Turbosprężarki były niegdyś domeną wyłącznie torów wyścigowych i samochodów egzotycznych. A teraz? Masz je w swoim codziennym samochodzie do dojazdów do pracy. Prawdziwym pytaniem nie jest już, ile koni mechanicznych dodaje turbosprężarka. Chodzi o efektywność. Nowoczesne turbosprężarki wydobywają więcej energii z silników o mniejszej pojemności skokowej. Zapewniają możliwość utrzymania dużych prędkości autostradowych przy jednoczesnym oszczędzaniu paliwa. Ta zmiana zmienia wszystko. Nie chodzi tylko o czystą moc. Chodzi o to, żeby zrobić więcej za mniej.
Mechanika doładowania
Turbosprężarka to układ doładowania. Działa poprzez sprężanie napływającego powietrza. Sprężone powietrze pozwala silnikowi pompować więcej tlenu do każdego cylindra. Więcej tlenu oznacza możliwość spalania większej ilości paliwa. Wynik? Mocniejsze eksplozje. Silniejsze wstrząsy tłokowe. Silnik z turbodoładowaniem jest lepszy od swojego wolnossącego odpowiednika o tej samej pojemności skokowej. Stosunek mocy do masy drastycznie wzrasta. 2,0-litrowy silnik może konkurować z mocą 4,0-litrowego silnika V8. Dlatego producenci zmniejszają rozmiary silników. Mniejsze silniki oznaczają mniej wyjazdów na stację benzynową.
Magia dzieje się w układzie wydechowym.
Układ zbiera gazy spalinowe. Gazy te obracają koło turbiny. Turbina połączona jest z kołem sprężarki poprzez wał centralny. Sprężarka wtłacza powietrze do kolektora dolotowego. Turbina obraca się z niesamowicie dużą prędkością. Mówimy o 80 000 – 200 000 obr/min. Pomyśl o tym. Silnik Twojego samochodu pracuje na biegu jałowym z prędkością 800 obr./min. Maksymalna prędkość (czerwona strefa) wynosi około 7000 obr./min. Turbosprężarka obraca się 30 razy szybciej. Ponadto działa w ekstremalnych temperaturach. Spaliny są gorące. Turbina przetrwa dzięki zastosowaniu łożysk ceramicznych lub zaawansowanych stopów. To subtelny, szybki taniec.
Turbosprężarki i trwałość silnika
Dodanie turbosprężarki powoduje obciążenie silnika. Zwiększa ciśnienie w cylindrach. Temperatury rosną. Blok cylindrów i głowica cylindrów muszą wytrzymać te obciążenia. Nowoczesne silniki są zbudowane solidniej. Używają wzmocnionych bloków. Mają najlepsze systemy chłodzenia. Bezpośredni wtrysk paliwa pomaga kontrolować proces spalania. Dzięki tym postępom silniki o mniejszej pojemności skokowej mogą obsługiwać turbodoładowanie. Nie eksplodują. Trwają długo. Kluczem jest właściwa konserwacja. Zmiany oleju są ważne. Wysokiej jakości olej syntetyczny pomaga łożyskom turbosprężarki. Okresy chłodzenia po intensywnej jeździe pomagają turbosprężarce. Zaniedbanie zabija turbosprężarki. Prędkość ich zabija. Turbo lag (turbo lag) to kolejny czynnik. Turbina potrzebuje przepływu gazów spalinowych, aby się rozkręcić. Przy niskich prędkościach turbosprężarka może nie pomóc. To powoduje opóźnienie. Nowoczesne turbosprężarki o zmiennej geometrii zmniejszają to opóźnienie. Regulują kąt ostrzy. Szybciej się rozkręcają. Rezultatem jest moc, kiedy jej potrzebujesz. I to nie tylko przy dużych prędkościach.
