Długa historia turbo cz. 2

• W poprzedniej części artykułu opisaliśmy początki turbodoładowania
• Pierwsze doładowanie silników spalinowych datuje się na rok 1878.
• Silnik Clerka wykorzystywał przetłaczanie ładunku z cylindra sprężającego do cylindra roboczego.
• Doładowanie mechaniczne może zużywać nawet 10% mocy generowanej przez silnik
• Mimo tego silniki ze sprężarką początkowo generowały nawet o 60% mocy więcej, niż ich odpowiedniki wolnossące.
• Jeśli chcesz być na bieżąco z najważniejszymi wiadomościami z branży – zapisz się na nasz newsletter.

Doładowanie silnika polega w dużym uproszczeniu na wymuszeniu napełniania cylindra powietrzem, lub mieszanką paliwowo powietrzną. W silnikach wolnossących napełnianie odbywa się dzięki zasysaniu mieszanki paliwowo powietrznej lub samego powietrza przez tłok poruszający się w dół cylindra . W silniku doładowanym powietrze wtłaczane jest do cylindra z wykorzystaniem ciśnienia wytworzonego przez urządzenie sprężające – sprężarkę (napędzaną gazami spalinowymi, lub bezpośrednio od wału korbowego silnika).

Pierwszym silnikiem z wymuszonym napełnianiem cylindra był silnik opracowany przez przytoczonego w poprzednim artykule „Długa historia turbo” – Sir Dugalda Clerka.

Clerk rozpoczął pracę nad własnymi projektami silników w październiku 1878 roku po zmodyfikowaniu silnika Braytona za pomocą świecy zapłonowej. Silniki Braytona (zwane „Ready Motors” były produkowane od 1872 do 1876 roku) i były jednymi z pierwszych silników, które z powodzeniem wykorzystywały sprężanie i spalanie paliwa w cylindrze. W maju 1876 roku Otto opracował swój silnik, wykorzystując czterosuwowy cykl jednostronnego działania ze sprężaniem w cylindrze. Clerk zdecydował się opracować silnik wykorzystujący kompresję, ale z cyklem dwusuwowym, ponieważ widział korzyści wynikające z mniejszej masy silnika i płynności pracy dzięki dwukrotnie większej liczbie suwów pracy przypadających na jeden obrót wału korbowego.

Początkowy eksperyment Clerka z silnikiem Braytona z 1878 r. doprowadził do wprowadzenia ulepszeń, które ostatecznie doprowadziły do opracowania cyklu dwusuwowego. Silnik Clerka wykorzystywał kompresję i nowatorski system zapłonu. Jednak dopiero pod koniec 1880 roku udało mu się wyprodukować silnik Clerka pracujący w cyklu dwusuwowym, który stał się produktem handlowym. Silnik Clerka wchodzący wtedy na rynek był pierwszym, w którym udało się wprowadzić kompresję w cylindrze połączoną z zapłonem przy każdym obrocie. Wiele prób podjęli wcześniej inni wynalazcy, w tym Otto i Crossley, ale wszystkim nie udało się wyprodukować silnika nadającego się do sprzedaży.

Dugald Clerk był autorem trzech obszernych książek opisujących rozwój silnika na olej i gaz od jego wczesnych początków oraz zawierających szczegóły jego własnej pracy w tej dziedzinie. Pierwsze wydanie zostało opublikowane w 1886 r., a w kolejnych wydaniach Clerk odnosił się do znaczących wcześniejszych patentów na silniki gazowe Barnetta w 1838 i Wrighta w 1833.

W 1878 roku Clerk pozyskał silnik Brayton „Ready Motor” produkowany w latach 1872-1876 przez George’a Braytona w Filadelfii w USA. Zastanawiał się, czy mógłby poprawić osiągi silnika i wkrótce wyposażył silnik w świecę zapłonową i ulepszony układ paliwowy. Początkowo Clerk używał jednego cylindra do sprężania, a drugiego do rozprężania mieszanki palnej. W pewnym momencie nastąpiła eksplozja, która rozerwała silnik na dwie części. Później Clerk postanowił zrezygnować z używania cylindra pompującego do sprężania i używać go tylko do przenoszenia mieszanki paliwowo-powietrznej do cylindra pracującego.
Cykl Otto został opatentowany w 1876 roku i od razu uznano, że ma znaczną wartość praktyczną. Clerk zaczął szybko pracować ze swoją koncepcją silnika dwusuwowego z 1880 r., który nie naruszałby patentu Otto (będącym silnikiem czterosuwowym).

