Układy doładowania - jak działają, co się w nich psuje?

Wracając do turbin i kompresorów – kiedyś doładowane silniki to było coś. Stosowano je zazwyczaj wyłącznie w droższych lub sportowych modelach samochodów. Częściej w dieslach, ale zdarzało się, że i w topowych jednostkach benzynowych. Co zatem się stało, że dziś, mniej więcej 30 lat później, doładowane silniki stanowią większość, a jednostki bez doładowania – czyli wolnossące – są już praktycznie na wymarciu? Tym właśnie zajmiemy się w niniejszym materiale. Odpowiemy na pytania najczęściej zadawane w kontekście układów doładowania i podpowiemy, jak dbać o silniki tego typu, by uchronić się przed niepotrzebnymi wydatkami.

Co daje doładowanie? Po co się je stosuje?

Mówiąc językiem techniczno-naukowym, chodzi o to, żeby wprowadzić dodatkowy ładunek do cylindrów. Ów większy ładunek z kolei to nic innego, jak sprężone powietrze, dzięki któremu silnik może efektywniej spalić dostarczone paliwo i ma wyższą sprawność. Innymi słowy: dzięki doładowaniu rosną moc i moment obrotowy, a siłą rzeczy – zazwyczaj też osiągi. Do niedawna stosowano głównie dwa rodzaje doładowania: za pomocą turbosprężarki napędzanej gazami wydechowymi oraz poprzez kompresor, napędzany przeważnie z wału korbowego silnika. To drugie rozwiązanie nigdy nie zyskało dużej popularności ze względu m.in. na stosunkowo wysokie koszty produkcji oraz straty generowane przez kompresor (obciąża silnik!). Ostatnio pojawiają się np. sprężarki z wirnikiem napędzanym elektrycznie – zasilanie pochodzi zwykle z dodatkowej instalacji 48 V. To rozwiązanie ma łączyć w sobie najlepsze cechy turbosprężarek oraz kompresorów.

Skąd taka popularność doładowanych silników? Czynników jest wiele, a najważniejsze z nich to: normy emisji (motor z doładowaniem łatwiej zestroić w ten sposób, żeby w warunkach laboratoryjnych był „czystszy” niż wolnossący!), lepsze osiągi i wysoki moment dostępny już od niskich obrotów, co ma bezpośrednie przełożenie na wygodę użytkowania silnika na co dzień. Uwaga: turbodoładowanie w dieslach stosuje się od dawna – żeby z jednostki z zapłonem samoczynnym wycisnąć satysfakcjonujące parametry mocy i momentu, należałoby stosować ogromne pojemności skokowe. A ponieważ w osobówkach jest to raczej trudne do wykonania, to już od wielu lat praktycznie każdy motor wysokoprężny jest wyposażony w turbodoładowanie. Z kolei w benzyniakach o powszechnym zastosowaniu doładowania przesądziły – przynajmniej po części – wspomniane normy czystości spalin i pogoń za jak najniższym katalogowym zużyciem paliwa. Celowo piszemy o katalogowym spalaniu, gdyż w praktyce mały silnik turbobenzynowy, gdy ktoś zechce uzyskać z niego dobre osiągi, będzie musiał swoje spalić. Zgodnie z zasadą, że... „turbo żyje, turbo pije”.

Czym różnią się poszczególne rodzaje doładowania? Biturbo, twin turbo – co to w ogóle jest?

Jak wspomnieliśmy, na rynku najłatwiej spotkać silnik z turbo. Kompresory występują rzadziej, natomiast nowość to sprężarki z wirnikiem napędzanym elektrycznie. Są też jednostki, w których zamontowano podwójne doładowanie – kompresor plus turbosprężarka (np. 1.4 TSI Twincharger EA111 Grupy VAG).

Turbosprężarki. Stosuje się jedną, dwie, trzy lub nawet cztery. Ważne: zazwyczaj im wyższe obroty, tym wyższa prędkość gazów wydechowych, a więc i ciśnienie doładowania. Niedobór ciśnienia ze względu na niskie obroty przyjęło się nazywać turbodziurą. Ciekawy pomysł na walkę z nią ma np. Volvo – w niektórych wersjach silnikowych do kolektora wydechowego zostaje podane sprężone powietrze, które szybciej rozpędza wirnik turbiny. Główny podział ze względu na konstrukcję to turbo ze stałą (zazwyczaj silniki benzynowe) oraz ze zmienną geometrią łopatek (wiele diesli; coraz częściej też w benzyniakach). Silniki wyposażone w turbo ze zmienną geometrią wykazują się „mocniejszym dołem”, tzn. generują odpowiednio wysokie ciśnienie doładowania nawet przy niewielkiej prędkości obrotowej silnika.

