Turbodoładowanie to skuteczny sposób na podniesienie osiągów silnika przy jednoczesnym zachowaniu zużycia paliwa na rozsądnym poziomie. Szczególnie w BMW.
Był rok 1973. Od ponad 10 lat BMW wyrabiało sobie markę producenta niedużych sportowych sedanów, które już niebawem miały przekształcić się w serię 3. Na razie zadebiutował pierwszy seryjny europejski samochód wyposażony w turbodoładowanie BMW 2002 turbo. Z dwulitrowego czterocylindrowego silnika udało się wycisnąć 170 koni mechanicznych. A samochód ważył niewiele monad tonę! Nic dziwnego, że przyspieszenie do 100 km/h zajmowało 7,5 sekundy, a prędkość maksymalna wynosiła 210 km/h. Niejeden wyprzedzany kierowca był pewnie zdziwiony takimi osiągami. Aby choć trochę ich na to przygotować, charakterystyczne napisy „2002 turbo” na przednim zderzaku naklejano „na lewą stronę”. Żeby łatwiej można je było przeczytać we wstecznym lusterku. Nikt nie silił się na fałszywą skromność.
Jednak BMW 2002 turbo na równi z wyjątkowymi osiągami kojarzy się z czymś jeszcze – był to samochód trudny do opanowania nie tylko z powodu tylnego napędu i braku wszystkich współczesnych systemów pomocniczych. Chodziło o sposób oddawania mocy, w szczególności zjawisko tzw. turbodziury, czyli opóźnionej reakcji na dodanie gazu. Długo nie działo się nic, a po chwili samochód wyrywał, jakby został uderzony od tyłu. Z niejednego zakrętu 2002 turbo wyjeżdżało obrócone tyłem do zamierzonego kierunku jazdy. Trudno było czymś takim jeździć na co dzień. Turbodoładowanie przez dekady wykorzystywano więc częściej w autach wyczynowych niż drogowych. Dodatkowej mocy szukano gdzie indziej.
BMW. Turbo, biturbo, Twin Turbo, Twin Scroll. Jak to działa?
Najczęściej wykorzystywanym sposobem było powiększanie silników. Większa pojemność skokowa to więcej zassanego powietrza, a więc także i tlenu, w którym może spalić się więcej paliwa, a ono w trakcie procesu uwolni więcej energii, jaką będziemy mogli wykorzystać do napędzania auta. Niestety ta metoda jest za prosta, by na dłuższą metę mogła być skuteczna. Większe silniki to także większa masa, opory wewnętrzne i przez znaczną część eksploatacji praca przy małych obciążeniach, czyli w zakresie niezbyt wydajnym. Starając się podwyższyć moc silnika można także podnosić prędkości obrotowe, z którymi on pracuje. Jednak i tu szybko dochodzimy do trudnych do przekroczenia barier wynikających z wytrzymałości materiałów czy szybkości przygotowania i spalenia mieszanki palnej.
I tak wrócono do doładowania. Można to wykonać na kilka sposobów –wykorzystując zjawiska falowe i rezonansowe w układzie dolotowym (doładowanie dynamiczne) albo z wykorzystaniem zewnętrznych urządzeń sprężających powietrze. Drugie rozwiązanie jest bardziej wydajne. Możemy wprowadzić kolejne rozróżnienie na sprężarki mechaniczne i turbosprężarki. Pierwsze napędzane są poprzez przekładnię od wału korbowego silnika. Choć zapewniają natychmiastową reakcję na dodanie gazu, to ich napęd pochłania nawet kilkanaście procent mocy jednostki napędowej. A to musi odbić się na zużyciu paliwa. W dzisiejszych czasach producenci nie mogą sobie na to pozwolić. Pozostaje turbodoładowanie, umożliwiające odzyskanie choć części energii gorących i znajdujących się jeszcze pod dużym ciśnieniem spalin. Normalnie ta energia oddawana jest bezproduktywnie do atmosfery.
Turbosprężarka to zespół dwóch wirników zamontowanych na jednej osi: turbiny, której zamontowane promieniście łopatki poruszane są przez strumień spalin, i sprężarki, tłoczącej świeży ładunek do cylindra. Choć „energetycznie” jest to rozwiązanie stosunkowo korzystne, to w gazowym sprzężeniu sprężarki z silnikiem tkwi zarazem największa wada. Obracające się wirniki mają dużą bezwładność, a do wydajnego sprężania wymagają pracy z wysokimi prędkościami obrotowymi, dochodzącymi do 200.000 obr./min. Gdy spaliny mają niewielką energię (po odjęciu gazu), wirnik zwalnia i na jego ponowne rozpędzenie potrzeba trochę czasu. Właśnie w ten sposób powstaje turbodziura. I praca wszystkich, z BMW na czele, koncentruje się na tym, by to niekorzystne zjawisko wyeliminować.
