Jednym z kluczowych sposobów na zwiększenie mocy silnika spalinowego jest podniesienie ilości powietrza wtłaczanego do cylindra. Pozwala to na spalenie większej ilości paliwa i uzyskanie wyższej energii. Można dokonać tego na dwa sposoby: poprzez wzrost pojemności skokowej lub ciśnienia powietrza. W dobie downsizingu drugi wymieniony sposób jest o wiele popularniejszy. Jednym ze sposobów na osiągnięcie wyższego ciśnienia jest sprężarka doładowująca, popularnie zwana kompresorem. Jak działa i gdzie jest wykorzystywana? Dowiedz się już teraz.
Potencjał sprężarek mechanicznych w polepszaniu osiągów samochodów konstruktorzy dostrzegli w latach 20. XX wieku. W 1923 roku na rynku pojawiły się dwa modele Mercedesa 6/25 hp i 10/40 hp, których silniki wyposażone były w doładowanie mechaniczne. W tym samym czasie sprężarki zaczęły pojawiać się w autach wyścigowych, takich jak: Bugatti Type 35C, Alfa Romeo P2 czy Delage. Najbardziej znanym wczesnym autem ze sprężarką mechaniczną był Bentley 4 ½ litre Blower, produkowany od 1929 do 1931 roku. Osiągał on nawet 240 KM w wersji wyścigowej, co pozwoliło kierowcom odnosić liczne sukcesy sportowe, między innymi zwycięstwo w Le Mans 1928. Po wojnie popularność doładowania mechanicznego spadła, aż do lat 60. w USA, gdy odrodziła się wraz z ideą muscle carów. W Europie od lat 70. popularność zyskiwały turbosprężarki, ale sprężarki mechaniczne nigdy nie zostały całkowicie wyparte. Dziś dość często stosowane są w układach twincharged razem z turbosprężarką.
Z tego tekstu dowiesz się między innymi:
- Do czego służy sprężarka doładowująca?
- Jak pracuje silnik doładowany mechanicznie?
- Czym różni się sprężarka doładowująca od turbosprężarki?
- Jak wykorzystać sprężarkę do tuningu silnika?
- Gdzie się stosuje i jak rozpoznać awarię sprężarki?
Jak działa sprężarka mechaniczna w silniku spalinowym?
W silniku czterosuwowym moc silnika obliczana jest według wzoru, w którym mnoży się pojemność skokową (w m sześc.), efektywne ciśnienie mieszanki (KPa) oraz prędkość obrotową (obr./min), a następnie dzieli się wynik przez 120 (30 razy liczba suwów pracy). Jak łatwo wywnioskować z powyższego opisu, moc w silniku można zwiększyć poprzez powiększenie, przyspieszenie (zwiększenie prędkości obrotowej) lub doładowanie. Dzięki zastosowaniu sprężarek wpływa się na dwa ostatnie wymienione parametry.
Bez względu na to, czy zastosowano turbosprężarkę, czy doładowanie mechaniczne silnika, zasada ogólna pozostaje taka sama. Urządzenie techniczne zwiększa ciśnienie powietrza, a co za tym idzie jego masę w tej samej przestrzeni. Pozwala to na uzyskanie szybszego spalania, większej dawki paliwa, dzięki czemu energia spalania i prędkość obrotowa są wyższe niż w jednostce wolnossącej.
Doładowanie mechaniczne silników spalinowych realizowane jest poprzez sprężarkę napędzaną przeważnie paskiem osprzętu (wieloklinowym). Najczęściej wykorzystywanymi typami sprężarek są:
- rotacyjna sprężarka Rootsa,
- sprężarka śrubowa,
- sprężarka spiralna.
Sprężarka Rootsa
Sprężarka Rootsa wykorzystuje wspólną pracę dwóch obracających się tłoków o przekroju cyfry 8. Podczas obrotu tłoka powietrze z części ssawnej dostaje się do części tłoczącej, która z powodu geometrii komory i pracy tłoków zmniejsza swoją objętość, co pozwala na wzrost ciśnienia. Sprężarki tego typu mają sporą wydajność. Kompresora Rootsa w swoich silnikach używał na przykład Mercedes
Sprężarka śrubowa
Sprężarki śrubowe stosowane są między innymi przez koncern Volkswagena w silnikach TSI/TFSI. W tego typu kompresorze ciśnienie wzrasta z powodu ściskania go pomiędzy dwoma wirnikami zazębionymi śrubowo. Zapewnia to przepływ powietrza o coraz większym ciśnieniu w każdym kolejnym zwoju śrub. Jej wydajność jest niższa niż Rootsa, ale uzyskiwane ciśnienia wyraźnie wyższe.
