Jakie doładowanie jest najlepsze?

Rainer Bielefeld, Creative Commons
Maciej Blum
14.6.2022
Reklama
Reklama

Doładowanie w samochodach z początku motoryzacji było realizowane 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.

 

  • Historia doładowania jest długa jak historia samochodu.
  • Początkowo stosowano duże i ciężkie sprężarki Rootsza.
  • Wersją rozwojową sprężarki Rootsa jest sprężarka śrubowa typu Eaton.
  • Tego typu kompresory stosuje się w aplikacjach sportowych i tuningowych z uwagi na wysoką wydajność.
  • Wydajność takiej sprężarki jest wprost proporcjonalna do jej prędkości obrotowej, co za tym idzie – łatwa do przewidzenia.
  • Alfred Büchi opatentował pierwszą sprężarkę napędzaną energią gazów spalinowych. 
  • W 1911 r. firma Sulzer otworzyła eksperymentalną fabrykę turbosprężarek, a prototyp turbodoładowanego silnika Diesla ze sprężarką Büchiego wyprodukowano w 1915 r.
  • Sprężarki typu „G” i „Comprex” nie przyjęły się w seryjnej produkcji.
Reklama

Napędzane bezpośrednio od wału korbowego, sprężarki Rootsa umieszczone z przodu silnika miały jednak pewną wadę – znaczną pulsację ciśnienia generowanego przez sprężarkę. Do zalet tego rozwiązania można natomiast zaliczyć wydajność wprost proporcjonalną do prędkości obrotowej sprężarki.

Sprężarka Rootsa bazuje na dwóch rotorach zazębionych ze sobą i obracających się w przeciwnym kierunku. Pulsacja w późniejszych wersjach sprężarki była zmniejszana przez stosowanie wirników o większej liczbie wypustów, co znacznie komplikowało jej budowę.

Wersją rozwojową sprężarki Rootsa jest sprężarka śrubowa typu Eaton. Działa ona 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 z uwagi na wysoką wydajność, która jest możliwa do osiągnięcia przez zastosowanie przekładni pasowej na napędzie oraz zwielokrotnienie prędkości obrotowej sprężarki.

Ilustracja 1. Sprężarka śrubowa (typu Eaton) do montażu na silniku samochodowym. Jej napęd realizowany jest za pośrednictwem paska wielorowkowego. Źródło: Tork Tech

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.

Historia turbo

Sprężarki napędzane od wału korbowego silnika, który doładowywały, miały podstawową wadę – były duże i zabierały cenną moc z silnika. Konstruktorzy podjęli więc próbę wykorzystania tej energii, która się marnowała. Dokładnie chodziło o energię kinetyczną spalin wydobywających się z silnika. Okazało się, że ta jest wystarczająca, aby napędzać sprężarkę odśrodkową, która pierwotnie także była napędzana od wału korbowego silnika.

W tym momencie na kartach historii pojawił się Szwajcar – Alfred Büchi – inżynier, który poświęcił swoją pracę zawodową na badanie strat energii silników spalinowych. Patent Büchiego nr 204630 otrzymany z Cesarskiego Urzędu Patentowego Rzeszy Niemieckiej 6 listopada 1905 r. opisuje „silnik sprzężony o wysokim doładowaniu” z rozwiązaniem do wychwytywania energii spalin za pomocą turbiny i sprężarki osiowej osadzonych na wspólnym wale.

 Rysunek patentowy z 1905 r. Turbosprężarka opracowana  przez Alfreda Büchiego.
Ilustracja 2. Rysunek patentowy z 1905 r. Turbosprężarka opracowana przez Alfreda Büchiego. Źródło: Domena publiczna

Prosty w zamyśle pomysł powstał jednak w niesprzyjających czasach. Niedostępne bowiem były wymagane materiały i trudno było o paliwo o odpowiedniej jakości. Rok ten jednak można uznać za rok narodzin turbosprężarki, ponieważ do dziś pracuje ona na takiej samej zasadzie.

W 1911 r. firma Sulzer otworzyła eksperymentalną fabrykę turbosprężarek, a prototyp turbodoładowanego silnika Diesla ze sprężarką Büchiego wyprodukowano w 1915 r. Już w latach 1918–1919 Büchi kierował działem silników Diesla w fabryce samochodów ciężarowych Sulzer. W końcu pod koniec swojej kadencji w firmie, w 1925 r. Büchi po raz pierwszy zdołał połączyć swoją technologię z silnikiem Diesla, zwiększając jego wydajność o ponad 40%. Tego samego roku złożył w swoim imieniu szwajcarski patent numer 122 664 na „system turbodoładowania Büchi-Duplex”. W 1926 r. opuścił Sulzer i założył nową firmę – Syndykat Büchi.

W 1938 r. szwajcarski Saurer wyprodukował pierwszy silnik do ciężarówki, w którym wykorzystywane było turbodoładowanie.

