Zmienna geometria w turbosprężarkach
W literaturze fachowej oraz w prasie motoryzacyjnej możemy spotkać często używane określenie „turbosprężarka o zmiennej geometrii turbiny” lub „turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek*”. Wnikliwy czytelnik zastanawia się wtedy, w jaki sposób konstrukcyjnie jest realizowana zmiana kąta ustawienia łopatek turbiny, która przecież wiruje z prędkością kilkuset obrotów na minutę. Czy taka regulacja jest możliwa? Przyjrzyjmy się bliżej, na czym faktycznie polega zmienna geometria w turbosprężarkach.
Zacznijmy od wyjaśnienia, że upowszechnione powyższe określenia dla tego typu turbosprężarek są błędne. Trudno byłoby spotkać w samochodach turbosprężarki o zmiennej geometrii turbiny lub łopatek. Błąd wynika z bezpośredniego tłumaczenia skrótów VGT (ang. Variable Geometry Turbocharger) lub VTG (niem. Variable Turbinen Geometrie). Inny spotykany skrót to VNT (wprowadzony przez firmę Honeywell). W dalszej części artykułu będziemy posługiwali się rozpowszechnionym skrótem VGT. Jak wyniknie z zamieszczonego poniżej opisu, w tych rozwiązaniach łopatki turbiny wcale nie zmieniają swojego położenia, ani tym bardziej geometrii.
Do czego służy turbosprężarka VGT?
Główną wadą turbodoładowania jest to, że w momencie przyspieszania silnika czas odpowiedzi turbosprężarki na zwiększone zapotrzebowanie powietrza jest dosyć długi. Opóźnienie reakcji nazywane „turbodziurą” jest spowodowane właściwością turbosprężarki, która nie ma możliwości samodzielnego dostosowania się do zmian prędkości obrotowej i obciążenia silnika. Istnieją jednak rozwiązania, które przyczyniają się do zwiększenia zdolności adaptacyjnych turbosprężarek. Są to zawory upustowe, kierujące nadmiar spalin na stronę wydechu oraz bardziej zaawansowane technicznie turbosprężarki o zmiennej geometrii. W tych drugich rozwiązaniach wirnik turbiny ma stały kształt i wymiary, natomiast zmienność parametrów jest realizowana przez zmianę kąta nachylenia łopatek kierujących spaliny na wirnik turbiny. Regulacja ukierunkowania napływu spalin na łopatki turbiny daje lepsze wykorzystanie gazów wylotowych. Prędkość obrotowa turbosprężarki staje się bardziej niezależna od prędkości obrotowej silnika. W efekcie uzyskuje się lepszy przebieg momentu obrotowego, dzięki czemu nawet przy małym obciążeniu silnika i jego niskich obrotach praca turbosprężarki jest bardzo efektywna. Opóźnienie reakcji (turbodziura) działania takiej turbosprężarki jest minimalne, bowiem zmiana kąta nachylenia łopatek następuje w sposób płynny i nie jest odczuwalna dla kierowcy.
Działanie turbosprężarki VGT
Przekrój anatomiczny turbosprężarki VGT przedstawiono na rysunku. Rolę kierownic pełnią ruchome łopatki, a ich kąt nachylenia zmienia się poprzez kątowy obrót ruchomego pierścienia, na którym są osadzone łopatki. Spaliny dostają się kanałem (1) na łopatki turbiny. Podciśnienie w kolektorze ssącym (wytwarzane przez sprężarkę) działa na membranę siłownika (9). Poprzez cięgno (4) zostaje obrócony pierścień sterujący (6), który zmienia kąt ustawienia łopatek (8) kierujących strugę spalin na turbinę (2). Położenie łopatek kierujących jest zależne od ciśnienia doładowania. Ta regulacja zastępuje zawór waste-gate. Podczas pracy silnika z małą prędkością obrotową, łopatki zostają ustawione w położeniu zmniejszającym przekrój przepływu powietrza, które płynąc prędzej rozpędza turbinę do większej prędkości (rys. 1a i 2b). Dzięki temu silnik osiąga większą moc już w dolnym zakresie jego prędkości obrotowej. Gdy silnik pracuje z dużą prędkością obrotową, ciśnienie doładowania nie może być przekroczone i dlatego łopatki zostają ustawione w położeniu zwiększającym średnicę przekroju (rys. 1b i 2a). Przekrój przepływu jest na tyle zwiększony, aby przepływające powietrze napędzało koło turbiny tylko do wymaganej prędkości.