Clerk opisuje silnik jako wykorzystujący swój cykl w następujący sposób: „Ma dwa cylindry, odpowiednio pompę i silnik, napędzane z korb umieszczonych prawie pod kątem prostym względem siebie, przy czym korba pompy jest wiodąca. Pompa pobiera ładunek gazu i powietrza, a tłok silnika mija otwór w ścianie cylindra na końcu swojego skoku, aby odprowadzić gazy spalinowe. Kiedy ciśnienie w cylindrze silnika zostaje odprowadzone do atmosfery, pompa wtłacza ładunek do tylnej pokrywy cylindra silnika przez zawór zwrotny, wypierając przed nim produkty spalania przez otwór wylotowy. Następnie tłok silnika powraca, ściskając zawartość cylindra do przestrzeni sprężania. Następnie ładunek zostaje zapalony, a tłok wykonuje jego skok roboczy”.

Silnik Clerka wykorzystuje automatyczne zawory typu „grzybkowego” dla powietrza wlotowego i gazu (jeden ze wspomaganiem sprężynowym, jeden bez) oraz otwór w cylindrze odsłonięty przez tłok dla wylotu spalin. Zapłon następuje poprzez przenoszenie zewnętrznego płomienia, przy użyciu modyfikacji metody opracowanej przez niego w 1878 roku.

Większość projektów silników, które były starsze niż silnik Otto (i silnik Clerka), takich jak konstrukcje de Rivaza, braci Niépce, Jeana Josepha Etienne’a Lenoira, Samuela Morey’a i innych, wykorzystywała cykle dwusuwowe, które były „naturalne” w czasach silnika parowego. Znaczącym wkładem Clerka było wprowadzenie kompresji w stylu Otto do silnika dwusuwowego, zwiększając jego wydajność. Wiele lat później dwusuwowy silnik wysokoprężny o dużej pojemności wykorzystujący turbosprężarkę lub sprężarkę stał się powszechny, na przykład w statkach i lokomotywach.

Silnik Clerka składał się z dwóch cylindrów – jednego cylindra roboczego i dodatkowego cylindra do ładowania cylindra, wydalania spalin przez otwór odsłonięty przez tłok. Niektóre źródła uważają ten dodatkowy cylinder za pierwszą na świecie sprężarkę doładowującą.

Sam Clerk stwierdził, że: „To nie jest pompa sprężająca i nie jest przeznaczona do sprężania przed wprowadzeniem do silnika, ale jedynie do wywierania siły wystarczającej do przepuszczenia gazów przez zawór wznoszący do cylindra silnika i tam wyparcia spalonych gazów, wyrzucając je do rury wydechowej”.

Stąd źródła uznają go za „cylinder pompujący”, wskazując, że w rzeczywistości nie sprężał mieszanki paliwowo-powietrznej, tylko po prostu przenosił świeżą mieszankę do cylindra roboczego, aby wypchnąć spalone wcześniej gazy.

Historię doładowania turbosprężarką opisaliśmy w artykule przytoczonym na początku tego tekstu. Pierwsze doładowanie silnika samochodowego sprężarką typu Roots napędzaną od wału korbowego miało miejsce w 1921 roku w samochodzie Mercedes 6/25 PS i 10/40 PS, które miały premierę na wystawie w Berlinie w 1921 roku. Wersja 6/25 PS miała pojemność 1,6 litra, natomiast wersja 10/40 PS – 2,6 litra. Do tych modeli weszła do nomenklatury utrzymywana praktycznie do dziś nazwa „Kompressor”.

Efekt mechanicznego doładowania był ogromny: w Mercedesie 6/25 PS z silnikiem 1568 cm3 moc wzrosła z 15 – 18 kW (20 – 25 KM) do 28 – 29 kW (38 – 40 KM), gdy sprężarka była włączona. Model 10/40 PS z silnikiem o pojemności 2614 cm3 zapewniał 26 – 29 kW (35 – 40 KM) bez sprężarki i 48 kW (65 KM) ze sprężarką. Średnio oznaczało to wzrost wydajności o 60% w każdym przypadku. Aby wyraźnie przekazać potencjał w nazwie danego modelu, w 1924 roku obydwa samochody otrzymały rozszerzone oznaczenia modeli: odtąd były one oznaczane jako Mercedes 6/25/38 PS i Mercedes 10/40/65 PS . Ostatnia liczba oznaczała moc w KM przy włączonej sprężarce.

