Budowa turbiny

Budowa turbosprężarki

Turbosprężarka składa się z:

• wirnika sprężarki
• wirnika turbiny,
• kadłuba turbiny,
• kadłuba sprężarki,
• kadłuba środkowego
• łożyska ślizgowego,
• łożyska oporowego,
• kanałów olejowych,
• pierścieni uszczelniających,
• wałka turbosprężarki.

Do napędu turbin wykorzystuje się energiępochodzącą ze spalin. Zawierają one 30% energii powstałej w ze spalaniem mieszanki paliwowo-powietrznej. Wirnik turbiny napędzany poprzez wyżej wspomniane gazy (prędkość obrotowa wału wynosi od 100 do 250 tys. obr/min,), napędza wirnik sprężarki. Osadzony jest sztywno na takim samym wale jak wał turbosprężarki. Połączenie wałków (połączenie z wirnikiem turbiny i wirnikiem kompresora) stanowi jeden z głównych elementów turbosprężarki. Wirniki zabudowane są w kadłubach, a całość zespołu utrzymuje się w kadłubie środkowym przy pomocy łożyska oporowego i ślizgowego. Przez kanaliki olejowe dostarczany jest olej, którego zadaniepolega na utrzymaniu filmów olejowych przy łożyskowaniu elementów wirujących. Wirniki zabezpieczane są przed dostawaniem się oleju poprzez olejowe pierścienie uszczelniające.

Wirnik sprężarki dostarcza dodatkowe powietrze kolektorem dolotowym do komory spalania. Doprowadzenie większej ilości powietrza przy tej samej objętości do komory spalania pozwala uzyskać więcej energii ze spalanej mieszanki palowowo-powietrznej, a co za tym idzie jednostka napędowa jest w stanie osiągnąć większą moc. Nie jest to jedyna zaleta turbosprężarki ale kluczowa. Do zalet można zaliczyć także zmniejszanie emisji substancji szkodliwych zawartych w spalinach.

Materiały wykorzystywane się do budowy turbosprężarki

W nowoczesnych samochodach zwraca się uwagę w dużej mierze na kwestie ekologii, silniki są mocno wysilone. Ich objętości skokowe są coraz mniejsze, a uzyskiwane moce znamionowe  są porównywalne do wcześniej stosowanych jednostek napędowych o większej objętości skokowej. Jak możemy zauważyć wykorzystywanie turbosprężarek w nowoczesnych jednostkach napędowych jest już niemalże  standardem. Dotyczy to zarówno aut z silnikami diesla jak i benzynowymi. Obecnie turbosprężarka bywa jednym z istotniejszych elementów osprzętu nowoczesnego silnika. Dlatego tak ważnym i istotnym jest wykorzystanie do ich konstrukcji możliwie najlepszych materiałów.

Materiał „Niresist” najczęściej wykorzystywany jest na budowę kadłubów turbin. Zawiera on: 11-16% Ni, 2,5% Si, do 2% Mn, do 4% Cr i do 8% Cu. Materiał ten charakteryzuje się wysoką  odpornością na ścieranie, korozję i żaroodpornością. Do budowy kadłubów sprężarek wykorzystuje się też stopy aluminium.  Na wirniki turbin wykorzystywany bywa materiał o nazwie „Inconel” (stop niklu, kobaltu, chromu i żelaza o zawartości niklu 46-65%), „MarM247” (19% Cr, 9% Fe, 5% Nb, 3% Mo, 0,9% Ti, 0,6% Al i 0,05% C) bądź tytan. Wszystkie z wymienionych materiałów stosowanych do budowy wirników turbin charakteryzują się  dużą odpornością na wysokie temperatury pracy i odpornością na korozję. Stal chromowo-niklowo-wolframowa (zawierająca 0,25% C, 0,4% Mn, 1,5% Cr, 4,2% Ni i 1% W), innymi słowy stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego stosowane są do budowy wałków turbosprężarek. Łożyska ślizgowe, jakie muszą charakteryzować się odpornością na wysokie temperatury pracy i odpornością ścieranie przeważnie wykonywane są ze stopów odlewniczych brązu.

