W dążeniu do zapewnienia coraz większych osiągów i lepszych właściwości trakcyjnych pojazdów, przy jednoczesnym poszukiwaniu środków obniżenia zawartości związków toksycznych w spalinach, od dziesięcioleci poszukiwano sposobów umożliwiających zwiększenie momentu/mocy silnika, uzyskiwanych z tzw. pojemności jednostkowej.

Wskaźnik taki (w kW/dm3) określa, ile mocy silnika można uzyskać z tzw. jednego litra pojemności skokowej. Jest on bardzo miarodajny w ocenie tzw. stopnia wysilenia silnika, który pokazuje, jak dużą moc uzyskuje się w odniesieniu do umownej pojemności. Oczywiste jest, że wyższa wartość wskaźnika jest równoznaczna z większym stopniem wysilenia, czyli uzyskiwaniem wysokich wartości mocy z jednego litra. Czytelnicy mogą we własnym zakresie wykonać stosowne obliczenia wskaźnika, dzieląc moc silnika pojazdu przez jego pojemność skokową (wyrażoną w dm3).

Współczesne silniki ZI samochodów osobowych charakteryzują się wskaźnikiem o szacunkowej wartości od 30(35) kW/dm3 do ok. 100 kW/dm3 (i więcej). Podobnie jest z silnikami ZS, które jeszcze niedawno charakteryzowały się wskaźnikiem ok. 20(25) kW/dm3, aby dzisiaj osiągnąć wartości 50(60) kW/dm3. Powiększanie wartości pojemnościowego (objętościowego) wskaźnika mocy można uznać dzisiaj za współczesną tendencję konstrukcyjną.

Jak zwiększyć?
Na wstępie omawiania zagadnień dotyczących zasilania w paliwo wspominaliśmy o zasadach tworzenia ładunku, czyli mieszaniny paliwa z powietrzem. Wspomnieliśmy również o pewnej oczywistej zależności traktującej o związku ilości spalonego ładunku i efekcie tego spalania, czyli średnim (i chwilowym) ciśnieniu indykowanym oddziałującym na denko tłoka. Im więcej ładunku, tym większe ciśnienie oddziałujące na tłok, a tym samym większy moment obrotowy uzyskiwany na wale silnika (w konsekwencji - również większa moc silnika). Drugim sposobem jest zwiększenie średnicy tłoka, a tym samym powierzchni, na którą będzie oddziaływać ciśnienie indykowane. O ile jednak zwiększenie średnicy tłoka prowadzi do zwiększenia wymiarów całego silnika (staje się on dłuższy) i w związku z tym jest możliwe raczej w samochodach, które mają dosyć miejsca na dokonanie podobnego zabiegu, o tyle zwiększenie ciśnienia indykowanego wydaje się działaniem stosunkowo prostszym i nie wywołującym głębokich zmian w konstrukcji silnika. Należy jednak pamiętać, że zwiększenie ciśnienia indykowanego nie może następować bez zmian konstrukcyjnych. Większe ciśnienie wymaga przede wszystkim wzmocnienia elementów układu korbowo-tłokowego (również łożyskowania), a to z kolei prowadzi do zwiększenia masy silnika i sił bezwładności powstających podczas jego pracy.

Wniosek z takiego rozumowania, jakkolwiek uproszczony, może być następujący: łatwiej jest wzmocnić korbowód, niż powiększyć cały silnik, tym bardziej, że np. dla napędu przedniego ilość miejsca w komorze silnikowej jest coraz bardziej ograniczona.

Rozwiązaniem, zwłaszcza dla samochodów mało- i średniolitrażowych, wydaje się być jedynie zwiększenie ciśnienia indykowanego uzyskiwanego w wyniku wzrostu ilości spalonego ładunku.

Zakładając, że silnik wytrzyma, postarajmy się dostarczyć do komory spalania jak najwięcej ładunku - czyli tyle, ile wejdzie. Ile ładunku zmieści się w komorze spalania? Đ o tym niżej.

