Silniki tłokowe o spalaniu wewnętrznym/Układ dolotowy/Doładowanie

Cele stosowania i parametry doładowania

Doładowanie stosuje się w celu zwiększenia gęstości powietrza dostającego się do cylindrów. Gęstość powietrza jest zależna głównie od jego ciśnienia i temperatury. Sprężarki doładowujące mają na celu zwiększenie ciśnienia powietrza. Niestety skutkuje to wzrostem temperatury, który wpływa negatywnie na gęstość powietrza. By usunąć niepożądany efekt stosuje się miedzystopniowe chłodnice powietrza, tzw. intercoolery.

W przypadku silników dwusuwowych obecność sprężarki nie musi świadczyć o stosowaniu doładowania. Często sprężarka ma na celu tylko umożliwienie skutecznej wymiany ładunku (tzw. ładowania), bez wyraźnego podnoszenia ciśnienia. W takim przypadku stosowane jest, w odniesieniu do sprężarki, określenie “pompa ładująca”.

Podstawowe parametry:

p_d ciśnienie doładowania,

T_pd temperatura powietrza doładowującego,

$\pi ={\frac {p_{d}}{p_{o}}}$ spręż, gdzie p_o to ciśnienie otoczenia (atmosferyczne),

Stopień doładowania iloraz mocy efektywnej silnika doładowanego do mocy analogicznego silnika wolnossącego, który, przy niezmienionej prędkości obrotowej, równy stosunkowi ciśnień efektywnych.

Doładowanie mechaniczne

Doładowanie mechaniczne wykorzystuje sprężarkę napędzaną od wału korbowego silnika. Najczęściej stosuje się przekładnie pasowe lub zębate, które w niektórych konstrukcjach mogą być odłączane.

Sprężarka pobiera energię z silnika, która, podczas wymiany ładunku, jest częściowo zwracana jako praca dodatnia obiegu. Jednak straty mechaniczne w przekładni i sprężarce, oraz straty oporów przepływu powodują obniżenie mocy silnika.

Sprężarka Rootsa

Sprężarka Rootsa jest maszyną objętościową (wyporową), tzn. powietrze znajduje się w zamkniętej przestrzeni, pomiędzy łopatkami wirnika i kadłubem. Tłoczenie powietrza odbywa się w sposób izochoryczny, bez wewnętrznego sprężania. Dopiero w chwili otwarcia się przestrzeni pomiędzy łopatkami do kanału wylotowego (wysokiego ciśnienia) następuje gwałtowne wyrównanie ciśnień. Efektem jest wysoki poziom hałasu i obniżona sprawność adiabatyczna, która zwykle nie przekracza 0,5-0,7.

W celu częściowej eliminacji niekorzystnych zjawisk budowane są sprężarki Rootsa z większą ilością łopatek, skręconych pod kątem. Identyczne wirniki są kołami zębatymi o 2, 3 lub 4 zębach i o zarysie cykloidalnym lub ewolwentowym. Mała ilość zębów wymaga zastosowanie dodatkowej przekładni synchronizującej oba wirniki. Niekiedy, w celu podwyższenia szczelności, stosuje się pokrywanie łopatek cienką warstwą teflonu.

Wydatek sprężarki Rootsa jest proporcjonalny do prędkości obrotowej silnika. Sprawność wyraźnie maleje przy wysokich wartościach sprężu.

Sprężarka Lysholma

Sprężarka Lysholma, zwana także śrubową, działa podobnie do sprężarki Rootsa. Różnicą jest obecność wewnętrznego sprężania, które pozwala na uzyskanie wysokiej sprawności nawet przy dużych wartościach sprężu. Odpowiedzialne za nie jest specjalne ukształtowanie, dwóch rożnych wirników - jeden ma wypukły zarys łopatek, drugi wklęsły. W wyniku tego objętość komory pomiędzy łopatkami i obudową zmniejsza się podczas obrotu wirników.

