Technika

Turbosprężarka - daje moc, ale jakie ma wady?

Inżynierowie doskonale wiedzą jak sprawić by silnik stał się mocniejszy i oszczędniejszy jednocześnie. Remedium jest dostarczenie większej ilości powietrza do cylindra. A jak zrobić to najprościej? Odpowiedzią na to pytanie w nurcie popularnym motoryzacji w latach dziewięćdziesiątych stała się turbosprężarka. Zobaczcie kompendium wiedzy na jej temat.

shutterstock_205799716-2.jpg

Choć szczególną popularyzację doładowania można datować na dwie dekady wstecz, rozwiązanie jest dużo starsze. Pierwszy mechaniczny sposób napędzania powietrza napływającego do cylindrów za pomocą gazów wydechowych stworzył w roku 1905 Alfred Buchi. Szwajcarski inżynier był w tamtym czasie szefem działu rozwoju silników wysokoprężnych w firmie Sulzer. Twórca w pierwszej kolejności uzyskał patent. Wdrożenie wynalazku do pierwszej jednostki napędowej zajęło mu kolejne 20 lat. Efekt był jednak więcej niż zadowalający. Wzrost mocy sięgnął bowiem 40 proc.

Turbosprężarka okazała się cudownym wynalazkiem. Niestety jeszcze przez lata nie była pisana motoryzacji... Początkowo znalazła zastosowanie przede wszystkim w konstrukcji silników wykorzystywanych do budowy statków i samolotów. Sytuacja uległa zmianie dopiero na początku lat sześćdziesiątych. I to też nie w Europie, a Stanach Zjednoczonych. Na listę pierwszych samochodów korzystających z doładowania wpisać należy dwie konstrukcje - Chevroleta Corvair Monza i Oldsmobile Jetfire. Druga z konstrukcji otrzymała motor o niesamowicie brzmiącej nazwie Turbo Rocket V-8.

Kiedy nastąpiła ekspansja turbosprężarki w Europie? Tak naprawdę dopiero w roku 1973. Doładowanie stało się częścią modelu BMW 2002 Turbo i przyniosło więcej niż zadowalający skutek. Moc 2-litrowego silnika benzynowego wzrosła do 170 koni mechanicznych, co pozwoliło na skrócenie czasu sprintu do pierwszej setki z 9,5 do 6,9 sek. Turbosprężarka po raz pierwszy zawitała do konstrukcji silnika wysokoprężnego w aucie osobowym w roku 1978. Był to model 300 SD Turbodiesel o mocy 125 koni mechanicznych. Co ciekawe, Mercedes najpierw zadebiutowało w Stanach Zjednoczonych i dopiero zawitał na Stary Kontynent.

Turbosprężarka - budowa gwarantuje prosty sposób generowania mocy

Turbosprężarka to nic innego jak dwa wirniki obracające się na jednym wale. Turbina pracuje w otoczeniu gazów wydechowych, sprężarka napędza powietrze w układzie dolotowym. Prędkość obrotowa w dużej mierze jest regulowana przez zapotrzebowanie silnika na moc. Gdy kierowca wciska pedał gazu, motor zaczyna generować większą ilość spalin. Ich ciśnienie napędza jeden z wirników, a jego ruchy przenoszą się na drugi. W ten sposób do komory spalania trafia większa ilość powietrza, dzięki czemu rosną możliwości jednostki, a sama mieszanka paliwowa jest spalana w sposób bardziej pełny.

Oczywiście poza dwoma wirnikami i wałem na turbosprężarkę składa się jeszcze szereg innych elementów. Warto w tym momencie wspomnieć chociażby o niezwykle ważnym łożysku ślizgowym, łożysku oporowym, pierścieniach uszczelniających, kanałach olejowych oraz kadłubie turbiny, sprężarki i środkowym.

Aby dokładnie omówić konstrukcję i zasadę działania turbosprężarki, trzeba wspomnieć o jeszcze trzech aspektach. Pierwszym jest konieczność sterowania ciśnieniem doładowania. Gdy zbyt duża ilość powietrza mogłaby zostać wtłoczona do komory spalania, włącza się ogranicznik ciśnienia spalin. W prostszych systemach przyjmuje on formę zaworu obejściowego. Ten po uruchomieniu przepuszcza część gazów wydechowych poza kanałami turbiny. W bardziej zaawansowanych układach - które dominują dziś - stosowana jest zmienna geometria łopatek. W tym przypadku ograniczany jest przepływ spalin - poprzez skierowanie gazów wydechowych pod większym kątem i zwiększenie kanału przepływowego.

Drugi z aspektów dotyczy warunków pracy turbosprężarki. Podczas mocnego obciążenia silnika turbo potrafi pracować z prędkością dochodzącą do 250 tys. obrotów na minutę. Co więcej, może panować w nim temperatura dochodząca do 1000 stopni Celsjusza. A temperatura niestety jest śmiertelnym wrogiem sprawnie przeprowadzanego procesu spalania. Ciepłe powietrze napływające do komory spalania m.in. powoduje powstanie większej ilości tlenków azotu w gazach wydechowych. Inżynierowie wpadli jednak na ciekawy pomysł. Postanowili obniżać temperaturę powietrza za sprawą intercoolera.

