Poradnik dla Kierowcy: turbosprężarka

W pierwszym odcinku Poradnika dla Kierowcy przyjrzymy się urządzeniu, które wielu z nas już ma pod maską. Czy jednak wszyscy wiemy jak najlepiej wykorzystać turbo i jak o nie dbać?

Co to jest turbosprężarka?

Turbosprężarka to połączenie dwóch urządzeń obracających się na wspólnej osi – turbiny i sprężarki. Turbina to zamknięty w obudowie (tzw. muszli) wirnik napędzany wpadającymi do wnętrza gazami wydechowymi z silnika. Po przeciwległej stronie znajduje się sprężarka – podobny wirnik, który obracając się spręża powietrze kierowane do silnika.

Silnik wyposażony w turbosprężarkę nazywamy turbodoładowanym, a taki bez niej (i bez jakiejkolwiek innej formy doładowania) – wolnossącym, co oznacza że pobiera on jedynie tyle powietrza z otoczenia, ile sam jest w stanie zassać.

Historia turbosprężarki w motoryzacji

Po  raz pierwszy turbosprężarkę w samochodzie osobowym zastosowano w latach 60., a odpowiedzialny był za to Oldsmobile – wraz z Garrettem przygotowano silnik Turbo JetFire, który trafił pod maskę modelu Cutlass. Musiało jednak minąć dużo czasu aby nowinka się upowszechniła w samochodach. Dla porównania, patent na turbosprężarkę (wtedy dla transportu morskiego) otrzymał już w 1905 r. Alfred Buechi, a jeszcze zanim nadszedł 1920 r., miały miejsce pierwsze pierwsze próby uturbiania samolotów.

Marką, która niemal automatycznie kojarzy się z zastosowaniem turbo w silniku benzynowym, jest szwedzki Saab. Poczynając od roku 1977, przez kolejne lata ta marka, znana głównie z nawiązań do lotnictwa, stosowała turbosprężarki w swoich samochodach. Zamiast tworzyć drogowe bestię, Saab w swoich autach skupił się jednak na korzystnym przebiegu momentu obrotowego, oraz obniżeniu spalania względem wersji wolnossącej.

Drugą marką gdzie słowo turbo budzi największe emocje, jest bez wątpienia Porsche. Tutaj po raz pierwszy użyto turbosprężarki w roku 1974, w modelu 911 Turbo. Zwykłe 911 potrafiło być momentami uciążliwe w prowadzeniu, ale to właśnie Turbo bardzo szybko dorobiło się pseudonimu Witwenmacher, czyli „owdawiacz”. Wóz miał bardzo bezkompromisową charakterystykę – wielka turbina o stałej geometrii, długi układ dolotowy, zaledwie cztery biegi… Topowa odmiana 911 wymagała wyjątkowo wprawnej ręki, aby podróż nie zakończyła się na drzewie po pierwszym dotknięciu gazu.

Pierwsze 911 Turbo cierpiało zwłaszcza na wyjątkowo złośliwą formę choroby zwanej turbo lag. Turbodziura, bo o niej mowa, to zjawisko opóźnienia w oddawaniu mocy pomiędzy naciśnięciem gazu, a faktycznym wzrostem mocy. Jest to spowodowane koniecznością rozpędzenia turbosprężarki do wysokiej prędkości obrotowej, by jej działanie zaczęło być odczuwalne. Silnik musi w tym celu wytwarzać odpowiednio dużą ilość gazów wydechowych, a więc – kręcić się szybciej.

Aby temu zaradzić, producenci od wielu lat stosują różne rozwiązania, np. zmienny kąt nachylenia łopatek tzw. kierownicy spalin (VNT). W ten sposób nawet niewielki strumień spalin, odpowiednio skierowany, jest w stanie stosunkowo szybko wzbudzić turbinę.

