Turbosprężarka - zasada działania, budowa, regeneracja

Turbosprężarka - czym jest i kiedy powstała?

Turbosprężarka jest urządzeniem stosowanym w silnikach spalinowych w celu zwiększenia ich mocy. Dzieje się to poprzez dostarczenie większej ilości powietrza do cylindrów. Maszyny budowlane wyposażone w jednostki napędowe z turbodoładowaniem są w dzisiejszych czasach standardem.

Posiłkując się dodatkową mocą pochodzącą z “turbo”, maszyny budowlane osiągają lepszą efektywność i płynność podczas ciężkich prac terenowych, na które są nieustannie narażone.

Kto wymyślił turbosprężarkę? 

Początki urządzenia datuje się na lata 1905-1906 i co interesujące, na te samo rozwiązanie techniczne miało wpaść dwóch niezależnie od siebie działających konstruktorów - szwajcarski inżynier, Alfred Buchi i jego kolega po fachu, Niemiec Gottlieb Daimler, którego nazwisko powiązane jest z obecną dzisiaj na rynku marką Mercedes-Benz.

Ten pierwszy opatentował swój pomysł w roku 1905, a w międzyczasie Gottlieb Daimler pracował nad podobnym projektem, jednak to konstrukcja Szwajcara zyskała szerokie uznanie i zastosowanie w silnikach.

Pierwotnie, wykorzystanie turbosprężarki obejmowało tylko przemysł morski i lotniczy, a jej powszechne użycie dostrzega się dopiero w latach 60. i 70. XX wieku, najpierw w samochodach ciężarowych. 

Odnotowano, że wydajność pojazdów wyposażonych w turbodoładowanie jest lepsza niż ich odpowiedników pozbawionych tej konstrukcji. Wpłynęło to na popularność i debiut urządzenia w innych typach pojazdów m.in. maszynach budowlanych.    

Budowa turbosprężarki

Turbosprężarka to połączenie turbiny, określanej jako strona gorąca i sprężarki - strony zimnej. Obie części składają się z wirnika i łączy je wspólny wałek, a korpusy stron posiadają charakterystyczny wygląd, przywodzący na myśl muszlę ślimaka. 

Turbina jest częścią układu wylotowego silnika, a sprężarka stanowi element układu dolotowego. Turbosprężarka ma wbudowane łożyska i uszczelnienia, umożliwiające płynne obracanie wirników, minimalizujące odpływ powietrza między częścią gorącą i zimną.   

Turbosprężarka - zasada działania

Do czego służy turbosprężarka? Jak już zostało wyjaśnione na początku, głównym celem urządzenia jest podniesienie mocy silnika spalinowego. Konstrukcja wykorzystuje zasady mechaniki i aerodynamiki do sprężania powietrza i w ten sposób doprowadza do zwiększenia wydajności jednostki napędowej. 

Przejdźmy zatem od ogółu do szczegółu. Turbosprężarka umieszczona jest w układzie wydechowym w taki sposób, aby skutecznie wykorzystać energię zawartą w gorących gazach wylotowych silnika spalinowego. Spaliny dostają się do części gorącej, czyli turbiny, która przekształca zawartą w nich energię na ruch obrotowy wirnika, a ten następnie przekazuje go dalej na wirnik sprężarki.

Powstałe w procesie sprężone powietrze dostaje się do komory spalania silnika powodując większe napełnienie cylindra. Większa ilość dostępnego tlenu powoduje efektywniejsze spalanie paliwa, a to prowadzi do generowania większej mocy i momentu obrotowego silnika.

Z uwagi na fakt, że ciepłe powietrza posiada mniejszą gęstość dla usprawnienia wydajności samej turbosprężarki, stosuje się dodatkową chłodnice powietrza - intercooler. Wewnątrz niego, powietrze jest schładzane. Skutkuje to zwiększeniem ilości tlenu w komorze spalania i jeszcze większą moc jednostki napędowej.

Efekt turbodziury

Istotą zjawiska turbodziury jest opóźnienie zachodzące pomiędzy akcją operatora, a odpowiedzią silnika. Sytuacja taka może nastąpić podczas nagłego i drastycznego wciśnięcia gazu. Turbosprężarka potrzebuje czasu na osiągnięcie odpowiedniej liczby obrotów, aby dostarczyć większą ilość sprężonego powietrza do cylindrów silnika i dalej do komory spalania. Może to powodować wrażenie opóźnienia reakcji na działania operatora maszyny.

Turbodziura była na tyle istotnym problemem konstrukcyjnym, iż inżynierowie poświęcili czas na obmyślenie skutecznej technologii mającej za zadanie zniwelować ryzyko jej wystąpienia. Powstały turbosprężarki o zmiennej geometrii głowic turbiny, w których kształt łopatek turbiny jest regulowany. Kontrola kształtu następuje wskutek zmiany kąta nachylenia łopatek w odpowiedzi na różnice w obrotach silnika.

