Rodzaje doładowania

Sprężarka © Rainer Bielefeld, Creative Commons

Udostępnij:

Pod koniec XIX w. niemieccy konstruktorzy – Rudolf Diesel i Gottlieb Daimler – prowadzili prace, które miały na celu zwiększenie mocy silnika przy jednoczesnym zmniejszeniu zużyciu paliwa (dzięki wykorzystaniu wstępnego sprężania powietrza).

 

  • Fiat S76 osiągał moc 300 KM, ale było to okupione pojemnością skokową 28 300 cm3.
  • Aby znacząco zwiększyć ilość spalanego w cylindrze paliwa, konieczne stało się równoczesne zwiększenie ilości powietrza dostarczanego do cylindra. 
  • Doładowanie w samochodach z początku motoryzacji realizowano mechanicznymi sprężarkami.
  • Pierwsze turbosprężarki były przeznaczone do dużych silników, pracujących przede wszystkim na okrętach. 
  • Pierwszym samochodem sportowym w którym zastosowano doładowanie turbosprężarką oraz mechaniczne jednocześnie była Lancia Delta S4 Stradale.
  • Ciekawym rozwiązaniem doładowania była sprężarka typu Comprex. Pracuje ona według zasady impulsowego przepompowywania powietrza, sprężonego przez gazy spalinowe. 
  • Pod koniec lat 70. XX w. zapadła decyzja, że sprężarka spiralna będzie odpowiednikiem turbodoładowania w samochodach Volkswagena. 

 



Moc silnika spalinowego wynika bezpośrednio z prędkości obrotowej silnika, pojemności skokowej oraz ilości paliwa spalanego w cylindrach. Ze względów ekonomicznych zwiększanie prędkości obrotowej silnika powyżej pewnych wartości nie ma sensu, ponieważ generuje potrzebę bardzo kosztownych modyfikacji. Ponadto w czasach początku motoryzacji było to niemożliwe ze względów technologicznych – nie dysponowano wystarczająco wytrzymałymi stopami metali, z których można by wykonać odpowiednio odporne wały korbowe, korbowody czy tłoki.

Przy zwiększeniu mocy silnika postawiono na zwiększanie pojemności skokowej. Z łatwością można sobie przypomnieć wyścigowego Fiata S76, który co prawda osiągał moc 300 KM, ale było to okupione pojemnością skokową 28 300 cm3. To oznacza, że moc jednostkowa tego silnika wynosiła 10,6 KM z litra pojemności.
Ten absurdalny samochód uzmysłowił konstruktorom, że skoro zwiększanie pojemności skokowej i zwiększanie prędkości obrotowej mają spore ograniczenia, to należy do cylindrów dostarczać większą ilość paliwa. Zauważono, że lepiej wyprofilowane rury dolotowe i zdecydowanie większe zawory ssące pozwalają na zmniejszenie oporów zasysania mieszanki do cylindrów w silnikach benzynowych. Takie rozwiązanie przyniosło wzrost momentu obrotowego oraz bardziej równomierną pracę silnika, a co najważniejsze: zmniejszenie zużycia paliwa.

Konstruktorzy poszli tą drogą dalej. Wynikiem ich badań było wprowadzenie w latach 20. XX wieku silników z dwoma wałkami rozrządu w głowicy i czterema zaworami na cylinder. Dało to jeszcze większe przyspieszenie napełniania cylindrów i ich opróżniania ze spalin, dzięki czemu zwiększyły się moc silnika i moment obrotowy oraz spadło zużycie paliwa.

W sporcie samochodowym cały czas było to niewystarczające. Aby znacząco zwiększyć ilość spalanego w cylindrze paliwa, konieczne stało się równoczesne zwiększenie ilości powietrza dostarczanego do cylindra. Stosunek ilości paliwa spalanego w optymalny sposób do ilości powietrza potrzebnego do tego spalania nazywa się stosunkiem stechiometrycznym i wynosi 14,7 kg powietrza przypadającego na każdy kilogram spalanego paliwa.

Aby znacząco zwiększyć możliwość napełniania dość małego cylindra silnika tak dużą ilością ładunku, nie wystarczy zastosowanie dużych zaworów i odpowiednich średnic przewodów dolotowych i wydechowych. Konieczne jest w takim przypadku sprężenie mieszanki, która dostaje się do cylindrów. Pierwszy rodzaj doładowania polegał na przepompowywaniu mieszanki z cylindra kompresora tłokowego do cylindra silnika. Kompresor tłokowy napędzany był za pośrednictwem korbowodu zamocowanego na wale korbowym silnika. Rozwiązanie to było mało wydajne i powodowało znaczną pulsację ładunku w układzie dolotowym.

