Obecne niegdyś niemalże jedynie w sportowych samochodach oraz silnikach diesla układy turbodoładowania na dobre zadomowiły się dziś pod maskami większości zupełnie cywilnych aut – także tych napędzanych przez jednostki benzynowe. Popularne turbo oferuje wiele zalet, ale także generuje nowe problemy. Sprawdźmy, jak układy dwóch turbosprężarek pozwalają poprawić charakterystykę pracy silników.
Po co nam turbo?
Turbosprężarka napędzana jest przez gazy spalinowe. W swej drodze do atmosfery przepływają one przez wirnik turbiny, by następnie znaleźć ujście poprzez rurę wydechową. Ruch obrotowy turbiny przekazywany jest na wirnik sprężarki – ta zaś spręża powietrze zasysane poprzez układ dolotowy. Dzięki temu do cylindrów silnika można wtłoczyć więcej powietrza, zwiększając jego moc.
Doładowanie silnika z wykorzystaniem jego własnych spalin ma przewagę nad konkurencyjnym, napędzanym przez wał korbowy kompresorem (znanym także jako sprężarka mechaniczna) – nie “kradnie” ono mocy, umożliwia jakże ważne w dzisiejszych czasach zmniejszenie emisji szkodliwych substancji, a w pewnych warunkach i przy odpowiednim korzystaniu, także zużycia paliwa.
Zjawisko turbodziury
Z przedstawionej powyżej zasady działania turbosprężąrki wynika, że energia pochodzących z silnika spalin ma kluczowy wpływ na ilość możliwego do dostarczenia do cylindrów powietrza, a przez to moc jednostki napędowej. Problem pojawia się, gdy prędkość przepływających przez turbinę spalin jest niewielka – np. podczas jazdy na niskich obrotach, przy niskim obciążeniu silnika.
W takiej sytuacji, po wciśnięciu pedału przyspieszenia, może powstać zjawisko tak zwanej turbodziury – subiektywnego poczucia chwilowego braku mocy, opóźnienia reakcji gazu. Ta właśnie chwila mija, zanim rosnąca wraz z obciążeniem energia spalin osiągnie wartość wystarczającą do efektywnego napędzania turbiny.
Chcąc zwiększyć moc silnika bez zwiększania jego pojemności należałoby zastosować większą turbosprężarkę, która mogłaby wtłoczyć więcej powietrza do silnika. Jednak większa turbosprężarka będzie oznaczać także większą turbodziurę, ponieważ wyższe będzie także ciśnienie spalin potrzebne do jej rozpędzenia. Takie rozwiązanie byłoby nie tylko nieprzyjemne dla kierowcy, ale wręcz niebezpieczne – moc przyrastałaby bardzo nieliniowo, po dłuższej chwili jej braku następowałby gwałtowny napływ momentu obrotowego na koła, co stanowi prostą drogę do utraty panowania nad pojazdem przez niedoświadczonego kierowcę.
Jednym ze sposobów rozwiązania powyższego problemu jest zastosowanie podwójnych, potrójnych, a nawet poczwórnych układów mniejszych, łatwiejszych do napędzenia turbosprężarek w różnych konfiguracjach.
BiTurbo
BiTurbo to inaczej doładowanie równoległe. W tym rozwiązaniu stosowany jest układ dwóch turbosprężarek o identycznej wielkości zamiast większej pojedynczej. Mniejsza bezwładność turbin sprawia, że mogą one szybciej reagować na nagłe zmiany obciążenia.
BiTurbo sprawdza się także w przypadku większych jednostek napędowych, gdzie – w przeciwieństwie do mniejszych silników – problemu nie stanowi w głównej mierze niedobór mocy na niskich obrotach, ale odpowiednie pokrycie znacznego zapotrzebowania na powietrze.
Sporadycznie na rynku spotkać można także silniki z układem TriTurbo lub nawet QuadTurbo – przykładem tego ostatniego jest wycofany niedawno silnik diesla B57 od BMW. Zasady ich działania pozostają identyczne jak w przypadku BiTurbo, różni się jedynie ilość turbosprężarek, których jest trzy lub cztery o identycznej wielkości.
TwinTurbo
Rozwiązanie TwinTurbo przypomina BiTurbo, ale w tym układzie różni się wielkość turbosprężarek. Mniejsza, łatwiejsza do napędzenia ze względu na mniejszą bezwładność, pracuje przy niższych prędkościach obrotowych. Gdy te zaczynają rosnąć, jej zadania są przejmowane przez większą siostrę.
