Budowa turbosprężarki – z czego składa się turbo i jak działa?

Dzięki wykorzystaniu energii spalin do dostarczania przez turbo większej ilości powietrza lub mieszanki do komory spalania, możliwe jest uzyskanie przez silnik z turbodoładowaniem znacznie większej mocy niż tej samej pojemności silnik wolnossący.

Z tego artykułu dowiesz się, z czego składa się turbosprężarka, jak działa i w jaki sposób wpływa na efektywność spalania paliwa.

Budowa turbosprężarki - ogólne informacje

Pod względem konstrukcyjnym turbosprężarka to precyzyjne urządzenie mechaniczne, którego głównym zadaniem jest dostarczanie do komory silnika spalinowego dodatkowego powietrza, zassanego bezpośrednio z otoczenia pojazdu. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie większej mocy i wyższego momentu obrotowego, co bezpośrednio przekłada się na osiągi silnika.

Każda turbosprężarka samochodowa ma dwie zasadnicze części: turbinę (tzw. część gorącą) i sprężarkę (tzw. część chłodną), połączone ze sobą na stałe sztywnym wałkiem i umieszczone w obudowach wykonanych z materiałów odpornych na ekstremalne warunki pracy turbosprężarki (m.in. wysokie temperatury i ciśnienie).

Z czego składa się turbosprężarka - szczegóły

Budowa turbosprężarki samochodowej może być nieco inna w zależności od rodzaju silnika (Diesla lub benzynowy) i jego pojemności, różne mogą być też rozwiązania techniczne stosowane przez poszczególnych producentów. Dlatego poniżej opisujemy jedynie ogólny schemat turbosprężarki i najważniejsze komponenty, wykorzystywane w praktycznie każdym turbo niezależnie od typu.

Części turbosprężarki - strona gorąca

Strona gorąca turbosprężarki to część mająca bezpośredni kontakt z gorącymi spalinami opuszczającymi silnik, a jej centralny element stanowi wirnik turbiny, połączony na stałe z wałkiem. Wirnik po stronie gorącej znajduje się w obudowie wykonanej zazwyczaj ze specjalnych stopów żeliwa, ponieważ. pracuje w ekstremalnie wymagających warunkach. Dlatego właśnie konieczne jest zastosowanie do obudowy turbiny i wirnika po stronie gorącej materiałów odpornych na bardzo wysokie temperatury, wysoką prędkość obrotową, zmienne obciążenia i korozyjne oddziaływanie gazów spalinowych.

Części turbosprężarki - strona zimna

Strona zimna turbosprężarki odpowiada za sprężanie zimnego powietrza (w silnikach Diesla) lub mieszanki paliwowo-powietrznej (w silnikach benzynowych) i dostarczanie danego czynnika roboczego do komory spalania. Podobnie jak w przypadku strony gorącej, także i sprężarka posiada własny wirnik (koło kompresji), wykonany z aluminium odpornego na odkształcenia i wysokie prędkości obrotowe.

Warto dodać, że dość często pomiędzy sprężarką a kolektorem dolotowym znajduje się intercooler, czyli chłodnica powietrza dolotowego. Nie jest ona jednak elementem turbosprężarki, a jedynie komponentem wspomagającym proces schładzania czynnika roboczego do pożądanej temperatury.

Części turbosprężarki - rdzeń CHRA

Wirnik turbiny i koło kompresji są połączone na stałe wspólnym wałkiem, tworząc zespół wirujący (tzw. koras lub rdzeń CHRA - Center Housing Rotating Assembly). Koras stanowi serce turbosprężarki i jest umieszczony w odrębnej obudowie, zawierającej również łożyskowanie (łożyska ślizgowe i oporowe), kanały olejowe oraz pierścienie uszczelniające.

Jak działa turbosprężarka?

Zasada działania turbosprężarki samochodowej jest bardzo prosta: gazy wylotowe (spaliny) z silnika są przy pomocy kolektora kierowane na wirnik turbiny, który obracając się napędza koło kompresji osadzone na tym samym wałku. Dzięki temu wirnik sprężarki efektywnie dostarcza większą ilość powietrza lub mieszanki do komory spalania w tej samej jednostce czasu, co umożliwia spalenie większej ilości paliwa i w ten sposób uzyskać większą moc. Co równie ważne, ponieważ spalanie jest dokładniejsze, redukcji ulega także ilość toksycznych substancji w emitowanych do atmosfery spalinach.

W tym kontekście warto podkreślić, że turbosprężarka praktycznie nigdy nie pracuje w pełnym zakresie obrotów silnika, a jedynie wtedy, gdy gwałtownie wzrasta zapotrzebowanie na moc - jak np. przy zmianie biegu czy przyspieszeniu. W niektórych przypadkach może to prowadzić do powstawania zjawiska tzw. turbodziury, czyli chwilowego braku wystarczającej mocy.

Aby zredukować występowanie turbodziury, stosowane są zarówno specyficzne rozwiązania techniczne (jak np. dwie turbosprężarki do jednego silnika, każda przeznaczona do innego zakresu obrotów), jak i układy sterujące wydajnością turbo. W przypadku układów sterujących powszechnie wykorzystywane są dwa rozwiązania:

• sterowanie ilością spalin przepływających przez turbinę przy użyciu zaworu obejściowego (zawór Wastegate), uruchamianego po przekroczeniu ściśle określonej wartości ciśnienia wytwarzanego przez sprężarkę.
• sterowanie geometrią przepływu spalin poprzez ustawianie wewnątrz turbosprężarki kąta kierownic kierujących spaliny na wirnik (tzw. turbosprężarka VNT lub VGT).

Brak precyzyjnej kontroli nad pracą turbosprężarki mógłby doprowadzić do niekontrolowanego wzrostu ciśnienia w układzie doładowania, a to z kolei skutkowałoby awarią zarówno turbosprężarki, jak i poważnym uszkodzeniem silnika.

W razie pytań zapraszamy do kontaktu - nasi specjaliści chętnie odpowiedzą na pytania i wyjaśnią wątpliwości.