Efektywność paliwowa a wydajność
Dlaczego warto wybrać turbosprężarkę? Odpowiedź zależy od Twojego stylu jazdy. Jeśli holujesz ciężkie ładunki, dodatkowy moment obrotowy jest pomocny. Jeśli dojeżdżasz do pracy, wygrywa ekonomia. Mniejsze silniki zużywają mniej paliwa przy prędkościach podróżnych. Turbosprężarka włącza się tylko wtedy, gdy jest to potrzebne. Ta podwójna natura to supermoc turbosprężarki. Oferuje to, co najlepsze z obu światów. Otrzymujesz responsywne przyspieszenie. Otrzymujesz przyzwoity przebieg paliwa (mpg). To kompromis. Silnik wolnossący pracuje płynniej. Charakteryzuje się liniowym dostarczaniem mocy. Żadnych opóźnień. Nie ma niepotrzebnej komplikacji. Jednak silnik z turbodoładowaniem może wytwarzać znacznie większą moc w mniejszej obudowie. Debata trwa. Niektórzy puryści nienawidzą turbosprężarek. Twierdzą, że
Doładowanie to najtańsza moc, jaką można kupić. Jest to również najbardziej mylące ulepszenie. Chcesz więcej mocy? Potrzebujesz więcej powietrza. Prosta fizyka. Można wywiercić cylindry, dodać cały nowy zespół cylindrów lub zainstalować turbinę na istniejącej konstrukcji. Ta druga opcja wygrywa dla większości entuzjastów, którzy nie chcą budować silnika od zera.
Ile faktycznie dodaje turbosprężarka?
Przejdźmy bez zbędnych ceregieli. Podstawowy silnik na poziomie morza zużywa powietrze pod ciśnieniem 14,7 psi. To jest ciśnienie atmosferyczne. To jest poziom podstawowy. Instalując turbosprężarkę, wtłaczasz więcej powietrza do cylindrów.
Typowe poziomy doładowania wynoszą od 6 do 8 psi. Wykonaj obliczenia samodzielnie. Dodaj to do istniejącego 14,7 psi, a otrzymasz całkowite ciśnienie około 20-23 psi. Jest to prawie o 50% gęstsze niż powietrze. W idealnym świecie 50% więcej powietrza oznacza 50% więcej mocy.
Ale świat nie jest idealny.
Termodynamika jest okrutna. Turbiny nie są w 100% sprawne. Ciepło zabija moc. Tarcie zabija moc. Turbina wirująca w strumieniu gorących spalin nie dostarcza darmowej energii; obracanie go wymaga pracy. To powoduje powstanie ciśnienia wstecznego. Podczas suwu wydechu tłok musi zmagać się ze sprężonym gazem opuszczającym cylinder. To rodzaj podatku. Mały, ale istnieje.
Jaka jest zatem prawdziwa liczba? Należy spodziewać się wzrostu o 30-40%.
Jeśli Twój podstawowy silnik wytwarza 200 koni mechanicznych, odpowiednio dostrojona turbosprężarka może zwiększyć tę moc do 240-280 koni mechanicznych. Nie dwa razy. Nawet nie blisko. Ale wzrost jest zauważalny. To namacalne. To wystarczy, aby codzienne dojazdy do pracy stały się odrobinę mniej nudne.
Turbina kontra sprężarka
Magia dzieje się na jednym wale. Dwa koła. Jedna oś.
Kolektor wydechowy dostarcza gorący, szybki gaz do turbiny. To jest strona wydechowa. Gaz uderza w łopatki turbiny, powodując obrót koła. Szybszy przepływ spalin oznacza wyższe obroty. Tylko.
Wał ten jest podłączony do sprężarki po stronie wlotowej. Koło to znajduje się pomiędzy filtrem powietrza a kolektorem dolotowym. To jest pompa odśrodkowa. Zasysa powietrze do środka i wyrzuca je na zewnątrz pod wpływem siły odśrodkowej. Następnie następuje sprężone powietrze.
Wynik? Gęste powietrze. Więcej tlenu. Można spalić więcej paliwa. Więcej eksplozji na minutę. Większy moment obrotowy na kołach.
Dlaczego Twój rozwój nie jest liniowy
Można by pomyśleć, że doładowanie o 10 psi zawsze zapewni taki sam przyrost mocy. To jest błędne.