Należy tu zwrócić uwagę, że celowo od początku używane jest określenie zwiększyć ilość ładunku, a nie zwiększyć ilość paliwa. Zwiększenie ilości paliwa, jakkolwiek najprostsze (wymagające tylko zmiany regulacji w układzie), nie może odbywać się w sposób niezależny od ilości (masy) dostarczanego powietrza. Zarówno benzyna, jak i olej napędowy spalają się w powietrzu w pewnych określonych przedziałach stosunku masy paliwa do masy powietrza, wyrażonych za pomocą tzw. współczynnika nadmiaru powietrza.

Dla zachowania proporcji, większa ilość paliwa wymaga większej ilości powietrza. Chcąc zwiększyć ciśnienie indykowane, powstające w wyniku spalenia większej dawki paliwa, należy zwiększyć również ilość dostarczonego powietrza. Jest to wstęp do złożonego procesu modyfikacji obiegu termodynamicznego silnika, który nazywamy doładowaniem, czyli zwiększeniem masy spalanego ładunku w stosunku do tej masy, która jest zasysana podczas tzw. ssania swobodnego (silniki bez doładowania nazywamy niekiedy wolnossącymi).

Zależnie od potrzeb i możliwości konstrukcyjnych, stosowane są trzy rodzaje doładowania. Trudno o chronologiczne przedstawienie dwóch podstawowych: doładowania typu turbo i doładowania objętościowego (typu Rootsa). Zakładając, że idea turbiny parowej powstała już w starożytności, pierwszeństwo należy oddać doładowaniu typu turbo, jednak po uwzględnieniu pierwszych zastosowań w silnikach samochodowych, można uznać, że historycznie pierwsze było doładowanie typu objętościowego.

Turbo
Doładowanie typu turbo nazywane jest doładowaniem za pomocą energii gazów spalinowych. Czynnikiem napędzającym są otrzymywane w wyniku pracy silnika spaliny, których strumień kierowany jest do podzespołu turbosprężarki (rys. 1). W turbosprężarce, koło turbiny i koło sprężarki osadzone są na wspólnym wale łożyskowanym za pomocą specjalnych łożysk w obudowie. Ilość gazów przepływających przez turbosprężarkę jest zależna od prędkości obrotowej silnika: większa prędkość, to więcej gazów w jednostce czasu, a więc większa jest ich energia. Powoduje ona wzrost prędkości obrotowej turbiny, która spręża większą ilość świeżego powietrza doładowywanego do cylindra. W ten sposób, w pewnym zakresie pracy bez żadnych dodatkowych urządzeń regulacyjnych, silnik samodzielnie dopasowuje ilość potrzebnego mu powietrza. Przy oddawaniu pełnej mocy wał turbosprężarki obraca się z prędkością obrotową ok. 100 tys. obr/min, a temperatura koła turbiny osiąga wartość 500-600ˇ (i więcej).

Rys. 2 pokazuje budowę turbosprężarki stosowanej w dużym silniku ZS samochodu użytkowego. Wysoka temperatura, do której rozgrzewa się koło łopatkowe turbiny, w połączeniu z dużą wartością prędkości obrotowej, sprawia, że turbosprężarka jest jednym z bardziej obciążonych cieplnie i mechanicznie podzespołów samochodu. Wynikają stąd szczególne zalecenia producentów odnoszące się do zapewnienia turbinie odpowiednich warunków pracy, zwłaszcza zaraz po uruchomieniu silnika, kiedy olej nie osiągnął przewidzianej temperatury pracy. Brak właściwego smarowania może okazać się katastrofalny w skutkach i grozić poważnym uszkodzeniem łożyskowania wału, a w następstwie również całej turbosprężarki i silnika. Podobnie należy traktować zalecenie pozostawienia silnika na tzw. wolnych obrotach, zaraz po zakończeniu jazdy (zwłaszcza dynamicznej). Zalecane kilkanaście sekund (im dłużej, tym lepiej) pozwala turbosprężarce osiągnąć niższą i wyrównaną temperaturę elementów, jak również równomiernie doprowadzić do nich olej (zachować prawidłową grubość powłoki smarowniczej - filmu olejowego, co również sprzyja szybszemu ochłodzeniu elementów).

