Rodzaje turbosprężarek

Rodzaje turbosprężarek

Twin, Bi, Single, Triple, Quadro, Hybrid - dużo mało zrozumiałych słów i pytań, no i co to w końcu jest? W tym artykule zapoznamy się z kadym rodzajem turbosprężarek które występują jak i w zabytkowych tak i nowoczesnych samochodach, jak działają, czym się różnią i gdzie występują.

Single Turbo

Najpopularniejszym rodzajem turbin samochodowych jest Single Turbo albo free floating. Nazywają go tak przez to że przepływ spalin nie jest sterowany. Jednostopniowa turbosprężarka jest podstawowym rodzajem doładowania stosowanym w silnikach benzynowych i wysokoprężnych. Działa na zasadzie wykorzystania energii gazów wydechowych do napędu wirnika turbiny, który następnie napędza wirnik sprężarki. Ciśnienie doładowania generowane przez turbosprężarkę jest ściśle związane z prędkością obrotową silnika oraz wielkością wirników. Jest to prosty i sprawdzony sposób doładowania, który umożliwia zwiększenie mocy silnika przy zachowaniu stosunkowo niskich kosztów produkcji i konserwacji. 

Single turbo sterowane zaworem wastegate lub zmienną geometrią. Są to bardziej zaawansowane technologicznie turbiny, które są bardziej elastyczne pod względem zmiany wydajności doładowania. One mają zastosowanie w silnikach benzynowych jak również i diesla. Na poniższym zdjęciu widzimy turbosprężarkę 887552-0001 od Garrett, zaprojektowaną dla samochodów Mercedes-Benz Sprinter z 3-litrowym silnikiem OM642DE30LA, która powstała od 2019 roku.

Twin Turbo

Podwójna turbosprężarka, znana również jako twin turbo, to zaawansowany system doładowania, składający się z dwóch równoległych turbosprężarek. Każda turbosprężarka ma własny wirnik turbiny i sprężarki, co pozwala na zoptymalizowanie pracy w różnych zakresach obrotów silnika. Twin turbo jest stosowane głównie w silnikach wysokoprężnych i benzynowych o dużych pojemnościach, gdzie jest potrzebna lepsza responsywność na niskich obrotach i wysoką moc na wyższych. Dzięki zastosowaniu dwóch turbosprężarek możliwe jest osiągnięcie większej mocy przy zachowaniu efektywności i wydajności silnika. Oto Twin-turbosprężarki BMTS 40008485+40008486, montowane w 6.0-litrowym silniku W12 Bentley Bentayga, z mocą 600 KM (447 kW) i były stosowane w modelach produkowanych od 2015 do 2019 roku.

Bi-turbo

Bi-turbo, to system doładowania oparty na dwóch turbosprężarkach jedna po drugiej. W tym wydaniu układ doładowania składa się z “małej” (niskiego ciśnienia) i “dużej” (wysokiego ciśnienia) turbosprężarek. Mniejsza turbina włącza się na niskich obrotach, gdyż potrzebuję mniej energii dla szybkiego startu. Po osiągnięciu zadanego ciśnienia doładowania lub obrotów zaczyna pompować duża turbina, która ma możliwość dostarczenia większej ilości powietrza. Wykorzystanie takiej technologii pozwala zachować małe spalanie (do 8l na 100 km) przy dużych mocach (ponad 200 KM). Jest stosowany głównie w silnikach wysokoprężnych, co pozwala na optymalne wykorzystanie energii gazów wydechowych. Każda turbosprężarka jest odpowiedzialna za doładowanie na pewnych obrotach. Dobrym przykładem jest system Bi-turbo 823559-0005+823540-0004, który został zastosowany w silnikach diesla w modelu Opel Astra K 1.6 CDTI od 2015 roku.

Triple lub Quad turbo

Jak wynika z nazwy, jest to trzy lub cztery turbosprężarki na silniku. Zasada działania jest bardzo podobna do układu bi-turbo z tym, że się stosuję sekwencyjnie 3 lub 4 turbiny. Daje to możliwość osiągnąć dużej mocy przy stosunkowo małym spalaniu. Lecz konstrukcja jest bardzo skomplikowana i droga w obsłudzę. Na dzień dzisiejszy tylko inżynerowie BMW mają zrealizowane podobne projekty. Przy czym marka zrezygnowała z układu quad turbo przez zbyt wysoką cenę produkcji i obsługi samochodów z tym typem turbodoładowanego silnika. Jednym z takich projektów danej marki był 3-litrowy silnik BMW N57S  Tri-Turbo, z bezpośrednim wtryskiem, który był ustawiony w samochodach BMW M550d, X5 M50d oraz X6 M50d.

Technologia hybrydowego doładowania

Jest to dość umowne określenie, gdyż często jest stosowane to również do przerobionych lub tuningowanych turbosprężarek. Z rozwojem elektromobilności elektryzują się również turbiny. W tej chwili istnieje na rynku 2 rozwiązania, które łączą już znaną nam technologie turbodoładowania oraz silników elektrycznych. 

Pierwszy rodzaj to kompressory elekrtyczne, które mają za zadania dać szybki boost dla rozkręcenia silnika do obrotów przy których turbiny już będą wydajne. Jako pierwsi zastosowali tą technologię w Audi 4.0TDI gdzie zestaw twin turbo był wspomagany kompresorem elektrycznym marki Valeo.

Drugi rodzaj to prawdziwy przełom na rynku - zastosowanie silnika elektrycznego w obudowie łożyskowań turbosprężarki. Dzięki takiej konstrukcji elektro napęd rozkręca sam wałek turbiny na niskich obrotach wykorzystując energię baterii. Natomiast po osiągnięciu wystarczającego ciśnienia gazów wydechowych, wałek jest napędzany energią spalin, która również ładuję baterie elektryczne.

