Pierwszą rzeczą do zrozumienia jest to czym jest „lag”. W silnikach doładowanych, gdy kierowca mocno naciska przepustnicę, silnik nie reaguje w sposób liniowy na jego żądanie „więcej mocy”. Zamiast tego, to, co robi, to zyskać trochę momentu obrotowego, jak przepływ spalin przyspiesza. Kiedy te osiągną prędkość krytyczną, aby skutecznie przepchnąć turbosprężarkę, silnik nagle dostarcza nagłą dawkę „dodatkowego” momentu obrotowego.

Prawdziwy problem z silnikami z turbodoładowaniem tkwi w czasie reakcji przepustnicy

Ten czas pomiędzy żądaniem większej mocy a uzyskaniem „kopa” nazywany jest „opóźnieniem”.

Opóźnienie pochodzi z bezwładności systemu turbosprężarki. Jak już zapewne wiesz, turbosprężarka wykorzystuje energię gazów spalinowych opuszczających kolektor wydechowy do obracania turbiny. Ta turbina jest połączona z inną turbiną, która spręża powietrze dostające się do wlotu silnika.

Ponieważ te dwie turbiny mają niemałą masę, ich przyspieszanie i hamowanie nie jest kwestią milisekund. Ponadto, mają one optymalną strefę działania, poniżej której nie zapewniają efektywnego „ciśnienia doładowania”.

To znaczy, że kiedy turbina turbosprężarki obraca się przy niskich obrotach, nie jest w stanie sprężać powietrza w kolektorze dolotowym. Ponieważ silnik został zaprojektowany jako turbodoładowany, efektywny stopień sprężania w komorze spalania, gdy turbo nie dmucha, jest zbyt niski, a zatem nie jest możliwe wtryskiwanie benzyny przy pełnej przepustnicy ani uzyskanie dużych dawek mocy.

Gdy kierowca mocno naciska na przepustnicę, rozpoczyna się efekt łańcuchowy: otwiera się przepustnica i zwiększa się ilość powietrza i benzyny dostających się do silnika. Przy większej ilości powietrza i paliwa zwiększa się energia gazów spalinowych, które napędzają turbinę turbosprężarki nieco szybciej. W ten sposób powietrze zasysane jest nieco bardziej sprężone, co generuje większy przepływ powietrza do komory spalania, większą moc, więcej energii w spalinach, co jeszcze bardziej napędza turbinę turbosprężarki… I tak dalej, i tak dalej, aż do osiągnięcia krytycznej prędkości obrotowej turbosprężarki, która jest w stanie odpowiedzieć na zapotrzebowanie kierowcy.

Dla kierowcy, będąc w stanie zarządzać „do milimetra” z prawej stopy odpowiedzi silnika w zakresie momentu obrotowego wysyłane do kół jest niezbędna, aby być w stanie zarządzać yaw samochodu przez zakręty, do spadku tylnej na woli, lub do korekty linii.

Ten efekt domina powoduje, że kierowca musi nacisnąć pedał gazu do dwóch sekund przed zapotrzebowaniem na moment obrotowy na kołach, przewidując to, co jest przed nim, aby wyeliminować czas stracony na opóźnienie, podczas ładowania turbosprężarki.

Ta główna wada silników turbo była jedną z największych bolączek zespołów wyścigowych, które uznały dodatkową moc silnika z turbodoładowaniem, ale musiały złagodzić negatywny wpływ na kontrolę samochodu.

Pierwszym krokiem w poprawie reakcji silnika było zmniejszenie wymiarów turbosprężarek, aby zmniejszyć bezwładność. Można było również bawić się z turbinami z podwójnym wejściem, a nawet ze zmienną geometrią, aby móc lepiej reagować w całym zakresie obrotów.

Ale to w 1994 roku, w rajdach światowych, osiągnięto „wspaniałe doskonałe rozwiązanie”, wprowadzając „bang-bang”, system anty-lag, aby wyeliminować czas reakcji.

Jak to działa?

Wszystko zaczyna się, gdy kierowca zwalnia przepustnicę. W normalnych silnikach, aby zapobiec dalszemu wtłaczaniu sprężonego powietrza do cylindrów, uniemożliwiając tym samym zatrzymanie silnika, zawór uwalnia sprężone powietrze.