Głównymi wadami sprężarek Lysholma są koszty produkcji i problemy technologiczne z wykonaniem wirników.

Sprężarka promieniowa (odśrodkowa)

Wydajność sprężarki promieniowej nie rośnie wprost proporcjonalnie do prędkości obrotowej silnika, jak w przypadku sprężarek Roots i Lysholma. Jest ona maszyną przepływową, powietrze jest sprężane dzięki odpowiedniemu opływowi łopatek wirnika i obecności dyfuzora. Wydajność sprężarki promieniowej zwiększa się znacznie bardziej niż by to wynikało ze wzrostu prędkości obrotowej. Po części należy uznać to za czynnik korzystny, przy wysokich prędkościach silnika, gdy czas na napełnienie cylindra jest krótszy, ciśnienie jest podwyższane. Z drugiej strony sprężarki odśrodkowe mogą mieć niewystarczającą wydajność przy niskich prędkościach obrotowych.

Największą wadą jest konieczność stosowania wielostopniowych przekładni w celu zapewnienia sprężarce odpowiedniej prędkości obrotowej. Zalety to małe wymiary i niska masa.

Sprężarka tłokowa

Sprężarki tłokowe mają obecnie głównie znaczenie historyczne. Charakteryzowały je: znaczne wymiary, hałaśliwość, nierównomierne pompowanie powietrza i wibracje.

Doładowanie turbosprężarkowe

Turbosprężarka jest połączeniem turbiny napędzanej od spalin silnika i sprężarki, najczęściej odśrodkowej, połączonych sztywnym wałem. Spotyka się turbiny dośrodkowe lub osiowe (rzadziej).

Jedną z głównych zalet turbodoładowania jest samoczynne dostosowywanie się do obciążenia silnika. Przy podaniu większej dawki paliwa ilość i temperatura spalin rośnie, zwiększając moc turbosprężarki. Zapobiega to także niepotrzebnym stratom mocy na dławienie przepływu przez przepustnicę, przy niskich obciążeniach.

By zabezpieczyć turbosprężarkę przed przeciążeniem stosuje się zawory upustowe po stronie turbiny i tzw. by-passy po stronie sprężarki. Nie pozwalają one na nadmierny wzrost ciśnienia gazów lub prędkości obrotowej wirnika, która w niektórych konstrukcjach sięga nawet $250000{\frac {obr}{min}}$ .

W celu zapewnienia pracy turbosprężarki w szerokim zakresie obciążeń, stosuje się tzw. zmienną geometrię kierownic spalin. Kierownice, umieszczone wokół wirnika turbiny, mogą być ustawiane pod różnym kątem,względem łopatek wirnika, w celu osiągnięcia optymalnej sprawności turbiny dla danej prędkości obrotowej.

Możemy wyróżnić trzy rodzaje zasilania turbosprężarek:

pulsacyjne,
stałego ciśnienia,
z konwertorami pulsacji.

Zasilanie pulsacyjne charakteryzuje się montażem turbozespołu blisko zaworu wydechowego, często turbozespół jest zintegrowany z kolektorem wylotowym. Umożliwia to wykorzystanie energii kinetycznej, przy założeniu że zapłon, w cylindrach zasilających, będzie następował w odpowiednio długich odstępach. Odstępy te, dla silnika dwusuwowego, powinny wynosić minimum 120, a dla czterosuwowego 240 stopni OWK. Czasami, w celu eliminacji zakłóceń, stosuje się turbosprężarki typu Twin-Scroll. W tym rozwiązaniu kanał spiralny, wokół wirnika turbiny, jest podzielony, na dwie części, ścianką prostopadłą do osi wirnika. Turbosprężarka zasilana pulsacyjnie charakteryzuje się mniejszą sprawnością niż w przypadku zasilania przy stałym ciśnieniu, ale jest to rekompensowane poprzez wykorzystanie energii kinetycznej spalin.