Istnieją również turbosprężarki VGT, w których zamiast regulowanych łopatek kierownicy stosuje się pierścień przesuwny, przysłaniający wlot spalin na łopatki kierownicy.
W obu przypadkach, obrót lub przesunięcie pierścienia sterującego jest wymuszane przez pneumatyczny nastawnik reagujący na podciśnienie lub nadciśnienie i sterowane przez komputer zarządzający pracą silnika. W nowocześniejszych układach zmiennej geometrii stosowany jest nie przez układ z siłownikiem elektropneumatyczny ale z silnikiem krokowym, co umożliwia większą precyzję regulacji kąta pochylenia łopatek, a co za tym idzie - dokładniejsze określenie zapotrzebowania na ładunek powietrza.
Gdzie są stosowane turbosprężarki VGT?
Pierwsze próby ze sprężarką VGT podjęła Honda w 1980 r. w modelu Legend Wing Turbo. Jednak pierwszym samochodem wyposażonym w turbosprężarkę VNT-25 Garret i skierowanym w 1989 r. do produkcji seryjnej (powstało tylko 500 egzemplarzy) był Shelby CSX-VNT z silnikiem 2.2L Chryslera. W Europie turbosprężarka o zmiennej geometrii pojawiła się po raz pierwszy w 1992 r. w modelu Peugeot 405 T16 z silnikiem 2.0 16V, który został wypuszczony w liczbie 1046 egzemplarzy. Swoją popularność turbosprężarki VTG zawdzięczają silnikom TDI koncernu VW, gdzie zaczęto je stosować od 1996 r. Chociaż technologia VTG jest już powszechnie stosowana w silnikach wysokoprężnych, to była ignorowana w silnikach benzynowych. Wynikało to z tego, że spaliny silników benzynowych mogą osiągnąć temperatury do 950°C w porównaniu do 700-800°C panujących w silnikach Diesla. A to sprawiało trudności w doborze materiałów na łopatki turbiny i w zachowaniu odpowiednich tolerancji, zwłaszcza w odniesieniu do ruchomych elementów. Konstruktorom udało się uporać z tym problemem dopiero w 2006 r. w silniku Porsche 911 (997) Turbo, dzięki metodom obliczeniowym i materiałom przejętym z lotnictwa. Dokładny skład tych ostatnich pozostaje tajemnicą firmy, wiadomo jednak, że na łopatki kierownicy użyto m.in. odpornego na wysokie temperatury stopu niklu.
Niewiele firm samochodowych samodzielnie produkuje turbosprężarki. Większość rynku jest zdominowana przez kilku wyspecjalizowanych producentów: Borg Warner (KKK, Schwitzer), Cummins (Holset), Honeywell (Garrett), IHI, Mitsubishi, Toyota.
Pozostaje jeszcze wyjaśnić, jak powinna prawidłowo brzmieć polska nazwa turbosprężarek VTG. Z zaprezentowanego opisu budowy wynika, że tego typu rozwiązania powinniśmy określać jako turbosprężarki o zmiennej geometrii kierownicy (lub krócej: turbosprężarki o zmiennej kierownicy). Czy jednak te nazwy, pomimo swojej poprawności, mają jeszcze szansę na upowszechnienie się?
Zmienna geometria w turbosprężarkach
: 18 lis 2012, 15:00
