Zasada działania turbosprężarki i jej konstrukcja

Turbosprężarka (turbina) to mechanizm stosowany w samochodach do wtłaczania powietrza do cylindrów silnika spalinowego. W tym przypadku turbina napędzana jest wyłącznie strumieniem spalin. Zastosowanie turbosprężarki pozwala na zwiększenie mocy silnika nawet o 40% przy zachowaniu jego kompaktowych rozmiarów i niskiego zużycia paliwa.

Jak ułożona jest turbina, zasada jej działania

W skład standardowej turbosprężarki wchodzą:

1. Obudowa. Wykonany ze stali żaroodpornej. Ma kształt spiralny z dwoma różnie skierowanymi rurami wyposażonymi w kołnierze do montażu w systemie ciśnieniowym.
2. Koło turbiny. Zamienia energię spalin na obrót wału, na którym jest sztywno zamocowany. Wykonane z materiałów żaroodpornych.
3. Koło sprężarki. Otrzymuje obrót z wirnika turbiny i pompuje powietrze do cylindrów silnika. Wirnik sprężarki często jest wykonany z aluminium, co zmniejsza straty energii. Reżim temperaturowy w tej strefie jest zbliżony do normalnego i nie jest wymagane stosowanie materiałów żaroodpornych.
4. Wał turbiny. Łączy koła turbiny (sprężarki i turbiny).
5. Łożyska ślizgowe lub łożyska kulkowe. Potrzebne do podłączenia wału w obudowie. Konstrukcja może być wyposażona w jedną lub dwie podpory (łożyska). Te ostatnie są smarowane przez ogólny układ smarowania silnika.
6. zawór obejściowy. PPrzeznaczony do regulacji przepływu spalin działających na koło turbiny. Pozwala to kontrolować moc doładowania. Zawór z siłownikiem pneumatycznym. Jego pozycja jest kontrolowana przez ECU silnika, który odbiera sygnał z czujnika prędkości.

Podstawowa zasada działania turbiny w silnikach benzynowych i wysokoprężnych jest następująca:

• Spaliny kierowane są do obudowy turbosprężarki, gdzie oddziałują na łopatki turbiny.
• Koło turbiny zaczyna się obracać i przyspieszać. Prędkość obrotowa turbiny przy dużych prędkościach może osiągnąć 250 000 obr./min.
• Po przejściu przez koło turbiny spaliny są odprowadzane do układu wydechowego.
• Wirnik sprężarki obraca się synchronicznie (ponieważ znajduje się na tym samym wale co turbina) i kieruje przepływ sprężonego powietrza do chłodnicy międzystopniowej, a następnie do kolektora dolotowego silnika.

Charakterystyka turbiny

W porównaniu ze sprężarką mechaniczną napędzaną wałem korbowym zaletą turbiny jest to, że nie pobiera ona energii z silnika, ale wykorzystuje energię z jego produktów ubocznych. Jest tańszy w produkcji i tańszy w użyciu.

Chociaż technicznie turbina do silnika wysokoprężnego jest zasadniczo taka sama jak do silnika benzynowego, jest bardziej powszechna w silniku wysokoprężnym. Główną cechą są tryby działania. Dlatego w silniku wysokoprężnym można stosować materiały mniej odporne na ciepło, ponieważ temperatura spalin wynosi średnio od 700°C w silnikach wysokoprężnych i od 1000°C w silnikach benzynowych. Oznacza to, że nie ma możliwości zainstalowania turbiny diesla na silniku benzynowym.

Z drugiej strony systemy te mają również różne poziomy ciśnienia doładowania. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę, że sprawność turbiny zależy od jej wymiarów geometrycznych. Ciśnienie powietrza wdmuchiwanego do cylindrów to suma dwóch części: 1 ciśnienia atmosferycznego plus nadciśnienie wytwarzane przez turbosprężarkę. Może wynosić od 0,4 do 2,2 atmosfery lub więcej. Ponieważ zasada działania turbiny w silniku wysokoprężnym pozwala na pochłanianie większej ilości spalin, konstrukcja silnika benzynowego nie może być montowana nawet w silnikach wysokoprężnych.

Rodzaje i żywotność turbosprężarek

Główną wadą turbiny jest efekt „turbo lag”, który występuje przy niskich obrotach silnika. Reprezentuje opóźnienie w odpowiedzi na zmianę prędkości obrotowej silnika. Aby przezwyciężyć tę wadę, opracowano różne typy turbosprężarek:

• System podwójnego przewijania. Konstrukcja przewiduje dwa kanały oddzielające komorę turbiny, a co za tym idzie przepływ spalin. Zapewnia to krótsze czasy reakcji, maksymalną wydajność turbiny i zapobiega zatykaniu się otworów wylotowych.
• Turbina o zmiennej geometrii (dysza o zmiennej geometrii). Ta konstrukcja jest najczęściej stosowana w silnikach wysokoprężnych. Zapewnia zmianę przekroju wlotu do turbiny dzięki ruchomości jej łopatek. Zmiana kąta obrotu umożliwia regulację przepływu spalin, a tym samym regulację prędkości spalin i prędkości silnika. W silnikach benzynowych turbiny o zmiennej geometrii są często spotykane w samochodach sportowych.

Wadą turbosprężarek jest kruchość turbiny. W przypadku silników benzynowych jest to średnio 150 000 kilometrów. Z drugiej strony zasoby turbiny silnika wysokoprężnego są nieco dłuższe i wynoszą średnio 250 000 kilometrów. Przy dłuższej jeździe z dużą prędkością, a także przy złym doborze oleju, żywotność może ulec skróceniu dwu-, a nawet trzykrotnie.

W zależności od tego, jak turbina pracuje w silniku benzynowym lub wysokoprężnym, można ocenić wydajność. Sygnałem do sprawdzenia jest pojawienie się niebieskiego lub czarnego dymu, spadek mocy silnika, a także pojawienie się gwizdka i grzechotania. Aby uniknąć awarii, konieczna jest wymiana oleju, filtrów powietrza i regularna konserwacja na czas.