Sprężarka spiralna
Tego typu sprężarka doładowująca składa się z dwóch spirali. Jedna jest nieruchoma, druga obraca się ruchem mimośrodowym. Powietrze dostaje się na zewnętrzny obwód spirali i jest przetaczane do kolejnych zwojów. W wyniku ruchu spirali czynnej jest w nim zamykane. Obrót jest kontynuowany i powietrze trafia do zwojów, o coraz mniejszej średnicy, aż do centralnej części spiral, gdzie znajduje się dysza wylotowa. Przykładem zastosowania tego typu sprężarek były silniki G60 i G40 montowane na przełomie lat 80. i 90. w samochodach Volkswagena (Golf II Raylle, Corrado G60, Passat B3 G60 Syncro, Polo G40). Sprężarki tego typu wykazują bardzo wysoką sprawność, wydajność i pozwalają uzyskać wysokie ciśnienia, ale są skomplikowane w budowie i wymagają specjalnych systemów uszczelniających zewnętrzne krawędzie spirali, przez co jest to drogi system, o stosunkowo niskiej trwałości.
Doładowanie mechaniczne silników spalinowych – przykładowy przebieg
Aby przybliżyć, jak działa sprężarka, omówimy przykładowy cykl pracy silnika wyposażonego w ten typ doładowania.
Gdy silnik pracuje, w fazie ssania tłoki wywołują podciśnienie. Jego działanie jest ograniczone przez przepustnicę. Im jest ona szerzej otwarta, tym więcej powietrza może być zaciągnięte do układu dolotowego. W silniku wolnossącym powietrze trafia poprzez filtr bezpośrednio do głowicy. Podobnie jest w silniku doładowanym, gdy pracuje on na wolnych obrotach. Pomiędzy kołem pasowym a częściami roboczymi sprężarki znajduje się sprzęgło, które pozwala na podłączanie i odłączanie doładowania w zależności od potrzeb. Gdy sprężarka nie działa, przepływ powietrza przez nią jest zablokowany, więc silnik pracuje jako wolnossący.
Gdy kierowca naciśnie na pedał gazu i otworzy mocniej przepustnicę, przeważnie pod wpływem sił odśrodkowych sprzęgło sprężarki połączy koło z elementami roboczymi. Ciśnienie ssące sprężarki będzie większe niż podciśnienie z cylindrów, dlatego powietrze będzie tłoczone poprzez sprężarkę.
Wadą zastosowania sprężarki jest to, że wraz ze wzrostem ciśnienia, rośnie też temperatura powietrza. Może ona przekraczać 100 st. C. Im cieplejsze jest powietrze, tym w mniejszym stopniu nasycone jest tlenem, który jest konieczny do spalania paliwa. Dzięki sprężarce tlenu będzie i tak więcej niż przy konstrukcji wolnossącej, ale by podnieść skuteczność, jaką ma doładowanie mechaniczne silnika, za sprężarką montowany jest intercooler, czyli chłodnica powietrza doładowania. Wewnątrz niej, temperatura spada o kilkadziesiąt stopni, co zwiększa jednostkowe nasycenie tlenem.
Za intercoolerem powietrze trafia już do kolektora dolotowego i w zależności od typu silnika, miesza się w nim z paliwem lub jest samodzielnie podawana do wnętrza cylindra z bezpośrednim wtryskiem.
Ograniczenia konstrukcyjne
Podstawowym problemem, jaki muszą wziąć pod uwagę konstruktorzy silników z doładowaniem mechanicznym, jest spalanie stukowe. Im wyższe jest ciśnienie mieszanki, tym łatwiej się ona zapala, przez co może dojść do jej niekontrolowanego samozapłonu. Z tego powodu ciśnienie nie może być podnoszone w nieskończoność. W samochodach drogowych musi być ono dopasowane do standardowego paliwa o liczbie oktanowej 95 lub 98. Aby uniknąć spalania stukowego, silniki doładowane często mają obniżony stopień sprężania w stosunku do podobnych konstrukcji wolnossących.
Mechaniczna sprężarka doładowująca a turbosprężarka – wady i zalety obu rozwiązań
Turbosprężarki są obecnie bez wątpienia o wiele popularniejszym sposobem doładowania. Auta wyposażone wyłącznie w mechaniczne sprężarki są dziś rzadkością. Dlaczego ma miejsce taka sytuacja? O przewagach turbosprężarki nad kompresorem opowiedział ekspert Inter Cars.
Doładowanie mechaniczne silników spalinowych było popularne w okresie, gdy turbosprężarki dostępne były niemal wyłącznie w przemyśle lotniczym. Sprężarka doładowująca jest urządzeniem o prostszej budowie i wymaga o wiele mniej precyzji niż turbosprężarka, ponieważ obraca się o wiele wolniej (turbosprężarka osiąga nawet 300 000 obr./min – przyp. redakcji). Wraz z rozwojem technologii, problemy te zniknęły, dlatego coraz więcej samochodów wyposażane było właśnie w turbosprężarki.
