Długa historia turbo cz. 4.

• W pierwszej części artykułu opisaliśmy początki turbodoładowania
• Druga część cyklu dotyczyła doładowania za pomocą sprężarek napędzanych od wału korbowego
• Trzecia część artykułu opisywała początki podwójnego doładowania
• Doładowanie typu „Comprex” swój debiut miało jeszcze zanim Mazda zaprezentowała model 626 z silnikiem Diesla i sprężarką „Comprex”
• Turbo wspomagane dodatkowym napędem swoje początki miało w lotnictwie w silnikach Napier w roku 1949.
• Jeśli chcesz być na bieżąco z najważniejszymi wiadomościami z branży – zapisz się na nasz newsletter.

W poprzednich artykułach opisane zostały metody doładowania silników za pomocą sprężarek napędzanych od wału korbowego oraz napędzanych energią kinetyczną gazów spalinowych. Ponadto opisane zostały systemy zmiennej geometrii turbosprężarki VNT, system Twin Scroll, oraz układy łączące kilka turbosprężarek (Biturbo, Twin Turbo), bądź sprężarki mechaniczne i turbosprężarki.

W tej części skupimy się na bardzo rzadko już spotykanych sposobach doładowania, które jednak miały swój akcent w motoryzacji oraz na rozwiązaniach nowych, spotykanych jeszcze dość rzadko.

Tak zwany „G Lader” był swego czasu popularnym rodzajem doładowania występującym w Volkswagenach. Sprężarka typu spiralnego zaprezentowana została w samochodach niemieckiego koncernu w 1985 roku, jednak plany jej zastosowania były na deskach kreślarskich konstruktorów z Wolfsburga już od lat 70. XX wieku, kiedy postanowiono, że będzie to alternatywa dla turbodoładowania. Pierwszym autem wyposażonym w doładowanie spiralne był Volkswagen Polo G40 Coupé. Silnik o pojemności 1300 cm³ wyposażony w ten rodzaj doładowania generował moc 115 KM, co jak na rok 1986 było całkiem dobrym wynikiem. Większą wersję tego kompresora stosowano między innymi w Modelu Golf II, Corrado, Passat B3 z silnikiem o pojemności 1800 cm³. Volkswagen stosował 2 wielkości sprężarek: G40 i G60. Liczba w nazwie modelu oznaczała średnicę ruchomej spirali, która przemieszczała się wewnątrz spirali nieruchomej.

Budowa sprężarki ślimakowej jest bardzo prosta i była od dawna stosowana. Przykładem mogą być tutaj kompresory klimatyzacji stosowane w samochodach oraz w urządzeniach chłodniczych. Wersja produkowana przez Volkswagena ma żeliwny korpus z nieruchomą spiralą oraz spiralny magnezowy wirnik. Spiralny wirnik zachodzi na spiralę korpusu, a dzięki mimośrodowemu osadzeniu wirnika ścianki spiral zawsze stykają się w dwóch miejscach. Spirala ruchoma zamocowana jest przez mimośród na wałku, dzięki czemu ruch obrotowy wałka przekładany jest na jej mimośrodowy ruch postępowy. Dzięki temu punkt styku dwóch spiral stale się przemieszcza wzdłuż ścianek przesuwając zamknięte między ściankami powietrze. Powietrze przetłaczane jest od zewnątrz do środka spirali, gdzie znajduje się wylot do kolektora dolotowego silnika.

Twórcą sprężarki spiralnej typu G jest Francuz Léon Creux, który opatentował takie urządzenie w 1905 r. Ze względów technologicznych rozwiązanie to musiało dość długo czekać na wdrożenie do produkcji. Problemem była wymagana wysoka dokładność wykonania, która gwarantowała szczelność urządzenia, a co za tym idzie – jego prawidłowe działanie.

Znamy to z Mazdy, ale… Ferrari zaczęło stosować ten typ doładowania w bolidach F1 w roku 1981, czyli w erze gdy turbo rozkwitało. Silnik V6 o pojemności 1,5 litra osiągał 540 KM mocy. Ferrari do kwalifikacji i zawodów wystawiało bolidy z silnikiem 126CX wyposażonym w doładowanie falą ciśnienia gazów oraz bolidy z silnikiem 126 CK wyposażone w standardowe – podwójne turbodoładowanie.