Turbosprężarka - zasada działania zakłada efekt turbodziury

Trzecim aspektem jest największa wada turbodoładowania, a mianowicie efekt turbodziury. To moment, który jest potrzebny na to, aby pęd spalin rozpędził wirnik sprężarki. W tym czasie notowany jest zdecydowany spadek możliwości silnika, a reakcja na wciśnięcie pedału gazu przestaje być płynna czy natychmiastowa. Oczywiście producenci starają się minimalizować ten efekt. W tym celu stosowanych jest kilka rozwiązań. Volkswagen swojego czasu upodobał sobie kompresor, który przy niskiej prędkości obrotowej pełnił rolę mechanicznego boostera. Marki premium stawiały np. na montaż dodatkowej, mniejszej turbosprężarki.

Skutków działania turbosprężarki jest kilka. Pierwszym i jednym z ważniejszych jest większa moc. To doładowaniu w sporej mierze diesle budowane w latach dziewięćdziesiątych zawdzięczały dobre osiągi. Przykład? Wolnossący motor 1,9 SDI rozwija 68 koni mechanicznych. Doładowane odpowiedniki 1,9 TDI były w stanie spokojnie podwoić tą wartość. Większa ilość powietrza w komorze spalania to jednak także pełniejsze spalenie mieszanki paliwowej - o czym wspominaliśmy już. To z kolej przekłada się nie tylko na mniejszą toksyczność spalin, ale także niższe spalanie.

Pierwsze turbosprężarki były montowane pojedynczo. Inżynierowie w miarę popularyzacji rozwiązania na rynku motoryzacyjnym uznali jednak, że zwiększenie ilości sprężarek jest jak najbardziej korzystne. Stąd zaczęli tworzyć układy podwójnego doładowania. W systemie typu BiTurbo stosowane są dwie turbosprężarki pracujące jednocześnie. W przypadku rozwiązania TwinTurbo inżynierowie stosują mniejszą i większą turbosprężarkę. Pierwsza uruchamia się na niskich obrotach. Większa na wysokich. W ten sposób motor jest "pełniej" doładowany w całym zakresie prędkości obrotowej.

Turbosprężarka elektryczna - nowy pomysł producentów premium!

Systemy podwójnego doładowania oczywiście zadebiutowały w samochodach marek premium. I gdy dziś rozwiązanie zaczęto stosować nawet w silnikach o pojemności 1,6 litra oraz markach popularnych, firmy luksusowe zaczęły promować kolejny trend. A jest nim elektryczna turbosprężarka. E-turbo polega na tym, że wirnik napędzający powietrze wtłaczane do tłoków jest obracany za sprawą silnika elektrycznego. Krótki czas reakcji pozwala na zwiększenie możliwości jednostki napędowej i wyeliminowanie efektu turbodziury.

Turbosprężarka pracuje w ekstremalnych warunkach. A to oznacza, że utrzymanie jej przez maksymalnie długi czas w dobrej kondycji wymaga od kierowcy nieco uwagi. Absolutną podstawą jest regularna wymiana oleju w silniku! Właściwe parametry smarowidła są kluczowe, bowiem smarują i chłodzą także elementy doładowania. Poza tym, dogmatem serwisowym powinna się stać regularna wymiana filtra powietrza. Osadnik musi być sprawny. W przeciwnym razie albo ograniczy przepływ powietrza do silnika, albo zacznie wpuszczać zanieczyszczenia. A nawet ziarenko piasku trafiające na wirnik pędzący z prędkością 250 tys. obrotów na minutę jest w stanie wyszczerbić jego łopatki.

Kluczowe są też zasady, o których kierowca powinien pamiętać w czasie jazdy. Po pierwsze nie należy gasić silnika bezpośrednio po mocnym obciążeniu - np. po zjechaniu z autostrady na stację. To powoduje, że ustaje krążenie oleju, a w tym chłodzenie turbo. W efekcie pod obudową uwięziona zostaje temperatura 1000 stopni Celsjusza, która może zniszczyć chociażby łożyska i doprowadzić do zwęglenia oleju. Poza tym po porannym rozruchu warto dać czas sprężarce na rozpoczęcie pełnego smarowania - unikając przez pierwszych kilka minut jazdy wkręcania silnika na obroty.

Dość rzadko mówi się o tym, że wpływ na stan turbosprężarki mają też inne elementy silnika – np. wtryskiwacze. Jeżeli te w wyniku uszkodzenia będą podawały do diesla zbyt dużą ilość paliwa, spaliny zaczną zawierać dużą ilość sadzy. A ta osiądzie nie tylko w filtrze cząstek stałych, ale najpierw na wirniku turbosprężarki i łopatkach zmiennej geometrii.