Mniej więcej w tym samym okresie na arenie motoryzacyjnej pojawiły się doładowane sprężarkami mechanicznymi samochody wyścigowe. Były to między innymi Fiat 805-405 z 1923 r., Miller 122 z 1923 r., Alfa Romeo P2 z 1924 r., Sunbeam z 1924 r., Delage z 1925 r., i Bugatti Type 35C z 1926 roku. Do najbardziej znanych samochodów z doładowaniem należy Bentley 4½ Litre („Blower Bentley”), który został wprowadzony na rynek w 1929 roku, lecz był poprzedzony wersjami wyścigowymi budowanymi już od 1926 roku.

Pierwszym Bentleyem z doładowaniem był 3-litrowy FR5189, który został doładowany w fabryce Cricklewood zimą 1926 roku. Bentley Blower No.1 został oficjalnie zaprezentowany w 1929 roku na British International Motor Show. 55 egzemplarzy zostało zbudowanych zgodnie z przepisami 24-godzinnego wyścigu Le Mans.

Walter Owen Bentley Bentley, jako główny inżynier firmy którą założył, odmówił zgody na modyfikację silnika w celu dodania doładowania. W rezultacie sprężarka została umieszczona na końcu wału korbowego, przed chłodnicą. To nadało Bentleyowi łatwo rozpoznawalny wygląd, a także zwiększyło podsterowność samochodu ze względu na dodatkowy ciężar na przedniej osi. Wał korbowy, tłoki i układ smarowania były specjalnie wykonane dla doładowanego silnika, który wytwarzał 175 KM (130 kW) przy 3500 obr./min dla modelu turystycznego i 240 KM (180 kW) przy 4200 obr./min dla wersji wyścigowej, co było większą mocą niż w nowo opracowywanym w tym czasie modelu Bentley 6½ litre.

W XXI wieku seryjne silniki samochodowe z doładowaniem stały się mniej powszechne, ponieważ producenci przestawili się na turbodoładowanie, które było tańsze i dawało zadowalające efekty dzięki rozwojowi techniki sterowania ciśnieniem doładowania i zasilania paliwem. Na przykład silniki Mercedes-Benz z początku 2000 roku (np. z modeli C230K – rzędowy czterocylindrowy, C32 AMG V6 i CL55 AMG V8) zostały zastąpione około 2010 roku silnikami z turbodoładowaniem w modelach takich jak C250 i CL S65 AMG. Istnieją jednak wyjątki posiadające nadal kompresor napędzany od wału korbowego lub nawet dwa rodzaje doładowania – sprężarkę oraz turbodoładowanie.

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 bezwładności układu doładowania, czyli tak zwanej „turbodziury” towarzyszącej wielkogabarytowej turbosprężarce . Wersja rajdowa tego samochodu miała moc 480 KM. 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.

Sprężarka Rootsa bazuje na dwóch rotorach zazębionych ze sobą i obracających się w przeciwnym kierunku. Rotory są uszczelnione względem siebie oraz względem obudowy i przetłaczają powietrze między rotorami i obudową. Jak łatwo wywnioskować z ilustracji 6 – sprężarka tego typu cechuje się bardzo dużą pulsacją zmienną wraz z kątem obrotu wału napędzającego. Aby zminimalizować efekt pulsacji konstrukcję tej sprężarki zmieniano wprowadzając rotory z trzem wypustami.

Kolejnym krokiem w celu pozbycia się pulsacji ciśnienia doładowującego było spiralne skręcenie wypustów na rotorach dzięki czemu skoki i spadki ciśnień zaczynały się pokrywać i w rezultacie ciśnienie doładowania stawało się stałe i jednostajne, niezależnie od położenia wału napędzającego (ilustracja 7).

