W artykule poruszamy temat turbodziury. Czym jest? Dlaczego występuje i jak można ją zminimalizować?

Większość współczesnych silników benzynowych i wysokoprężnych wyposażona jest w turbosprężarkę. W 2012 roku wprowadzono downsizing, przez wielu został on uznany za ważny krok w erze małolitrażowych silników benzynowych. Taki motor charakteryzuje się niewielką masą własną (poniżej 100 kg) i kompaktowymi wymiarami, a to wszystko przy stosunkowo dużej mocy. Wyposażono go w turbodoładowanie, dzięki czemu turbosprężarki w silnikach benzynowych stały się ich podstawowym elementem.
Turbodziury występują dlatego, że turbosprężarka (fot. 1) nie jest elementem bezpośrednio połączonym z silnikiem. Działa w oparciu o końcowy proces silnika, jakim jest wydech, czyli spaliny, to one napędzają turbosprężarkę – zatem jej wydajność uzależniona jest od ilości spalin, a jednocześnie wpływa na szybkość załączania się. Na wolnych obrotach turbosprężarka wykorzystuje niewielką część swoich możliwości. Gwałtowne dodanie gazu powoduje, że wirnik turbo zaczyna kręcić się z większą prędkością, dzięki czemu tłoczone jest więcej powietrza, które zanim trafi do komory spalania, jest schładzane przez intercooler. W tej pierwszej fazie gwałtownego dodania gazu występuje turbodziura, trwa ona około sekundy – niby niedużo, ale wystarczy, aby w niektórych przypadkach uniemożliwić wykonanie manewru wyprzedzania. W pierwszej fazie zachowuje się jak silnik wolnossący, dopiero po przekroczeniu 1400-2000 obr./min samochód zaczyna gwałtownie przyspieszać, więc turbosprężarka osiąga najwyższą wydajność, a to dzięki dostarczeniu optymalnej ilości spalin.
Zjawisko turbodziury nie występuje przy doładowaniu mechanicznym, jakim jest kompresor – stosowany między innymi przez Mercedesa – gdyż napędzany jest on bezpośrednio z układu rozrządu i pracuje w całym zakresie prędkości obrotowej silnika.
Turbodziury nie da się wyeliminować, ale można ją zmniejszyć, modyfikując technikę jazdy (unikanie gwałtownych przyspieszeń). Producenci turbosprężarek wciąż pracują nad tym, aby zminimalizować odczucie braku mocy w dolnym zakresie obrotowym. W związku z tym zastosowano układ zmiennej geometrii (fot. 2) wyposażony w łopatki, które są regulowane i kierowane na zbieraki wałka, dzięki czemu wirnik turbiny ma zapewnioną optymalną energię spalin już od najniższych obrotów silnika i jednocześnie zwiększenie wydajności turbosprężarki. Dzięki temu turbodziura jest znacznie mniej odczuwalna.
Kolejnym skutecznym rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch turbosprężarek o różnych rozmiarach – Twin Turbo. Mniejsza pracuje w niskim zakresie obrotów silnika – do około 2000/min, natomiast druga, większa, zaczyna swoją pracę powyżej 2500 obr./min. Wadą takiego rozwiązania jest to, że w przypadku awarii jednej turbosprężarki dochodzi również do usterki drugiej.
Aktualnie najnowszym rozwiązaniem jest zastosowanie dodatkowej elektrycznej turbosprężarki (Electric Powered Compressor – EPC) chłodzonej wodą (fot. 3), która eliminuje turbodziurę w dolnym zakresie obrotowym. Pierwsze takie rozwiązanie zastosowane zostało w Audi SQ7 o mocy 435 KM i momencie obrotowym 900 Nm, wyciśniętymi z silnika 4.0 V8 TDI. Turbosprężarka elektryczna działa już od 1000 obr./min, eliminując zjawisko turbodziury, następnie zaczynają działać tradycyjne turbosprężarki. Silnik elektryczny dodatkowej turbosprężarki wymaga dużej mocy – około 7 kW.

Tomasz Brodziński
dyrektor produkcji Inter-Turbo