Przewagą turbosprężarki jest to, że wykorzystuje energię spalin, która w innym wypadku byłaby zmarnowana. Dzięki temu sprawność silnika rośnie. Doładowanie mechaniczne wykorzystuje do napędu moment obrotowy samego silnika, więc obciąża go. Moc motoru jest nieco mniejsza, a zużycie paliwa wzrasta.
Główną wadą turbosprężarki jest występowanie tzw. turbodziury. To zjawisko braku mocy przy niższych obrotach silnika, gdy energia spalin jest zbyt mała, aby ją rozpędzić. Dlatego silniki turbodoładowane osiągają moc przy dość wysokich obrotach i są niezbyt elastyczne. Im większa jest turbina, tym efekt ten jest bardziej odczuwalny. Sprężarka doładowująca może pracować przy niemal dowolnych obrotach silnika, a wydajność wzrasta liniowo, dzięki temu samochód lepiej przyspiesza od startu bez konieczności wkręcania się na wysokie obroty. Dlatego niektórzy współcześni konstruktorzy silników zdecydowali się na połączenie doładowania kompresorem i turbosprężarką. Dzięki temu można połączyć zalety i wyeliminować większość wad obu rozwiązań. Jeżeli jednak do wyboru jest tylko jedno z nich, to lepsze wyniki osiągnie się z turbosprężarką.
Doładowanie mechaniczne w tuningu silnika
Tunerzy i osoby zajmujące się budową samochodów sportowych bardzo często modyfikują je poprzez doładowanie. Zamontowanie turbosprężarki jest zadaniem skomplikowanym, wymagającym przeróbki układów: wydechowego, dolotowego i zasilania/sterowania. Sprężarka doładowująca może zostać zainstalowana o wiele łatwiej. Wystarczy zamontować ją w układzie dolotowym w taki sposób, aby napędzał ją pasek osprzętu. W silnikach z wtryskiem elektronicznym należy jeszcze przeprogramować ECU (komputer silnika). Natomiast w silnikach gaźnikowych zmienić ich regulację. Niekiedy konieczne będzie także zastosowanie większych wtryskiwaczy lub gaźników.
Sprężarka mechaniczna będzie działać, a przy zastosowaniu niewielkiego kompresora, nie będzie konieczności dalszych modyfikacji. Problem może wystąpić, gdy chcesz podnieść moc znacząco i montujesz bardzo duże urządzenie. W takim wypadku ciśnienie doładowania będzie na tyle duże, że konieczne może okazać się zmniejszenie stopnia sprężania silnika. Najłatwiej zrobić to, stosując grubszą uszczelkę pod głowicą niż seryjna.
Kanały w głowicy oraz zawory dolotowe mogą okazać się wąskim gardłem systemu i znacząco pogorszyć wydajność. Dlatego przy większym doładowaniu konieczna jest kompleksowa obróbka. Dalsze modyfikacje mogą obejmować zmianę wałka rozrządu, wymianę układu korbowo-tłokowego na wzmocniony i jego odpowiednie wyważenie. Tak zmodyfikowany silnik, który będzie dodatkowo poprawnie zestrojony lub zaprogramowany, może pozwolić na osiągnięcie bardzo wysokiej mocy.
Sprężarka mechaniczna w samochodzie – zastosowanie i awarie
Mechaniczne sprężarki nie są bardzo często spotykane w samochodach. Poza układami twincharged w koncernie VAG można je spotkać w samochodach Volvo, Jaguara, Land Rovera i autach amerykańskich. W starszych autach można spotkać je w licznych modelach Mercedesa (do 2012 oznaczone jako Kompressor), w Volkswagenach z silnikami G40 i G60, a także w wielu autach luksusowych i sportowych.
Objawami awarii kompresora są spadek mocy oraz ślizganie się paska osprzętu na jego rolce. Awarie kompresorów są zwykle spowodowane mechanicznym zużyciem lub brakami w smarowaniu. naprawa przeważnie odbywa się poprzez ich regenerację, która obejmuje wymianę łożysk, uszczelnień i odpowiednią obróbkę części roboczych. W przypadku poważniejszych uszkodzeń konieczna jest wymiana całego urządzenia.
Sprężarka doładowująca – podsumowanie
Sprężarki mechaniczne nie są rozwiązaniem bardzo popularnym, ale mają pewne zalety, które powodują, że są używane zamiast turbosprężarek w autach luksusowych lub jako element układu podwójnego doładowania. Jest to także ciekawy pomysł na stosunkowo proste podniesienie mocy w samochodach po tuningu. Warto jest wiedzieć, jak działa sprężarka mechaniczna i jakie zapewnia korzyści.
Jeżeli zdecydujesz się na tuning silnika albo potrzebujesz części zamiennych do swojego auta, a także narzędzi i akcesoriów, sprawdź ofertę Inter Cars.
