Pod ciśnieniem

Jeśli nowe, ostrzejsze limity emisji dwutlenku węgla wejdą w życie, przyszłość wielkopojemnych silników o dużej liczbie cylindrów stanie się niepewna. Teraz modną dewizą staje się downsizing, czyli zmniejszanie pojemności skokowej. Bo małe, doładowane silniki zapewniają niskie zużycie paliwa bez konieczności rezygnacji z wysokiej mocy. Oczywiście, nie da się tego uzyskać bez turbosprężarek.

Te jednak borykają się z pewnym kłopotem - bez spalin nie ma doładowania. Skutkiem tej prostej zależności jest występowanie tzw. turbodziury. Gdy chce się przyspieszyć z niskich obrotów albo po zmianie obciążenia układu napędowego - kiedy brak jeszcze silniejszego strumienia spalin - silnik turbo potrzebuje chwili "zastanowienia". Chwila ta będzie tym dłuższa, im większa okaże się moc właściwa (moc uzyskiwana z 1 litra pojemności skokowej). Wielkość sprężarki jest bowiem pochodną mocy, a duże sprężarki wolniej przystępują do działania niż małe.

Turbodziura daje się szczególnie we znaki w małych silnikach o niskim momencie obrotowym, którego maksimum - z powodu opóźnienia w wytwarzaniu ciśnienia doładowującego - jest osiągane przy wyższych prędkościach obrotowych. Jednak istnieje na to lekarstwo - dawno wymyślone i teraz wydobyte z mroków pamięci. To turbina dwukanałowa, zwana też bliźniaczoprzepływową. Firma Borg Warner Turbosystems nazwała taki typ sprężarki Twin Scroll - z powodu jej dzielonych, przebiegających spiralnie kanałów.

Już BMW 2002 Turbo jeździło z dwukanałową sprężarką. Jednak Twin Scroll w samochodach z silnikiem benzynowym się nie przyjęła. Niezbędna do rozdzielania strumienia spalin ścianka działowa w kanale doprowadzającym - nie wytrzymywała wysokich temperatur i ulegała stopieniu. Teraz Borg Warner Turbosystems opracował turbosprężarkę typu Twin Scroll, która wytrzymuje temperatury do 980 stopni Celsjusza. Było to niezbędne, gdyż wysokiej mocy właściwej (do 130 KM/l) nie dałoby się uzyskać przy niższych temperaturach.

A tak, silnik GM Ecotec 2.0 DI Turbo w Oplu GT - wyposażony w bezpośredni wtrysk benzyny i sprężarkę KO4 Twin Scroll - osiąga moc 264 KM (194 kW). Godny uwagi jest też moment obrotowy 350 niutonometrów, będący do dyspozycji już od 2500 obr/min. Jeszcze większe wrażenie robią osiągi małego czterocylindrowca, który BMW opracowało wspólnie z grupą PSA. W Peugeocie ten 1,6-litrowy silnik nosi oznaczenie THP (Turbo High Pressure) i wytwarza ciśnienie doładowania wynoszące 0,8 bara. Jego moc maksymalna to 150 KM, a maksimum momentu obrotowego, wynoszące 240 niutonometrów, jest uzyskiwane już przy 1400 obr/min. Według producenta, wytwarzanie ciśnienia doładowania rozpoczyna się już przy 1000 obrotów na minutę - a więc tuż powyżej prędkości obrotowej biegu jałowego - kiedy to kierowca ma do dyspozycji już 156 Nm. Ten sam konstrukcyjnie silnik wMini Cooperze S, produkowanym przez BMW, uzyskuje nawet moc 175 KM.

Dzięki krótkotrwałemu podniesieniu ciśnienia doładowania (overboost), maksymalny moment obrotowy w Mini Cooperze S może wynieść nawet 260 Nm - które są dostępne w zakresie od 1700 do 4500 obr/min. Obydwa silniki są zasilane poprzez bezpośredni wtrysk paliwa, ale mieszanka jest homogeniczna (Lambda = 1). Dzięki przygotowywaniu mieszanki wewnątrz komory spalania i związanemu z tym chłodzeniu wyparnemu, stopień sprężania osiąga wartość 10,5:1 - a więc dość wysoką jak na silnik z turbodoładowaniem. To sprawia, że jego sprawność jest wysoka, poprawia też reakcję na dodawanie gazu.

Jednak podstawową przyczyną dobrej dynamiki jest spontaniczne wytwarzanie ciśnienia doładowania, którego maksymalna wartość powstaje przy prędkości o około 500 obr/min niższej niż w wypadku konwencjonalnych turbosprężarek. W sprężarce Twin Scroll spaliny są prowadzone na wirnik turbiny dwoma ślimakowatymi kanałami. Pulsujące strumienie gazu nabierają dużej prędkości, którą dodatkowo zwiększa stożkowaty, zwężający się kształt podzielonych kanałów. Dynamika gazów odczuwalnie ożywia turbinę, a przeciwciśnienie spada.

Przesłanką do żwawych reakcji silnika na dodanie gazu jest właściwa budowa kolektora dolotowego. Dzięki symetrycznym drogom powietrza do cylindrów oraz bezpośredniemu wtryskowi paliwa, fazy rozrządu dadzą się lepiej dostroić, dzięki czemu wzrasta też podstawowy moment obrotowy.

Technologia Twin Scroll otwiera drogę do zmniejszania pojemności skokowej. Małe silniki czterocylindrowe uzyskują moc i moment obrotowy, jakie dotąd były udziałem dużych sześciocylindrowców. Te z kolei, po wyposażeniu ich w sprężarki Twin Scroll, mogłyby osiągnąć moce "zarezerwowane" dla silników V8. Możliwa jest przy tym redukcja zużycia paliwa oraz emisji CO2 o około 10%. Przed turbo typu Twin Scroll spora zatem przyszłość.

Tekst: Gert Hack
Zdjęcia: Archiwum auto motor i sport