Moc osiągana przez silnik spalinowy zdefiniowana jest ściśle zależnościami związanymi z pojemnością skokową silnika, jego prędkością obrotową, liczbą suwów pracy oraz ilością paliwa spalanego w cylindrze, co opisaliśmy wzorem w pierwszym artykule cyklu o doładowaniu. Skupiliśmy się w nim na turbodoładowaniu stosowanym w samochodach, a teraz na chwilę wyjdziemy w niebo, ponieważ w lotnictwie najwcześniej zaczęto sortować doładowanie wielostopniowe.
Problem ilości paliwa spalanego w cylindrze ściśle wiązał się z potrzebą dostarczenia odpowiedniej ilości utleniacza, którym jest tlen zawarty w powietrzu.
Pierwsze zastosowanie sprężarki Rootsa w silniku samochodowym miało miejsce w 1921 roku, a pierwsze turbo (napędzane gazami spalinowymi) zamontowane pod maską samochodu zostało w roku 1915. Już wtedy zauważono, że doładowanie poprawia osiągi silnika – szczególnie podczas zmian wysokości w terenie górzystym.
Ale problem zmian mocy silnika wraz ze zmianą wysokości na jakiej on pracuje był już znany w lotnictwie. W 1934 roku stwierdzono, że moc silnika tłokowego spada dwukrotnie na wysokości 6000 metrów. Wynika to wprost z mniejszej gęstości powietrza na tej wysokości. Jest co prawda mniejszy opór w czasie ruchu, jest także mniejsza siła nośna, ale również silnikowi brakuje połowy mocy. Z problemem tym zaczęto się mierzyć jednak znacznie wcześniej.
Pierwsze kroki szły w stronę zwiększania mocy silnika, tak, aby silnik dysponował jej takim nadmiarem, że po osiągnięciu odpowiedniej wysokości przy zmniejszonej ilości powietrza nadal dysponował żądaną mocą użyteczną. Rozwiązanie to wiązało się ze zwiększaniem prędkości obrotowej silnika i okazało się drogą w ślepy zaułek, ponieważ w lotnictwie nie można zbytnio zwiększać prędkości obrotowej silnika ze względu na charakterystykę pracy śmigła i prędkości liniowe, jakie osiągają jego zakończenia. Wyższa prędkość obrotowa silnika wymagała dodania przekładni redukującej do napędu śmigła, co z kolei nie było mile widziane ze względu na przyrost masy. Zwiększanie pojemności skokowej w celu podniesienia mocy także wiązało się ze znacznym przyrostem masy silnika.
Kolejnym krokiem było znaczne doprężenie silnika, co wiązało się z koniecznością stosowania paliwa o zwiększonej liczbie oktanowej w celu zapobieżenia spalaniu stukowemu, które występowało na niskich wysokościach, a mijało wraz ze wzrostem pułapu lotu i gęstości powietrza.
Firma Murray-Willat Company zbudowała swój pierwszy bezzaworowy silnik rotacyjny w 1910 roku. Silniki te pracowały w cyklu dwusuwowym. Dmuchawa odśrodkowa, wbudowana w silnik, sprężała powietrze i wtłaczała paliwo z gaźnika do silnika w celu poprawy osiągów na większej wysokości. Na dnie każdego cylindra znajdowały się otwarte otwory wylotowe, które umożliwiały całkowite oczyszczenie i wtłoczenie świeżego ładunku po zakończeniu każdego suwu. Ładunek z obudowy sprężarki do skrzyni korbowej dostarczany był drążonym wałem korbowym.
Ilustracja 1. Silnik Murray-Willat był pierwszym w którym zastosowano sprężarkę ładunku w celu podniesienia wydajności silnika na dużych wysokościach. Źródło; Airplane engine encyclopedia, Glenn Dale, 1921.
Działania wojenne przyczyniły się znacznie do rozwoju doładowania w silnikach lotniczych. Przewaga w powietrzu polegała na osiąganiu większych prędkości lub większych pułapów lotu, niż samoloty przeciwnika. Dla przykładu ogromny – 27 litrowy silnik Rolls-Royce V12 Merlin 66 stanowił aż 28% masy własnej Spitfire’a. Był on jednak w stanie wytworzyć 1705 KM, co zapewniało Spitfire’owi przewagę w prędkości i przyspieszeniu. Dzięki zastosowaniu paliwa o liczbie oktanowej 150 moc silnika wzrastała do ponad 2000 KM przez większy stopień doładowania dwustopniową sprężarką.
Doładowanie silników lotniczych zaczęło jednak od początku sprawiać pewne problemy. Sprężarka pracująca z tą samą prędkością obrotową na ziemi oraz na pewnej wysokości dostarczała różnej ilości powietrza. Zlikwidowano co prawda problem z mocą silnika w powietrzu, jednak stworzono nowy – zbyt wysokie ciśnienie powietrza doładowującego na niskich wysokościach i na ziemi. Problem został rozwiązany przez stosowanie doładowania wielostopniowego. Dobrym przykładem jest tutaj wspomniany silnik Merlin, który na wale korbowym ma zamontowane dwie sprężarki. Pracują one równolegle, jednak na niskich wysokościach (do 1600 metrów) pracują one z niskim przełożeniem, natomiast dla większych wysokości ich prędkość obrotowa jest zwiększana. Można więc powiedzieć, że jest to pierwszy system doładowania wielostopniowego dodatkowo pracujący w systemie dwubiegowym.
Ilustracja 2. Silnik lotniczy V12 Merlin 66 o pojemności 27 litrów w którym zastosowano dwubiegowe doładowanie dwustopniowe, sterowanie ciśnieniem doładowania oraz wodną chłodnicę powietrza doładowującego. Źródło: Domena publiczna