Podwójne doładowanie – trzy popularne rozwiązania

Aby zrozumieć jaki udział w pracy silnika spalinowego ma sprężarka, trzeba pamiętać, że do spalania paliwa potrzebny jest tlen. Możliwości zasysania go przez silnik są ograniczone i aby temu zaradzić montuje się sprężarkę, która wtłacza dodatkową porcję powietrza do komory spalania. Większa ilość tlenu pozwala dokładniej spalić paliwo, więc silnik staje się bardziej wydajny. Pozwala to również dostarczyć do cylindra więcej paliwa, co przekłada się na wyższe ciśnienie powstające przy spalaniu mieszanki i w rezultacie wyższy moment obrotowy. Dzięki temu wysokie parametry mogą osiągać nawet małolitrażowe silniki, co jest głównym założeniem downsizingu.

Od lat najpopularniejszą formą doładowania jest turbosprężarka, w której spaliny wydobywające się z silnika rozpędzają wirnik turbiny. Siła z jaką „dmucha” jest niewielka przy niskich obrotach, bo wtedy niewielkie jest ciśnienie spalin. Jak więc sprawić, żeby silnik wytwarzał wysoki moment obrotowy w całym zakresie obrotów? W tym celu montuje się dwie sprężarki – czasem są to dwie turbosprężarki, a czasem jedna, którą wspomaga sprężarka mechaniczna. Ta ostatnia może być klasyczna, napędzana nie ciśnieniem spalin, lecz paskiem lub bardziej nowoczesna, napędzana silnikiem elektrycznym. Każde rozwiązanie ma swoje wady i zalety – o nich poniżej.

Zobacz też: efektowne samochody w wersji Monte Carlo

Jak działa turbosprężarka? Fakty i ciekawostki:

• Wirnik turbiny może pracować z szybkością nawet 300 tys. obrotów na minutę,
• Kierownice strumienia spalin w turbosprężarkach muszą być odporne na bardzo wysokie temperatury – ok. 800 stopni w silnikach Diesla i ponad 1000 w benzynowych,
• Podczas pracy z pełną wydajnością turbosprężarka może wtłoczyć do silnika ponad 300 litrów powietrza w ciągu sekundy,
• Turbosprężarka, sprężarka mechaniczna i elektryczna – każda ma za zadanie wtłoczyć do komory spalania dużą ilość powietrza.

Dwie turbosprężarki – układy biturbo i twinturbo

Układ może składać się z dwóch takich samych turbosprężarek wtłaczających powietrze równolegle (idealny do silników sześciocylindrowych i większych) albo z jednej dużej i jednej małej, które wzajemnie się uzupełniają (lepszy w małych silnikach). Mała turbosprężarka ma niewielki wirnik turbiny, który łatwiej jest rozpędzić. Dzięki temu turbosprężarka przy niskich obrotach silnika jest w stanie wytworzyć stosunkowo wysokie ciśnienie doładowania. Natomiast wraz ze wzrostem obrotów silnika – oraz ciśnienia spalin – otwiera się kanał doprowadzający spaliny także do dużej turbosprężarki, która płynnie rozpoczyna pracę, a od około 3500 obr/min całkowicie przejmuje na siebie zadanie tłoczenia powietrza do silnika. Taki układ dwóch turbosprężarek ma np. silnik 2.0 TDI w Skodzie Kodiaq RS, który wytwarza moment obrotowy o wartości aż 500 Nm już od 1750 obr/min.

Zobacz też: jak pogodzić na drodze kierowców i rowerzystów?

Turbosprężarka i sprężarka mechaniczna

Sprężarka mechaniczna, często zwana kompresorem, jest napędzana od wału korbowego (paskiem lub poprzez układ zębatek), co oznacza, że jak pasożyt pochłania ona część siły napędowej, wytwarzanej przez silnik. Wzrasta przez to niestety zużycie paliwa, dlatego dzisiaj tego typu sprężarki są stosowane głównie w dużych silnikach, w wypadku których straty są proporcjonalnie mniejsze. Sprężarka mechaniczna ma jednak tę zaletę, że można ją porządnie „rozkręcić” już od najniższych obrotów, więc od akcji (wciśnięcie gazu) do reakcji (przyspieszenie) mija znacznie mniej czasu niż w przypadku turbosprężarki. Pozwala ona silnikowi liniowo rozwijać wysoki moment obrotowy. Kompresor nie wytwarza tak wysokiego ciśnienia jak turbosprężarka, ale sprawdza się jako jej pomocnik – takie połączenie sprężarek stosowano np. w Skodzie Fabii RS w 2011 r., ale dzisiaj coraz częściej będzie zastępować ją sprężarka elektryczna.

Turbosprężarka i sprężarka elektryczna

Układ takich sprężarek w najbliższych latach będzie pojawiał się w coraz większej liczbie samochodów. Ta druga, ze względu na rodzaj konstrukcji jest sprężarką mechaniczną, chociaż nie napędza jej wał korbowy, ale niewielki silnik elektryczny. Ma on moc około 7 kW, ale to wystarczy, by wirnik sprężarki rozpędzić do maksymalnych obrotów w czasie ok. 300 ms, czyli niewiele dłuższym niż trwa mrugnięcie okiem. Takie rozwiązanie może być stosowane jednak tylko w samochodach z układem tzw. mild hybrid, czyli wyposażonych w akumulator o napięciu 48V, bo standardowy, 12-woltowy nie byłby w stanie zasilić silnika elektrycznego.

Dodatkowo, praca sprężarki elektrycznej nie powoduje zwiększenia zużycia paliwa, bo do akumulatora „wraca” energia odzyskana podczas hamowania. Jej działanie nie zależy też od przepływu spalin. Sprężarka elektryczna idealnie nadaje się więc jako uzupełnienie turbosprężarki (a czasem nawet dwóch), która wkracza do akcji stopniowo, wraz ze wzrostem ciśnienia spalin. Takie rozwiązanie stosuje się w kilku usportowionych autach, ale w grupie VW opracowywany jest też silnik 2.0 TDI wykorzystujący właśnie elektryczny „kompresor”.

Zobacz też: jakie cechy mają modele z dopiskiem Scout?