Turbosprężarka - regeneracja prostym i całkiem tanim sposobem naprawy

Jeżeli o uszkodzeniach doładowania już mowa, turbosprężarka według inżynierów powinna być przeliczona na całe życie silnika. Dziś żaden z kierowców nie ma jednak nawet najmniejszego zamiaru udawać, że tak właśnie jest. Uszkodzenia mechanizmu się zdarzają i stanowią normę zazwyczaj po pokonaniu 300 - 350 tys. km. Oczywiście awarie mogą pojawić się także wcześniej. W takim przypadku są jednak na ogół prowokowane przez dwa czynniki.

Szybsze zużycie turbosprężarki może być spowodowane zaniedbaniami eksploatacyjnymi. Wyszczerbienia łopatek powodują zignorowane nieszczelności w układzie dolotowym, podczas gdy zapiekanie się łożysk przedwczesne gaszenie motoru po obciążeniu. Po drugie moment pojawienia się awarii przyspieszają czasami błędy popełnione przez producentów. Dla przykładu w silniku 1,6 HDI dość szybko mogą się zatkać przewody olejowe prowadzące smarowidło do mechanizmu. W takim przypadku sprężarka pracuje "na sucho", co doprowadza do szybkiego zatarcia.

Jakie są najczęstsze uszkodzenia turbosprężarek? Przede wszystkim może dojść do zatarcia łożysk. Poza tym znane są przypadki wyginania lub wyłamania łopatek w wirnikach, uszkodzenia systemu zmiennej geometrii łopatek, korozji zaworu podciśnienia czy wypalenia uszczelniaczy. Podstawowym i najczęściej spotykanym sposobem naprawy uszkodzeń układu doładowania jest regeneracja. W warsztacie mechanizm jest wymontowywany i rozkręcany na części pierwsze. Następnie newralgiczne elementy w postaci wału, wirników, łożysk czy uszczelek są wymieniane na nowe, a turbosprężarka może być zamontowana na nowo.

W sieci nietrudno znaleźć oferty regeneracji turbosprężarek za kwotę wynoszącą już 300 - 400 zł. To jednak kwota przesadnie niska, która powinna wzbudzić nieufność kierowcy. Za fachowo wykonaną naprawę trzeba zapłacić średnio 100 - 200 zł więcej. I to też głównie w przypadku systemów najprostszych i usługi realizowanej w mniejszym mieście. Układ podwójnego doładowania czy wyposażony w zmienną geometrię łopatek potrafi wywindować cenę usług nawet do 1500 zł. To jednak i tak promocja. Turbosprężarka nowa jest sporo droższa. Dla przykładu nowy mechanizm do Skody Octavii II wyposażonej w motor 1,9 TDI kosztuje 2095 złotych, do Mercedesa klasy A w wersji 180 CDI blisko 3500 złotych, a Jaguara X-Type wyposażonego w jednostkę wysokoprężną 2,2 litra 4333 złote.

Turbosprężarka: cena naprawy tylko jednym z kryteriów

Zanim kierowca po wyborze sposobu naprawy układu doładowania ogłosi sukces, powinien zdać sobie sprawę z jeszcze kilku rzeczy. Po pierwsze musi bezwzględnie korzystać z usług fachowego i renomowanego warsztatu (warsztaty z opiniami kierowców nzajdziesz na tej stronie). Tylko w takim przypadku będzie miał zagwarantowaną właściwą jakość naprawy i pewność, że przyniesie ona zamierzony skutek. Niesprawdzony warsztat może np. nieprawidłowo ustawić geometrię łopatek w kanale wydechowym czy zatrzeć turbosprężarkę podczas pierwszego uruchomienia (należy zadbać o zainicjowanie prawidłowego smarowania elementów - mechanizm nie może zacząć pracować bez oleju).

Po drugie przed naprawą turbosprężarki warto zadać sobie pytanie, co spowodowało jej uszkodzenie. Jeżeli naturalne zużycie lub zbyt wczesne gaszenie, sytuacja jest dość oczywista. Gdy jednak problemy ze smarowaniem lub nieszczelność układu dolotowego, naprawa stanie się działaniem doraźnym, ale nie skutecznym. Aby problem nie powrócił dość szybko, należy najpierw usunąć przyczynę jego powstania.

W erze downsizingu ciężko wyobrazić sobie silnik bez turbosprężarki. Mechanizm na stałe wpisał się w kanony motoryzacyjne rynku światowego, a to oznacza że kierowcy powinni być świadomi jakie są jego wady i zalety. Zasadnicze pytanie brzmi: czy należy się bać awaryjności turbo? Nie do końca. Szczególnie że ta w dużej mierze zależy od zachowań eksploatacyjnych kierowcy. Wiedza o kilku kluczowych zasadach sprawi, że trwałość mechanizmu wydłuży się na lata.

Artykuły powiązane