Wiecie już co to jest turbodziura, która sprawiała od dziesięcioleci sporo kłopotów konstruktorom silników. Na szczęście niemal całkowicie sobie z nią poradzili i robili to na wiele sposobów. Obecnie sytuacja wyklarowała się na tyle, że trzy z nich odnoszą wielkie sukcesy i stają się powszechne.
Krótkie przypomnienie: turbodziura to zjawisko braku dynamiki w czasie od wciśnięcia pedału gazu do reakcji silnika, czyli odczuwalnego przyspieszenia. Zjawisko to wynika z faktu, że turbosprężarka jest urządzeniem napędzanym gazami spalinowymi, które muszą się w niej pojawić pod odpowiednim ciśnieniem by urządzenie to dawało odpowiednie ciśnienie doładowania, czyli odczuwalne przyspieszenie.
Dwie turbosprężarki zamiast jednej
Producenci od lat walczyli z turbodziurą na różne sposoby. Szybko doszli do wniosku, że duży silnik lepiej jest podzielić na dwie części i zastosować do każdej z nich po jednej turbosprężarce. Dotyczy to jednostek widlastych, np. V6 lub V8, w których na głowicę montowano jedną turbosprężarkę. Jednak takie silniki powoli schodzą ze sceny, a i tak nie jest to rozwiązanie działające tak efektywnie jak turbodoładowanie szeregowe.
Szeregowe doładowanie często określa się jako twinturbo, choć niektórzy producenci używają nazwy biturbo (lub Bi-turbo), być może dlatego, że jakby lepiej to brzmi i jest krótsze. Natomiast idea polega na tym, że stosuje się dwie turbosprężarki, gdzie każda z nich odpowiada za pracę w danym zakresie obrotów. Są to turbosprężarki o różnej wielkości – mniejsza działa przy niskich obrotach, bo taką łatwiej rozpędzić mniejszą porcją gazów spalinowych, natomiast większa działa przy wyższych obrotach, dając porcję doładowania, której nie dostarczyła by ta mniejsza. Są też układy, gdzie przy wyższych obrotach obie turbosprężarki pracują razem.
Innym, jeszcze bardziej skomplikowanym rozwiązaniem jest połączenie sprężarki mechanicznej (tzw. kompresora) z turbosprężarką. Mechaniczna, napędzana bezpośrednio od silnika, a nie gazami spalinowymi, nie ma żadnego opóźnienia. Wzrost ciśnienia doładowania jest proporcjonalny do wzrostu obrotów. Jednak by samochód nie spalał hektolitrów paliwa, potrzebna jest mała sprężarka, która niestety przy wysokich obrotach nie spełni swojego zadania, ale wówczas do pracy włącza się już turbosprężarka.
Układy biturbo i twinturbo dosięgły szczytu skomplikowania i obecnie stosuje się nawet trzy lub cztery turbosprężarki do jednego silnika i to wcale nie V12. W dobie coraz bardziej wymagających norm emisji spalin producenci muszą korzystać z coraz mniejszych jednostek, choć oczekiwania klientów względem ich dynamiki rosną. Dlatego już teraz stosuje się układy dwóch turbosprężarek w jednostkach czterocylindrowych o pojemności 2,0 litra, a w przyszłości może być takich coraz więcej.
Przykładem może być stosowany w Fordzie Rangerze Raptor diesel, który z 2 litrów pojemności osiąga moc 213 KM i aż 500 Nm momentu. Tak wysoki moment obrotowy był zarezerwowany do tej pory dla jednostek o pojemności przynajmniej 3 litrów. Do niedawna także Opel korzystał z jednostek bi-turbo faktycznie twinturbo), np. 1.6 diesel BiTurbo o mocy 150 KM i momencie obrotowym 350 Nm.
Zmienna geometria to był tylko początek
Gdy pod koniec lat 90. producenci silników Diesla zaczęli powszechnie stosować wtrysk Common Rail, jednocześnie pracowali nad efektywnym doładowaniem. Wczesne jednostki miały potężną turbodziurę, jeśli pojemność nie przekraczała 2 litrów. Diesle pracowały zupełnie inaczej niż dziś – do ok. 1800-2000 obr./min nie działo się nic, a po przekroczeniu tej prędkości dostawały solidnego „kopa” wynikającego z odpowiedniego ciśnienia doładowania.
Niestety takie zachowanie nie pozwalało zejść z obrotów podczas jazdy, a to z kolei powodowało wzrost zużycia paliwa. Aby je obniżyć, trzeba było opracować taką turbosprężarkę, która będzie efektywnie pracować już od około 1500 obr./min. Stosowanie dwóch było zbyt kosztowne i skomplikowane.