Turbo nie było pierwsze

Doładowanie w samochodach z początku motoryzacji realizowano mechanicznymi sprężarkami, nierzadko umieszczonymi przed silnikiem i napędzanymi bezpośrednio od wału korbowego. Początkowo były to sprężarki tłokowe, które okazały się mało wydajne i zostały zastąpione sprężarkami typu Roots. Były one napędzane bezpośrednio od wału korbowego silnika i znajdowały się przed nim – często wystając poza maskę samochodu.

Przekrój sprężarki Rootsa
Przekrój sprężarki Rootsa: 1 – wirnik pierwotny 1, 2 – budowa sprężarki,
3 – wirnik wtórny 2, a) wlot, b) transport medium, c) wylot. Rainer Bielefeld, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons

Zalety doładowania zauważono też w napędzie silników lotniczych. Sprężanie powietrza eliminowało jego niedobory wynikające ze zmniejszającego się ciśnienia powietrza atmosferycznego wraz ze wzrostem wysokości lotu.

Sprężarka Rootsa bazuje na dwóch rotorach, zazębionych ze sobą i obracających się w przeciwnym kierunku. Wydajność takiej sprężarki jest wprost proporcjonalna do jej prędkości obrotowej, co za tym idzie – łatwa do przewidzenia w różnych zakresach prędkości obrotowej silnika, do którego jest zamontowana. Nad pulsacją w układzie dolotowym panuje się, stosując wirniki o trzech lub większej liczbie wypustów. Ich kształt generalnie nie zmienia wydajności sprężarki, ale zmienia pulsację mieszanki w dolocie.

Wersją rozwojową sprężarki Rootsa jest sprężarka typu Eaton. Działa na tej samej zasadzie, jednak wyeliminowano w niej pulsację ciśnienia ze względu na śrubowe ukształtowanie rotorów. Tego typu kompresory stosuje się w aplikacjach sportowych i tuningowych ze względu na wysoką wydajność możliwą do osiągnięcia przez zastosowanie przekładni pasowej na napędzie i zwielokrotnieniu prędkości obrotowej sprężarki.

Sprężarka śrubowa (typu Eaton)
Sprężarka śrubowa (typu Eaton) do montażu na silniku samochodowym. Jej napęd realizowany jest za pośrednictwem paska wielorowkowego. Źródło: Rainer Bielefeld, Creative Commons

 

Bentley 4 1/2 litre o pojemności 4,4 l
Bentley 4 1/2 litre o pojemności 4,4 l dzięki sprężarce mechanicznej osiągał prawie 180 KM mocy. Sfoskett, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons

Turbo

Pierwsze turbosprężarki były przeznaczone do dużych silników, pracujących przede wszystkim na okrętach. Początek turbodoładowania w przemyśle samochodowym był związany z silnikami w samochodach ciężarowych. Pierwszą turbosprężarkę przeznaczoną do silnika samochodu ciężarowego wyprodukowała w 1938 r. firma Swiss Machine Works Saurer. Szwajcar Alfred Büchi był z kolei pierwszym inżynierem, który w 1952 r. połączył turbodoładowanie z wydechem spalin, osiągając tym samym wzrost mocy silnika o 40%. Ten moment zadecydował o popularności turbodoładowania silników w motoryzacji.

Rysunek patentowy turbosprężarka Alfreda Büchi
Rysunek patentowy z 1905 roku – turbosprężarka opracowana przez Alfreda Büchi. Źródło: Swiss Patent Office, 1905 patent specification

Oldsmobile Jetfire i Chevrolet Corvair Monza były pierwszymi samochodami osobowymi, w których zainstalowano turbinę w celu zwiększenia mocy silników. Na rynku pojawiły się na przełomie lat 1962–1963, jednak mimo wyższej mocy ich zawodność i awaryjność spowodowały szybkie wycofanie ze sprzedaży.

Pierwszym samochodem produkowanym seryjnie i wyposażonym w turbosprężarkę – czyli sprężarkę odśrodkową napędzaną energią gazów wydechowych – było zaprezentowane w 1973 roku BMW 2002 Turbo. Był to samochód wyposażony w silnik benzynowy o pojemności 2 l z układem wtryskowym K-Jetronic. Dzięki turbodoładowaniu moc tego silnika zwiększono ze 130 do 170 KM.

