Doładowanie silników - jak w prosty sposób zwiększyć moc?

Moc silnika czterosuwowego wynika bezpośrednio ze wzoru:

Ne = (pVn)/2, gdzie:

• Ne – moc silnika
• p – średnie ciśnienie użyteczne
• V – objętość skokowa silnika
• n – prędkość obrotowa silnika

Prostym rozumowaniem jest zwiększanie tych wszystkich parametrów. Jednak nie jest to takie łatwe, ponieważ inżynier konstruktor szybko napotyka na ograniczenia. Kiedyś moc silników zwiększano przede wszystkim poprzez wzrost objętości skokowej. Jednak tego parametru nie można zwiększać w nieskończoność. Im większa objętość, tym większy i cięższy silnik.

Takiego dużego silnika nie można zastosować np. w aucie miejskim. Obecnie dochodzą do tego ograniczenia związane ze stawkami podatkowymi i ubezpieczeniowymi oraz ogólnymi kosztami wytwarzania. Powoduje to, że objętości skokowe są coraz mniejsze – tzw. zjawisko downsizingu.

Innym sposobem jest zwiększanie obrotów maksymalnych. Ten sposób do perfekcji opanowali producenci z Japonii – kto z nas nie był kiedyś pod wrażeniem, że z silnika 2,0 inżynierowie Hondy wycisnęli 240 KM – głównie poprzez wzrost prędkości obrotowej.

Jednak im większa prędkość obrotowa, tym większe siły bezwładności działające na podzespoły silnika. Zwiększają się obciążenia mechaniczne, przez co projekt takiego silnika jest drogi i trudny w realizacji. Kiedyś problemem było także skrócenie czasu na przygotowanie i spalenie ładunku mieszanki paliwa z powietrzem oraz wymiany ładunku. To ostatnie zostało w znacznej mierze rozwiązane poprzez nowoczesne układy wtryskowe.

Dlatego popularnym sposobem zwiększania mocy jest zwiększenie wartości parametru średniego ciśnienia indykowanego. W jaki sposób zostaje to osiągnięte? Poprzez wzrost stopnia sprężania oraz wzrost masy ładunku w suwie sprężania. Niestety pierwsze rozwiązanie okupione jest dodatkowymi obciążeniami mechanicznymi i cieplnymi. Stąd właśnie drugi sposób z doładowaniem silnika jest bardziej popularny.

Doładowanie jest obecnie wykorzystywane w obu rodzajach silników: w tych o zapłonie iskrowym ZI oraz tych o zapłonie samoczynnym ZS. Warto jednak zauważyć, że jako pierwsze pojawiło się w silnikach ZS i jest to związane z tym, że jest tam sprężany jedynie ładunek powietrza.

Początkowo z silnikami ZI i doładowaniem były problemy. Zostały jednak rozwiązane ze względu na zapotrzebowanie przemysłu lotniczego na silniki doładowane. Uniknięto tym samym rozwiązań konstrukcyjnych, które nie zapewniały braku uszkodzeń w przypadku wybuchu sprężonej mieszanki paliwowo-powietrznej.

Problemem wzrostu ciśnienia było także spalanie stukowe, co powodowało w wielu konstrukcjach obniżenie stopnia sprężania. W przypadku silników benzynowych (ZI) duże możliwości w zakresie rozwoju doładowania dały nowoczesne konstrukcje z wtryskiem bezpośrednim. Odzwierciedlenie tego widzimy w obecnych ofertach producentów, którzy prześcigają się w propozycjach silników typu TSI, EcoBoost itp.

Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje doładowania: doładowanie mechaniczne oraz doładowanie za pomocą turbosprężarki. W tym pierwszym przypadku napęd doładowania realizowany jest wprost z wału korbowego silnika. W przypadku turbiny energia brana jest od gazów spalinowych.

Jest jeszcze formalnie trzeci sposób, w którym doładowanie realizowane jest bez użycia dodatkowego osprzętu. Wtedy wykorzystywane są drgania powietrza w kolektorze odpowiednio dobrana dla każdej prędkości obrotowej, aby drgania te były mniej więcej takie jak drgania zaworów dolotowych.

Doładowanie polega na doprowadzeniu większej masy ładunku w suwie napełniania. Zazwyczaj realizowane jest to poprzez podwyższenie ciśnienia w początkowym punkcie obiegu silnika. Zwiększone ciśnienie na początku prowadzi do jego podwyższenia ciśnienia w punkcie końca suwu sprężania oraz w rezultacie zwiększenia ciśnienia przy stałej objętości i objętości przy stałym ciśnieniu. Dzięki temu pole pracy silnika jest znacznie większe niż w silniku niedoładowanym.

Przy użyciu doładowania charakterystyczne jest także dodatnie pole odpowiadające wymianie ładunku. W przypadku silnika niedoładowanego pole to jest ujemne, co oznacza że aby usunąć spaliny i dostarczyć ładunek do obiegu należy wykonać pracę.

Warto zauważyć, że dodatnie pole pracy jest większe w przypadku doładowania mechanicznego.W przypadku silnika z turbosprężarką jest podwyższone ciśnienie w suwie wylotu. Zwłaszcza w odniesieniu do silnika bez doładowania.

Jednak dodatnie pole pracy nie powoduje zwiększenia mocy efektywnej. Ta dodatnia praca realizowana jest poprzez napęd mechaniczny z wału korbowego silnika. Zatem im większa praca, tym więcej mocy jest odbierana przez sprężarkę od wału korbowego. Wpływa to oczywiście na zmniejszenie mocy. Widać tutaj zaletę doładowania turbosprężarką w stosunku do doładowania np. kompresorem.

W przypadku turbodoładowania dodatnie pole pracy jest mniejsze ze względu na wyższe ciśnienie spowodowane dławieniem przepływu przez turbinę. Tutaj widać kolejną zaletę tego rozwiązania, bowiem wartość pracy dodatniej może być rekompensowana napędzaniem turbosprężarki z gazów wylotowych.

Dlatego silniki z turbosprężarką uzyskują największą sprawność ogólną. Zaskoczeniem jest to, że silniki doładowane mechanicznie uzyskują sprawność zazwyczaj mniejszą niż silniki atmosferyczne bez doładowania. Niepodważalną zaletą turbosprężarki jest też łatwość dopasowania jej wydatku i ciśnienia doładowania w zależności od obciążenia.

Napędzana jest przecież przez gazy wylotowe. Jednak wadą jest okresowe nienadążanie za zmienną dawką paliwa i zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza – tzw. "turbodziura".