Ostatecznie zaczęto stosować tzw. turbosprężarki ze zmienną geometrią. Tu chodzi nie tyle o samą geometrię rozumianą dosłownie, ale o tzw. kierownice, czyli niewielkie łopatki kierujące strugę gazów wydechowych do turbiny. Od ich położenia (kąta nachylenia jak w płatach śmigła) zależy ciśnienie w turbinie – przy niskich obrotach ustawiane są tak, by kosztem mniejszej przepustowości generować wyższe ciśnienie, natomiast przy wyższych zwiększa się przepustowość bo ciśnienie jest już odpowiednie. To oczywiście duże uproszczenie, ale wyjaśniające mniej więcej co dzieje się wewnątrz turbiny.
Zmienna geometria turbosprężarek zyskała sobie w silnikach Diesla status niezastąpionej, a dziś chyba już nie ma na rynku diesli bez tego rozwiązania. Tymczasem w jednostkach benzynowych nie była długo stosowana, choć ostatnie lata pokazują, że będzie to coraz powszechniejsze. Dlatego też dziś styl jazdy autem z silnikiem benzynowym bardzo przypomina styl jazdy dieslem, a sposób reakcji na dodanie gazu, osiągi, czy nawet zużycie paliwa są tak podobne, że diesel od benzyniaka różnią się w coraz mniejszym stopniu.
Nieco innym polem działania był rozwój sportowych silników benzynowych, które mają dostarczać odpowiednią porcję momentu obrotowego natychmiast po wciśnięciu gazu i pracować efektywnie przy wysokich obrotach oraz dużym wysileniu. Zmienna geometria okazała się rozwianiem dobrym, gdy chodzi o niskie zużycie paliwa, ale jeśli na pierwszym miejscu stawia się osiągi, to już nie jest tak świetna.
Rozwiązaniem lepszym okazało się rozwiązanie typu twin scroll, czyli turbosprężarka dwukanałowa. Nie wchodząc zbytnio w zawiłe szczegóły techniczne, chodzi tu o rozdzielenie kanału dolotowego do turbiny na dwa – po jednym na dwa cylindry. W jakim celu? By wykorzystać znane od dziesięcioleci w silnikach wolnossących doładowanie dynamiczne i pulsację gazów spalinowych.
Gdy gazy pulsują, w turbinie tworzą się niepotrzebne zawirowania, które opóźniają jej reakcję na przyspieszenie, a przez podzielenie wlotu spalin na dwa kanały, udało się to zjawisko wyeliminować. Co więcej, udało się osiągnąć coś, co jest w samochodach sportowych niezwykle ważne – brak opóźnienia reakcji po odpuszczeniu gazu. Kiedy kierowca zdejmuje nogę z pedału gazu, na przykład wchodząc w zakręt, po ponownym jego dodaniu odczuwa chwilowy brak mocy, co zaburza rytm w jeździe sportowej, dlatego od lat bardziej chwalono silniki wolnossące. Dzięki turbosprężarce twin scroll zjawisko to odeszło w niepamięć. Wystarczy przejechać się Fordem Focusem RS poprzedniej generacji, najnowszym Focusem ST czy Hyundaiem i30 N, by mieć przekonanie, że faktycznie tak jest.
„Doładowanie” elektryczne to przyszłość
Oczywiście nie chodzi tu o zastąpienie turbosprężarki urządzeniem elektrycznym, choć i takie rozwiązania – elektryczna sprężarka – zaczynają się pojawiać. Mam tu na myśli systemy typu mild hybrid, takie jak w testowanym jeszcze całkiem niedawno Hyundaiu Tucsonie.
Tu eliminacją turbodziury zajmuje się oczywiście odpowiednio skalibrowany wtrysk paliwa czy turbosprężarka o zmiennej geometrii, ale by jeszcze bardziej poprawić reakcję na gaz, zastosowano motogenerator stale połączony z silnikiem. Jest jak sprężarka mechaniczna, ale jego zadanie polega na czymś innym. Jako urządzenie elektryczne dodaje momentu obrotowego silnikowi, gdy ten ma „chwile słabości”, przez krótki czas. Dokładnie wtedy, gdy pojawia się zjawisko turbodziury, do pracy włącza się motogenerator. Kiedy turbosprężarka osiągnie już odpowiednie ciśnienie, motogenerator się wyłącza.
Hyundai Tucson 2.0 CRDI 48V Mild Hybrid: takie hybrydy to ja kupuję [wideotest]
Oczywiście pełni on też szereg innych funkcji, które mają na celu głównie poprawę zużycia paliwa, o czym szerzej piszę w teście wspomnianego samochodu. Jednak wydaje się, że w najbliższych latach będzie to nie tylko coraz powszechniejsze rozwiązanie, ale też coraz mocniejsze, coraz lepiej eliminujące turbodziurę. To przyszłość zwykłych samochodów, zarówno z silnikami wysokoprężnymi jak i dieslami. Choć i w sportowych system mild hybrid zaczyna się już pojawiać.