Silnik o pojemności 2 l wtryskiem paliwa i turbosprężarką z BMW 2002 Turbo
Silnik o pojemności 2 l wtryskiem paliwa i turbosprężarką z BMW 2002 Turbo – pierwszego seryjnie produkowanego samochodu doładowanego. Stahlkocher, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons

Rewolucję w turbodoładowaniu samochodów osobowych spowodowało w 1978 roku wprowadzenie na rynek silnika Diesla z turbodoładowaniem w Mercedesie Benz 300 SD oraz w 1981 r. w Volkswagenie Golfie Turbodiesel. Znaczenie turbosprężarek w pojazdach codziennego użytku wyraźnie wzrosło, przede wszystkim z uwagi na rosnącą niezawodność i niższą emisję szkodliwych substancji w spalinach.

Dziś technologię tę stosuje się w mniejszym stopniu z uwagi na aspekty wydajnościowe, a w większym – ze względu na znaczące zmniejszenie zużycia paliwa, co prowadzi do mniejszego zanieczyszczenia otaczającego nas środowiska. Obecnie stosuje się sprężarki odśrodkowe o napędzie elektrycznym (Audi Q7).

Zastosowanie turbosprężarki niesie pewne konsekwencje. Najważniejszą z nich jest związane z prawami fizyki zwiększanie temperatury gazów podczas ich sprężania. To prowadzi do zwiększania ich objętości i tym samym – do obniżania ilości gazów wtłaczanych do cylindrów. Gdy ciśnienie doładowania jest wysokie (na ogół powyżej 0,5 bara nadciśnienia użytecznego), sprężone gazy, przed ich dostaniem się do cylindrów, często przepływają przez chłodnicę, co obniża ich temperaturę (intercooler – chłodnica międzystopniowa).

Chłodnica międzystopniowa, czyli intercooler.
Chłodnica międzystopniowa, czyli intercooler. Jej zadaniem jest schłodzenie powietrza doładowującego w celu zwiększenia jego gęstości. Źródło: Hot Rod Network

Efekt schłodzenia jest dwojaki:

  • zwiększenie masy powietrza wprowadzonego do cylindrów (zwiększenie gęstości),
  • obniżenie jego temperatury.

Są to dwa elementy powiązane ze sobą: z jednej strony – wysoka temperatura zmniejsza masę powietrza wpływającego do cylindrów (tzw. spadek gęstości), a zatem mamy niższe ciśnienie użyteczne doładowania, z drugiej – świeże gazy obniżające temperaturę pod koniec suwu sprężania w cylindrze lub przy równej temperaturze – pozwalają one osiągnąć wyższe ciśnienie.

Porównując silniki wyposażone w turbosprężarkę, należy stwierdzić, że w wypadku tych pierwszych, ciśnienie wylotu, gdy rozpoczyna się napełnienie cylindra, jest równe ciśnieniu atmosferycznemu, ponieważ podczas wylotu nie występuje dodatkowe tłumienie przepływu. Natomiast w drugim przypadku ciśnienie gazów spalinowych jest równe ciśnieniu gazów potrzebnemu do napędzenia turbiny. Przy równym poziomie wszystkich pozostałych czynników, sprężarka wyporowa umożliwia dłuższe rozprężanie z jednoczesnym lekkim wzrostem średniego ciśnienia użytecznego. Odwrotnie dzieje się w przypadku turbosprężarki – odzysk części energii gazów spalinowych wpływa na poprawę ogólnej sprawności silnika.

Typowe wartości doładowania stosowane w silnikach seryjnych samochodów osobowych wynoszą około 0,5 bara nadciśnienia dla silnika benzynowego i 1 bar dla silnika Diesla. Oczywiście, im wyższy stopień doładowania, tym większa potrzeba skutecznego chłodzenia pośredniego. Najlepiej obrazuje to fakt, że zmniejszenie temperatury powietrza wpływającego do cylindrów o 10°C powoduje wzrost mocy od 3,5 do 5%. Pierwsza z podanych wartości odnosi się do przypadku, gdy chcemy wykorzystać chłodzenie w celu obniżenia temperatury końcowej gazów w silniku, zaś druga uwzględnia łączne wykorzystanie chłodzenia dla uzyskania, przy równej temperaturze końcowej, wyższego ciśnienia.

