Turbosprężarki w silnikach benzynowych a diesla – różnice i specyfika.

Turbosprężarki w silnikach benzynowych a diesla – różnice i specyfika

Wprowadzenie

Turbosprężarki stały się nieodłącznym elementem współczesnych silników spalinowych, zarówno benzynowych, jak i wysokoprężnych (diesla). Ich głównym zadaniem jest zwiększenie mocy silnika poprzez wtłoczenie większej ilości powietrza do komory spalania. Choć zasada działania turbosprężarki jest w obu typach silników podobna, istnieją istotne różnice wynikające ze specyfiki procesu spalania w silnikach benzynowych i diesla. W tym artykule przyjrzymy się bliżej tym różnicom, analizując konstrukcję, warunki pracy, a także wyzwania związane z zastosowaniem turbosprężarek w obu rodzajach silników.

Zasada działania turbosprężarki

Turbosprężarka składa się z dwóch głównych części: turbiny i sprężarki. Turbina jest napędzana energią spalin opuszczających silnik. Spaliny, przepływając przez wirnik turbiny, powodują jego obrót. Wirnik turbiny jest połączony wałem z wirnikiem sprężarki, który znajduje się po stronie dolotowej silnika. Obracający się wirnik sprężarki zasysa powietrze z otoczenia, spręża je i wtłacza do kolektora dolotowego silnika. Dzięki temu do cylindrów trafia większa ilość powietrza, co umożliwia spalenie większej ilości paliwa i uzyskanie wyższej mocy.

Różnice w konstrukcji turbosprężarek do silników benzynowych i diesla

Chociaż podstawowa budowa pozostaje taka sama to jednak występują znaczne różnice.

Temperatura spalin i materiały

Jedną z kluczowych różnic jest temperatura spalin. W silnikach benzynowych temperatura spalin jest znacznie wyższa niż w silnikach diesla. Może ona sięgać nawet 1050°C, podczas gdy w silnikach diesla rzadko przekracza 800°C. Ta różnica wynika z odmiennego sposobu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. W silnikach benzynowych spalanie jest inicjowane iskrą i przebiega szybciej, generując wyższą temperaturę. W silnikach diesla paliwo jest wtryskiwane do sprężonego, gorącego powietrza i ulega samozapłonowi, co skutkuje niższymi temperaturami spalin.

Wyższa temperatura spalin w silnikach benzynowych wymusza stosowanie bardziej wytrzymałych i żaroodpornych materiałów do budowy turbiny. Często stosuje się stopy niklu, takie jak Inconel, które są w stanie wytrzymać ekstremalne temperatury bez utraty swoich właściwości mechanicznych. W silnikach diesla, ze względu na niższe temperatury, można stosować mniej wymagające (i tańsze) materiały.

Ciśnienie doładowania i regulacja

Silniki diesla z natury charakteryzują się wyższym stopniem sprężania niż silniki benzynowe. Oznacza to, że powietrze w cylindrze jest bardziej sprężone przed wtryskiem paliwa. Dlatego też silniki diesla mogą pracować z wyższym ciśnieniem doładowania. Wyższe ciśnienie doładowania pozwala na dostarczenie jeszcze większej ilości powietrza do cylindrów, co przekłada się na wyższą moc i moment obrotowy. W silnikach benzynowych ciśnienie doładowania jest zwykle niższe, aby uniknąć niekontrolowanego spalania stukowego (detonacyjnego).

Regulacja ciśnienia doładowania jest realizowana na różne sposoby. W starszych konstrukcjach stosowano zawór upustowy spalin (wastegate), który otwierał się przy określonym ciśnieniu doładowania, kierując część spalin z pominięciem turbiny. W nowocześniejszych silnikach, zarówno benzynowych, jak i diesla, coraz częściej stosuje się turbosprężarki o zmiennej geometrii (VTG/VNT). Zmienna geometria pozwala na precyzyjne sterowanie przepływem spalin przez turbinę, a tym samym na optymalizację ciśnienia doładowania w całym zakresie obrotów silnika. W silnikach diesla zmienna geometria jest częściej spotykana, ponieważ pozwala na uzyskanie wysokiego momentu obrotowego już przy niskich obrotach.

Smarowanie i chłodzenie

Turbosprężarka, ze względu na wysokie prędkości obrotowe i temperatury, wymaga intensywnego smarowania i chłodzenia. Zarówno w silnikach benzynowych, jak i diesla, olej silnikowy jest wykorzystywany do smarowania łożysk turbosprężarki. Jednak w silnikach benzynowych, ze względu na wyższe temperatury, chłodzenie turbosprężarki jest jeszcze bardziej istotne. Często stosuje się dodatkowe chłodzenie wodą, które odprowadza ciepło z korpusu turbosprężarki. W silnikach diesla, obciążenie cieplne jest mniejsze, więc chłodzenie wodą nie zawsze jest konieczne.