“Przełączanie się” turbosprężarek, realizowane przez pneumatycznie sterowany zawór, pozostaje dla kierowcy nieodczuwalne. W niektórych silnikach do odłączenia mniejszej turbosprężarki w ogóle nie dochodzi i pracuje ona dalej wspomagając tę większą.
Nazywane także doładowaniem sekwencynym TwinTurbo, dzięki zastosowaniu turbosprężarek o różnych rozmiarach wirnika, pozwala pokryć niemal cały zakres prędkości obrotowych, a przez to zminimalizować zjawisko turbodziury.
TwinScroll
Układy BiTurbo oraz TwinTurbo współdzielą pewną, wynikającą ze sposobu pracy silników czterosuwowych i rozrządu, wadę – spaliny z poszczególnych cylindrów łączą się w kolektorze dolotowym zakłócają swój przepływ zmniejszając efektywność pracy turbosprężarki.
Technicznie rzecz biorąc nie jest to układ podwójny, ale pojedyncza turbosprężarka z kolektorem wydechowym podzielonym na dwa odrębne kanały odbierające spaliny z odpowiednio wewnętrznych i zewnętrznych cylindrów. Kanały różnią się przekrojem – mniejszy z nich zapewnia optymalny przepływ spalin przy niskich prędkościach obrotowych, większy zaś przy wyższych. Po przebyciu drogi przez odpowiedni kanał, gazy wydechowe trafiają na ten sam, pojedynczy wirnik.
W ten sposób uzyskano coś, co można nazwać dwoma turbosprężarkami w jednej. Konstrukcja TwinScroll zapewnia błyskawiczną reakcję na nagłe zmiany ciśnienia spowodowane dodaniem lub ujęciem gazu.
Aby jeszcze bardziej podnieść moc silnika, w niektórych przypadkach spotkać się można z dwoma turbosprężarkami TwinScroll w układzie BiTurbo lub TwinTurbo.
TwinCharger
Ostatnim wartym omówienia układem podwójnym jest zyskujący w ostatnim czasie popularność TwinCharger. Łączy on w sobie pojedynczą turbosprężąrkę ze sprężarką mechaniczną, czyli kompresorem.
W układzie TwinCharger, przy niższych prędkościach obrotowych oraz w razie powstania nagłych zmian obciążenia, powietrze pobierane z atmosfery jest początkowo sprężane w kompresorze, a dopiero później w turbosprężarce. Takie rozwiązanie pozwala dostarczyć do cylindrów większą dawkę paliwa zanim jeszcze wytworzona zostanie ilość spalin wystarczająca do efektywnego rozpędzenia turbiny w turbosprężarce. Przy stałym obciążeniu w wyższych partiach obrotów, gdy dodatkowe doładowanie pochodzące z kompresora przestaje być potrzebne, jest on odłączany z użyciem sprzęgła elektromagnetycznego.
Układ TwinCharger pozwala niemal zupełnie wyeliminować turbodziurę i zapewnić liniowy przyrost momentu obrotowego, znany z silników wolnossących. Jest stosowany głównie w silnikach o mniejszej pojemności, gdzie niedobór mocy przy niskich obrotach jest wyraźnie odczuwalny.
BiTurbo vs TwinTurbo, a może TwinScroll lub TwinCharger? Które rozwiązanie jest najlepsze?
Nie można odpowiedzieć jednoznacznie, który z układów sprawdzi się lepiej w każdej sytuacji, w każdym silniku i w każdym samochodzie. TwinTurbo pozwala osiągnąć efektywną pracę turbosprężarek niemal w całym zakresie prędkości obrotowych, ale z takiego zadania wywiązuje się także BiTurbo, które dodatkowo wydaje się lepiej sprawdzać w przypadku dużych jednostek. Rozwiązanie TwinScroll utrudnia osiąganie znacznych mocy doładowania z powodu pojedynczego wirnika, ale takie turbosprężarki można dodatkowo łączyć w pary. Względnie nowy na rynku układ TwinCharger nie zdobył jeszcze znacznej popularności, może jednak szczególnie dobrze sprawdzić się w mniejszych, downsizingowych jednostkach. Jego wadą jest natomiast skomplikowanie zwiększające koszt produkcji i późniejszego serwisowania.
Czytaj więcej: Silniki V4 – dlaczego żaden producent ich dziś nie stosuje?
Wybierając samochód lub jego wersję silnikową nie warto kierować się więc sposobem doładowania, ale raczej subiektywnie oceniać pracę jednostki napędowej jako integralnej całości na podstawie własnych odczuć.