Doładowanie silników wywodziło się ze sportu i miało późniejsze zastosowanie w samochodach cywilnych. Pierwszym samochodem sportowym w którym zastosowano doładowanie turbosprężarkę oraz mechaniczne jednocześnie była Lancia Delta S4 Stradale. Zastosowanie układu doładowania z dwiema sprężarkami o odmiennych charakterystykach pracy miało na celu zredukowanie momentu bezwładności, czyli turbodziury towarzyszącej wielkogabarytowej turbosprężarce pracującej przy wysokich obrotach silnika. Wersja rajdowa tego samochodu miała moc 480 KM W czasach, kiedy Włosi testowali ten samochód w grupie „B” silnik o pojemności 1,8 litra z podwójnym doładowaniem o wysokości 5 barów osiągał moc 1000 KM.

Silnik Lancii Delty S4 Stradale ze sprężarką mechaniczną i turbosprężarką.
Silnik Lancii Delty S4 Stradale ze sprężarką mechaniczną i turbosprężarką. Źródło: Lancia

Bi-turbo i Twinturbo

Pierwszym samochodem z podwójnym doładowaniem typu Bi-turbo było Maserati. W 1981 r. zadebiutowało na rynku z silnikiem V6 o pojemności 2 l i mocy 180 KM. Każdy rząd cylindrów silnika miał własną turbosprężarkę. Nazewnictwo Bi-turbo i Twinturbo jest dość umowne, ponieważ teoretycznie dotyczy równoległego bądź szeregowego ustawienia turbosprężarek w układzie dolotowym silnika.

Silnik Bi-turbo Maserati
Silnik Bi-turbo Maserati. Każdy rząd cylindrów ma swoją turbosprężarkę, która pompuje powietrze do wspólnego kolektora:
1 – czujnik spalania stukowego, 2 – czujnik ciśnienia w kolektorze dolotowym,
3 – sterownik silnika, 4 – zawór elektromagnetyczny sterujący ciśnieniem doładowania i otwieraniem zaworów upustowych.
W pierwszych modelach tego silnika turbiny były sterowane bezpośrednio ciśnieniem doładowania doprowadzonym przewodem oznaczonym na ilustracji linią przerywaną (A). Źródło: Maserati


Ponieważ w tej sytuacji turbosprężarki są mniejsze, mają też mniejszą bezwładność, czyli krótszy czas reakcji. Zazwyczaj takie rozwiązanie stosuje się w silnikach o pojemności skokowej większej, niż 2500 cm3.

W układzie sekwencyjnym (Twinturbo) stosuje się mniejszą turbosprężarkę dla małych obrotów i większą dla dużych. Zapewnia to szybką reakcję silnika w niskim zakresie prędkości obrotowych i duży stopień doładowania w wyższym zakresie prędkości obrotowych silnika.

Układ doładowania szeregowego (Twinturbo)
Układ doładowania szeregowego
(Twinturbo) stosowanego
w samochodzie Opel Insignia
 BiTurbo (stąd zwracamy uwagę,
że oznaczenia te
są stosowane umownie).
Źródło: Opel

Zawór 1 jest zamknięty, wymuszając przepływ spalin z kolektora wydechowego przez małą turbosprężarkę. Jednocześnie zawór 2 również jest zamknięty, wymuszając dodatkowo przepływ spalin przez dużą turbosprężarkę. Po stronie powietrza zawór 3 jest zamknięty, co wymusza przepływ powietrza przez kompresor małej turbosprężarki, która spręża powietrze. Duża turbosprężarka właściwie nie spręża powietrza w tym przypadku.

Przy prędkości obrotowej 1500–3000 obr./min zawór 1 zostaje częściowo otwarty, pozwalając większej ilości spalin napędzać większą turbosprężarkę, której udział w sprężaniu powietrza wzrasta. W tym zakresie prędkości obrotowych mała turbosprężarka pracuje z prawie całkowitą wydajnością, a duża zaczyna dostarczać coraz większą ilość sprężonego powietrza.

Przy prędkościach obrotowych powyżej 3000 obr./min zawory 1 i 2 są całkowicie otwierane, wymuszając całkowity przepływ spalin tylko przez dużą turbosprężarkę. Dodatkowo po stronie powietrza otwierany jest zawór 3, co oznacza, ze całkowite sprężanie powietrza następuje przez dużą turbosprężarkę, a mała pozostaje nieużywana.

