|
Przedstawiając temat sprężarek silników spalinowych, trzeba zaczerpnąć troszkę historii. Moc silnika zależy nie tylko od jego pojemności, ilości cylindrów czy zaworów. Również ważne są pozostałe parametry jak np. jakość zgromadzonej mieszanki paliwa z powietrzem, odpowiednie rozpylenie i dokładne wymieszanie paliwa z powietrzem, a najważniejsze jest zgromadzenie odpowiedniej ilości mieszanki w cylindrze. Pierwsi konstruktorzy silników spalinowych doskonale o tym wiedzieli, ale ich rozważanie tego problemu nie było niestety najlepsze. Uważali oni, że zwiększając pojemność skokową oraz liczbę cylindrów, zwiększą ilość mieszanki w cylindrach oraz znacząco podniosą moc i moment obrotowy. Zaczęli, więc tworzyć gigantyczne silniki, przykładem takiego silnika może być 6-cio cylindrowy silniczek o pojemności skokowej 9504 cm3 w amerykańskim aucie – Alco Model - Six z 1913 roku, który miał zaledwie 60 KM. (Obłęd!) Powiększenie pojemności skokowej do wielkich rozmiarów nie przyniosło zamierzonego efektu, więc zaczęto poszukiwać innego rozwiązania, które zwiększyłoby moc silnika. Zauważono, że lepiej wyprofilowane rury dolotowe oraz zdecydowanie większe zawory ssące, pozwoliły na zmniejszenie oporów zasysania mieszanki do cylindrów w silnikach benzynowych. Takie rozwiązanie przyniosło wzrost momentu obrotowego oraz bardziej równomierną pracę silnika, i co najważniejsze, spadło zużycie paliwa. Konstruktorzy poszli dalej tą drogą i skutkiem ich badań było wprowadzenie w latach dwudziestych XX wieku silników z dwoma wałkami rozrządu w głowicy i czterema zaworami na cylinder. Spowodowało to jeszcze większe przyspieszenie napełniania cylindrów oraz ich opróżniania ze spalin, dzięki czemu zwiększyła się moc silnika, oraz moment obrotowy i spadło zużycie paliwa. Ale w sporcie samochodowym, cały czas było to za mało. Po raz pierwszy zastosowano tam wymuszone napełnianie cylindrów, lecz na początku inżynierowie użyli zawodnych sprężarek tłokowych. Sprężarka zasysała mieszankę z gaźnika i potem tłoczyła ją do cylindrów.
Przy doładowaniu, polegającym na wstępnym sprężeniu odbywającym się poza cylindrem, ograniczenia te łatwo przezwyciężyć, nie tylko ze względu na wymuszone napełnienie cylindrów, ale również, dlatego, że można utrzymać na niższym poziomie stosunek wewnętrznych sprężeń. Można także dokonać pośredniego schłodzenia ładunku przy wyjściu ze sprężarki, zanim zostanie wprowadzony do cylindrów, co wpływa na obniżenie temperatury końcowej. W celu dokonania zewnętrznego sprężenia powietrza lub mieszanki, można zastosować sprężarki różnych typów:
Wymienione zostały wszystkie rodzaje, ale szerokie zastosowanie w samochodach seryjnych znalazły pierwszy i trzeci.
Podstawowymi elementami rozróżniającymi sprężarki są: stosunek ciśnienia na wlocie do sprężarki do ciśnienia na wylocie oraz sprawność, z jaką dokonuje sprężenia, rozumiana jako stosunek pracy odpowiadający wzrostowi ciśnienia roboczego do pracy dostarczonej mu z zewnątrz. Sprężarka wyporowa Sprężarki wyporowe to sprężarki napędzane mechanicznie od wału korbowego silnika za pośrednictwem paska klinowego lub zębatego; ich nazwa wynika z faktu, że przy każdym obrocie “dostarczają” określoną ilość powietrza, popychając ją do układu ssącego. Sprężenie określane jest tu jako stosunek objętości powietrza dostarczonego, do objętości, jaka faktycznie może pomieścić się w silniku. Można wyjaśnić to na przykładzie. W silniku czterosuwowym o pojemności jednego litra przy 6000 obr/min, ruch tłoków pobiera objętość 50 litrów na sekundę. Dla uzyskania doładowania wydajność sprężarki powinna przekraczać tę wartość. Im wyższy jest stosunek tych dwóch wydajności, tym większe jest ciśnienie doładowujące. Najbardziej rozpowszechnione sprężarki wyporowe na rynku, to sprężarki typu Roots – lub ich pochodne z wirnikami śrubowymi (Eaton itp.) Chodzi o sprężarkę z dwoma wirnikami sprężonymi ze sobą parą kół zębatych tak, aby nie dopuścić do styczności pomiędzy samymi wirnikami. Konieczność zachowania luzu pomiędzy wirnikami i zewnętrzną częścią komory, w której się obracają, ogranicza wartość uzyskiwanych ciśnień (0,6 bara nadciśnienia). Jeśli chcemy uzyskać wyższe wartości ciśnienia należy podwoić stopień sprężania poprzez zastosowanie dwóch jednostek.
