w doładowanie, podczas gdy pierwsze takie auta były wyjątkowo egzotyczne (m. in. 288 GTO czy F40).

Rozmyło się określenie turbo w firmie Porsche. Dawniej tym napisem sygnowano najlepsze modele, dziś już podstawowa Dziewięćset Jedenastka jest wyposażona w dwie turbosprężarki.

Dzisiejsze turbo przyczyniło się do popularyzacji małych silników tzw. downsizingowych. Jeżeli przyjrzeć się współczesnym motorom z turbosprężarkami, wiele z nich ma jedną turbosprężarkę na litr pojemności. Nieistotne czy mówimy o małych benzyniakach, jak 1.0 EcoBoost, 1.0 Ecotec Turbo czy 1.0 TSI, czy o większych turbodieslach jak 2.0 BiTurbo (m. in. Ford, Opel) albo 3.0d od BMW z trzema turbosprężarkami. Obecnie ta firma wprowadza nawet cztery turbiny do tego samego, 3-litrowego diesla. Daje to jedno turbo na 0,75 l pojemności, ale to nic szczególnego. W dieslach 1.6 CDTi Opla czy 1.6 dCi Renault mamy po dwie turbosprężarki, co daje jedno turbo na 0,8 litra.

Problemem wciąż do rozwiązania jaki mają obecnie producenci jest całkowite usunięcie efektu turbodziury i zbudowanie takiego doładowania z turbo, który pracowałby wydajnie w pełnym zakresie obrotów. Tak naprawdę, dąży się do osiągnięcia zalet mechanicznie napędzanego kompresora bez jego wad. Pomagają w tym takie rozwiązania jak technologia twin scroll wykorzystująca pulsację spalin czy Power Pulse z dodatkowym doładowaniem sprężonym powietrzem.

Tu oczywiście należy postawić znak zapytania, ponieważ w tej dziedzinie nikt nie powiedział jeszcze ostatniego słowa. Jeden z kroków w nową erę doładowania wykonała firma Audi, która zaprezentowała elektryczną turbosprężarkę, wspomagającą tradycyjne, sekwencyjne turbo. Po raz pierwszy zastosowano to rozwiązanie w koncepcyjnym silniku V6 TDI, ale w produkcji seryjnej EAV turbo zadebiutowało w większym 4.0 TDI V8 w modelu S Q7.

Producenci układów doładowania mają przygotowane takie rozwiązania już od wielu lat, ale przeszkodą jest tradycyjna instalacja elektryczna. Do poprawnej pracy elektrycznych sprężarek jest potrzebne wysokie napięcie, dlatego też Audi wprowadziło mini instalację 48V tylko do zasilania tego urządzenia.

Warto w tym miejscu wspomnieć, że również koncern Hyundai-KIA pracuje nad podobnym rozwiązaniem, które już zostało zaprezentowane w koncepcyjnej Kii Optima T-Hybrid. Elektryczne turbo zainstalowano w znanym silniku wysokoprężnym 1.7 CRDI.

Volvo rozwija technikę Power Pulse, która dobrze sprawdza się w silnikach Diesla o niedużej pojemności, ale dużej mocy, mającej odpowiadać większym jednostkom.

Co prawda nie ma to wiele wspólnego z turbodoładowaniem, ale przypuszczamy, że coraz popularniejsze będą układy mikrohybrydowe. To nieduże, wspomagające silniki elektryczne, zastępujące alternator. Niektóre firmy właśnie to nazywają elektrycznym doładowaniem, choć na pewno nie jest to turbo.