Zapomniane systemy

Ciekawym rozwiązaniem doładowania była sprężarka typu Comprex. Pracuje ona według zasady impulsowego przepompowywania powietrza, sprężonego przez gazy spalinowe. Charakteryzuje się bezpośrednim przekazaniem energii spalin do powietrza doładującego poprzez wykorzystanie zjawisk falowych. Wynikiem jest natychmiastowa reakcja silnika na zmianę obciążenia oraz korzystny przebieg krzywych mocy i momentu obrotowego.

Przeciętne ciśnienie doładowania tego systemu to 0,2 MPa. Pasek łączący sprężarkę Comprex z wałem korbowym silnika służy jedynie do zsynchronizowania pracy obu urządzeń. Szacunkowo moc silnika, pochłaniana przez napęd tej sprężarki, oscyluje w granicach 2% mocy wytworzonej przez jednostkę.

Cechy falowości doładowania umożliwiły wykorzystanie energii fali uderzeniowej, powstałej w wyniku spalania mieszanki paliwowej i przekazanie energii tej fali powietrzu, które jest w płynny sposób zasysane przez urządzenie. Cały proces odbywa się w poszczególnych komorach urządzenia, gdzie za pośrednictwem otworów dolotowych i wylotowych świeże powietrze jest spiętrzane, a spaliny rozprężane. Trzeba zauważyć, że podczas tego procesu ładunek powietrza niesie ze sobą małe ilości spalin. Większość spalin opuszcza urządzenie Comprex przez okno wydechowe, powodując tym samym podciśnienie, które zasysa świeży ładunek powietrza do urządzenia.
Ważnym aspektem pracy urządzenia jest utrzymanie szczelności między kanałami w obudowie a tymi w obracającym się wirniku. Jest to realizowane przez zachowanie szczeliny o wielkości 0,1 mm między wirnikiem a obudową urządzenia.

Warte odnotowania jest to, że system Comprex po części realizuje proces recyrkulacji spalin, za sprawą właśnie wspomnianej nieszczelności. Doładowanie typu Comprex stosowano w samochodzie Opel Senator w 1985 r. i w samochodzie Mazdzie 626 z 2-litrowym silnikiem Diesla. Ze względu na trudności związane z obsługą tego typu sprężarek, wymagające łożyskowanie wirnika i problematyczne uszczelnienie zrezygnowano z tego rodzaju doładowania w samochodach.

System „G”

Twórcą sprężarki spiralnej typu G jest Francuz Léon Creux, który opatentował takie urządzenie w 1905 r. Wówczas nie było jeszcze technologii wytwarzania sprawnie działających, trwałych i przede wszystkim szczelnie pracujących układów tego typu.

Ogólna budowa sprężarki ślimakowej jest bardzo prosta. Konstrukcja Volkswagena ma żeliwny korpus oraz magnezowy, spiralny wirnik. W korpusie znajdują się 2 zachodzące na siebie spirale. Jedna z nich jest częścią obudowy, druga to element ruchomy, zamocowany na wałku z mimośrodem. Ruch mimośrodowy centralnej spirali względem tej nieruchomej w obudowie powoduje przetłaczanie powietrza między ściankami do środka spirali, gdzie znajduje się wylot do kolektora dolotowego.

Pod koniec lat 70. XX w. zapadła decyzja, że sprężarka spiralna będzie odpowiednikiem turbodoładowania w samochodach Volkswagena. Prowadzono badania wytrzymałościowe, pracowano nad uszczelnieniem i wyciszeniem konstrukcji. Ostatecznie w 1985 r. zaprezentowano prototyp, a rok później auto drogowe z kompresorem spiralnym. Był to model Polo GT G40 Coupé. Liczba 40 odnosiła się do głębokości ślimaka, czyli głębokości komory sprężającej. Silnik tego samochodu generował moc 115 KM przy 6000 obr./min z 1300 cm3­ pojemności skokowej. Większe wersje tego kompresora – G60 wdrożono do Golfa II, Corrado i Passata B3 z silnikami 1,8 l. W dniu 8 lutego 1994 r. zakończono projekt „G-Ladera” i zrezygnowano ze stosowania tych urządzeń we wszystkich silnikach Volkswagena. Powodem był duży gabaryt i koszt produkcji, który przestał być konkurencyjny wobec taniejących turbosprężarek. Golfy i Passaty G60 wycofano z oferty Volkswagena w 1993 r. natomiast produkcję Polo GT G40 Coupé zakończono w 1994 r.

Udostępnij:

Drukuj



Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”




TOP w kategorii







Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również