Sprężarka ta występowała w bolidach w dwóch wersjach – z zewnętrznym i wewnętrznym zaworem upustowym (wastegate). Początkowo sprężarka była dostarczana przez producenta turbosprężarek – firmę KKK, a w późniejszych modelach dostawcą był Brown Boveri. Comprex nie zagościł długo w sporcie, ponieważ okazało się, że nie da się oddzielić spalin od powietrza zasilającego w sposób idealny, a do silnika trafiała zanieczyszczona spalinami mieszanka. W przypadku maksymalnie wysilonych silników wyczynowych – miało to znaczenie – każdy gram tlenu zastąpiony spalinami działa na minus. Ferrari szybko przeszło więc na tradycyjne turbosprężarki.

Bolid z doładowaniem typu „Comprex” był jednak bardzo chwalony za brak turbodziury i wysoką moc dostępną w praktycznie każdym zakresie prędkości obrotowej silnika.

Równolegle Fiński producent traktorów – firma Valmet stosowała doładowanie „Comprex” w modelu 1203 produkowanym w latach 1980-1982. Doładowanie to pozwoliło zwiększyć moment obrotowy silnika w tym traktorze o ponad 27%.

Długo nie trzeba było czekać – Mazda wypuściła pierwsze samochód wyposażony w doładowanie „Comprex” w roku 1987. Model 626 wyposażony między innymi w silnik 2,0 D i doładowany sprężarką działającą na zasadzie przepompowywania gazów dzięki wytworzonej fali ciśnienia. Wcześniej ten typ doładowania Mazda stosowała na lokalnym rynku w ciężarówce Mazda Bongo. W modelu 626 silnik bez doładowania miał 64 KM mocy, natomiast ten sam silnik ze sprężarką „Comprex” dysponował już mocą 88 KM.

Doładowanie typu „Comprex” stosowano także w niewielkiej liczbie samochodów Opel Senator w 1985 r. z silnikami wysokoprężnymi o pojemności 2,3 litra.

Przeciętne ciśnienie doładowania tego systemu to 0,2 MPa. Pasek łączący sprężarkę Comprex z wałem korbowym silnika służy jedynie do zsynchronizowania pracy obu urządzeń, a dokładnie do zapewnienia odpowiedniej prędkości obrotowej walca z wzdłużnymi kanałami. Szacunkowo na napęd tej sprężarki silnik traci około 2% generowanej mocy.

Cechy falowości doładowania umożliwiły wykorzystanie energii fali uderzeniowej powstałej w wyniku spalania mieszanki paliwowej i przekazanie energii tej fali powietrzu, które jest w płynny sposób zasysane przez urządzenie. Cały proces odbywa się w poszczególnych komorach obracającego się walca, gdzie za pośrednictwem otworów dolotowych i wylotowych świeże powietrze jest spiętrzane, a spaliny rozprężane.

Ważnym zagadnieniem w pracy urządzenia jest utrzymanie szczelności między obudową sprężarki, a obracającym się w jej wnętrzu walcem. Jest to realizowane przez zachowanie szczeliny o wielkości 0,1 mm między wirnikiem a obudową urządzenia. Ze względu na fabryczną nieszczelność urządzenia można mówić o procesie częściowej recyrkulacji spalin, która niestety nie jest kontrolowana. W związku z trudnościami związanymi z obsługą tego typu sprężarek, wymagające łożyskowanie wirnika i problematyczne uszczelnienie zrezygnowano z tego rodzaju doładowania w samochodach.

Coraz częściej spotyka się rozwiązanie, które integruje napęd elektryczny oraz sprężarkę odśrodkową. Potocznie nazywane jest to elektryczną turbosprężarką, jednak jest to sama sprężarka napędzana elektrycznie. Pomysł nie jest nowy, bo już pod koniec lat 90. XX wieku Testodyne eksperymentowało z elektrycznym wspomaganiem turbosprężarki. Podobnie Borg Warner eksperymentował w tym czasie z elektrycznym napędem turbo, jednak na zbyt wysoki pobór energii prace zaprzestano. W październiku 2019 r. firma Garrett Motion ogłosiła wprowadzenie na rynek pierwszej elektrycznej turbosprężarki do samochodów osobowych, której wprowadzenie na rynek zaplanowano na 2021 r. Projekt zakładał dodanie silnika elektrycznego między kołem turbiny, a kołem sprężarki.