Oprócz tego stosowane są układy zwane bi-turbo, gdzie dwie turbosprężarki o różnych rozmiarach pracują wspólnie w różnych zakresach obrotów. Dla układów z dwiema turbinami tych samych rozmiarów (np. po jednej dla każdego rzędu cylindrów) stosowano określenie twin-turbo, ale w ostatnich latach obu określeń używa się w dość dowolny sposób. Najnowsze silniki spalinowe o wielu cylindrach nierzadko mają nawet trzy lub cztery turbosprężarki, dzięki czemu reakcja na gaz jest prawie natychmiastowa, a zarazem nie tak gwałtowna. Popularność zdobyły również układy zwane twincharger – jednoczesne zastosowanie turbo i mechanicznej sprężarki.

Turbosprężarka – wady i zalety

Głównym zadaniem turbosprężarki jest poprawienie napełnienia cylindra powietrzem. W połączeniu z odpowiednio dobraną ilością paliwa, więcej mieszanki upakowanej w cylindrach przekłada się na większą moc.

Zadanie zwiększenia mocy turbosprężarka spełniła z sukcesem – przez ponad pięćdziesiąt lat na rynku trafiała najpierw do aut sportowych, jako rodzaj doświadczalnego dodatku do silnika, by na stałe zagościć w mocniejszych wersjach niektórych samochodów. Nie tylko tych czystej krwi sportowych, ale także małych miejskich aut z pazurem.

Dzięki zastosowaniu turbo, z małego silnika benzynowego uzyskiwano dużo większą moc i moment obrotowy, często dla niepoznaki pozostawiając nadwozie bez większych zmian. Jedynie czasem dumne napisy „turbo” na karoserii zwiastowały nadciągającą burzę.

No dobrze, ale silnik benzynowy to nie wszystko. Czy słyszycie ten klekot?

Prawdziwą rewolucją okazało się zastosowanie turbosprężarki w silniku wysokoprężnym. Do tej pory wolnossący diesel był znany jako głośne i powolne, ale trwałe i oszczędne urządzenie. Wolnossące diesle były kojarzone dawniej np. z taksówkarskimi Mercedesami czy Passatami – wszędzie tam gdzie liczyła się długowieczność, a nie sprint do setki. Po zastosowaniu turbo-kuracji diesle nagle zyskały znacznie więcej wigoru, w pewnym momencie dorównując nawet silnikom benzynowym w kwestii osiągów. Wystarczy powiedzieć, że w roku 2010 dwa zespoły które używały silnika Diesla w wyścigu Le Mans 24h (były to marki Audi i Peugeot) zajęły nie tylko całe podium, ale też większość miejsc w pierwszej dziesiątce. Podobna sytuacja miała miejsce rok później.

Co ciekawe – w odróżnieniu od silnika benzynowego, turbodoładowany diesel w dalszym ciągu zachowywał umiarkowany apetyt na paliwo. Od późnych lat 80. za sprawą upowszechnienia turbosprężarki potęga diesla rosła. W połączeniu z nowoczesnymi technologiami bezpośredniego wtrysku paliwa samochody z turbodieslami umożliwiły komfortowe i szybkie pokonywanie naprawdę dalekich dystansów bez tankowania. Oprócz tego, większość turbodiesli jest podatna na zabiegi tuningowe, prowadzące do dalszego wzrostu mocy. Dopiero niedawne zaostrzenie norm ekologicznych spowodowało, że klienci odwrócili się od silników na olej napędowy.

A skoro już wspomnieliśmy o ekologii…

Dziś rolą turbosprężarki jest przede wszystkim pomoc w spełnieniu wymogów czystości spalin. Dotyczy to obu rodzajów silników. Dzięki niej, silnik benzynowy czy diesel może mieć dużo mniejszą pojemność niż wolnossący odpowiednik o tej samej mocy. Przekłada się to na oszczędność materiałów, a w konsekwencji – kosztów. Zmniejszony silnik może mieć mniej cylindrów, a co za tym idzie, mniejszą masę i liczbę elementów ruchomych. Skutkuje to zmniejszeniem średniego spalania paliwa oraz emisji szkodliwych cząstek w spalinach. Zjawisko zmniejszania silników i zastępowania pojemności doładowaniem zostało nazwane downsizingiem.
Przy okazji, w silniku z turbo zyskujemy też bardziej korzystny przebieg momentu obrotowego, co stwarza wrażenie, że silnik mimo niewielkiej pojemności chętnie „ciagnie” naprzód.