Nowoczesne doładowania Rootsa, które można znaleźć w samochodach seryjnych, mają zmienioną konstrukcję, jak pokazano na ilustracji 6. Wlot znajduje się z przodu (a nie u góry) korpusu doładowania, podczas gdy wylot znajduje się na dolnej powierzchni, ale blisko tylnej części korpusu (tj. naprzeciwko wlotu). Przeniesienie wlotu ma kilka zalet. Po pierwsze, łatwiej jest go wkomponować pod maską silnika. Zwłaszcza gdy doładowanie znajduje się na górze silnika, wlot skierowany do przodu oszczędza miejsce pod maską, podczas gdy wlot skierowany do góry może wymagać kopuły zasilającej, aby pomieścić przewody dolotowe. Po drugie, wlot skierowany do przodu pozwala uniknąć wspomnianej wcześniej wady klasycznego projektu. Powietrze wpływa do komór wirnika w kierunku osiowym, dzięki czemu nie jest skierowane na płaty wirnika. Aby ułatwić osiowy przepływ powietrza, wylot jest otwarty na przeciwległym końcu i zastosowano skręcone wirniki. Gdy skręcone wirniki obracają się, popychają powietrze od strony wlotu do strony wylotu. W konsekwencji uzyskuje się płynny przepływ i zwiększa się wydajność takiego kompresora.

Doładowanie typu Rootsa zużywa dużo energii przy dużej prędkości obrotowej silnika. Dlatego, gdy nie jest wymagane zwiększenie mocy, na przykład podczas jazdy po autostradzie, lepiej jest odłączyć sprężarkę od silnika. Na przykład w czterocylindrowym silniku Mercedesa stosowane było sprzęgło elektromagnetyczne do włączania/wyłączania napędu kompresora.

Innym rozwiązaniem przyjętym przez niektóre doładowania jest zastosowanie zaworu obejściowego w celu ustanowienia połączenia między wlotem a wylotem. To znacznie zmniejsza straty podczas pompowania, ale ruchome elementy mechaniczne nadal zużywają energię z powodu tarcia.

Zaletą tego typu sprężarki jest relatywnie nieduży koszt budowy, natomiast wadą jest niskie ciśnienie doładowania, hałas i duży pobór mocy. Sprężarki tego typu stosowano w silnikach M111 i M271 Mercedesa, silnikach V6 o pojemności 3,8 litra koncernu GM i innych tanich i doładowanych konstrukcjach.

Sprężarki typu Eaton bazują na koncepcji Rootsa, jednak mają wiele znaczących ulepszeń w stosunku do pierwowzoru. Zmieniono kształt zazębienia, co pozwoliło znacznie zwiększyć przepływ powietrza oraz zmniejszyć opory ruchu i wydzielanie ciepła przez sam kompresor. Co najważniejsze – znacznie ciszej pracuje od sprężarki typu Roots. Z mechanicznego punktu widzenia sprężarki Eaton mają dwie istotne zmiany w stosunku do konwencjonalnych doładowań typu Rootsa:

1. Jego wirniki mają 4 krzywki zamiast 3 krzywek;
2. Duży kąt skrętu wirników wynoszący nawet 160 stopni.

Jeśli chodzi o wyższą wydajność, przyczyniają się do tego dwa czynniki. Pierwszym z nich jest większy wlot powietrza. Ilustracja 9 pokazuje porównanie konwencjonalnej sprężarki Roots i sprężarki Eaton pod kątem tego, jak wygląda w nich cykl pracy. Składa się on z 3 faz – ekspansji, uszczelnienia i rozładowania. To faza uszczelnienia określa rozmiar wlotu powietrza. Konstrukcja Eaton może wykorzystywać znacznie większy wlot powietrza, ponieważ jego 4-płatowa budowa zmniejsza rozpiętość fazy uszczelnienia do 90 stopni (w porównaniu do 120 stopni w przypadku 3-płatowej konstrukcji). Pozwala to na szersze otwarcie wlotu. Gdyby konwencjonalna sprężarka doładowująca korzystała z tego samego dużego wlotu co Eaton, uszczelnienie nigdy by się nie wydarzyło, a komora utworzyłaby mostek między wlotem a wylotem, uwalniając w ten sposób całe wysokie ciśnienie po stronie wylotowej.

Jaka jest więc korzyść z większego wlotu? Najbardziej oczywiste jest mniejsze ograniczenie szybkości przepływu powietrza. Ale teraz mówimy o wydajności, a nie o ilości przepływu powietrza, więc musi być inny powód… właściwie bardzo skomplikowany powód.

