Jak to działa: sposoby na turbodziurę w wykonaniu Mazdy, Volvo i Audi

W turbodoładowanych silnikach zawsze był problem z efektem turbodziury. Oto jak dziś radzą sobie z nim producenci samochodów.

Turbodziura, czy turbo lag, to sytuacja, w której silnik nie potrafi rozpędzić wirnika turbosprężarki, albo utrzymać optymalnego poziomu jego obrotów. Dzieje się tak, gdy nie jest w stanie dostarczyć wystarczającej ilości spalin, a to ma miejsce np. gdy silnik pracuje w dolnym zakresie obrotów i gazy wydechowe wydostają się ze zbyt niskim ciśnieniem.

Dziś silniki bez turbosprężarki są na wyginięciu, więc właściwie każdy producent musi sobie poradzić z tym problemem. Oto trzy przykładowe rozwiązania:

Mazda – specjalne kanały wylotowe

Japończycy pokazali pełnię swoich możliwości przy okazji premiery silnika 2.5 montowanego w modelu CX-9. Zastosowano w nim trzy sposoby na uniknięcie turbodziury.

Pierwszy to skrócenie kolektora wydechowego – im krótsze będą kanały między silnikiem a turbosprężarką, tym mniejsze straty energii. To rozwiązanie stosowane przez wielu producentów, więc nie ma się co nad nim rozwodzić.

Drugi sposób to kolejność zapłonów, a właściwie efekt oczyszczania kolektora wydechowego, osiągnięty przez zastosowanie odpowiedniego kształtu tego elementu. Tłoki w cylindrach pracują w kolejności 1, 3, 4 i 2. W momencie otwarcia zaworu wydechowego w cylindrze 1 powstaje wysokie ciśnienie, które wypycha gazy w kanał kolektora. Ciśnienie to po chwili spada, tłok wypycha wszystkie gazy i zawór wydechowy zamyka się. Rozpędzone gazy z chwili otwarcia zaworu wydechowego w cylindrze 1. wpadają do kanału kolektora, który po chwili łączy się z kanałem cylindrów 2. i 3. Rozpędzone gazy wywołują efekt ssania, dzięki czemu wysysają pozostałości gazów z kanału cylindra 2. Potem to samo robią gazy z cylindra 3. z pozostałościami gazów z cylindra 1. itd. I znowu – taka kolejność pracy tłoków w Mazdzie nie jest czymś wyjątkowym. Stosowana jest w większości czterocylindrowych silników. Wyjątkowy jest kształt kolektora wydechowego.

Za to prawdziwie oryginalny w Mazdzie jest sposób trzeci, czyli wbudowane w kolektor wydechowy kanały wylotowe o różnej średnicy. Poniżej 1620 obr/min. czyli w strefie dolnych obrotów silnika, gdy gazy opuszczające komorę spalania nie są wypychane pod szczególnie wysokim ciśnieniem, przymyka się główny kanał wylotowy, a gazy kierowane są głównie przez dodatkowy, o mniejszej średnicy. Zmniejszenie średnicy powoduje zwiększenie ciśnienia i prędkości, z jaką gazy opuszczają kolektor, co ułatwia napędzanie wirnika turbosprężarki.

 

Audi stawia na silnik elektryczny

A właściwie silniczek, o mocy 7 kW, który napędza sprężarkę. Silnik ten może spełnić swoje zadanie dzięki dodatkowej, 48-voltowej instalacji elektrycznej. W chwili wciśnięcia pedału gazu oczekujesz momentalnej reakcji ze strony jednostki napędowej. Aby zapewnić odpowiednie ciśnienie gazów wylotowych gdy silnik pracuje na niskich obrotach, wspomniany silnik elektryczny w ciągu ćwierć sekundy od wciśnięcia pedału przyspieszenia rozpędza się do 70 000 obr/min zapewniając momentalne zwiększenie ciśnienia w układzie, co pozwala na napędzenie turbosprężarki. Pierwszej z dwóch, bo w wysokim zakresie obrotów do pracy przystępuje jeszcze druga turbosprężarka. Zasadę działania układu na przykładzie czterolitrowego TDI prezentuje poniższy film:

Przy okazji zatrzymajmy się na moment przy 48-voltowej instalacji. Standardowa, 12-voltowa nie miałaby szans na zasilenie silnika elektrycznego o mocy 7 kW. By osiągnąć moc 7 kW potrzeba określonego napięcia i natężenia prądu. Na więcej niż 140-150 amperów nie ma szans. Natężenie 145 amperów przemnożone przez napięcie 12V daje 1750 W, czyli 1,75 kW. To za mała moc by odpowiednio napędzić wspomniany silnik i w ten sposób zwiększyć ciśnienie gazów w kolektorze. Natomiast gdy 12V zamienimy na 48 uzyskujemy moc 7000 W, czyli 7 kW, albo inaczej ok. 9,5 KM.

Volvo – zbiornik ze sprężonym powietrzem

Szwedzi stwierdzili jakiś czas temu, że nie będą budować silników o pojemności większej niż 2 litry. Za to z tych ostatnich starają się wycisnąć jak najwięcej. Np. stosując technologię PowerPulse. Polega ona na tym, że do redukcji turbo dziury wykorzystano zbiornik na sprężone powietrze i sprężarkę elektryczną. Sprężarka zasysa powietrze z układu dolotowego i wtłacza do zbiornika. Gdy silnik pracuje w niskim zakresie obrotów, a kierowca wciśnie głębiej gaz, sprężone powietrze ze zbiornika służy do napędzenia wirnika mniejszej turbosprężarki, a ona napędza powietrze służące do rozpędzenia wirnika większej turbosprężarki by wygenerować wysokie ciśnienie doładowania.

Volvo twierdzi, że to rozwiązanie pozwala wycisnąć z silnika 2.0 osiągi porównywalne z tradycyjnymi jednostkami o pojemności trzech litrów.

Tak czy inaczej póki silniki spalinowe grają pierwsze skrzypce w sprzedaży na świecie, a normy czystości spalin są coraz bardziej wyśrubowane, możemy się spodziewać dalszego rozwoju turbodoładowanych jednostek. I nowych sposobów na pokonanie zjawiska turbodziury.