Turbosprężarka o zmiennej geometrii (VGT)

Turbosprężarka o zmiennej geometrii, oznaczana skrótem VGT i nazywana też turbiną o zmiennej geometrii dyszy, to wyrafinowana odmiana turbo, która dostosowuje się do warunków pracy silnika, by zapewnić silne doładowanie w całym zakresie obrotów. Klasyczne turbosprężarki o stałej geometrii muszą iść na kompromis między wczesną reakcją a przepływem przy wysokich obrotach; VGT omija ten kompromis, fizycznie zmieniając geometrię kanału spalin zasilającego turbinę, zachowując się w praktyce jak małe turbo przy niskich obrotach i jak duże przy wysokich.

Mechanizm opiera się na pierścieniu ruchomych łopatek, czyli dysz, ustawionych wokół koła turbiny wewnątrz jej obudowy. Łopatki te obracają się zgodnie, sterowane siłownikiem, który może być podciśnieniowy, pneumatyczny lub coraz częściej elektryczny, a całością zarządza sterownik silnika. Zmieniając ich kąt, łopatki regulują pole przekroju, przez które przepływają spaliny, oraz kąt, pod jakim uderzają one w łopaty turbiny. Zwężenie kanału przyspiesza gaz i kieruje go bardziej agresywnie na turbinę; jego poszerzenie pozwala przepuścić pełny strumień spalin przy minimalnym oporze.

Właśnie ta zmienność daje VGT szerokie, elastyczne doładowanie. Przy niskich obrotach, gdy energii spalin jest mało, łopatki przymykają się, by zdławić przepływ i przyspieszyć gaz, tak by nawet niewielka jego objętość mocno rozpędziła turbinę i dała użyteczne doładowanie już wcześnie — wyraźnie redukując zwłokę turbo. Gdy obroty rosną i przybywa spalin, łopatki stopniowo się otwierają, by nie dławić silnika nadmiernym przeciwciśnieniem i pozwolić turbinie swobodnie przepuszczać gazy przy wysokiej mocy. Pojedyncza turbosprężarka zapewnia więc wczesną reakcję małej jednostki i wydajność dużej u góry zakresu, bez złożoności wielu turbin.

Doładowanie o zmiennej geometrii jest dziś niemal powszechne w nowoczesnych silnikach turbodiesla i należy do kluczowych technologii, które uczyniły diesle common-rail tak elastycznymi i responsywnymi. Stosunkowo chłodne, bogate w tlen spaliny diesla dobrze odpowiadają mechanizmowi łopatkowemu, pozwalając mu pracować niezawodnie bez ekstremalnych temperatur, które długo utrudniały stosowanie VGT w silnikach benzynowych. W dieslach układ pomaga też w hamowaniu silnikiem i może wspomagać recyrkulację spalin (EGR) poprzez modulowanie przeciwciśnienia. Zastosowania benzynowe, gdzie spaliny są znacznie gorętsze, pojawiały się wolniej i wymagają kosztowniejszych materiałów wysokotemperaturowych.

Główne zastrzeżenia dotyczą niezawodności i obsługi. Ruchome łopatki pracują w gorącym, zasadzonym strumieniu spalin i zwłaszcza w dieslach mogą zostać zanieczyszczone węglem i sadzą, przez co się zacinają, a sterowanie doładowaniem zaczyna szwankować. Regularna jazda, olej dobrej jakości i okazjonalna dynamiczna praca pomagają utrzymać mechanizm w ruchu, a siłownik i jego cięgło są częstymi punktami serwisowymi. Stojąc obok układów twin-scroll, sekwencyjnych i twin-turbo, VGT stanowi najbardziej eleganckie rozwiązanie z pojedynczą turbosprężarką dla odwiecznego problemu dostarczania doładowania w całym zakresie obrotów.