Za wady silnika turbodoładowanego można uznać znaczne skomplikowanie konstrukcji silnika – aby nie doszło do katastrofy w trakcie jazdy, konieczny jest szereg dodatkowych czujników, a powietrze przechodzi przez rozbudowany układ dolotowy, zwykle wyposażony w chłodnicę międzystopniową, czyli intercooler  (schładzającą powietrze rozgrzane w procesie sprężania). Do tego niezbędne jest zastosowanie wytrzymalszych podzespołów silnika, odpornych na zwiększoną moc. Samochody z turbo są też bardziej wrażliwe na jakość stosowanego oleju i regularność jego wymian. Silniki z turbo potrafią również spalić dużo więcej paliwa niż wolnossące o podobnej mocy, gdy wykorzystujemy pełne osiągi.

Jak dbać o samochód z turbosprężarką?

Generalnie przyjęte zasady savoir vivre’u wobec silników spalinowych mają tu szczególne znaczenie. Turbosprężarka jest urządzeniem niezwykle precyzyjnym, a dodatkowo obracającym się z szaloną prędkością sięgającą 100 tys. obr./min.

Dodatkowo strona „gorąca” turbosprężarki – czyli ta od strony układu wydechowego – rozgrzewa się stosunkowo szybko od gazów spalinowych, w trakcie gdy pozostałe elementy silnika są jeszcze wciąż zimne. Naprężenia, które wtedy powstają, są wrogiem długowieczności każdego mechanizmu.

Ważne jest zatem łagodne traktowanie silnika przez pierwsze minuty jazdy, do chwili aż temperatura cieczy chłodzącej osiągnie poziom roboczy. Zanim zaczniemy używać pełni mocy w trakcie szybkiej jazdy, warto odczekać na rozgrzanie się również oleju silnikowego. Zwyczajowo mówi o tym zasada 90+90 (odczekanie aby ciecz chłodząca osiągnęła 90 stopni, a następnie odczekanie drugie tyle czasu na rozgrzanie oleju). W praktyce – w umiarkowanie ciepły dzień pół godziny wystarcza aż nadto aby móc się bezpiecznie cieszyć pełnymi osiągami silnika. Szczęściarzami są tutaj posiadacze pojazdów ze wskaźnikiem temperatury oleju – informacja jest widoczna jak na dłoni.

Oprócz opisanego już dozowania obciążenia, tak aby nie katować zimnego silnika, dla przedłużenia żywotności ważne jest też studzenie turbosprężarki po dłuższej dynamicznej jeździe, lub jeździe autostradowej z wysoką prędkością. Jeśli to kogoś nie przekonuje, to proszę: oto jak wygląda turbosprężarka po dłuższej pracy przy pełnym obciążeniu. Metal rozgrzany do czerwoności.

Wyczynowe samochody mają dodatkowy wymuszony obieg oleju smarującego turbosprężarkę, a czasami również cieczy chłodzącej w celu wystudzenia turbiny poddawanej torturom na torze czy w trakcie rajdu. Oba te rozwiązania stopniowo pojawiają się również w autach seryjnych, ale jeśli nawet mamy na pokładzie takie urządzenie, minuta pracy na wolnych obrotach po zakończeniu dłuższej jazdy działa zbawiennie na kondycję turbosprężarki. W przeciwnym razie, olej w ukłądzie smarowania turbo może rozgrzać się nawet do kilkuset stopni od gorącej turbosprężarki. W skrajnych przypadkach może to doprowadzić do jego zwęglenia.

