Turbosprężarka to napędzana spalinami sprężarka stosowana do doładowania silników spalinowych. Służy do podnoszenia mocy silnika przez zwiększanie ilości tlenu dostarczanego do komory spalania. Podstawową zaletą, jaką posiada turbosprężarka jest zdolność do znacznego zwiększenia mocy silnika przy niewielkiej masie.

Przy wykorzystaniu turbosprężarki w silniku benzynowym jest niekiedy konieczne obniżenie stopnia sprężania, w celu uniknięcia występowania spalania stukowego. To z kolei obniża sprawność silnika przy niższych prędkościach obrotowych. Problemy te nie występują przy turbodoładowaniu silnika diesla. Przy pracy na większych wysokościach zyski z zastosowania turbosprężarki są bardziej znaczące — z tego względu urządzenia te są często stosowane w silnikach lotniczych i właśnie do silników lotniczych zostały skonstruowane.

Turbosprężarka w przekroju. Po lewej stronie część spalinowa, po prawej stronie cześć powietrzna.

• Zasada działania turbosprężarki
• Budowa turbosprężarki
• Niezawodność turbosprężarek
• „Turbodziura”

Zasada działania turbosprężarki

Turbosprężarka jest sprężarką o napędzie turbinowym, wykorzystującą energię spalin opuszczających silnik. Podobnie jak mechaniczne sprężarki doładowania, instalowana jest na kolektorze dolotowym do silnika i znacznie zwiększa sprawność napełniania silnika, ponad poziom osiągany przez silniki wolnossące. Sprężarka i turbina napędzana gazami spalinowymi montowane są na wspólnym wale, podobnie jak w silnikach turboodrzutowych i turbinach gazowych.

Zadanie turbosprężarki to zwiększenie ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym co jednocześnie zwiększa ilość powietrza (i tlenu) wpływającego do komory spalania w danym czasie. Aby utrzymać ten sam skład mieszanki paliwowo-powietrznej, konieczne jest również zwiększenie dawki paliwa. Powoduje to poprawienie sprawności napełniania cylindra a więc zwiększenie jego mocy. Zmianę ilości dostarczanego paliwa osiąga się przez tuning gaźnika lub wtryskiwaczy.

Zwiększenie ciśnienia, inaczej doładowanie, mierzone jest w Pa lub barach. Przykładowo — turbosprężarka o sprawności 100% i doładowaniu wielkości 101kPa (0,101 MPa) pozwoliłaby na dwukrotne zwiększenie mocy silnika, ponieważ ciśnienie panujące w kolektorze dolotowym byłoby dwa razy większe od ciśnienia atmosferycznego. Sprawność turbosprężarki nigdy nie osiąga takich wartości z powodu występujących w urządzeniu strat, zazwyczaj wynosi ona około 80%.

Typowa w silnikach samochodowych wartość doładowania to około 80kPa. Turbosprężarka uruchamiana jest dopiero przy pewnej określonej prędkości obrotowej silnika, w momencie gdy energia kinetyczna spalin osiąga wartość pozwalającą na pracę sprężarki.

Podstawowym czynnikiem uniemożliwiającym stosowanie doładowania o wysokiej wartości jest zwiększanie się temperatury powietrza w trakcie jego sprężania, które powoduje zmniejszenie sprawności napełniania cylindra. Efekt ten można zredukować przez stosowanie chłodzenia powietrza między sprężarką a silnikiem (tzw. intercooler). Często spotykana temperatura powietrza za sprężarką wynosi nawet 90°C.

Budowa turbosprężarki

Turbosprężarka wiruje z ogromnymi prędkościami, w zależności od modelu osiągającymi 80 000 – 190 000 obr./min. Z tego względu niemożliwe jest stosowanie w nich zwykłych łożysk tocznych. Zamiast nich używane są łożyska ślizgowe — olejowe. Olej smaruje łożyska oraz chłodzi rozgrzane elementy urządzenia.

W celu regulowania ciśnienia doładowania, turbosprężarki posiadają automatyczny zawór przekierowujący część spalin poza turbinę, co pozwala na kontrolowanie maksymalnej prędkości obrotowej i doładowania.