Turbosprężarki typu twin scroll (głównie silniki benzynowe), to takie, w których gazy wydechowe trafiają na wirnik turbiny nie jednym, lecz dwoma kanałami – wyższa wydajność. Taka turbina wymaga jednak zastosowania specjalnie ukształtowanego kolektora wydechowego. Uwaga: turbo typu twin scroll nie należy mylić z twin turbo (patrz dalej), choć niekiedy bywają bardzo podobnie nazywane, np. Twin Power Turbo w benzynowych BMW to zazwyczaj układ typu twin scroll, a nie twin turbo. W przypadku diesli BMW natomiast mianem Twin Power określane są... wszystkie silniki z turbo – zarówno z jedną, jak i dwoma lub trzema sprężarkami. Proste, prawda?

Gdy mamy do czynienia z większą liczbą turbin niż jedna, należy rozróżnić doładowanie szeregowe i równoległe. Turbosprężarki ułożone szeregowo (czasem określane mianem „twin turbo”) – w takim układzie mamy zazwyczaj jedną „małą” i jedną „dużą”. Pierwsza działa głównie w zakresie niskich obrotów, bo im mniejszy wirnik, tym łatwiej rozkręcić go za pomocą nawet stosunkowo wolno poruszających się spalin. Duża turbina działa za to przy wyższych obrotach, gdy gazy wydechowe mają już na tyle wysoką prędkość, żeby napędzić duży wirnik. To rozwiązanie pozwala na zminimalizowanie turbodziury oraz na w miarę płaski przebieg momentu. Z kolei układy równoległe (tzw. biturbo) to takie, w których dwie turbiny pompują ciśnienie w takim samym zakresie obrotów i każda przeważnie odpowiada za napełnienie takiej samej liczby cylindrów.

Kompresor mechaniczny: w tym wypadku również chodzi o wtłaczanie powietrza pod ciśnieniem do komór spalania, a więc o uzyskanie wyższego ładunku. Różnica w stosunku do turbosprężarek polega na tym, że ciśnienie doładowania nie zależy od prędkości gazów wydechowych, bo sprężarkę mechaniczną przeważnie napędza wał korbowy silnika. Oznacza to m.in. niemal natychmiastową reakcję na gaz i wysoki moment od samego „dołu”, ale i większe straty, bo motor w celu uzyskania wyższej mocy musi zostać najpierw dodatkowo obciążony. Poza tym kompresory mechaniczne wykazują często wyższą trwałość niż turbosprężarki. Kompresor może być odłączany (poprzez sprzęgiełko elektromagnetyczne) wtedy, gdy dodatkowa moc nie jest potrzebna, co przynajmniej częściowo pozwala ograniczyć i tak duży apetyt na paliwo. Wady? No właśnie, silniki z tym typem doładowania – kompresory to domena benzyniaków – są często bardziej paliwożerne niż te doładowane turbiną, dodatkowo, gdy już coś się popsuje, koszty naprawy mogą być wysokie.

Elektryczne turbo ma zastosowanie głównie w nowoczesnych pojazdach z instalacją 48 V. Jego zaleta to natychmiastowa reakcja na gaz (wysoka prędkość wirnika przy dowolnej prędkości obrotowej silnika), praktycznie bez obciążania jednostki napędowej. Prognozowana trwałość takich układów jest stosunkowo wysoka, nie mają one np. kontaktu z „brudnymi” gazami wydechowymi.

Chcę więcej mocy! Czy mogę zrobić chiptuning?

Tak, przeważnie jest to możliwe. Profesjonalnie wykonany chiptuning pozwala w bezpieczny sposób zwiększyć moc doładowanego silnika spalinowego – zarówno z turbo, jak i z kompresorem. W przypadku silników wolnossących taka operacja najczęściej mija się z celem.