Architektura silnika ma znaczenie. Czterocylindrowy silnik o pojemności 2,0 litra reaguje inaczej niż 5,0-litrowy silnik V8. Rozmiar turbiny ma znaczenie. Mała turbina szybko się rozkręca, ale przy dużych prędkościach dławi się. Duża turbosprężarka wytwarza ogromną moc w górnym zakresie obrotów, ale ma opóźnienie (turbo lag), dopóki kogoś nie wyprzedzisz. Ustawienie ma znaczenie. Czas zapłonu, mieszanka paliwowa i wydajność chłodnicy międzystopniowej decydują o tym, jaka część tego potencjału jest faktycznie przenoszona na drogę.
„Turbosprężarki pozwalają silnikowi spalić więcej paliwa i powietrza, ładując więcej mieszanki do istniejących cylindrów”.
Ale nieefektywność nie dotyczy tylko ciepła. Jest to związane z ograniczeniem przepływu. Turbina znajduje się na drodze spalin. Jest to filtr z wentylatorem w środku. Ogranicza przepływ. Silnik musi pracować ciężej, aby wypchnąć spaliny. To jest to samo ciśnienie wsteczne, o którym mówiliśmy. Odbiera moc cylindrom wykonującym skok. Korzyści wynikają ze sprężania powietrza dolotowego. Tracisz ograniczając przepływ spalin. Wynik netto to optymalny zakres 30-40%.
Projekt i rozmieszczenie
Turbosprężarka jest montowana bezpośrednio do kolektora wydechowego. Nie jest to akcesorium, które można po prostu przykręcić do ramy. Jest on zintegrowany z cyklem oddychania silnika.
Spójrz na [IMG:0]
Przyspieszenie wału do 200 000 obr./min spowoduje zniszczenie standardowych podzespołów. Większość łożysk dosłownie eksploduje pod takim obciążeniem. Właśnie dlatego w turbosprężarkach zastosowano technologię łożysk płynnych lub hydrodynamicznych. Zamiast tarcia metal o metal, wał obraca się, unosząc się na cienkiej warstwie oleju pod ciśnieniem.
Ten projekt spełnia dwie krytyczne funkcje. Po pierwsze, utrzymuje niskie tarcie, umożliwiając swobodne obracanie się wału. Po drugie, działa jak radiator, usuwając energię cieplną z wału i innych gorących elementów. Bez stałego obiegu oleju turbosprężarka w ciągu kilku sekund stopiłaby się w solidny kawałek stali.
Istnieje jednak ograniczenie, jakie ciśnienie doładowania można bezpiecznie zastosować. Turbosprężarka wtłacza powietrze do cylindrów. Tłok następnie dalej spręża to powietrze. Większa kompresja oznacza wyższe temperatury. Gdy powietrze wystarczająco się nagrzeje, może zapalić mieszankę paliwową, zanim świeca zapłonowa zapali się.
Nazywa się to detonacją.
Detonacja jest destrukcyjna. Dzieje się tak na skutek ogrzewania sprężonego powietrza. Jeżeli temperatura przekroczy punkt samozapłonu paliwa, następuje niekontrolowane spalanie. Brzmi to jak metaliczne pukanie w układzie wydechowym, ale przypomina uderzenie młotka w blok cylindrów.
Aby przeciwdziałać temu zjawisku, pojazdy z turbodoładowaniem często wymagają stosowania paliwa wysokooktanowego. Wysoka liczba oktanowa zapobiega przedwczesnemu zapłonowi. Jeśli ciśnienie doładowania stanie się zbyt agresywne, inżynierowie będą musieli obniżyć stopień sprężania silnika. To ostry kompromis. Poświęcasz część wydajności przy niskich obrotach, aby zapobiec zniszczeniu silnika pod dużym obciążeniem.
Wiele systemów wykorzystuje chłodnicę międzystopniową, aby rozwiązać część problemu przegrzania. Urządzenie to znajduje się pomiędzy turbosprężarką a cylindrami silnika. Chłodzi sprężone powietrze przed jego wejściem do komory spalania. Zimniejsze powietrze jest gęstsze. Zmniejsza to również ryzyko detonacji.
Konstrukcja turbosprężarki w dużej mierze opiera się na zarządzaniu tymi kompromisami. W następnej sekcji szczegółowo opisano konkretne szczegóły, które to umożliwiają.