Jak jeździć, by odpowiednio wykorzystać turbo?

Większość samochodów z turbosprężarką, czy to benzynowych, czy diesli, nawet przy zminimalizowanym zjawisku turbodziury daje przyjemnego „kopa” przy starcie z niskich obrotów, gdzie wyczuwalny jest moment gdy turbina zaczyna efektywnie pracować. Od charakterystyki silnika i jego pojemności zależy, czy ten efekt jest chwilowy i szybko zanika, czy też narasta w  niekontrolowany sposób. Doświadczeni kierowcy na ogół intuicyjnie znajdują odpowiednią do aktualnych warunków drogowych kombinację prędkości samochodu i użytego biegu, aby rozpędzić się efektywnie. Dla dociekliwych użytkowników, dobrym sposobem jest też sprawdzenie danych technicznych dla posiadanego silnika – większość producentów podaje maksymalny moment obrotowy i przedział obrotów silnika w których on występuje. W turbodoładowanych silnikach maksymalny moment obrotowy zwykle jest osiągany już przy niewielkich obrotach, i utrzymuje się na mniej więcej stałym poziomie w danym przedziale prędkości obrotowych – przykładowo od 2 do 4 tys. To najbardziej optymalny zakres pracy – jeśli potrzebujemy odpowiedniej dynamiki w ruchu miejskim, lub chcemy szybko wykonać wyprzedzanie, najlepiej zaczynać manewr utrzymując silnik właśnie w tym przedziale obrotów. Dzięki temu każda drogowa sytuacja wymagająca szybkiego działania, jak np. wyprzedzanie, będzie wykonana bezpiecznie. Tylko nie zapominajcie o obrotach, przy których jest osiągana maksymalna moc!

Czy samochody z turbo są bardziej awaryjne od wolnossących?

Jak już zostało to wcześniej powiedziane, silniki turbodoładowane są bardziej skomplikowane od jednostek wolnossących. Niemniej przy zachowaniu powyżej opisanych rad dotyczących użytkowania silnika nie trzeba się ponadprzeciętnie obawiać o jego żywotność. Większość problemów współczesnych silników nie jest związana bezpośrednio z obecnością turbosprężarki, ale z awariami osprzętu, np. łańcucha rozrządu, dwumasowego koła zamachowego czy z uszkodzeniem panewek. Wreszcie – awarię powoduje niewłaściwa eksploatacja silnika. Zachowanie odpowiedniej techniki jazdy, oraz przestrzeganie interwałów wymiany oleju (często sztucznie wydłużonych) minimalizuje szanse awarii.

Oprócz samochodów, zmienia się również… nastawienie ludzi. Współczesny klient, który najczęściej kupuje nowe auto korzystając z leasingu lub innej formy finansowania, nie czuje się związany z maszyną na lata. W związku z tym przykłada mniejszą wagę do długofalowej trwałości całego mechanizmu, niż jeszcze 10-15 lat temu. Warto jednak wiedzieć jak postępować, aby nawet pierwsze kilka lat użytkowania samochodu przebiegło bez problemów. Niestety, nawet zachowując środki ostrożności, czasami może zdarzyć się niemiła niespodzianka.

Spokojnie, to tylko awaria

Samochody z turbosprężarką, zwłaszcza diesle, są obecnie normą na rynku wtórnym. Niestety, jeśli nie jesteśmy pierwszym właścicielem pojazdu, nie mamy nigdy pewności jak poprzedni właściciel obchodził się z silnikiem. Współczesne silniki z turbosprężarkami o zmiennej geometrii niezbyt dobrze znoszą chociażby ciągłą jazdę w niskich zakresach obrotów. Sterowanie wspomnianą zmienną geometrią (zwykle zrealizowane przez podciśnieniowy lub elektroniczny siłownik) może wtedy ulec uszkodzeniu. Nie jest to bardzo poważny problem, ale uciążliwy.