Sprężarka odśrodkowa Sprężarka odśrodkowa, charakteryzująca się wyższą ogólną sprawnością od sprężarki wyporowej, wytwarza ciśnienie proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej wirnika. Oznacza to, że w zasadzie nie ma ona żadnych ograniczeń w zakresie maksymalnego ciśnienia, ale jest w stanie wytworzyć ciśnienie jedynie przy dużej prędkości. Jej mechaniczne napędzanie wymaga zatem bardzo dużych przełożeń przekładni, co wpływa na wysoki poziom hałasu, stąd w przeszłości stosowano je tylko w silnikach lotniczych oraz w samochodach wyścigowych. Dziś stosowane są w samochodach seryjnych, wyłącznie w połączeniu z turbinami gazowymi (turbosprężarki).
Sprężarka odśrodkowa napędzana gazami spalinowymi - turbosprężarka Chodzi tu o sprężarki, które na tej samej osi mają zamontowane dwa wirniki i które nie wymagają żadnego zewnętrznego napędu mechanicznego. Turbina posiada podobną charakterystykę, co sprężarka, to znaczy jest w stanie wytworzyć pewną moc tylko przy dużej prędkości obrotowej. Stanowi to przyczynę pewnej zwłoki, która w starszych konstrukcjach silników z doładowaniem była wyraźnie wyczuwalna. Dziś istnieją już różne sposoby ograniczenia tej wady: najlepszym z nich jest dobranie turbiny, tak by mogła działać już przy małych prędkościach obrotowych silnika (małe średnice, a tym samym zmniejszona bezwładność wirników), przy jednoczesnej rezygnacji z wyższych ciśnień przy dużej prędkości obrotowej. W ten sposób podwyższa się przede wszystkim moment obrotowy, odpowiadający za elastyczność jazdy, bez potrzeby uciekania do częstej zmiany biegów, jak to jest w przypadku silników wolnossących o dużej pojemności. Gdy ciśnienie doładowania zaczyna przekraczać pożądane wartości, dla ograniczenia go wyposażono turbiny w zawór ograniczający ciśnienie (zawór waste-gate = przepustnica spalin przed turbiną), który otwiera bezpośrednie połączenia pomiędzy przewodem na wlocie do turbiny a kolektorem wydechowym. Rysunek 5 przedstawia usytuowanie zaworu waste-gate w układzie wylotowym, a rysunek 8 - stany pracy tego zaworu. Zastosowanie elektroniki umożliwia zastąpienie pośredniego sterowania ciśnieniem doładowania (opartego na ciśnieniu gazów spalinowych na wlocie do turbiny) znacznie dokładniejszym bezpośrednim sterowaniem ciśnienia doładowania, wytworzonego, przez sprężarkę. Pozostałe rysunki przedstawiają różnorodne usytuowania turbosprężarki i układów sterowania ciśnieniem doładowania.
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, w celu obniżenia ich temperatury (intercooler – chłodnica międzystopniowa). Efekt schłodzenia jest dwojaki:
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 się dzieje 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 10oC 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.
Dynamiczny wymiennik typu Comprex O wiele trudniej wyjaśnić działanie sprężarki oparte o dynamikę gazów typu Comprex. Bez zagłębienia się w skomplikowane szczegóły możemy powiedzieć, że chodzi o bęben obracający się z małą prędkością, w którym gazy spalinowe wchodzą w bezpośredni kontakt ze świeżą mieszanką, przetłaczając ją do kolektora dolotowego, prowadzącego do cylindrów, a następnie uchodząc do kolektora wylotowego. Rysunek ułatwia zrozumienie tego opisu.
W dzisiejszych samochodach osobowych z silnikami o zapłonie iskrowym (ZI) doładowania stosowane jest znacznie rzadziej niż 15 lat temu. Doładowania najczęściej stosuje się obecnie w silnikach o zapłonie samoczynnym (ZS). Stanowi ono dość ekonomiczny środek zrównania (przy odpowiednio większych pojemnościach) ich osiągów z silnikami ZI.
Źródła:
|