Części turbosprężarki
Rozwiązanie problemu zależności od turbosprężarki i kontroli doładowania
Zależność od turbo (turbo opóźnienie) jest „piętą achillesową” systemów z wymuszonym doprowadzeniem. Wciskasz pedał. Nic się nie dzieje. I nagle samochód nagle wpycha cię w tył.
Opóźnienie występuje, ponieważ gazy spalinowe potrzebują czasu, aby fizycznie rozkręcić turbinę do prędkości roboczej. Nabranie rozpędu wymaga czasu. W tym krótkim czasie po prostu jeździsz samochodem wolnossącym.
Producenci używają wastegate do kontrolowania tego procesu. To jest zawór nadmiarowy ciśnienia. Bezpośrednio monitoruje ciśnienie doładowania. Jeśli turbina obraca się zbyt szybko, otwiera się zawór bezpieczeństwa. Gazy spalinowe omijają łopatki turbiny. Turbina zwalnia. Zapobiega to nadmiernemu doładowaniu i chroni silnik.
Mała turbina obraca się szybciej. Zmniejsza to zależność od turbo. Ale ogranicza moc przy wysokich obrotach. Zawór nadmiarowy ciśnienia umożliwia wykorzystanie małej turbiny do szybkiej reakcji i uwolnienia nadmiaru gazów spalinowych, aby zapobiec zniszczeniu.
Precyzyjne łożyska zapewniające większe przyspieszenie
Łożyska płynne są standardem. Olej amortyzuje wał. Ale olej stwarza opór.
W turbinach wysokiej klasy zastosowano łożyska kulkowe. To nie są przeciętne części sklepu z narzędziami. Są to konstrukcje hybrydowe wykonane z ceramiki i stali. Są produkowane z mikronową precyzją. Wytrzymują ekstremalne temperatury i prędkości.
Mniejsze tarcie oznacza mniejszą bezwładność. Wał obraca się szybciej. Turbina przyspiesza szybciej. Zmniejszona jest zależność od Turbo.
Niektórzy producenci stosują również lżejszy wał. Mniejsza masa oznacza, że do przyspieszenia węzła potrzeba mniej energii. Rezultatem jest turbosprężarka, która reaguje niemal natychmiast na pedał przyspieszenia.
Podwójne turbosprężarki zapewniające szeroki zakres momentu obrotowego
Jedna turbina to kompromis. Jest albo szybki, ale mały, albo wolny, ale duży.
Podwójna turbosprężarka rozwiązuje ten problem. Instalujesz dwie jednostki o różnych rozmiarach. Mała turbina pracuje przy niskich prędkościach. Ona szybko nabiera tempa. Otrzymujesz natychmiastową reakcję na pedał przyspieszenia. Bez zależności od turbo.
Wraz ze wzrostem obrotów mała turbosprężarka osiąga swój limit. Włącza się duża turbina. Zapewnia ogromny przepływ powietrza. Silnik utrzymuje moc przy dużych prędkościach.
To ustawienie symuluje krzywą mocy większego silnika. To sprawia wrażenie liniowego. To uczucie mocy. Wypełnia lukę pomiędzy niskim momentem obrotowym a wysoką mocą.
Chłodnice międzystopniowe: gęstość powietrza jest ważniejsza niż ciśnienie
Kompresja wytwarza ciepło. Gorące powietrze rozszerza się. Staje się mniej gęsty.
Turbosprężarka spręża powietrze, aby wtłoczyć więcej cząsteczek do cylindra. Ale jeśli to powietrze jest gorące, rozszerza się. Możesz mieć 7 psi. Ale jeśli jest gorąco, zawiera mniej cząsteczek tlenu niż chłodniejsze powietrze o tym samym ciśnieniu.
Moc zależy od tlenu. Więcej tlenu oznacza, że można spalić więcej paliwa. Większe spalanie oznacza większą moc.
Chłodnica międzystopniowa lub chłodnica doładowania rozwiązuje problem ogrzewania. Wygląda jak grzejnik. Powietrze przepływa przez uszczelnione kanały wewnętrzne. Powietrze zewnętrzne przepływa przez żebra za pomocą wentylatora.
