Turbosprężarka od dekad pozostaje jednym z najważniejszych sposobów zwiększania mocy silnika spalinowego. Nowa generacja tego rozwiązania wykorzystuje energię elektryczną, aby wyeliminować jedną z największych wad klasycznej turbiny. Elektryczne turbosprężarki pozwalają uzyskać ciśnienie doładowania niemal natychmiast po wciśnięciu pedału gazu.

Klasyczna turbosprężarka i jej ograniczenia

W tradycyjnej turbosprężarce energia spalin napędza turbinę połączoną z kompresorem sprężającym powietrze trafiające do silnika. Większa ilość powietrza pozwala spalić więcej paliwa, co przekłada się na wzrost mocy i momentu obrotowego.

Takie rozwiązanie ma jednak istotną wadę. Turbosprężarka zaczyna pracować efektywnie dopiero wtedy, gdy przepływ spalin jest wystarczająco duży. Przy niskich obrotach silnika ilość spalin jest ograniczona, dlatego wirnik turbiny potrzebuje czasu, aby osiągnąć odpowiednią prędkość.

To zjawisko określane jest jako turbodziura. Kierowca wciska pedał gazu, ale moment obrotowy pojawia się dopiero po chwili. W nowoczesnych silnikach stosuje się różne metody ograniczania tego efektu, jednak całkowite jego wyeliminowanie przez długi czas pozostawało trudne.

Silnik elektryczny w turbosprężarce

Elektryczna turbosprężarka zachowuje klasyczną konstrukcję z turbiną po stronie spalin i kompresorem po stronie dolotu powietrza. Kluczowa różnica polega na umieszczeniu między nimi niewielkiego silnika elektrycznego.

Taki silnik może rozpędzić wirnik turbosprężarki jeszcze zanim pojawi się odpowiedni przepływ spalin. Energia elektryczna z akumulatora zasila napęd, który w ułamku sekundy wprowadza turbinę na wysokie obroty i pozwala uzyskać wymagane ciśnienie doładowania.

Gdy silnik spalinowy zaczyna pracować na wyższych obrotach i rośnie ilość spalin, ich energia przejmuje rolę głównego napędu turbosprężarki. W praktyce oznacza to, że silnik elektryczny jest potrzebny tylko przez krótki moment, głównie w początkowej fazie przyspieszania.

Koniec turbodziury i szerszy zakres momentu obrotowego

Najważniejszą zaletą elektrycznego turbodoładowania jest znaczące ograniczenie turbodziury. Turbosprężarka może osiągnąć wysoką prędkość obrotową niemal natychmiast po wciśnięciu pedału gazu, ponieważ nie musi czekać na wzrost przepływu spalin.

Efektem jest znacznie szybsze osiąganie maksymalnego momentu obrotowego. W niektórych zastosowaniach różnica w czasie potrzebnym do osiągnięcia pełnego doładowania może wynosić nawet kilka sekund przy bardzo niskich obrotach silnika.

Dodatkową korzyścią jest szerszy zakres obrotów, w którym silnik rozwija wysoki moment obrotowy. Dzięki temu jednostka napędowa reaguje bardziej przewidywalnie i oferuje lepszą elastyczność podczas przyspieszania.

Turbosprężarka jako generator energii elektrycznej

Jedną z najciekawszych cech elektrycznych turbosprężarek jest możliwość pracy silnika elektrycznego w trybie generatora. W sytuacji, gdy przepływ spalin jest duży i turbina obraca się z wysoką prędkością, nadmiar energii może zostać zamieniony na energię elektryczną.

Odzyskana energia trafia do instalacji pojazdu, aby zasilić silnik elektryczny układu hybrydowego lub do akumulatora wysokiego napięcia. W praktyce oznacza to, że część energii spalin, która w klasycznej turbosprężarce zostałaby utracona, może zostać ponownie wykorzystana przez układ napędowy.

Dzięki temu możliwa jest również bardziej precyzyjna kontrola prędkości obrotowej turbiny. Zamiast odprowadzać nadmiar ciśnienia przez zawór wastegate, układ może po prostu wyhamować turbinę poprzez obciążenie generatora. W wielu konstrukcjach pozwala to zrezygnować z klasycznego zaworu upustowego.

Elektryczne turbosprężarki wymagają jednak bardziej rozbudowanej architektury elektrycznej pojazdu. Silnik elektryczny musi być zasilany z wydajnego układu elektrycznego. Na przykład w najnowszym Porsche 911 Turbo S zastosowano dwie takie turbosprężarki, z których każda pobiera moc do 20kW.

Dodatkowa elektronika sterująca pozwala bardzo precyzyjnie kontrolować prędkość obrotową turbiny oraz poziom doładowania. Dzięki temu możliwe jest optymalne dopasowanie pracy turbosprężarki do aktualnego obciążenia silnika.

Rozwiązanie to zwiększa jednak złożoność całego układu napędowego. Elektryczna turbosprężarka jest bardziej skomplikowana konstrukcyjnie i droższa od klasycznej. Są jednak zastosowania, w których zalety elektrycznej turbiny wielokrotnie przewyższają jej wady.