Turbo w samochodach osobowych

Oldsmobile Jetfire oraz Chevrolet Corvair Monza były pierwszymi samochodami osobowymi, w których zainstalowano turbosprężarkę 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 było zaprezentowane w 1973 r. BMW 2002 Turbo. Był to samochód wyposażony w silnik benzynowy o pojemności 2 l z układem wtryskowym K-Jetronic. Dzięki turbodoładowaniu moc tego silnika została zwiększona ze 130 do 170 KM.

Rewolucję w turbodoładowaniu samochodów osobowych spowodowało w 1978 r. 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, niższą emisję szkodliwych substancji w spalinach, a co najważniejsze – znaczną poprawę osiągów silnika.

Reklama

Zastosowanie turbosprężarki niesie za sobą 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 gęstości gazów wtłaczanych do cylindrów. Gdy ciśnienie doładowania jest wysokie (na ogół powyżej 0,5 bara nadciśnienia użytecznego), sprężone gazy, zanim dostaną się do cylindrów, często przepływają przez chłodnicę (intercooler – chłodnica międzystopniowa) w celu obniżenia ich temperatury. Efekt schłodzenia jest dwojaki:

Chłodnica międzystopniowa – intercooler
Ilustracja 3. Chłodnica międzystopniowa, czyli intercooler. Jej zadaniem jest schłodzenie powietrza doładowującego w celu zwiększenia jego gęstości. Źródło: Hot Rod Network

Zmniejszenie temperatury powietrza wpływającego do cylindrów o 10°C powoduje przyrost mocy o 3,5–5% w stosunku do takiego samego układu, ale bez chłodzenia powietrza doładowującego.

Systemy łączone

Doładowanie silników wywodziło się ze sportu i miało późniejsze zastosowanie w samochodach cywilnych. Pierwszym samochodem sportowym, w którym zastosowano doładowanie turbosprężarką 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.

Silnik Lancii Delty S4 Stradale ze sprężarką mechaniczną i turbosprężarką
Ilustracja 4. Silnik Lancii Delty S4 Stradale ze sprężarką mechaniczną i turbosprężarką. Źródło: Lancia

W czasach, kiedy Włosi testowali ten samochód w grupie „B”, silnik o pojemności 1,8 l z podwójnym doładowaniem o wysokości 5 barów osiągał moc 1000 KM.
Obecnie tego typu doładowanie podwójne stosuje się seryjnie w silnikach Volkswagena TSI i TFSI.

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 swoją 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
Ilustracja 5. 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, który na ilustracji oznaczono linią przerywaną (A). Źródło: Maserati

W tej sytuacji turbosprężarki są mniejsze, mają też mniejszą bezwładność, więc także krótszy czas reakcji. W układzie sekwencyjnym (twinturbo) stosuje się mniejszą turbosprężarkę dla niskich obrotów silnika i większą dla wysokich. Zapewnia to szybką reakcję silnika w niskim zakresie prędkości obrotowych i duży stopień doładowania w wyższym zakresie prędkości obrotowych silnika.

Przy prędkościach obrotowych nieprzekraczających 1500 obr./min 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 (ilustracja 6).

Układ doładowania szeregowego (twinturbo) stosowanego w samochodzie Opel Insignia BiTurbo
Ilustracja 6. Układ doładowania szeregowego (twinturbo) stosowanego w samochodzie Opel Insignia BiTurbo (stąd zwracamy uwagę, że oznaczenia te są stosowane umownie). Praca systemu w niskim zakresie prędkości obrotowej do 1500 obr./min. Źródło: Opel

W zakresie prędkości obrotowej od 1500 do 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 (ilustracja 7).

Układ doładowania szeregowego (twinturbo) stosowanego w samochodzie Opel Insignia BiTurbo
Ilustracja 7. Praca systemu w niskim zakresie prędkości obrotowej od 1500 do 3000 obr./min. Źródło: Opel

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, że całkowite sprężanie powietrza następuje przez dużą turbosprężarkę, a mała pozostaje nieużyta (ilustracja 8).

Ilustracja 8. Praca systemu w niskim zakresie prędkości obrotowej powyżej 3000 obr./min. Źródło: Opel

Co to jest turbo hybrydowe?

Turbosprężarka hybrydowa najczęściej zbudowana jest jako połączenie części dwóch turbosprężarek o różnych rozmiarach. Strona kompresji, potocznie nazywana „zimną”, pochodzi z większej turbosprężarki. Strona „gorąca”, czyli turbina, pozostaje oryginalna lub też zmodyfikowana, jednak w takim stopniu, że jej obudowa ciągle pasuje na kolektor. Modyfikacji ulega koło turbiny, a obudowa bywa roztoczona, aby zmieściło się w niej większe koło turbiny.