Intercooler obniża temperaturę sprężonego powietrza. Zimniejsze powietrze jest gęstsze. Przy ciśnieniu 7 psi powietrze przechodzące przez chłodnicę międzystopniową zawiera znacznie więcej cząsteczek tlenu niż gorące powietrze. Silnik efektywniej spala paliwo. Moc wzrasta. Detonacja jest zmniejszona.
Wydajność na dużych wysokościach
W górach powietrze jest rozrzedzone. Silnik atmosferyczny traci moc na dużych wysokościach. Mniej cząsteczek tlenu dostaje się do cylindra. Silnik „dławi się”.
Turbosprężarka to rekompensuje. Spręża rozrzedzone powietrze. Wtłacza gęstszą mieszankę do cylindra.
Utrata mocy nie znika całkowicie. Ale sytuacja staje się znacznie mniej poważna. Turbina utrzymuje ciśnienie w kolektorze dolotowym. Silnik „oddycha”. Działa bliżej poziomu morza.
Zarządzanie paliwem i strojenie
Nowoczesne silniki wykorzystują czujniki tlenu w układzie wydechowym. Kontrolują stosunek powietrza do paliwa.
Po zainstalowaniu turbosprężarki do silnika dostaje się więcej powietrza. Wykrywa to ECU (elektroniczna jednostka sterująca). Automatycznie dodaje paliwo. Utrzymuje to prawidłowy stosunek stechiometryczny.
Istnieją jednak granice.
Jeśli zainstalujesz turbosprężarkę o nadmiernym potencjale doładowania, podstawowy układ paliwowy może nie być w stanie sobie z tym poradzić. Pompa paliwa może nie dostarczać wystarczającej ilości paliwa. Wtryskiwacze mogą pracować z maksymalną wydajnością. Oprogramowanie ECU może również ograniczyć dopływ paliwa, aby chronić silnik.
W takich przypadkach standardowe komponenty nie wystarczą. Potrzebujesz większych wtryskiwaczy. Pompa paliwa o wysokiej wydajności. ECU miga.
Bez tych ulepszeń silnik pracuje ubogo. To się przegrzewa. Następuje detonacja. To się nie udaje.
Często zadawane pytania: mity i fakty na temat turbosprężarek
Jaka jest różnica między turbosprężarką a doładowaniem?
Doładowania napędzane są mechanicznie z wału korbowego za pomocą paska. Pobierają moc bezpośrednio z silnika. Turbosprężarki wykorzystują energię ze gazów spalinowych. Technicznie rzecz biorąc, są one rodzajem doładowania, ale działają niezależnie, wykorzystując ciepło odpadowe.
Ile mocy dodaje turbosprężarka?
Prawidłowo zamontowana turbosprężarka może zwiększyć moc o 30-40%. W przypadku zwykłego sedana oznacza to dodatkowe 70–150 koni mechanicznych. Zależy to od wielkości silnika i charakterystyki turbiny.
Czy turbosprężarka jest szkodliwa dla silnika?
Nie na własną rękę. Ale to zwiększa obciążenie. Kompresja zwiększa temperaturę. Wysokie temperatury mogą spowodować przedwczesny zapłon lub detonację. Jeśli układ chłodzenia lub stopień sprężania nie jest kontrolowany, powoduje to uszkodzenie silnika. Właściwe strojenie i chłodzenie zmniejszają to ryzyko.
Która marka turbosprężarek jest najlepsza?
Nie ma jednej najlepszej marki. Garrett, BorgWarner i Honeywell to główni dostawcy dla producentów samochodów (OEM). Popularne marki tuningowe to Precision Turbo i linia S200 firmy BorgWarner. Sprawdź konkretną platformę silnika. Skontaktuj się ze specjalistą.
Ile kosztuje turbosprężarka?
Ceny różnią się w zależności od pojazdu. W przypadku małych samochodów są tańsze. W przypadku ciężarówek jest drożej. Turbiny na rynku wtórnym kosztują od 1500 do 7500 dolarów. Cena ta często dotyczy tylko samej części. Prace instalacyjne i konfiguracyjne zwiększą koszty o tysiące dolarów.