W przypadku systemu antilag, sprężone powietrze z turbiny wlotowej jest omijane bezpośrednio do kolektora wydechowego. W tym samym czasie, mimo że kierowca przestał przyspieszać, przepustnica wlotowa jest nadal otwarta (o 15-20%), tak jakby kierowca trzymał przepustnicę.

Skomplikowany układ przewodów gazowych turbosprężarki w silniku Mitsubishi WRC

Ale elektroniczna jednostka sterująca silnika modyfikuje zarządzanie silnikiem. To, co robi, to opóźnienie punktu zapłonu świecy zapłonowej tak bardzo, jak to możliwe. W ten sposób, gdy tłok silnika znajduje się już w suwie rozprężania, następuje zapłon mieszanki. Powoduje to, że większość energii z tego spalania jest wypychana przez cylinder w suwie wydechu, który wysyła palącą się mieszankę i całą tę energię do turbiny gazowej. Ponadto, gazy te mieszają się z powietrzem pod wysokim ciśnieniem, które napływa do kolektora wydechowego z turbiny wlotowej.

W ten sposób turbosprężarka nadal posiada energię w postaci gazów spalinowych o dużej prędkości i wysokiej temperaturze, które nadal sprężają powietrze pod wysokim ciśnieniem.

W 1994 roku system anty-lag zaczął być używany na etapach WRC

W pewnym sensie, ten system anty-lag jest równoważny użyciu turbosprężarki jako turbiny termicznej podobnej do silnika lotniczego.

Jako że ciśnienie generowane przez turbosprężarkę dla czystego powietrza pozostaje wysokie, gdy kierowca naciska przepustnicę, zawór obejściowy odcina przepływ sprężonego powietrza do kolektora wydechowego i przełącza się na oferowanie go z powrotem do płuc wlotowych, generując ciśnienie w kolektorze niemal natychmiast.

To rozwiązanie redukuje opóźnienie do punktu, w którym jest ono niezauważalne dla kierowcy. Tylko dzięki udoskonaleniu elektronicznego zarządzania silnikiem i zaworów, które zarządzają przepływem powietrza w turbosprężarce, byliśmy w stanie dojść do tej sytuacji, z silnikami, które są bardzo odchudzone pomimo stosowania tej zasady działania.

Ale dlaczego nie jest to stosowane w samochodach drogowych?

To nie jest system, który można zamontować w samochodzie drogowym

Istnieje kilka dobrych powodów, dla których te systemy anty-lagowe nie są dobrym pomysłem w samochodzie drogowym. Pierwszym powodem jest to, że paliwo jest nadal spalane, gdy silnik pracuje na biegu jałowym, więc zużycie paliwa w takim silniku jest znacznie wyższe niż w silniku konwencjonalnym.

Drugim powodem jest to, że spalanie gazów w kolektorze wydechowym, a nie w komorze spalania, powoduje ogromne naprężenia termiczne w turbinie gazowej turbosprężarki, co negatywnie wpływa na jej niezawodność. Trzecim powodem jest zwiększenie emisji zanieczyszczeń, ponieważ spalanie paliwa poza optymalnym punktem suwu sprężania jest nieefektywne.

Czwarty powód jest taki, że dla samochodów ulicznych, które używają turbosprężarek o mniejszej średnicy, z podwójnymi wlotami i z możliwością (w przypadku turbin i niektórych silników benzynowych) użycia zmiennej geometrii, taki system byłby zbędny.

Niestety, FIA zakazała eksperymentów z turbinami o zmiennej geometrii, które prawdopodobnie uczyniłyby takie systemy anty-żużlowe zbędnymi w „światowym” 1,6-litrowym silniku używanym w WRC, w WTCC, a także zakazała ich stosowania w przyszłych silnikach F1. Tak więc korzyści dla samochodów drogowych, które mogłyby zostać osiągnięte poprzez rozwój turbin o zmiennej geometrii dla silników benzynowych, nie zostaną skonsolidowane w ramach konkurencji. FIA stuff.

Dobrą wiadomością jest to, że turbosprężarki F1 sprzężone z silnikiem elektrycznym będą w stanie pracować w celu wyeliminowania opóźnienia bez uciekania się do systemów anty-lagowych typu bang-bang, a rozwiązanie to może być stosowane w samochodach drogowych. Ale o tym porozmawiamy innego dnia.

Raport pierwotnie opublikowany w grudniu 2013 roku, uratowany dla Pistonudos
.