Co dwie, to niejedna

Sposobów walki z negatywnymi zjawiskami towarzyszącymi turbodoładowaniu jest więcej. Można np. zamiast jednej dużej turbosprężarki użyć dwóch nieco mniejszych. W silnikach widlastych stosuje się niekiedy układ biturbo, gdzie jedna sprężarka odpowiada za jeden rząd cylindrów. Takie rozwiązanie było typowe do niedawna np. dla Maserati.
Inaczej do zagadnienia podeszło BMW. Projekt nazwano Variable Twin Turbo. W przedstawionym pod koniec 2004 roku rzędowym turbodieslu o pojemności trzech litrów (montowanym w modelu 535d) mamy dwie turbosprężarki umieszczone jedna za drugą, różniące się wielkością. Przy małych prędkościach obrotowych cała masa gazów wydechowych kierowana jest najpierw na turbinę mniejszej sprężarki, a dopiero później – na turbinę większej. Dzięki małej bezwładności pierwszej sprężarki zwłoka w doładowaniu jest niewielka, tym bardziej że duża sprężarka zapewnia w tym zakresie sprężanie wstępne. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wału silnika (od 1500 obr./min) przy wykorzystaniu pneumatycznie sterowanego zaworu coraz większa część spalin kierowana jest bezpośrednio do większej sprężarki, a jednocześnie coraz większa porcja powietrza przez nią sprężonego trafia bezpośrednio do kolektora dolotowego z pominięciem małej sprężarki. Od 2500 obr./min dominującą rolę w doładowaniu jednostki napędowej ma już tylko duża sprężarka. Efekt? Silnik rozwija 272 KM, maksymalny moment obrotowy ma wartość 560 Nm przy 2000 obr./min, a już od 1500 obr./min dysponuje 530 Nm. Maksymalna prędkość obrotowa wału motoru wynosi 5000 obr./min.
A średnie zużycie paliwa nie przekracza 8 l/100 km, przy czym silnik ten spełnia normę czystości spalin Euro IV. Jeszcze inną drogę wybrał Volkswagen. Nowe pomysły znalazły zastosowanie w modelu Golf GT zaprezentowanym podczas ostatniego salonu we Frankfurcie. System nazwano Twincharger. Powietrze dostarczane do kolektora dolotowego przy mniejszej prędkości obrotowej wału sprężane jest w pierwszej kolejności przez sprężarkę Rootsa, a później trafia ono do turbosprężarki, co zwiększa szybkość jej reakcji. Dzięki takiemu rozwiązaniu maksymalne ciśnienie doładowania sięga 2,5 bara przy 1500 obr./min, a zjawisko „turbodziury” praktycznie nie występuje. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej zawór obejściowy kieruje coraz większą ilość powietrza bezpośrednio do turbosprężarki. Działanie kompresora mechanicznego potrzebne jest zazwyczaj do około 2400 obr./min, tylko przy dynamicznej jeździe wspomaga on pracę turbosprężarki nieco dłużej. Ale i tak maksymalnie przy 3500 obr./min jest on już rozłączany za pomocą sprzęgła elektromagnetycznego, a za doładowanie odpowiada turbosprężarka. Dzięki tym zabiegom silnik zachowuje się, jakby miał prawie dwukrotnie większą pojemność – udało się uzyskać moc maksymalną 170 KM i maksymalny moment obrotowy 240 Nm w przedziale od 1750 do 4500 obr./min. Średnie zużycie paliwa wynosi 7,2 l/100 km.
Element uzupełniający wszystkie współczesne metody doładowania sprężarkowego to chłodzenie ładunku powietrza doładowującego. Sprężaniu towarzyszy wszak zwiększanie temperatury. Poprzez schłodzenie powietrza w specjalnych chłodnicach – intercoolerach – uzyskujemy zwiększenie jego gęstości, a co za tym idzie zwiększenie ilości tlenu dostarczanego w jednym cyklu do cylindra. Bez chłodzenia efekt doładowania byłby w dużym stopniu niweczony.

Doładowanie dynamiczne

Nie zawsze w celu poprawy napełniania cylindrów trzeba uciekać się do pomocy sprężarek, a przynajmniej można uzupełnić ich działanie, wykorzystując doładowanie dynamiczne. Praca silnika ma przecież charakter cykliczny, wymuszony okresowymi otwarciami zaworów. Towarzyszy jej powtarzające się zaburzenie ciśnienia w kanałach ssących, sprzyjające powstawaniu fali stojącej. Przy odpowiednim doborze geometrii kanału dolotowego (jego długości i objętości) możliwe jest wykorzystanie drgań powietrza do samoczynnej poprawy stopnia napełniania cylindrów. Wada takiego rozwiązania to ogólnie niski stopień wzrostu napełniania i ograniczony zakres obrotów, w których jest on wyczuwalny.
Innym rozwiązaniem wykorzystującym zjawiska falowe jest system Comprex. Podstawowy element to rotor łączący układ wydechowy z dolotowym. Rotor ma kształt walca, wewnątrz którego znajdziemy zestaw ułożonych osiowo rur dzielących go na poszczególne komory. Jego napęd poprzez przekładnię przyspieszającą zapewnia wał korbowy. Rotor pełni tylko funkcję układu zaworowego, gdyż jego obroty są tak zsynchronizowane, aby poszczególne komory natrafiały na kanały wlotowe i wylotowe spalin i powietrza w ściśle określonym czasie. Cykl pracy zaczyna się od zassania porcji powietrza na skutek podciśnienia panującego w komorze rotora. Następnie na skutek obrotu walca następuje odcięcie przepływu od strony kanału dolotowego. Po dalszym obrocie rotora – z jego drugiej strony – następuje otwarcie małego kanału wlotowego spalin, które z olbrzymią energią wpadają do komory i uderzają w znajdujące się w nim powietrze. Powoduje to jego sprężenie. Walec dalej się obraca i od strony układu dolotowego natrafia
na mały otwór wylotowy, którym wydostaje się sprężone powietrze. Przy dalszym obrocie wirnika następuje zamknięcie tego kanału, zatem spaliny, które chciałyby wylecieć za powietrzem, odbijają się od ściany
i podążają z powrotem, gdzie w odpowiedniej chwili natrafiają na otwarty duży otwór kanału wydechowego i opuszczają sprężarkę. Za wydostającymi się z rotora spalinami powstaje podciśnienie i... cykl się powtarza. Zaleta takiego układu to brak „turbodziury”.
Aby wszystko działało poprawnie, konieczna jest jednak bardzo wysoka precyzja wykonania sprężarki, a szczególnie zachowanie szczelności pomiędzy kanałami w obudowie a obracającym się walcem. W sumie trwałość sprężarek Comprex nie była zbyt wysoka i producenci (np. Opel w modelu Senator 2.3D i Mazda w aucie 626 2.0D Comprex) szybko zaniechali jej stosowania.
Sposobów doładowania nie brakuje. Która metoda jest najlepsza? Nie ma odpowiedzi – wszystko zależy od celu, jaki chcemy osiągnąć. Wiele wskazuje jednak na to, że coraz większą popularność będą zdobywać takie układy jak BMW Twin Turbo czy Volkswagen Twincharger. Producenci sprężarek już oferują je innym firmom motoryzacyjnym jako gotowe systemy czekające tylko na dostosowanie do konkretnych jednostek.

tekst: Dyszy, Bartosz Zienkiewicz