Zjawisko „turbo dziury”

„Turbo dziura” to opóźnienie w reakcji silnika na wciśnięcie pedału gazu, wynikające z bezwładności turbosprężarki. Zanim turbosprężarka osiągnie odpowiednią prędkość obrotową i wytworzy wymagane ciśnienie doładowania, mija pewien czas. Zjawisko to jest bardziej odczuwalne w silnikach benzynowych, ponieważ mają one mniejszy moment obrotowy przy niskich obrotach. Silniki diesla, dzięki wyższemu momentowi obrotowemu przy niskich obrotach, są mniej podatne na „turbo dziurę”.

Stosowanie zaawansowanych technologii, takich jak: turbosprężarki typu Twin-Scroll, elektrycznie wspomagane turbosprężarki, układy sekwencyjnego doładowania (dwie lub więcej turbosprężarek) pozwalają minimalizować to zjawisko.

Podsumowanie

Turbosprężarki są kluczowym elementem współczesnych silników spalinowych, pozwalającym na zwiększenie mocy i efektywności. Chociaż zasada działania jest podobna w silnikach benzynowych i diesla, istnieją istotne różnice wynikające ze specyfiki procesu spalania. Wyższe temperatury spalin w silnikach benzynowych wymagają stosowania bardziej wytrzymałych materiałów i intensywniejszego chłodzenia. Silniki diesla z kolei mogą pracować z wyższym ciśnieniem doładowania i są mniej podatne na zjawisko „turbo dziury”. Rozwój technologii turbosprężarek, takich jak zmienna geometria i układy sekwencyjnego doładowania, pozwala na optymalizację pracy silników i minimalizację negatywnych zjawisk.

Najczęstsze pytania dotyczące turbosprężarek w silnikach benzynowych i diesla

Jakie są główne różnice między turbosprężarką w silniku benzynowym a diesla?

Podstawowe różnice obejmują materiały użyte do budowy turbiny (bardziej żaroodporne w silnikach benzynowych), temperaturę spalin (wyższą w benzynowych), ciśnienie doładowania (zwykle wyższe w dieslach) oraz strategie regulacji ciśnienia (częściej zmienna geometria w dieslach). Wynikają one z odmiennych charakterystyk spalania w obu typach silników.

Dlaczego turbosprężarki w silnikach benzynowych wymagają lepszego chłodzenia?

Silniki benzynowe generują znacznie wyższe temperatury spalin niż silniki diesla (nawet do 1050°C). Te ekstremalne temperatury mogą uszkodzić turbosprężarkę, jeśli nie jest ona odpowiednio chłodzona. Dlatego często stosuje się dodatkowe chłodzenie wodą, oprócz standardowego smarowania olejem, aby zapewnić jej długą żywotność.

Co to jest „turbo dziura” i czy występuje w obu typach silników?

„Turbo dziura” to opóźnienie w reakcji silnika na wciśnięcie gazu, spowodowane bezwładnością turbosprężarki. Jest bardziej odczuwalna w silnikach benzynowych ze względu na mniejszy moment obrotowy przy niskich obrotach. W silnikach diesla, dzięki wyższemu momentowi obrotowemu w dolnym zakresie obrotów, zjawisko to jest mniej zauważalne.

Czy zmienna geometria turbiny (VTG/VNT) jest stosowana tylko w silnikach diesla?

Chociaż zmienna geometria turbiny (VTG/VNT) jest częściej spotykana w silnikach diesla, to coraz częściej jest również stosowana w nowoczesnych silnikach benzynowych. Pozwala ona na precyzyjne sterowanie ciśnieniem doładowania w całym zakresie obrotów, poprawiając elastyczność i redukując „turbo dziurę”.

Jakie są objawy uszkodzonej turbosprężarki?

Typowe objawy uszkodzonej turbosprężarki to: spadek mocy silnika, zwiększone zużycie oleju, nadmierne dymienie z wydechu (niebieski lub czarny dym), gwizdanie lub inne nietypowe dźwięki dochodzące z okolic turbosprężarki, a także zapalenie się kontrolki „check engine” na desce rozdzielczej.

Jak dbać o silnik z turbodoładowaniem?

Regularna wymiana oleju i filtrów, zgodnie z zaleceniami producenta. Stosowanie oleju wysokiej jakości, przeznaczonego do silników z turbodoładowaniem. Unikanie gwałtownego obciążania zimnego silnika. Po intensywnej jeździe, pozwolenie silnikowi na pracę na biegu jałowym przez kilkadziesiąt sekund przed wyłączeniem, aby schłodzić turbosprężarkę. Regularne kontrole stanu turbosprężarki i układu dolotowego.