Turbosprężarka hybrydowa

Jest to innowacyjne rozwiązanie stosowane w motorsporcie, które umożliwia zwiększenie mocy silnika poprzez modyfikację oryginalnej turbosprężarki lub jej wymianę na bardziej wydajną. Co daje taka turbosprężarka samochodu ? Głównym celem turbosprężarek hybrydowych jest zwiększenie wydajności bez konieczności znaczących zmian w układzie dolotowym i wydechowym. Dzięki większym podzespołom i zoptymalizowanej konstrukcji, turbosprężarki hybrydowe osiągają wyższe parametry pracy, co przekłada się na większą moc i moment obrotowy silnika. Przedstawiamy hybrydową turbosprężarkę na łożyskach kulkowych IS38 firmy IHI Turbo Systems, w której była modyfikowana obudowa kompresora, koło kompresji oraz wałek turbiny. Jest ona dedykowana do 2-litrowej Audi TTS quattro Roadster o mocy 228 kW, produkowanej w latach 2014-2019.

Co może być zrobione z turbosprężarką w celu zwiększenia jej skuteczności:

1. Optymalizacja mapy sterowania: Dopasowanie mapy wtrysku i sterowania turbosprężarką do nowych parametrów pracy, aby zapewnić optymalne osiągi przy zmienionych warunkach pracy silnika.

2. Modyfikacja sterowania: Zastosowanie zaawansowanego sterowania elektronicznego lub podciśnieniowego, aby lepiej kontrolować pracę turbosprężarki i zapewnić optymalne osiągi.

3. Zwiększenie przepływu powietrza: Poprzez usunięcie ograniczeń w układzie dolotowym i wydechowym oraz zastosowanie wydajniejszych filtrów powietrza i wydechów, można zwiększyć przepływ powietrza i gazów wydechowych, co przyczyni się do lepszej pracy turbosprężarki w samochodzie.

4. Wzmocnienie mechaniczne: W celu zwiększenia wytrzymałości można zastosować wzmocnione elementy, takie jak wałki, łożyska czy obudowy, aby zapobiec uszkodzeniom podczas zwiększonego doładowania.

Rodzaję kół kompresji

Rozwój technologiczny produkcji oraz regulacje emisji spalin przyczyniły się do ewolucji turbosprężarek. Z biegiem czasu turbosprężarki uległy znacznemu rozwojowi, co spowodowało zmiany w warunkach ich pracy. Obecnie, ruchome elementy obracają się szybciej niż kiedykolwiek wcześniej i są narażone na coraz wyższe temperatury. W odpowiedzi na te wyzwania, konstrukcje kół kompresji uległy znacznemu rozwojowi, aby sprostać zmieniającym się obciążeniom.

Typy kół kompresji turbosprężarki obejmują: koło kompresji standardowe, koło kompresji CNC oraz koło kompresji do tuningu.

Oto krótkie objaśnienie różnic i funkcji każdego rodzaju koła kompresji turbosprężarki:

1. Koło kompresji standardowe: Jest to podstawowy rodzaj koła kompresji, który jest stosowany w standardowych, fabrycznie produkowanych turbosprężarkach. Charakteryzuje się typowym kształtem i konstrukcją, zapewniając podstawową wydajność przyjmowaną przez producenta.

2. Koło kompresji CNC: Koła kompresji CNC (Computer Numerical Control) są wytwarzane przy użyciu precyzyjnych maszyn CNC, co umożliwia dokładniejsze wykonanie i optymalne dopasowanie kształtu łopatek. Koła kompresji CNC mogą poprawić przepływ powietrza i wydajność turbosprężarki, co prowadzi do zwiększonej mocy i momentu obrotowego silnika.

3. Koło kompresji do tuningu: Koła kompresji do tuningu są specjalnie zaprojektowane dla entuzjastów motoryzacji, którzy chcą uzyskać jeszcze większą moc i wydajność ze swojej turbosprężarki. Zwykle posiadają one bardziej agresywne kształty łopatek i są zoptymalizowane pod kątem maksymalnego przepływu powietrza. Te koła kompresji mogą być stosowane w modyfikowanych lub wysokowydajnych aplikacjach, zapewniając zwiększoną moc i responsywność silnika.

W skrócie, każdy rodzaj koła kompresji ma za zadanie zwiększyć wydajność turbosprężarki poprzez zoptymalizowanie przepływu powietrza. Koła kompresji CNC i do tuningu są szczególnie skoncentrowane na zapewnieniu lepszej wydajności w porównaniu do standardowych kół kompresji.

Turbosprężarki elektryczne

Elektryczna turbosprężarka, znana także jako e-turbo, wykorzystuje silnik elektryczny do napędu wirnika sprężarki. Dzięki temu eliminuje opóźnienia w dostarczaniu powietrza do silnika, poprawiając wydajność i reaktywność. Jest stosowana głównie w silnikach spalinowych, zapewniając maksymalną moc i moment obrotowy przy różnych prędkościach. Dodatkowo może być wykorzystywana do odzyskiwania energii z gazów wydechowych.

Elektryczne turbosprężarki znajdują zastosowanie przede wszystkim w silnikach spalinowych, szczególnie w pojazdach wyścigowych oraz samochodach wysokowydajnych, gdzie istotne jest uzyskanie maksymalnej mocy i momentu obrotowego przy różnych zakresach obrotów silnika. Dodatkowo, e-turbo może być wykorzystywane do odzyskiwania energii z odpadających gazów wydechowych poprzez regenerację energii elektrycznej. Na zdjęciu przedstawionym poniżej nowa elektryczna turbosprężarka 904398-0004 przeznaczona dla samochodów marki Mercedes-Benz AMG.