Tutaj należy rozgraniczyć dwa z pozoru podobne rozwiązania. Pierwszym jest sprężarka odśrodkowa napędzana elektrycznie, a drugim jest turbosprężarka napędzana gazami spalinowymi oraz dodatkowo silnikiem elektrycznym zamontowanym między wirnikiem turbiny, a wirnikiem sprężarki.

Pierwsze rozwiązanie, czyli sprężarka napędzana tylko elektrycznie zostało zastosowane w Audi SQ7. Silnik V8 o pojemności 4 litrów i mocy 435 KM (oznaczenie EA898) w tym samochodzie wyposażony jest w dwie turbosprężarki napędzane gazami spalinowymi oraz w trzecią sprężarkę napędzaną silnikiem elektrycznym zasilanym napięciem 48V.

Według producenta sprężarka może osiągnąć 70 000 obr./min w czasie 0,25 sekundy po podaniu sygnału wymagania pełnej mocy. A to oznacza, że maksymalne doładowanie dostępne jest praktycznie od razu i to niezależnie od prędkości obrotowej silnika.

Zasada sterowania doładowaniem w silniku EA898 jest dość skomplikowana i zostanie opisane w osobnym materiale.

Dalej takie rozwiązanie zaczęto stosować w połączeniu z silnikiem TDI 3.0 V6. Co ciekawe, silnik ten nazywany jest „Biturbo”, lecz jest wyposażony w 3 sprężarki: dwie turbosprężarki i trzecią sprężarkę odśrodkową napędzaną elektrycznie.

Drugim rozwiązaniem jest turbosprężarka napędzana gazami spalinowymi, ale też dodatkowo wspomagana silnikiem elektrycznym, który jest zamontowany na jej wałku między turbiną, a sprężarką. Niewielki silnik elektryczny pozwala na zwiększenie prędkości obrotowej turbosprężarki w sytuacjach, kiedy spaliny silnika mają zbyt niską energię kinetyczną, czyli na wolnych obrotach. Wspomaganie elektryczne niweluje zjawisko „turbodziury” a także zmniejsza bezwładność turbosprężarki utrzymując jej wysokie obroty.

Silnik elektryczny zasilany jest napięciem 48V.

Historia elektrycznie wspomaganej turbosprężarki ma swoje korzenie w bolidach F1 i w systemie MGU-H. System ten bazuje na turbosprężarce w której między turbiną, a sprężarką zamontowany jest silnik elektryczny. W trakcie przyspieszania silnik ten rozpędza turbosprężarkę, aby jej reakcja była natychmiastowa. MGU-H ma jednak dodatkową funkcję – gdy zasilanie turbosprężarki odbywa się tylko za pomocą energii spalin, to silnik elektryczny pracuje w trybie prądnicy i ładuje akumulator z którego jest zasilany.

Wspomagane turbodoładowanie było już proponowane w silnikach F1 Coswortha w latach 80, jednak ze względu na oszałamiające moce nie zostało dopuszczone. Według Coswortha zastosowanie tego rozwiązania pozwalało do przekroczenia mocy 2000 KM podczas, gdy pozostałe bolidy dysponowały mocami na poziomie 1000 KM.

Warto dodać, że dodatkowy napęd turbosprężarek stosowany był w wielu rozwiązaniach lotniczych, takich, jak silniki Napier Nomad 1 i Napier Nomad 2 (rok 1949), które do napędu turbosprężarki, oprócz spalin wykorzystywały dodatkowe śmigło lub napęd od wału korbowego silnika przez sprzęgło hydrauliczne.

W samochodach rozwiązanie dodatkowego elektrycznego wspomagania turbosprężarki pojawiło się relatywnie późno. Firma Garett w 2019 roku ogłosiła początek produkcji takich turbosprężarek dla rynku masowego, natomiast w 2022 światło dzienne ujrzał Mercedes AMG SL43, który ma 2 litry pojemności, 381 KM mocy i 480 Nm momentu obrotowego właśnie dzięki elektrycznie wspomaganej turbosprężarce Garett.