Zawór upustowy (Wastegate) jest kolejnym popularnym rozwiązaniem powyższej kwestii. Pozwala on na dozowanie ciśnienia doładowania, a tym samym ogranicza je, w celu uniknięcia przekroczenia maksymalnych wartości i dopasowuje do aktualnej pracy silnika. W dalszym rozrachunku prowadzi do przyspieszenia reakcji i niweluje opóźnienia pomiędzy akcją operatora, a jednostką napędową.

Objawy uszkodzenia turbosprężarki

Warunki eksploatacji maszyn budowlanych różnią się w zasadniczy sposób od reszty pojazdów. Przeciętny cykl roboczy maszyny to ciągły ruch w trudnym terenie i ogromne obciążenia, co może powodować ryzyko wystąpienia awarii. Wywołana tymi czynnikami szybsza degradacja parametrów oleju silnikowego oraz dodatkowo jego ubytek, naraża turbosprężarkę na uszkodzenie. 

Niespodziewany spadek mocy, może być jedną z oczywistych oznak defektu urządzenia. Oprócz tego wzrost zużycia oleju, dziwne dźwięki - gwizdanie, szum, czy buczenie, a także wibracje w silniku lub całym pojeździe mogą budzić niepokój, co do poprawnego funkcjonowania turbosprężarki. Maszyny budowlane poprzez kontakt z ciężkim materiałem roboczym, jak kamienie, gruz, ziemia, czy kruszywo mogą być narażone na dostawanie się ciał obcych do poszczególnych układów wewnętrznych, co może także doprowadzić do niepożądanych skutków.

Regeneracja turbosprężarki

Regeneracja to kompleksowy proces odnawiania uszkodzonych lub zużytych elementów w sposób przybliżony do stanu pierwotnego. Oprócz tego, celem regeneracji jest przedłużenie żywotności i trwałości danej części. 

Warto rozważyć taką opcję, jeżeli posiadamy uszkodzoną turbosprężarkę, gdyż zakup nowej może znacznie przewyższyć koszt regeneracji. 

Jednymi z najczęstszych problemów występujących w turbosprężarkach jest zużycie łożysk, które może prowadzić do drgań, hałasów oraz wycieków oleju. Natomiast uszkodzenie uszczelek, czy elementów mocujących powoduje nieszczelność wewnątrz podzespołu i doprowadza do wycieków oleju lub odpływu powietrza.

Dość powszechną bolączką jest usterka łopatek wirnika, zaistniała przykładowo podczas interakcji z ciałem obcym, co bezpośrednio skutkuje spadkiem wydajności. Przegrzewanie turbosprężarki mogące wystąpić wskutek nieprawidłowego chłodzenia powoduje deformację elementów składowych, jak np. zapiekanie układu zmiennej geometrii.

Należy pamiętać, że zanim zdecydujemy się na zakup lub regenerację, warto dokładnie ocenić stan techniczny i zużycie elementów. W niektórych przypadkach proces regeneracji może być korzystnym rozwiązaniem, pozwalającym na przywrócenie turbosprężarki do wydajności zbliżonej do nowego urządzenia, a przy tym ponosząc mniejsze koszty.    

Kompresor i turbosprężarka  

Zarówno kompresor i turbosprężarka działają na podobnej zasadzie, czyli dostarczają do komory spalania większą ilość tlenu, a tym samym podnoszą efektywność spalania paliwa i generują dodatkową moc silnika. Różnice między podzespołami wiążą się z tym, że kompresor jest napędzany z wału korbowego. 

Za zalety pierwszego urządzenia uznano mniej skomplikowaną budowę i utrzymanie stałego przyrostu mocy już od początku pracy silnika. Turbosprężarka natomiast jest napędzana energią ze spalin, a fakt ten sprawia, że nie obciąża ona dodatkowo silnika, jak ma to miejsce w przypadku kompresora, a także wykazuje się dużo większą efektywnością w generowaniu mocy i zwiększeniu momentu obrotowego.

Wady turbo to przede wszystkim większa podatność na uszkodzenia i awarie ze względu na środowisko pracy - wysokie temperatury. Temu też należy mieć na uwadze częstszy serwis i uważną eksploatację pojazdu. Największą bolączką pozostaje jednak fakt istnienia opóźnienia, czyli opisanej wcześniej turbodziury.

Podsumowanie

Dzięki turbosprężarce, silniki maszyn budowlanych mogą osiągnąć większą skuteczność, mniejszą emisję spalin i zużycie paliwa. Ważne jednak, aby mieć na uwadze możliwe usterki elementu i ograniczenia towarzyszące każdemu urządzeniu. 

Silniki spalinowe maszyn budowlanych to newralgiczny punkt każdego pojazdu i od jego poprawnego działania zależy efektywność całej maszyny. Potencjalna awaria jakiegoś elementu może doprowadzić do przestoju i strat materialnych. 

Wibako oferuje Państwu szeroki zakres części wymiennych, poszczególnych podzespołów, w tym turbosprężarki i kompresory.