Dwie turbosprężarki Twin turbo zamiast jednej
Aby zmniejszyć bezwładność wirników turbosprężarki, należałoby je zrobić po prostu… mniejsze i lżejsze. Niestety w ten sposób ograniczylibyśmy też wydajność całego podzespołu, a przecież nie o to chodzi. To właśnie dlatego BMW zamiast jednej „dużej” sprężarki zaczęło stosować układ wykorzystujący dwie mniejsze. Kolejną zaletą w takim układzie jest skrócenie kanałów wydechowych dochodzących do sprężarek, które szybciej będą wypełniać się spalinami. W silnikach benzynowych system taki przybrał nazwę Twin Turbo. Najczęściej wykorzystywany jest w rzędowych 6-cylindrowych jednostkach o pojemności 3 litrów, stosowanych w seriach 1, 3, Z4 i X6 (z oznaczeniem 35i w nazwie), a także w serii 7 (model 740i). Sprężarki zamontowano jedna za drugą obok silnika. Każda napędzana jest przez spaliny zbierane z trzech cylindrów. Dzięki ich obecności silniki rozwijają moc maksymalną 306, 326 KM (w „siódemce”), a nawet 340 KM w zaprezentowanym ostatnio BMW Z4 sDrive 35is. Maksymalny moment obrotowy tej ostatniej jednostki wynosi aż 450 Nm i osiągany jest przy zaledwie 1400 obr./min. Dzięki funkcji overboost możliwe jest chwilowe podniesienie tej wartości do 500 Nm. To wystarcza, aby auto rozpędzało się ze startu zatrzymanego do 100 km/h w zaledwie 4,8 sekundy. Zużycie paliwa? Producent podaje średnią wartość 9,0 litra.
BMW – turbo w silnikach V8
W silnikach V8 (o pojemności 4,4 litra, stosowanych w BMW 750i, X6 xDrive50i oraz 550i Gran Turismo) turbosprężarki zmieściły się pomiędzy rzędami cylindrów – przy rozwidleniu 90 stopni było na to wystarczająco dużo miejsca. Każda ze sprężarek odpowiada za jeden rząd cylindrów. Moc maksymalna takiego silnika wynosi 407 KM przy momencie obrotowym wynoszącym 600 Nm i to osiąganym już przy 1750 obr./min. BMW 750i rozpędza się do 100 km/h w 5,2 sekundy, a na każdych 100 km drogi potrzebuje średnio 11,4 l/100 km.
Z dzielonym kanałem
Nieco zmodernizowany wariant tej jednostki znalazł zastosowanie w modelach X5 M i X6 M. Zamontowano w nich nietypowy kolektor wydechowy – jeden, obejmujący oba rzędy cylindrów. Ponadto zastosowano sprężarki typu Twin Scroll, do których spaliny prowadzone są dwoma kanałami, zbierającymi je z wybranych grup cylindrów. Kanały łączą się tuż przed wirnikiem turbiny. Odpowiednio dobierając długość i pojemność kanałów można wykorzystać zjawiska falowe w kanałach dolotowych (związane z pulsacyjnym cyklem pracy silnika) i w lepszym stopniu wykorzystać energię spalin. W silniku X5/6 M mamy więc cztery osobne kanały doprowadzające spaliny do turbin – dwie z każdego rzędu cylindrów wpadają do jednego kanału turbosprężarki. To zapewnia stosunkowo stały i intensywny napływ gazów wydechowych, co jest trochę innym sposobem na ograniczenie zjawiska turbodziury. Parametry silnika, jak na M przystało, znakomite – moc maksymalna wynosi 555 KM, co wystarcza, aby oba auta rozpędzały się do 100 km/h w 4,7 sekundy.
Skoro już wspomnieliśmy o turbosprężarkach typu Twin Scroll, to trzeba jeszcze dodać, że nie jest to w grupie BMW jedyny przypadek ich wykorzystania. Stosowane są już od dawna w Mini Cooperach S (silniki 1.6 turbo opracowane wspólnie z PSA zastąpiły wykorzystywane wcześniej jednostki ze sprężarkami mechanicznymi), a także w 535i Gran Turismo. Ciekawy jest zwłaszcza ten drugi przypadek. W przeciwieństwie do pozostałych x35i tutaj zastosowano jedną sprężarkę, ale właśnie z rozdzielonymi kanałami – do każdego trafiają spaliny z trzech cylindrów. Korzyścią jest ograniczenie nadciśnienia nad tłokiem w czasie suwu wydechu, lżejsza o 4 kg konstrukcja, a system i tak w wystarczająco wydajny sposób przejmuje energię kinetyczną spalin. W sumie osiągi są bardzo porównywalne do uzyskiwanych przez jednostki z dwiema turbosprężarkami – moc maksymalna wynosi 306 KM, moment 400 Nm (w przedziale 1200 – 5000 obr./min) przy średnim zużyciu paliwa 8,9 l/100 km.