Sama modyfikacja koła kompresji i koła turbiny niesie za sobą jednak ryzyko. Jest nim wytrzymałość wałka, na którym są osadzone. Większe koła oznaczają większe siły działające na wałek.  W związku z tym często zachodzi konieczność zastosowania wałka o większej średnicy. A to oznacza już praktycznie budowę turbosprężarki od podstaw.

Ponadto sama modyfikacja turbosprężarki jest półśrodkiem w drodze do profesjonalnego tuningu silnika. Zmiana parametrów przepływu powietrza doładowującego wymusza stworzenie praktycznie od początku map wtrysku i sterowania turbosprężarką.

Pojęcie turbosprężarki hybrydowej jest używane także wtedy, gdy turbina i sprężarka nie są modyfikowane, natomiast modyfikacji ulega sterowanie (np. ze sterowanego elektronicznie na sterowane podciśnieniowo). Cel jednak jest taki sam – zwiększenie wydajności turbosprężarki.

Prąd lekarstwem?

Aby zapewnić większą wydajność, niektórzy producenci samochodów zaczęli stosować sprężarki odśrodkowe napędzane elektrycznie. Pierwszym tego typu rozwiązaniem były sprężarki w Audi SQ7 wyposażonym w silnik V8 o pojemności 4 l i mocy 435 KM. Samochód ten jest wyposażony w sieć elektryczną o napięciu 48 V, która zasila elektrycznie napędzane sprężarki w układzie dolotowym silnika.

Sprężarka napędzana elektrycznie
Ilustracja 9. Sprężarka napędzana elektrycznie i jej elementy składowe. Źródlo: Audi AG

Według producenta sprężarka może osiągnąć 70 000 obr./min w ćwierć sekundy po podaniu sygnału wysterowującego pełną moc. A to oznacza, że maksymalne doładowanie dostępne jest praktycznie od razu i to niezależnie od prędkości obrotowej silnika.

Kolejnym rozwiązaniem jest elektryczne wspomaganie turbosprężarki napędzanej gazami spalinowymi. W tym przypadku między kołem kompresji a kołem turbiny zamontowany na wspólnym wałku jest silnik elektryczny, który (podobnie jak w przypadku sprężarki elektrycznej) może rozpędzić wirnik niezależnie od aktualnego zasilania turbosprężarki spalinami.

Turbosprężarka napędzana spalinami i wspomagana elektrycznie
Ilustracja 10. Turbosprężarka napędzana spalinami i wspomagana elektrycznie. Źródło: Daimler AG

Jakie są dodatkowe zalety elektrycznego napędu lub wspomagania turbosprężarki? Warto wspomnieć o czystości spalin. To obecnie temat na czasie. Elektryczna sprężarka lub turbo z elektrycznym wspomaganiem zapewniają stałe utrzymywanie współczynnika lambda na poziomie 1. Nawet w warunkach nagłego przyspieszania lambda jest utrzymywana na stałym poziomie, ponieważ łatwiejsze jest dostarczanie odpowiedniej ilości powietrza do mieszanki spalanej w cylindrze.

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.

Schemat działania sprężarki typu Comprex.
Ilustracja 11. Schemat działania sprężarki typu Comprex. Gazy spalinowe przetłaczają powietrze przez obracający się cylinder z kanałami. Dzięki obrotom cylindra do kanału dolotowego dostaje się tylko powietrze, a spaliny trafiają do układu wydechowego. Źródło: Mazda

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 w pracy urządzenia jest utrzymanie szczelności między kanałami w obudowie i tymi zawartymi 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. oraz w samochodzie Mazda 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. W owym czasie nie było jeszcze technologii wytwarzania sprawnie działających, trwałych i przede wszystkim szczelnie pracujących układów tego typu.

Ilustracja 12. Sprężarka spiralna (G-Lader) i jej elementy składowe: 1 – Wlot powietrza, 2 – spirala zewnętrzna, 3 – spirala wewnętrzna, 4 – koło napędowe, 5 – pasek łączący, 6 – mimośrodowy napęd płyty nośnej spirali wewnętrznej, 7 –  płyta nośna, 8 – uszczelnienie, 9 – wylot sprężonego powietrza. Źródło: Volkswagen

Ogólna budowa sprężarki ślimakowej jest bardzo prosta. Konstrukcja Volkswagena ma żeliwny korpus oraz magnezowy, spiralny wirnik. W korpusie znajdują się dwie 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 średnicy ruchomej spirali. Silnik tego samochodu generował moc 115 KM przy 6000 obr./min. z 130 cm3 pojemności skokowej. Większe wersje tego kompresora – G60 – wdrożono do Golfa II, Corrado i Passata B3 z silnikami 1,8 l.
W lutym 1994 r. zakończono projekt „G-Ladera” i zrezygnowano ze stosowania tych urządzeń we wszystkich silnikach Volkswagena. Powodem był duży gabaryt oraz 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.

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama