W tamtych czasach silniki spalinowe aut miały z dzisiejszego punktu widzenia śmiesznie małe moce w stosunku do objętości skokowej, np.: Hispano-Suiza Alfonso XII z 1911 roku miał 3,6 litra pojemności i osiągał moc około 64 koni mechanicznych.
Moc silnika (Ne) zwiększano wówczas głównie poprzez podnoszenie pojemności (we wzorze oznaczona Vss), choć, jak pokazuje wzór na moc silnika czterosuwowego, zależy ona również od prędkości obrotowej silnika (n) oraz średniego ciśnienia użytecznego (Pe).
Producenci aut na przestrzeni lat przyjmowali różne strategie, jednak ostatnimi czasy dominują trendy ekologiczne, a wśród nich coraz popularniejsze zmniejszanie pojemności silnika przy zachowaniu tej samej mocy i osiągów, zwane potocznie downsizingiem.
Zwiększanie maksymalnej prędkości obrotowej ma swoje granice – związane z czasem na przygotowanie i spalenie mieszanki paliwowej. Zatem jedyną opcją jest doładowanie. Polega ono, najprościej mówiąc, na zagęszczeniu powietrza w cylindrze przed zapłonem, a co za tym idzie, wytworzeniu większych ciśnień i większej energii ze spalenia tej samej ilości paliwa.
Efekt taki uzyskuje się dwojako: dzięki dodatkowemu osprzętowi – turbosprężarce (turbodoładowanie) lub kompresorowi (doładowanie mechaniczne) – albo dzięki specjalnej budowie kolektora doprowadzającego powietrze do cylindra (doładowanie dynamiczne).
strona 2
Turbodoładowanie ma najwyższą sprawność ogólną – teoretycznie najlepiej zamienia energię cieplną zawartą w paliwie na energię mechaniczną. Doładowanie mechaniczne korzysta bezpośrednio z mocy jednostki napędowej (jest napędzane przez silnik za pomocą przekładni), natomiast doładowanie dynamiczne nie odzyskuje energii.
Zupełnie inaczej jest z turbo
Najważniejszymi elementami są dwa połączone z sobą na sztywno wirniki A i B. Gdy pierwszy jest napędzany przez siłę, która nie działa bezpośrednio na drugi, ten i tak się kręci, bo jest przecież sprzęgnięty z pierwszym.
Turbosprężarkę instaluje się na kolektorze wydechowym jak najbliżej wylotu spalin. Spaliny napędzają wirnik A, ten natomiast wprawia w ruch B, który z kolei umieszczony jest w kolektorze dolotowym i spręża powietrze, wtłaczając je do cylindrów.
Kolejnym elementem urządzenia jest specjalna dodatkowa chłodnica – intercooler. Ma ona za zadanie chłodzić powietrze, dzięki czemu staje się ono gęstsze, a zatem bardziej „upakowane”.
Masa ładunku powietrza rośnie, a dodatkowo sprężarka (B) jest chłodzona. Musi tak być, gdyż turbina (A) bardzo się nagrzewa (temperatury gazów na wylocie osiągają nawet 1000 °C, natomiast prędkość obrotowa nierzadko przekracza 200 tys. obr./min).
strona 3
Dane techniczne
Pisząc o danych technicznych, należy jeszcze nadmienić, iż ciśnienie doładowania zazwyczaj mieści się w zakresie od 0,6 do ponad 2,5 bara (1 bar to w przybliżeniu ciśnienie wywierane przez 1 kg masy na 1 cm2 powierzchni).
Ponieważ każdy cylinder odprowadza spaliny własnym kanałem, istnieją dwa podstawowe układy kolektora wydechowego: system stałego ciśnienia (spaliny z każdego cylindra wlatują do kolektora zbiorczego, gdzie ciśnienie stabilizuje się i stamtąd trafia na turbinę) oraz system pulsacyjny (oprócz energii pochodzącej z rozprężania spalin odzyskuje się również ich energię kinetyczną). Wszystkie kanały mają podobną długość i prowadzą bezpośrednio do turbiny.
Turbo nie jest idealne
Mogłoby się wydawać, że turbodoładowanie ma same zalety: zwiększa moc użyteczną nawet o 50 proc. i moment obrotowy, ogranicza straty paliwa, usuwa resztki spalin i obniża temperaturę ścianek cylindrów. Jednak każdy kij ma dwa końce.
O turbinę trzeba dbać – należy odpowiednio rozgrzać silnik, zanim zacznie się dynamiczną jazdę (by osiągnąć optymalną temperaturę oleju), i ochłodzić go przed wyłączeniem (wraz z unieruchomieniem silnika pompa oleju przestaje pracować i turbina kręci się dłuższą chwilę bez smarowania). Kolejną kwestią jest bezwładność urządzenia – układ działa z opóźnieniem.
Występuje wtedy zjawisko turbodziury – silnikowi brakuje dynamiki od najniższych prędkości obrotowych. Wirnik turbiny nie kręci się tak szybko, jak powinien, a sprężarka nie zapewnia odpowiedniego ciśnienia.
W kwestii ciśnienia ważną sprawą jest jego ujście za turbiną. Układ wydechowy w autach z turbodoładowaniem jest specjalnie zaprojektowany, dlatego nie można założyć turbo do silnika wolno-ssącego, mimo że nie wymaga to większych modyfikacji samego motoru.
strona 4
Jeśli wydech jest nieprzystosowany do jednostki napędowej wyposażonej w turbodoładowanie, występują niepożądane zjawiska falowe na skutek różnicy ciśnień między atmosferą a przestrzenią tuż za turbiną.
Przekładając na język zrozumiały dla laików
Nieprawidłowa konstrukcja wydechu skutecznie obniży osiągi jednostki napędowej. Jednak od 1973 roku, kiedy niemiecki koncern BMW wyprodukował pierwszy seryjny samochód z turbodoładowaniem (model 2002), technika nie stała w miejscu i turbosprężarka wciąż była usprawniana.
VTG
Obecnie wykorzystywane są także kombinacje więcej niż jednej turbosprężarki – Twinturbo (dwie równoległe sprężarki stosowane zazwyczaj w silnikach typu V ze względu na dwa kolektory wydechowe) oraz biturbo (dwie szeregowe sprężarki, z których jedna działa ciągle, a druga włącza się, gdy silnik osiągnie określoną prędkość obrotową).
Z biegiem lat pojawiło się też VTG (zmienna geometria łopatek na wieńcu turbiny) oraz wiele innych rozwiązań mających na celu polepszenie charakterystyki pracy silnika i lepsze chłodzenie jednostek napędowych.