Modyfikacja obejmuje m.in.: ciśnienie doładowania, kąt wyprzedzenia zapłonu (benzyniaki)/wtrysku (diesle) oraz dawkę podawanego paliwa, a także maksymalne dopuszczalne obroty silnika. Przyrost zależy od „rezerw” sprzętowych (np. mocno wysilony fabrycznie silnik z małą turbiną i restrykcyjnym intercoolerem nie daje dużego pola do manewru!) oraz od kondycji (zużycia) poszczególnych podzespołów. Fachowiec musi wziąć też pod uwagę trwałość skrzyni i wydajność układu zasilania paliwem – z dużym przybliżeniem możemy stwierdzić, że przyrosty przeważnie wynoszą od ok. 15 do 40 proc. Cena usługi? Ok. 1000-1500 zł wraz z pomiarami na hamowni i napisaniem programu pod konkretny samochód. Tańsze, ale z reguły gorsze, są tzw. power boksy, wpinane np. przed sterownik silnika. Czy da się zrobić tuning bez pomiaru na hamowni? Jasne, da się wszystko, tyle że nie jest to zgodne ze sztuką. Bo jak np. określić, o ile wzrosły moc i moment? Jak wykonać ewentualne korekty, gdyby okazało się, że przebieg momentu jest niekorzystny?

Chcę więcej mocy! Czy opłaca się dołożyć turbo lub kompresor?

To pytanie jest często zadawane na różnych forach oraz w korespondencji spływającej do naszej skrzynki. Ciężko jest jednoznacznie na nie odpowiedzieć, bo cena takiej operacji zależy od zbyt wielu zmiennych, ale naszym zdaniem, jeśli nie chodzi np. o samochód szykowany do sportu albo mający dla właściciela wartość sentymentalną, to lepiej... zmienić model na inny. Dołożenie doładowania przeważnie wiąże się m.in. z tzw. odprężeniem silnika (obniżenie stopnia sprężania) oraz ingerencją w układy chłodzenia i paliwowy, a to już zazwyczaj wymaga wydania grubych tysięcy złotych. Na rynku są co prawda dostępne gotowe zestawy turbo/kompresor do wybranych silników, jednak nadal koszty są na tyle wysokie, że w większości przypadków nie opłaca się w to bawić. Zwłaszcza że znacznie trudniej będzie potem taki „projekt” odsprzedać.

Jak dbać o samochód z turbo?

W tym wypadku skupimy się głównie na silnikach wyposażonych w turbosprężarkę, gdyż kompresory okazują się zazwyczaj mniej wymagające i nie potrzebują aż takiej atencji. W ich wypadku obsługa ogranicza się do ewentualnej wymiany paska napędzającego (jeśli jest!), nie trzeba się do tego przesadnie martwić wyłączaniem mocno rozgrzanego silnika (np. po ostrej jeździe). Jeśli chodzi o turbosprężarki, to – przede wszystkim – powinniście zdawać sobie sprawę z tego, że z reguły przedwczesne zużycie poszczególnych elementów jest następstwem niewłaściwej eksploatacji. Żeby wydłużyć życie poszczególnych elementów układu doładowania, przestrzegaj następujących zasad:

• regularnie wymieniaj olej silnikowy, bezpieczny interwał to przeważnie 8-15 tys. km w zależności od warunków eksploatacji;
• nie wykorzystuj pełnego potencjału silnika do chwili, aż olej zdąży się odpowiednio zagrzać;
• po ostrej jeździe nie wyłączaj od razu silnika – jeśli to zrobisz, kręcący się nadal z wysoką prędkością wałek główny nie będzie miał zapewnionego odpowiedniego smarowania. Układy podtrzymujące ciśnienie oleju zazwyczaj nie występują w seryjnych samochodach;
• uważaj z chiptuningiem – nie staraj się uzyskać maksymalnie dużych przyrostów;
• uważaj z układem start-stop. Wiele nowoczesnych silników ma turbosprężarki chłodzone wodą, więc elektronika potrafi wyłączyć silnik od razu po zjechaniu z autostrady. Tyle że chłodzenie wodne to tylko część układanki, bo kluczowe jest to, co wspomnieliśmy wyżej – ciśnienie oleju. A ten parametr, gdy silnik nie pracuje, w większości aut szybko spada;
• unikaj tzw. emeryckiej jazdy (często niskie obroty!), zwłaszcza gdy masz diesla wyposażonego w turbosprężarkę o zmiennej geometrii (VTG, VNT). To najprostsza droga do tzw. zapieczonych kierownic.