W jakich warunkach pracuje turbosprężarka

Warunki pracy współczesnych turbosprężarek są bardzo ciężkie. Wysokie prędkości obrotowe, dochodzące powyżej 200 tys. obr/min. Temperatura spalin przy zastosowaniu turbosprężarki są wyższe aniżeli w przypadku wydalanych spalin z silników wolnossących. W jednostkach napędowych z zapłonem samoczynnym spaliny osiągają temperaturę ok. 700 stopni Celsiusza, a w silnikach o zapłonie iskrowym  aż ok. 1000 stopni Celsiusza. W związku z temperaturami spalin i wobec występującej pulsacji ciśnienia spalin bywa koniecznym stosowanie ulepszanych materiałów, na takie elementy jak: kadłuby turbiny, wirniki, sprężarki, wałki i łożyska ślizgowe.

Trudne warunki pracy turbosprężarki

Długotrwała zawód turbosprężarki bywa związana bezpośrednio z dbałością o pojazd. Przez dbanie o samochód rozumie się częste wymiany oleju (minimum raz do roku) oczywiście wraz z filtrem powietrza i filtrem oleju. Dzięki temu unikniemy dostawania się różnych drobinek materiałów do wirnika sprężarki, który charakteryzuje się precyzyjną i wrażliwą na tego typu zanieczyszczenia częścią.

Najczęstsze uszkodzenia turbosprężarek to:

• zbyt niski piętro oleju,
• zanieczyszczenia oleju,
• zanieczyszczenia w zasysanym powietrzu (brud, kurz, piasek i itp.),
• zanieczyszczenia w spalinach (ciała obce pochodzące ze zbiornika paliwa, bądź odłamki zaworów itp.),
•  osad węglowy powstały w wyniku zbyt dużej temperatury spalin.

Sterowanie pracą turbosprężarki

Aby zapewnić poprawną pracę turbosprężarki konieczne jest dostosowanie i ciągłe regulowanie ilości dostarczanego powietrza do silnika. Dlatego również nowoczesne układy turbodoładowania wyposażone są w elementy regulujące. Jednym z rozwiązań jest doposażenie turbosprężarki w zawór wastegate (tzw. zawór upustu spalin). Jest on umiejscowiony przed dolotem spalin do turbiny. W przypadku otwartego zaworu spaliny trafiają bezpośrednio do układu wylotowego pojazdu (ominięcie turbiny). Otwieranie zaworu jest regulowane, co bezpośrednio wpływa na obciążenie turbiny. Zwane jako zmienne ciśnienie doładowania. Najprostszym sterowaniem omawianego zaworu jest sterowanie mechaniczne. W pozycji zamkniętej, sprężyna dociska zawór tak, żeby spaliny trafiały do turbiny. W momencie wzrostu ciśnienia siłownik zaczyna otwierać boczny kanał, przepuszczający spaliny do układu wylotowego pojazdu, z jednoczesnym omijaniem turbiny. Dobrze dobrana moc docisku sprężyny i siły generowanej poprzez siłownik, przewiduje regulację ciśnienia doładowania samoistnie.

Zawory  wastegate

Bardziej zaawansowane rozwiązania z zastosowaniem zaworu wastegate sterowane są przez siłowniki podciśnieniowe. Takie rozwiązania stosuje sprężynę, jej zadaniem jest odwrotne aniżeli w wyżej opisywanym przypadku. Zamiast utrzymywania zaworu zamkniętego, w tutejszym rozwiązaniu sprężyna posiada za zadanie utrzymywanie zaworu w pozycji otwartej, a za tego zamykanie odpowiedzialny jest siłownik. Takie rozwiązanie wymaga układu podciśnienia poprzez zastosowanie pompy podciśnienia, wyłącznie do obsługi turbosprężarki. Takie rozwiązanie umożliwia sterowanie ciśnieniem doładowania niezależnie od ciśnienia panującego w układzie dolotowym. Plusami tego rozwiązania jest przede wszystkim lepszą kontrolę nad pracą jednostki napędowej co niweluje termin reakcji turbosprężarki (tzw. turbodziurę). Poimo częstego rozwiązania zaworu wastegate w silnikach z zapłonem iskrowym j i tańszych konstrukcjach silników z zapłonem samoczynnym, co raz częściej zastępowany jest turbosprężarkami ze zmienną geometrią kierownic spalin.

