Zasady działania turbin
Chociaż kiedyś technologię turbin wykorzystywano jedynie w autach sportowych, dziś spotykamy ją na co dzień w różnego rodzaju pojazdach, zarówno tych z silnikiem diesla, jak i benzynowym. Doładowanie to jeden z najłatwiejszych sposobów zwiększenia mocy silnika. Polega on na wtłoczeniu powietrza do jego cylindrów. Turbosprężarka jest najbardziej popularnym rodzajem tego urządzenia. Najczęściej jest ona połączona z silnikiem wysokoprężnym.
Mechanizm spalania paliwa
Aby dokładnie przyjrzeć się zasadzie spalania paliwa, warto za przykład wziąć silniki czterosuwne, które są dziś najbardziej powszechnie używane. Na ich cykl roboczy składają się cztery suwy. Pierwszy z nich, ssania, następuje gdy dochodzi do opuszczenia tłoku i zassania powietrza (w silniku diesla) lub mieszanki (w silniku benzynowym). Następnie następuje kompresja, a po niej rozprężanie. Wówczas dochodzi do zapłonu mieszanki paliwa z powietrzem. Ostatnia faza to usunięcie spalin. Dzięki prostocie tej zasady możliwe jest zwiększanie mocy silnika przy wykorzystaniu różnych technik.
Zwiększenie pojemności skokowej
Jedną z nich jest zwiększenie pojemności skokowej. Mechanizm ten działa w taki sposób, że im bardziej zwiększona zostanie komora spalania, tym większa ilość paliwa będzie mogła być spalona. Aby osiągnąć taki efekt, konieczne jest powiększenie objętości każdego osobnego cylindra lub zwiększenie ich liczby. Silnik o większej wadze i rozmiarach pozwala na niewielkie zwiększenie mocy, jeśli nie bierzemy pod uwagę zużycia paliwa i emisji spalin.
Zwiększenie prędkości obrotowej
Kolejna metoda to zwiększenie prędkości obrotowej. Polega ona na tym, że w jednostce czasu następuje więcej suwów. Niestety jest ona mocno ograniczona oraz posiada pewne wady. Może bowiem powodować wzrost tarcia, a co za tym idzie stopniowe obniżanie sprawności silnika.
W silnikach posiadających turbodoładowanie powietrze wykorzystywane podczas spalania jest sprężone, jeszcze zanim znajdzie się w komorze spalania, w przeciwieństwie do opisanych wyżej przypadków, w których spaliny wydostają się z silnika w naturalny sposób, a powietrze, niezbędne do tego, by nastąpił zapłon, zasysane jest przez zawór ssący wprost do cylindra. Zwiększone ciśnienie umożliwia dostanie się do komory spalania większej ilości powietrza, chociaż zasysane jest ono do takiej samej objętości cylindra. Dzięki temu mamy więcej paliwa do spalenia, a zatem także większą moc silnika, otrzymaną pomimo tej samej prędkości obrotowej i pojemności skokowej. Podczas sprężania powietrza dochodzi do jego nagrzania do około 180 stopni Celsjusza. Następnie, będąc schłodzonym w intercoolerze, zyskuje ono większą gęstość, podnosząc jeszcze bardziej moc silnika.
Obniżanie temperatury powietrza
Jedną z metod, mających korzystny wpływ na moc silnika, jest obniżanie temperatury powietrza. Pomaga ona zmniejszyć zużycie paliwa, a także spalin, w tym szkodliwych tlenków azotu, poprzez otrzymanie niższej temperatury wlotu powietrza i zapłonu. Doładowanie mechaniczne i turbosprężarkowe różnią się od siebie.
Doładowanie mechaniczne: do sprężenia powietrza, niezbędnego do spalania, wykorzystywana jest napędzana przez silnik sprężarka. Jednak do działania potrzebuje ona energii, której strata wpływa na dość niewielkie zwiększenie mocy silnika. Możliwy do osiągnięcia wzrost mocy wynosi średnio 10-15 %, a jego wielkość uzależniona jest m.in. od gabarytów silnika. Takie rozwiązanie, jak turbodoładowanie mechaniczne, w porównaniu do silnika bez doładowania o takiej mocy, wpływa na wzrost zużycia paliwa.
Doładowanie turbosprężarkowe: w tym przypadku wykorzystuje się energię wylotu spalin, która spożytkowana zostaje do napędu turbiny, znajdującej się na tym samym wale, co sprężarka. Jej zadaniem jest wówczas zasysanie i sprężanie powietrza, a także przekazanie go dalej, czyli do silnika. Połączenie między silnikiem a turbosprężarką nie jest mechaniczne. Ich współpraca jest możliwa dzięki więzi gazowej.
Schemat obiegu powietrza w turbosprężarce
- 1. Wlot powietrza
- 2. Boczny kanał sprężarki
- 3. Chłodnica powietrza - intercooler
- 4. Kolektor dolotowy - dopływ powietrza
- 5. Kolektor wylotowy - wylot spalin
- 6. Boczna część turbiny - spaliny trafiają na łopatki wirnika turbiny -napędzajądz go
- 7.Odprowadzenie spalin z turbosprężarki do układu wydechowego