Turbosprężarka, kompresor: jak to działa?

Poniżej przekrój przez układ oparty na turbosprężarce o stałej geometrii (silnik benzynowy). Turbo, w przeciwieństwie do kompresorów, pracuje cały czas, nieprawdziwe jest więc stwierdzenie, że „turbo załącza się przy x obr./min”. Przy małej prędkości gazów wydechowych ciśnienie doładowania jest na tyle niskie, że wpływu turbo zazwyczaj nie czuć. Zasada działania: spaliny trafiają z kolektora wydechowego (1) do tzw. gorącej strony, czyli na łopatki wirnika turbiny (2) . Ten znajduje się na wałku (3), na którego drugim końcu umieszczono wirnik (koło) sprężarki (4; tzw. zimna strona). To właśnie tu powietrze zassane do układu dolotowego zostaje sprężone i wtłoczone do silnika. Często stosuje się też chłodnice (intercoolery) – ich zadaniem jest zmniejszenie temperatury powietrza doładowującego, które w wyniku sprężania zostaje – siłą rzeczy – podgrzane, a to obniża efektywność spalania. Za sterowanie ciśnieniem odpowiada m.in. tzw. gruszka (5), która w tym wypadku uniemożliwia uzyskanie zbyt dużych wartości i w zadanym momencie upuszcza spaliny poprzez zawór wastegate (WG) . W starszych dieslach „gruszki” mogą też odpowiadać za sterowanie zmienną geometrią, ale dziś stosuje się głównie VTG z nastawnikiem elektrycznym. W silnikach benzynowych opcjonalnie montuje się zawory upustowe (7; Blow Off, Dump Valve) – po zamknięciu przepustnicy nadciśnienie trafia „do atmosfery” lub wraca przed turbinę, tym sposobem koło sprężarki nie zostaje siłą wyhamowane. W dieslach z VTG za wyhamowywanie wirnika mogą odpowiadać m.in. kierownice zmiennej geometrii. Uwaga: w przypadku kolektorów dolotowych o zmiennej długości czasem mówi się o doładowaniu dynamicznym, choć z doładowaniem opisanym powyżej nie ma to nic wspólnego!

Co się psuje w silnikach z doładowaniem?

Spektrum usterek związanych z układem doładowania jest szerokie. Szwankuje osprzęt, czyli m.in. czujniki, przewody powietrzne, sterowanie ciśnieniem doładowania. W takim wypadku samochód prawie zawsze przechodzi w tryb awaryjny, ma obniżoną moc, a na zegarach zapala się kontrolka awarii silnika. Jeśli chodzi o turbosprężarki, to najczęściej pojawiają się: zapieczone kierownice VTG, uszkodzenie łopatek (brud, nieszczelność w układzie dolotowym!), wycieki oleju (zużyte uszczelnienia), pęknięcia obudowy, spowodowane np. niefachowym tuningiem (zbyt wysoka temperatura gazów wydechowych – EGT, dotyczy głównie wysilonych wersji benzynowych), luz na wałku głównym, uszkodzenia łożysk. O niesprawnościach związanych z układem doładowania świadczą m.in.: gwizd podczas przyspieszania, dymienie na szaro-niebiesko, brak lub obniżona moc silnika. Uwaga: pewna ilość oleju w układzie dolotowym i w intercoolerze w przypadku aut z turbodoładowaniem jest raczej normą! Naprawy? Regeneracja turbiny ze stałą geometrią to wydatek zazwyczaj od niecałych 700 do 1500 zł, ze zmienną geometrią – do 2500-3000 zł. Ceny nowych turbosprężarek zawierają się zazwyczaj w przedziale 1000-5000 zł, musisz jednak pamiętać o tym, że jeśli jest ich więcej, koszt będzie wyższy. Czy interesować się elementami po regeneracji? Zależy od tego, czy warsztat przeprowadził naprawę fachowo i przy użyciu dobrych części, a nie azjatyckich zamienników (choć niektóre marki, np. Garrett, da się naprawić tylko w ten sposób!). Podstawa to gwarancja – jeśli warsztat jej nie udziela, nie ma co rozważać regeneracji.