Turbosprężarki ze zmienną geometrią

Nowoczesne turbosprężarki wyposażone są w kierownicę spalin o zmiennej geometrii.  Kierownice w turbosprężarce są to łopatki, zamocowane do wspólnego pierścienia, znajdujące się na obwodzie wirnika. Do sterowania ich nachylania  służy siłownik pneumatyczny. Zmiany kąta nachylenia kierownic powoduje, iż przepływające powietrze, możliwie bez zawirowań, przepływa do wirnika turbiny. Przy małych prędkościach obrotowych kierownice nachylone są pod dużym kątem, tak żeby doładowanie było możliwie największe bez negatywnego oddziaływania na turbosprężarkę. W przypadku konieczności zmniejszenia stopnia doładowania opisywane rozwiązanie sprawdza się. W takim przypadku kierownice ustawiane są w taki sposób, żeby przepływ był burzliwy. Powoduje to zmniejszeniem ciśnienia doładowującego. Zaletami tego rozwiązania bywa wyższa zdolność aniżeli w przypadku zaworu wastegate, niższa temperatura i ciśnienie spalin (bez utraty mocy), mniejszy termin reakcji turbosprężarki.

Począdkowo turbosprężarki ze zmienną geometrią kierownic były stosowane jedynie w silnikach wysokoprężnych. Miała na to wpływ nieco niższą temperaturą spalin. W silnikach z zapłonem iskrowym spaliny przekraczają temperaturę 900°C, co spowoduje koniecznością wykorzystania droższych materiałów konstrukcyjnych. Pierwszym samochodem z taką turbiną było Porsche 911, z zaprojektowaną turbosprężarka poprzez firmę BorgWarner. Przedstawiciele firmy nie zdradzili jaki materiał, został wykorzystany przy budowie opisywanego elementu.

W silnikach wysokoprężnych nie istotnym jest współczynnik nadmiaru powietrza lambda, jak również dopływ powietrza dławiony poprzez przepustnicę, mimo jej występowania. Natomiast jest to znaczące w jednostkach napędowych z zapłonem iskrowym. To właśnie w tutejszym rodzaju zasilania istotną kwestią, ze względu na pracę turbosprężarki, jest współczynnik nadmiaru powietrza lambda w okolicach jedności. Ponieważ przy małych obciążeniach jednostki napędowej lub np. zdjęciu nogi z pedału przyspieszania (zamknięcie przepustnicy) przepływ powietrza nie jest ciągły. Wynikiem tego są ciężkie warunki pracy sprężarki, której wirnik obraca się z dość dużą prędkością obrotową. Następuje przez to spiętrzanie się ciśnienia doładowania przed przepustnicą. Do zapobiegania takim zjawiskom stosuje się zawór blow-off bądź oryginalnie nazywany dump valve. Zadaniem zaworu blow-off bywa zmniejszenie (upuszczenie) ciśnienia  w odcinku układu dolotowego przepustnica-wirnik. W samochodach wyczynowych zawór blow-off uwalnia sprężone powietrze do atmosfery. Towarzyszy temu charakterystyczny w silnikach turbodoładowanych świst. Sterowanie zaworem typu blow-off może dziać się w dwojaki metoda (tak samo jeśli w przypadku zaworu wastegate). Za pośrednictwem ciśnienia doładowania bądź za pomocą siłownika podciśnieniowego.

Przyszłościowym rozwiązaniem będzie sterowanie turbosprężarki siłownikami elektrycznymi, a nie opisane pneumatyczne. Główną zaletą będzie przyspieszenie reakcji jednostki napędowej w tutejszym turbiny na gwałtowne wciśnięcie pedału przyspieszania

Działa to w ten sposób, iż po wciśnięciu pedału przyspieszania, włączany jest silnik elektryczny, który ma za zadanie uzyskanie adekwatnie wysokich prędkości obrotowych kompresora. Po uzyskaniu odpowiedniej prędkości obrotowej turbina załączana (jeden wałek kompresora i turbiny, z wykorzystaniem sprzęgła). Inną zaletą tego rozwiązania jest niedopuszczenie poprzez sterownik do zbyt dużych prędkości obrotowych turbiny. Opisywane nowoczesne rozwiązanie wyposażone jest w czujniki i sterowniki, tak żeby praca turbiny była jak najbardziej efektywna.

Turbosprężarki to teraźniejszość współczesnej motoryzacji i przyszłość, przynajmniej w jednostkach napędowych o konwencjonalnym napędzie. Przyszłość jest jeszcze nie określona. Trwają prace nad innymi źródłami energii czy paliwami alternatywnymi. Jak na razie mamy turbodoładowanie w jednostkach benzynowymi czy Diesla.