Turbosprężarka jako element tuningu sportowego silnika. Cztery kolektory (w lekko złotawym kolorze) doprowadzają rozpędzone spaliny pod ciśnieniem do wirnika turbosprężarki. Po rozprężeniu są odprowadzane grubym kanałem odchodzącym pod silnik i trafiają do tłumika. Od prawej strony do sprężarki doprowadzane jest powietrze (po przejściu przez filtr powietrza), sprężone trafia do chłodnicy sprężonego powietrza (tzw. intercoolera) a następnie do silnika.
Foto: SkipSteuart (z Flickr).

Niezawodność turbosprężarki

O ile niezanieczyszczony olej (najlepiej syntetyczny) doprowadzany jest do łożysk turbosprężarki i zasilające ją spaliny nie są zbyt gorące (mieszanki ubogie, opóźnienie zapłonu w silnikach z zapłonem iskrowym), urządzenie to nie jest zawodne.

Po pracy przy wysokiej prędkości obrotowej przed wyłączeniem silnika należy umożliwić mu przez okres 3 minut pracę na niskich obrotach. Pozwala to na ostygnięcie turbiny. W przeciwnym wypadku wysoka temperatura turbiny może spowodować spalenie części oleju znajdującego się w urządzeniu, co następnie pogarsza smarowanie i może doprowadzić do zatarcia łożysk.

„Turbodziura”

„Turbodziura” to określenie krótkiej chwili pomiędzy mocnym wciśnięciem pedału gazu a doładowaniem silnika przez turbosprężarkę. Zjawisko powstaje, bo osiągnięcie przez gazy spalinowe ciśnienia potrzebnego do poruszenia wirnika zajmuje pewien czas. Sprężarki mechaniczne nie mają tego ograniczenia.

Aby zmniejszyć uciążliwość tego zjawiska, stosuje się na przykład zmniejszanie bezwładności wirnika (przez wykonanie go lżejszych materiałów, na przykład z ceramiki) albo stosowanie dwóch mniejszych turbosprężarek (popularne w silnikach widlastych). Turbosprężarka ze zmiennym kątem łopatek jest prawdopodobnie najlepszym rozwiązaniem problemu.

Artykuł ten jest na licencji GNU Free Documentation License. Został napisany w oparciu o artykuł „Turbocharger” z serwisu Wikipedia.n

Sprawność określa zdolność procesu, urządzenia, maszyny, silnika, do przetworzenia jednego rodzaju (nośnika) w inny rodzaj (nośnik) energii.

We wzorze tym:
η — sprawność
E_u — energia użyteczna otrzymana z urządzenia, na przykład praca mechaniczna produkowana przez silnik
E_d — energia dostarczona do urządzenia, na przykład energia elektryczna zużyta przez silnik lub energia chemiczna w paliwie dostarczonym do silnika.

W teorii sprawność nigdy nie przekracza 100%, ponieważ z urządzenia nigdy nie wydobędziemy większej ilości energii, niż dostarczyliśmy. Wtedy mielibyśmy do czyniena z tzw. perpetuum mobile.

Tymczasem w zagadnieniach techniki cieplnej i ogrzewania niekiedy zdarza się, że kotły osiągają sprawość większą niż 100%. Wynika to ze sposobu obliczania sprawności cieplnej kotła. W przypadku tych urządzeń jako energię dostarczoną bierzemy ilość spalonego paliwa mnożoną przez wartość opałową, a więc nie całą energię zawartą w paliwie. Ponieważ te urządzenia są w stanie odzyskać ciepło przez skroplenie spalin, są w stanie wykorzystać więcej energii niż wynosi wartość opałowa.

W zagadnieniach produkcji gazu generatorowego, pojawiają się różne rozumienia pojęcia sprawności. Inaczej wygląda ona dla tego samego generatora gdy gaz zasila silnik spalinowy, inaczej gdy holzgas jest spalany w kotle czy palniku. Wynika to z różnicy temperatur — gaz dla silnika musi być chłodny, gaz dla palnika — niekoniecznie. Stąd sprawność przemiany paliwa w gaz będzie wyższa dla gazu gorącego, gdy jako ilość energii otrzymanej z przemiany weźmiemy wartość opałową gazu plus jego ciepło. Gdy gaz musi być schłodzony, ciepło tracimy, zatem sprawność będzie niższa.