Jeszcze jednym modelem wykorzystującym turbosprężarki Twin Scroll jest flagowe BMW 760i. Tu ponownie zastosowano układ podwójnego doładowania. W silniku V12 dla optymalnego wyważenia rzędy cylindrów rozchylone są o 60 stopni, zatem na sprężarki jest tam za mało miejsca. Zamontowano je po bokach, każda odpowiada za swój rząd sześciu cylindrów. Oba kolektory wydechowe są identyczne, w układzie 3 w 1 (czyli jest tak, jakbyśmy połączyli wspólną skrzynią korbową dwa silniki z 535i Gran Turismo), a sprężarki tłoczą powietrze do wspólnego centralnego kanału zasilającego układ dolotowy. Jednostka rozwija moc 544 KM i moment obrotowy 750 Nm. O niezwykłej kulturze pracy V12 można by napisać osobny artykuł.
Diesle lubią turbo
Turbodoładowanie jest domeną nie tylko współczesnych silników benzynowych. Przeciwnie – o wiele dłużej mają z nią do czynienia użytkownicy diesli. Choć zasada doładowania jest taka sama, to odmienna specyfika procesu przygotowania mieszanki i spalania pozwoliła na wcześniejsze opanowanie problemów technicznych. Ta odmienna specyfika wymusza także stosowanie nieco innych sposobów na eliminację negatywnych zjawisk towarzyszących turbodoładowaniu.
Podstawową zasadą jest zastosowanie turbosprężarki ze zmienną geometrią kierownic gazów wylotowych. W silniku benzynowym temperatura spalin jest na tyle wysoka, że z przyczyn materiałowych uniemożliwione jest ich wykorzystanie (no, prawie; po raz pierwszy zastosowano je w Porsche 911 Turbo). Kierownice spalanych gazów to zamontowane obwodowo łopatki, przez które przepływają spaliny, zanim trafią na turbinę. Zmieniając kąt ich nachylenia (teraz najczęściej przez sterowany silnikiem elektrycznym mechanizm dźwigniowy) system stara się utrzymać stałą prędkość napływu gazu – nawet przy niskich prędkościach obrotowych jednostki napędowej. A więc to, o co chodziło, czyli odpowiednio wysoki wydatek sprężarki, nawet przy niewielkim obciążeniu silnika. Sprężarki tego typu (nazywane VTG) stosowane są we wszystkich BMW wyposażonych w pojedyncze doładowanie, w modelach oznaczonych x18d, x20d i x30d.
W sytuacji, gdy to nie wystarcza i potrzebne jest doładowanie bardziej wydajne, znowu sięga się po układ dwóch turbosprężarek. W silniach wysokoprężnych sposób ich montażu jest jednak nieco inny. BMW wykorzystuje układ Variable Twin Turbo, na który składają się dwie turbosprężarki o różnej wielkości. Przy niedużych obciążeniach spaliny przepływają najpierw przez turbinę małej sprężarki, o niewielkiej bezwładności, i tam oddają większość swojej energii, a następnie dostają się do większej turbiny, gdzie ulegają dalszemu rozprężeniu. Czyste powietrze jest z kolei wstępnie sprężane w dużej sprężarce i później już mocno w małej. Wraz ze zwiększaniem obciążenia zawory sterujące tak kierują przepływem gazów, że coraz większą rolę odgrywać zaczyna już duża sprężarka. Przy sporym obciążeniu praktycznie za całe sprężanie odpowiada duża sprężarka. Po raz pierwszy taki układ zastosowano w rzędowym 6-cylindrowym 3-litrowym silniku z BMW 535d, później wprowadzono także wariant 4-cylindrowy 2-litrowy w 123d. Obecnie obie jednostki montowane są i w innych modelach. Większa także w BMW 740d, gdzie po pewnych usprawnieniach rozwija moc 306 KM i maksymalny moment obrotowy 600 Nm. Mniejszy silnik rozwija moc 204 KM.
Oczywiście turbodoładowanie to tylko jeden z elementów, który pozwala na osiąganie tak wyśrubowanych parametrów, ważne są także nowoczesne systemy bezpośredniego wtrysku czy zaawansowane układy sterowania pracą silnika i osprzętu. Jak się jednak okazuje, w jednostkach spalinowych drzemią jeszcze spore rezerwy. Ich wykorzystanie, z dużym udziałem turbosprężarek, jest obecnie głównym zadaniem konstruktorów silników.
autor artykułu: Bartosz Zienkiewicz, fot.: BMW
