Zdecydowana większość silników Volkswagena z bezpośrednim wtryskiem benzyny jest doładowana, jedynie silniki o dużej pojemności skokowej -3,2 1 czy 3,6 1 oraz starsze – np. 1.61 są wolnossące. Silniki doładowane noszą oznaczenie handlowe TSI lub TFSI, a wolnossące – FSI. IV silnikach TFSl lub TSI zastosowano doładowanie turbosprężarką lub sprężarką mechaniczną w różnych wariantach.
Turbosprężarka, wykorzystując do napędu energię spalin, cechuje się opóźnieniem w działaniu oraz silnymi obciążeniami cieplnymi, co wymaga chłodzenia zewnętrznego. Do zalet sprężarki mechanicznej należy szybki przyrost ciśnienia doładowania, a więc możliwość uzyskiwania przez silnik wysokich wartości momentu obrotowego przy niskich prędkościach obrotowych oraz brak konieczności stosowania zewnętrznego chłodzenia. Do zasadniczych wad sprężarki mechanicznej zalicza się konieczność jej napędu od silnika oraz straty energii przy wysokich prędkościach obrotowych, gdyż wartość doładowania zależy od prędkości obrotowej.
W silnikach typu TSI lub TFSI rodzaj doładowania zależy od przeznaczenia jednostki napędowej. Dzięki temu z silnika o określonej pojemności skokowej można uzyskać wiele różnych mocy maksymalnych. Np. silnik o pojemności 1,41, w zależności od rodzaju doładowania (jedną lub dwiema sprężarkami) oraz stopnia doładowania produkowany jest z następującymi mocami maksymalnymi: 122 KM (VW Golf, Skoda Octavia), 125 KM (Audi A3, Seat Leon), 140 KM (VW Touran), 150 KM (VW Tiguan, Seat Ib iza), 160 KM (VW Golf), 170 KM (VW Touran) oraz 180 KM (Seat Ibiza).
Różnice konstrukcyjne w silnikach FSI w wersji z turbosprężarką lub bez, można zauważyć w wielu podzespołach. Największe zmiany są w głowicy, ponieważ zostały wzmocnione gniazda zaworów, zamontowano sprężyny zaworowe o większej sile działania oraz zmieniono geometrię kanałów dolotowych.
9.1. Doładowanie turbosprężarką
W doładowanych silnikach o pojemności 1,4 1 (TSI lub TFSI) zainstalowano turbosprężarkę tworzącą wspólny moduł z kolektorem wylotowym. W samym kolektorze umieszczono „żebro” oddzielające, wpływające na równomierny napływ ładunku spalin do turbiny według kolejności zapłonów poszczególnych cylindrów. Zastosowanie dodatkowej przegrody w kolektorze wylotowym zapobiega rozprzestrzenieniu się ciśnienia spalin do kanałów innych komór spalania. Wspomaga to utrzymanie wymaganych obrotów turbiny oraz optymalizacji jej reakcji. Wirniki turbosprężarki mają 37 i 41 mm średnicy, co przekłada się na bezwładność turbiny, a więc szybkość jej reakcji już przy bardzo niskich prędkościach obrotowych. Turbina może osiągać nawet do 220 tys. obr./min (np. w silniku 1,4 TSI/122 KM). Efektem takiej konstrukcji jest uzyskanie w silniku 1,4 TSI/122 KM przy 1250 obr./min ok. 80% maksymalnej wartości momentu obrotowego. Największe ciśnienie doładowania uzyskane z takiej turbosprężarki wynosi 1,8 bara.
Kolejnym elementem odróżniającym konwencjonalne sprężarki od stosowanych w silnikach TSI jest dodatkowe zabezpieczenie przed przegrzaniem. W celu uniknięcia nagromadzenia się ciepła, turbosprężarka została wyposażona w dodatkowe kanały przepływu płynu chłodniczego. Po wyłączeniu silnika proces przepływu cieczy chłodzącej trwa nadal, do chwili uzyskania odpowiedniej wartości temperatury, zgodnej z charakterystyką termiczną. Zadanie podtrzymania obiegu przepływu cieczy, niezależnie od pracy silnika spalinowego, realizowane jest przez dodatkową, elektryczną pompę płynu chłodniczego. Jej praca jest regulowana (przez przekaźnik) sterownikiem silnika, który uwzględnia następujące kryteria:
• stałe uruchomienie pompy, gdy silnik osiągnie moment obrotowy 100 Nm,
• stałe uruchomienie pompy, jeżeli temperatura powietrza w kolektorze ssącym wynosi powyżej 50°C,
• praca pompy przez 10 sekund co 120 sekund, jeżeli różnica temperatur jest większa niż 8°C, w celu zapobiegania spiętrzenia się ciepła,
• chwilowe uruchomienie pompy, co 480 sekund, w celu likwidacji pęcherzy pary.