Aby zrozumieć, w jaki sposób poprawiło to wydajność, być może powinniśmy najpierw zbadać, w jaki sposób konwencjonalna doładowanie Rootsa marnuje energię. Jak wspomniano, część energii jest tracona przez tarcie mechaniczne. Jednak jeszcze wyższy procent strat energii wynika z wewnętrznego przepływu sprężarki. Wróćmy do ilustracji 9. Na początku fazy ekspansji widać, że między wirnikami tworzy się nowa przestrzeń (niebieski obszar między rotorami). Ta przestrzeń szybko się powiększa (drugie zdjęcie) i zasysa powietrze z wlotu, aby ją wypełnić. W rzeczywistości wirnik obraca się tak szybko (do 20 000 obr./min), że ta przestrzeń powiększa się z ogromną prędkością. W rezultacie wytwarzana jest tam próżnia, a powietrze wpada do tej przestrzeni z bardzo dużą prędkością. Powoduje to powstanie fali – strumień powietrza o dużej prędkości uderza w koniec przestrzeni – nie znajduje drogi ujścia, a następnie spręża się, odbija, uderza w napływające powietrze za nim i powoduje turbulencje. Tak szybka zmiana prędkości i ciśnienia zamienia energię kinetyczną powietrza w ciepło. W rzeczywistości doładowania typu Roots tracą dużo energii na wytworzenie ciepła. Większy wlot w sprężarkach Eatona oznacza, że przepływ powietrza przez wlot będzie wolniejszy. Wolniejszy przepływ powietrza oznacza mniejszą energię kinetyczną, a więc mniej energii zamienia się w ciepło.

Kolejnym czynnikiem wpływającym na większą wydajność rozwiązania Eatona jest większy kąt skrętu wirników. Przy kącie skrętu 160°, w fazie ekspansji wirnik wykonuje obrót o 160°, aby uzyskać pełną objętość komory (niebieski obszar na rysunku). Oznacza to, że tempo rozszerzania jest znacznie wolniejsze niż w przypadku mniejszego kąta skrętu, gdzie pełna objętość jest osiągana przy mniejszej wartości obrotu. Wolniejsza ekspansja zmniejsza podciśnienie, a tym samym dodatkowo obniża prędkość przepływu powietrza dolotowego. W konsekwencji zmniejsza się również wspomniana strata energii kinetycznej.

W 1935 roku szwedzki inżynier Alf Lysholm opatentował projekt sprężarki śrubowej z różnymi geometrycznie wirnikami – jeden miał 5 wypustów żeńskich a drugi – 4 męskie. W idei działania jest to nadal sprężarka typu śrubowego. Wirniki ściśle się ze sobą zazębiają. Kiedy się obracają, powietrze jest wychwytywane między śrubami a obudową i jest popychane od wlotu do wylotu. Co więcej, przestrzeń staje się coraz mniejsza w miarę przesuwania się do przodu, więc Lysholm wykonuje wewnętrzną kompresję i umożliwia wyższe ciśnienie doładowania niż doładowanie typu Roots.

Oprócz wysokiego ciśnienia doładowania, sprężarka Lysholm ma zalety w postaci wysokiej wydajności, szerokiego zakresu obrotów i niewielkich rozmiarów, dlatego jest pierwszym wyborem do samochodów wyczynowych. Z drugiej strony jest bardzo kosztowna w budowie, ponieważ ciasno zazębione śruby oznaczają bardzo wysokie wymogi podczas produkcji.

Wysokie koszty hamują jego popularność. Wiadomo, że niewiele samochodów produkcyjnych jest wyposażone w tego typu sprężarkę. Są to między innymi Mazda Millenium Miller Cycle, Ford GT, Mercedes-AMG 3.2 V6 i 5.5 V8.

Ogólnie rzecz biorąc, sprężarki doładowujące pobierają nawet do 10% mocy z napędzającego je silnika. Dla przykładu sprężarka Eatona 5 generacji montowana w Chevrolecie Corvette pobiera z silnika 75 KM mocy. Sprężarki montowane w wyczynowych dragsterach do napędu potrzebują mocy, jaką dysponuje Bugatti Chiron (Dragster ma ponad 11 000 KM mocy, a do napędu sprężarki pobieranych jest około 1000 KM mocy z silnika). W silnikach dostępnych w samochodach popularnych i przy mniejszych mocach sprężarki mogą zużywać nawet połowę mocy generowanej przez silnik.

Z tego powodu producenci samochodów osobowych tak chętnie przeszli na sprężarki napędzane gazami spalinowymi. W ich przypadku wykorzystuje się energię, która i tak zostałaby zmarnowana i nie była wykorzystywana do napędzania samochodu.

O konfiguracjach turbosprężarek w samochodach osobowych napiszemy w kolejnym artykule z tego cyklu.