System stałego ciśnienia charakteryzuje się wyższą sprawnością turbiny, ale też większymi stratami energii spalin. By połączyć zalety zasilania stałego ciśnienia i pulsacyjnego powstały konwertery ciśnienia.

Elementy składowe konwertera ciśnienia:

przewody wylotowe z dwóch (lub więcej) cylindrów,
dysze,
wspólny przewód,
dyfuzor,
zbiornik wyrównawczy.

Spaliny, wydostające się z dyszy drugiego cylindra, powodują przyspieszenie strumienia spalin pierwszego cylindra, które to wydostały się wcześniej. We wspólnym przewodzie następuje wyrównanie prędkości przepływu spalin, a w dyfuzorze wzrost ciśnienia kosztem energii kinetycznej.

Doładowanie Comprex

Urządzenie Comprex posiada wirnik, napędzany od wału korbowego silnika, wyposażony w wiele, ustawionych wzdłużnie, przegród. Odpowiednie ułożenie kanałów dolotowych i wylotowych powoduje zasysanie, a następnie wypychanie, przez spaliny, świeżego powietrza. W doładowywarce Comprex, podobnie jak w turbosprężarce, wykorzystywana jest energia spalin. Różnica polega na braku fizycznego rozdzielenia spalin od powietrza - wykorzystywane są procesy falowe.

Zaletą tego sposobu doładowania jest krótki czas zwłoki po zmianie obciążenia silnika. Z uwagi na wykorzystanie energii spalin, system Comprex dobrze się dostosowuje do obciążenia silnika (wydatek nie jest proporcjonalny do prędkości obrotowej). Dodatkową zaletą jest możliwość uzyskiwania wysokich spręży.

Doładowanie dynamiczne

Doładowanie dynamiczne wykorzystuje bezwładność powietrza zasysanego do cylindra. W tym celu opóźnia się kąt zamknięcia zaworów dolotowych poza DMP. Przez pewien okres, pomimo zmniejszającej się objętości komory, powietrze dalej jest tłoczone, dzięki swej bezwładności.

Doładowanie dynamiczne może być skuteczne tylko dla określonej prędkości obrotowej. Należy dla niej dobrać odpowiednią długość i objętość układu dolotowego. Najbardziej rozpowszechnione są dwa empiryczne wzory na długość układu dolotowego:

firm francuskich $L_{D}={\frac {2574}{n}}\left[m\right]$ ,
Chryslera $L_{D}={\frac {6a}{n}}\pm 0,075\left[m\right]$ , gdzie:

$a={\sqrt {\kappa RT}}$ prędkość dźwięku

κ wykładnik adiabaty

R stała gazowa

T temperatura powietrza

By rozszerzyć zakres prędkości obrotowych, w których działa dynamiczne doładowanie, stosuje się kolektory dolotowe o zmiennej długości kanałów.

Efekt dynamicznego doładowania może też być wzmocniony przez odpowiedni dobór układu wydechowego i kąta przekrycia zaworów.

Porównanie doładowania turbosprężarkowego i mechanicznego

Doładowanie mechaniczne charakteryzuje się wydatkiem zależnym od prędkości obrotowej silnika, natomiast wydajność turbodoładowania jest zależna od obciążenia silnika. Bardziej optymalny jest ten drugi przypadek. Doładowanie mechaniczne, z uwagi na straty dławienia, obniża wyraźnie sprawność silnika przy małych obciążeniach.

Dodatkową wadą tego typu doładowania jest pobór mocy z wału korbowego silnika.

Z drugiej strony sprężarka mechaniczna posiada małą zwłokę reakcji na zmianę prędkości obrotowej silnika. W tym przypadku turbosprężarka charakteryzuję się znacznym opóźnieniem (tzw. turbodziurą), mającym wpływ na rozpędzanie pojazdu.

Zalety obu typów doładowania łączy system Comprex. Zapewnia on:

niskie jednostkowe zużycie paliwa (jak w przypadku turbodoładowania),
dostosowywanie się do obciążenia silnika (jak w przypadku turbodoładowania),
natychmiastową reakcję na zmianę prędkości obrotowej silnika (jak w przypadku doładowania mechanicznego).