Łożyskowanie wałka turbiny turbosprężarki zintegrowane jest z obudową. W celu smarowania i chłodzenia turbosprężarka podłączona jest do obiegu smarowania silnika olejem.
W silnikach 1,4 TSI/TFSI stosuje się kolejne innowacyjne rozwiązanie związane z układem chłodzenia doładowanego powietrza. Wyeliminowano chłodnicę doładowanego powietrza typu powietrze-powietrze, zwaną potocznie in-tercoolerem, oraz przynależny do niej kanał przepływu doładowanego powietrza. Intercooler zastąpiono, wbudowaną bezpośrednio w kolektor ssący, chłodnicą doładowanego powietrza typu powietrze-płyn chłodniczy.
Chłodnica doładowanego powietrza ma wspólny, „chłodny” układ z turbosprężarką. Wydajność oraz czas pracy elektrycznej pompy płynu chłodzącego uzależniona jest od dyspozycji sterownika z uwzględnieniem informacji z czujników temperatury silnika oraz zasysanego powietrza. W trybie pracy pompy płyn z dodatkowej chłodnicy powietrza tłoczony jest do kolektora ssącego oraz do turbosprężarki, gdzie odbierając energię cieplną ponownie pomaca do chłodnicy. Chłodnica płynu jest typowym ahiminiowym radiatorem wyposażonym w pakiety blaszane. Ciepłe powietrze opływające żebra elementu oddaje mu ciepło i trafia do kolektora ssącego. Rozgrzany płyn przepływa do dodatkowej chłodnicy znajdującej się na przedzie pojazdu. W skrajnym przypadku różnica temperatury powietrza za chłodnicą doładowanego powietrza i temperatury otoczenia wynosi ok. 20°C.
Ponieważ dodatkowa pompa płynu nie podlega samodiagnozie, jedyna kontrola sprawności układu polega na analizie temperatury przed i za chłodnicą doładowywanego powietrza. W chwili wykrycia niesprawności sterownik aktywuje kontrolkę MIL. Ciśnienie doładowania oraz ciśnienie sterowania ograniczane jest przez zawór elektromagnetyczny. W module turbosprężarki występuje zawór upustowy, sterowany siłownikiem ciśnieniowym. Klapa zaworu upustowego otwiera kanał obejścia, w celu ukierunkowania gazów spalinowych w odpowiedniej proporcji do turbiny oraz do układu wydechowego. Układ taki pozwala maksymalnie wykorzystać możliwości sprężarki nie przeciążając silnika. Uszkodzenie układu regulacji ciśnienia doładowania, pomimo braku pełnej zdolności kontroli, pozwala na funkcjonowanie systemu przy podstawowym ciśnieniu doładowania, dzięki bezpośredniemu oddziaływaniu na siłownik ciśnieniowy.
Turbosprężarka wyposażona jest także w elektryczny zawór obejściowy. Jego zadaniem jest niedopuszczenie do nadmiernego spadku ciśnienia w trakcie hamowania silnikiem oraz w chwili zmiany biegu. Na skutek ciśnienia spiętrzania wirnik turbiny jest mocno hamowany, co prowadzi do obniżenia występującego ciśnienia doładowania. By temu zapobiec, zawór obejściowy otwierany jest nastawnikiem elektrycznym, kierując sprężone powietrze poprzez wirnik sprężarki ponownie do strony ssącej. Czynność ta pozwala na utrzymanie obrotów turbiny, natomiast w chwili otwarcia przepustnicy zawór obejściowy zostaje zamknięty.
9.2. Sprężarka Eatona i turbosprężarka
W silnikach z dwoma urządzeniami doładowującymi, turbosprężarką i sprężarką mechaniczną, umieszczono je po przeciwnych stronach jednostki napędowej. Ze względów konstrukcyjnych turbosprężarka jest źródłem wysokiej temperatury, szczególnie po stronie turbiny, co jest niekorzystne dla przebiegu procesu napełniania cylindrów mieszanką paliwowo-powietrzną. Zlokalizowanie sprężarki mechanicznej po przeciwnej stronie silnika niż turbosprężarka stanowi rozsądne rozwiązanie.