W sytuacji gdy po setkach kilometrów spokojnej jazdy, nagle będziemy potrzebować zwiększonej mocy, turbosprężarka nie będzie w stanie w pełni wykorzystać swoich możliwości, lub wręcz przeciwnie – po wciśnięciu gazu wystąpi zjawisko przeładowania. Uszkodzony nastawnik powoduje, że ciśnienie doładowania wzrasta wtedy gwałtownie ponad żądany limit a silnik przejdzie w tryb awaryjny dla uniknięcia poważniejszego uszkodzenia.

Aby tego uniknąć, każdym samochodem z turbo warto od czasu do czasu przejechać się dynamicznie. Na przykład autostradą, gdzie można bezpiecznie się rozpędzić do dużej prędkości.

Awaria może wystąpić również na skutek zużycia, ze starości

Do najpowszechniejszych awarii należy np. uszkodzenie wirnika, zużycie łożysk turbosprężarki (objawiające się jej głośną pracą) lub uszczelniaczy (co powoduje spalanie oleju lub jego przedostawanie się do układu dolotowego). W skrajnym przypadku może dojść do tzw. rozbiegania się silnika. Zjawisko to jest groźne dla silników Diesla. Jeśli olej zacznie się przedostawać przez uszkodzone uszczelnienia turbiny w odpowiednio dużych ilościach, zostanie zassany przez silnik i spalony, tak jak normalne paliwo. W rezultacie silnik, karmiony dawką niezaplanowanego „paliwa” rozkręca się do niebiezpiecznie wysokich obrotów, co z kolei napędza turbosprężarkę spalinami i powoduje zassanie kolejnej porcji oleju. Złowieszcze perpetuum mobile rozbieganego silnika jest bardzo trudne do przerwania i zazwczaj kończy się koniecznością remontu całego silnika. Jeśli już się przydarzy, to należy spróbować zdusić silnik – wrzucić najwyższy bieg, odpuścić pedał sprzęgła i mocno wcisnąć pedał hamulca. W przypadku skrzyń automatycznych takiej możliwości nie ma – teoretycznie mogłoby pomóc skuteczne zatkanie układu dolotowego, by uniemożliwić silnikowi spalanie mieszanki, ale otwieranie maski przy rozbieganym silniku jest pomysłem, delikatnie mówiąc, niezbyt rozsądnym.

Na szczęście nie jest to zbyt częsty przypadek, a na typowe przypadłości turbosprężarki remedium jest poddanie jej tzw. regeneracji w wyspecjalizowanym zakładzie, lub po prostu wymiana na nową. Istnieje wiele zakładów specjalizujących się w regenerowaniu turbosprężarek – jeśli proces zostanie przeprowadzony poprawnie, odzyskamy pełną sprawność samochodu. Z kolei zakup nowej części jest zwykle dość kosztowny, przez co właściciele starszych aut rzadko się decydują na wymianę na fabrycznie nowy element.

Co niesie przyszłość?

Turbosprężarki na stałe zagościły w samochodach osobowych, których używają najzwyklejsi ludzie na co dzień. Nie niosą już takich emocji jak w dawnych czasach, gdy były synonimem silnika o ponadprzeciętnie wysokiej mocy. Jedynie Mazda poświęca obecnie większość uwagi benzynowym silnikom wolnossącym. Trzeba zaznaczyć, że z sukcesami – ich wydajność i ekonomia nie odbiega od konkurencji. Pozostali producenci skupili się na silnikach z turbodoładowaniem, właściwie w każdym segmencie produkowanych samochodów.

W dobie samochodów elektrycznych, trudno przewidzieć jaki los czeka rozwój silników spalinowych, ale zdecydowana większość z nich jest już standardowo wyposażona w turbo. Ten trend pozostanie raczej bez zmian.

Teraz wiecie już wszystko, co najważniejsze o turbosprężarkach. Szerokiej drogi!