Turbosprężarka (turbo)

Turbosprężarka to urządzenie doładowujące, które zwiększa moc i sprawność silnika dzięki sprężaniu powietrza dolotowego trafiającego do cylindrów. Silniki wolnossące zasysają powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym, przez co ilość paliwa możliwego do efektywnego spalenia ogranicza pojemność powietrza, jaką każdy cylinder zdoła nabrać. Turbosprężarka pokonuje to ograniczenie, upakowując więcej powietrza w tej samej objętości skokowej, co pozwala spalić więcej paliwa w jednym cyklu i uzyskać większą moc z jednostki o danej pojemności.

Urządzenie to w istocie pompa powietrza napędzana odzyskaną energią spalin. Składa się z dwóch wirników łopatkowych osadzonych na wspólnym wale, umieszczonym w szczelnej obudowie środkowej. Gorące spaliny opuszczające silnik wprawiają w ruch koło turbiny po jednej stronie, a wał przenosi ten obrót na koło sprężarki po drugiej stronie, które zasysa i spręża świeże powietrze dolotowe. Wał potrafi obracać się z prędkością przekraczającą 150 000 obr./min, opierając się na łożyskach smarowanych olejem, często dodatkowo chłodzonych cieczą, aby przetrwać intensywne ciepło. Zawór upustowy (wastegate) odprowadza nadmiar spalin z pominięciem turbiny, ograniczając maksymalne ciśnienie doładowania i chroniąc silnik.

Wielką zaletą turbosprężarki jest to, że odzyskuje energię zwykle marnowaną w postaci gorących, szybko płynących spalin, zamieniając ją w użyteczną pracę zamiast spalać dodatkowe paliwo do napędu pompy. Dzięki temu jest znacznie sprawniejsza od sprężarki mechanicznej napędzanej paskiem. Ponieważ sprężanie powietrza powoduje jego nagrzanie, większość zastosowań sportowych i nowoczesnych kieruje ładunek przez chłodnicę powietrza doładowującego (intercooler), zanim trafi on do cylindrów, co przywraca gęstość i zmniejsza ryzyko spalania stukowego. Efektem netto jest wyraźny przyrost zarówno mocy maksymalnej, jak i, przy zmniejszaniu pojemności, codziennej oszczędności.

Doładowanie turbosprężarką przebudowało krajobraz współczesnych silników właśnie poprzez zasadę downsizingu. Producenci masowo zastąpili duże silniki wolnossące mniejszymi jednostkami turbodoładowanymi, które oferują porównywalną moc i moment obrotowy, zużywając mniej paliwa i emitując mniej CO2 w typowych warunkach, co pomaga spełnić coraz ostrzejsze normy emisji spalin. Turbodoładowany silnik benzynowy o pojemności 1,5 litra potrafi dziś bez trudu dorównać osiągom dawnej jednostki 2,5-litrowej, a turbo dodatkowo wypłaszcza i poszerza charakterystykę momentu obrotowego, zapewniając większą elastyczność jazdy.

Klasyczną wadą jest zwłoka turbo (turbo lag): krótkie wahanie między żądaniem mocy przez kierowcę a chwilą, gdy turbina rozpędzi się dostatecznie, by dostarczyć doładowanie. Współczesna inżynieria znacznie ograniczyła to zjawisko dzięki lekkim wirnikom, obudowom dwuwlotowym (twin-scroll) i o zmiennej geometrii, wspomaganiu elektrycznemu oraz układom z dwiema turbosprężarkami. Mimo to turbosprężarki wymagają starannej obsługi — czystego oleju, odpowiedniego chłodzenia i unikania gwałtownego wyłączania rozgrzanego silnika — aby osiągnąć pełną żywotność. Rozpatrywana łącznie ze sprężarką mechaniczną, intercoolerem, układami twin-turbo i konstrukcjami o zmiennej geometrii, turbosprężarka pozostaje dominującym sposobem na uzyskanie więcej z mniejszej jednostki we współczesnych silnikach.