Przykładem silnika doładowanego turbosprężarką i sprężarką Eatona jest jednostka 1,4 TSI o mocy maksymalnej 140, 150,170 lub 180 KM. Zależnie od wielkości żądanego momentu obrotowego doładowanie turbosprężarką wspomagane jest przez doładowanie kompresorem. Kompresor (sprężarka) Eatona silnika 1,4 TSI napędzany jest paskiem wielorowkowym
z koła zasadniczej pompy wodnej wyposażonej w bezobsługowe sprzęgło elektromagnetyczne pozwalające na załączanie sprężarki. Specjalne przełożenie przekładni pasowej oraz wewnętrzne proporcje powodują, że wirniki kompresora obracają się z prędkością obrotową 5-krotnie wyższą niż wał korbowy silnika. Maksymalna prędkość obrotowa kompresora nie przekracza 17 500 obr./min, co przekłada się na ciśnienie maksymalne na poziomie 1,75 bara. Kompresor przykręcony jest do kadłuba silnika po stronie kolektora dolotowego. Wielkość ciśnienia generowanego przez kompresor regulowana jest przepustnicą regulacyjną. Gdy przepustnica jest zamknięta, kompresor wytwarza maksymalne ciśnienie dla danej prędkości obrotowej. Skompresowane powietrze zostaje przetłoczo-ne do turbosprężarki. Reakcją układu na zbyt duże ciśnienie jest uchylenie przepustnicy, czego konsekwencją jest podział powietrza na kompresor i turbosprężarkę.
9.3. Sprężarka Rootsa
Drugą odmianą kompresorów stosowanych w silnikach Volkswagena jest sprężarka Rootsa, wykorzystana w silniku 3,0 TFSI V6 o mocy 290 KM. Silnik ten doładowany jest wyłącznie tą sprężarką mechaniczną.
Sprężarka Rootsa napędzana jest od wału korbowego silnika paskiem wielorowkowym, który podlega wymianie co 120 tys. km.
W przeciwieństwie do kompresora Eatona, napęd przekazywany jest stale i nie jest załączany lub odłączany przez sprzęgło elektromagnetyczne. By zapobiec przenoszeniu wibracji z wału korbowego, zastosowano tłumik drgań skrętnych, co zmniejszyło zjawisko rezonansu przy niskich oraz maksymalnych obrotach silnika. Maksymalna prędkość obrotowa kompresora wynosi 23 000 obr./min. Kompresor Rootsa został wyposażony w dwa 4-skrzydelkowe wirniki, w którym każde skrzydełko skręcone jest o 160° względem osi podłużnej wirnika. Taka konstrukcja pozwala na tłoczenie powietrza w sposób ciągły i mało pulsacyjny. Kompresor w silniku 3,0 V6 TFSI umieszczono w rozwidleniu bloku. W przeciwieństwie do kompresora Eatona, w sprężarce Rootsa zastosowano chłodzenie doładowanego powietrza. Jest ono zrealizowane przez chłodnicę typu powietrze-plyn chłodzący umieszczoną w obudowie kompresora.
Proces regulacji ciśnienia doładowania przebiega identycznie jak w rozwiązaniu poprzednim, dzięki przepustnicy wysterowanej przez sterownik. Proces ten w tym rozwiązaniu jest szczególnie istotny, ponieważ kompresor napędzany jest stale. Wartość dopuszczanego ciśnienia bezwzględnego generowanego przez kompresor zawiera się na poziomie 1,9 bara.
Diagnostyka
Elementem realizującym zadanie badania poprawnej pracy kompresora jest czujnik ciśnienia. W trakcie eksploatacji kompresora należy pamiętać o pewnych zasadach oraz reakcjach, jakie towarzyszą jego pracy. Podczas dynamicznego przyspieszania w zakresie 2000-3000 obr./min pojawia się „wycie” sprężarki, co jest naturalnym odgłosem wytwarzanym przez zawirowania powietrza.
Nietuzinkowym odgłosem wydobywającym się spod maski pojazdu z kompresorem, są także nieregularne „klaśnięcia”. Jest to odgłos pracy sprzęgła elektromagnetycznego, które w stanie spoczynku cofa tarczę cierną do pozycji spoczynkowej.
Należy także pamiętać, że olej wypełniający przekładnię wewnętrzną oraz przekładnię synchronizującą kompresora jest niewymienialny i przeznaczony do tego podzespołu na cały czas jego eksploatacji.
źródło: Poradnik serwisowy 5/2009
motodiagnostyka 