Niestety urządzenia Comprex charakteryzują się większymi wymiarami i masą od turbosprężarek.

Zaletą sprężarek mechanicznych jest ich łatwa zabudowa w silnikach widlastych, pomiędzy rzędami cylindrów.

Układy sprężarek

Obecnie, w przypadku silników samochodów osobowych, należy szczególną uwagę zwrócić na dwa rozwiązania:

szeregowo-równoległy układ dwóch turbosprężarek,
układ sprężarki mechanicznej z turbosprężarką.

Pierwszy z nich jest z powodzeniem stosowany w wielu silnikach ZS. Turbosprężarki posiadają różne rozmiary wirników, a spaliny i powietrze są kierowane w odmienne sposóby, zależnie od obciążenia silnika. Poniżej zostanie opisany sposób działania dla silnika ZS Mercedesa:

Przepływem gazów sterują trzy siłowniki wraz z odpowiednimi przepustnicami. Przy niskich obciążeniach spaliny kierowane są do małej turbosprężarki, posiadającej niski moment bezwładności. Po częściowym rozprężeniu gazy wylotowe podawane są na wirnik dużej turbosprężarki by wykorzystać resztki znajdującej się w nich energii. Powietrze wpływa natomiast najpierw na wirnik dużej turbosprężarki, gdzie zostaje lekko sprężone. Dalej dostaje się do małej turbosprężarki, gdzie ciśnienie powietrza znacznie wzrasta.Przy dużych obciążeniach i prędkościach obrotowych otwiera się zawór upustowy w małej turbosprężarce. Spaliny są przez niego kierowane na wirnik dużej turbosprężarki - obie turbosprężarki są wtedy zasilane bezpośrednio z kolektora wydechowego, a więc mogą pracować z pełną wydajnością. Po stronie układu dolotowego otwiera się przepustnica i sprężone powietrze z dużej sprężarki pomija małą i przepływa bezpośrednio do intercoolera. Podsumowując, przy niskich obrotach i obciążeniach turbozespoły pracują w układzie szeregowym, przy wysokich - w równoległym.

Układ mechanicznej sprężarki z turbosprężarką jest stosowany w silniku Volkswagen TSI Twincharger. Turbosprężarka pracuje w sposób ciągły, połączona szeregowo sprężarka Roots'a jest uruchamiana tylko przy niskich prędkościach obrotowych. W przeciwnym przypadku jest otwierany kanał omijający sprężarkę mechaniczną.

Oba rozwiązania mają na celu poprawę charakterystyki momentu obrotowego silnika i reakcji na zmianę obciążenia, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności jednostki.

Turbochłodzenie

Typowy układ składa się z dwóch turbosprężarek i dwóch chłodnic powietrza. Generalną różnicą względem tradycyjnych układów doładowania jest sposób podłączenia drugiej turbosprężarki. Nie jest ona napędzana gazami wylotowymi, tylko sprężonym powietrzem.

Sposób działania systemu turbochłodzenia:

pierwsza turbosprężarka spręża powietrze do zbyt wysokiego (dla silnika) ciśnienia,
gorące powietrze jest chłodzone w intercoolerze i płynie dalej na część sprężarkową drugiej turbosprężarki,
tam jest w dalszym ciągu lekko sprężane i wypływa do drugiego intecoolera,
relatywnie chłodne już powietrze (o bardzo wysokim ciśnieniu) wpływa na część turbinową drugiej turbosprężarki. Napędzając ją ulega częściowemu rozprężeniu (do ciśnienia potrzebnego silnikowi), jednocześnie jego temperatura w dalszym ciągu spada.

W efekcie silnik zasilany jest zimnym, sprężonym powietrzem, czego wynikiem jest duża gęstość i masa powietrza dostającego się do cylindrów.