Rys. 3 i 4 przedstawiają wygląd łopatek wirnika sprężarki i turbiny prawidłowo użytkowanej turbosprężarki, natomiast rys. 5 - wygląd łopatek turbiny, w której na skutek nadmiernego wzrostu temperatury doszło do uszkodzenia skrajnych części łopatki, w wyniku czego zaczęła ona trzeć o obudowę, powodując pogłębienie się uszkodzenia.

Jak wspomniano, w pewnym zakresie parametrów swojej pracy silnik sam reguluje ilość dostarczanego powietrza. Zakres ten jest jednak stosunkowo wąski. Dla niskich wartości prędkości obrotowej energia gazów wylotowych jest również niewielka i doładowanie (wyrażone np. wartością nadciśnienia w kolektorze ssącym) też minimalne. Praca silnika w tym zakresie jest nieefektywna: tłumienie wylotu spalin utrudnia napływanie świeżego ładunku bez widocznego efektu kompensacyjnego w postaci doładowania. Dla poprawienia tak niekorzystnej sytuacji, w układzie dolotowym i/lub wylotowym (wydechowym) wprowadza się zawory, które sprawiają, że dla ustalonego zakresu prędkości obrotowej przepływ gazów jest swobodny z całkowitym (lub częściowym) pominięciem turbosprężarki. Dopiero po przekroczeniu przyjętej konstrukcyjnie wartości, rozpoczyna się pełny przepływ spalin, a tym samym zwiększenie ilości powietrza doładowywanego. Włączenie się takich zaworów powoduje często wyczuwalny efekt zwiększenia mocy silnika, objawiający się np. chwilowym wzrostem przyspieszenia samochodu. Dobór parametrów określających chwilę włączenia turbosprężarki jest zagadnieniem wyjątkowo złożonym. Konieczne jest bowiem uwzględnienie wielu sprzecznych wymagań: wirnik turbosprężarki powinien się obracać dla zapewnienia równomiernego smarowania i wytworzenia w łożyskach tzw. klina smarnego (mała wartość prędkości obrotowej może nie sprzyjać osiągnięciu takich warunków smarowania). Całkowite pominięcie turbosprężarki w zakresie niskich prędkości obrotowych i włączanie jej dopiero po przekroczeniu pewnej ustalonej wartości parametru sterującego (prędkości obrotowej, ciśnienia gazów wylotowych) może powodować efekt gwałtownego przeciążenia elementów mechanicznych, prowadząc do ich przyspieszonego zużycia.

Charakterystyka turbodoładowania sprawia, że układ taki pracuje w swoistej pętli sprzężenia zwrotnego: więcej spalin - większe doładowanie, większe doładowanie - więcej spalin itd. Taki postępujący przyrost staje się jednak niepotrzebny i niebezpieczny - grozi bowiem rozbieganiem się silnika i ăprzekręceniemÓ sprężarki.

Uwzględnienie takiego zjawiska prowadzi do zastosowania dodatkowego obwodu - kanału przepływu spalin, który jest otwierany po przekroczeniu ustalonej konstrukcyjnie wartości ciśnienia w obudowie sprężarki. Przepływ ten jest sterowany za pomocą przepustnicy, która umożliwia przepływ spalin przewodem bocznikowym z pominięciem turbiny. Powoduje to zmniejszenie prędkości obrotowej sprężarki. Schemat budowy takiego układu pokazuje rys. 6.

Na rys. 7 pokazano przykładowy wygląd dwóch rodzajów turbosprężarek: z lewej bez przepustnicy spalin i z prawej z przepustnicą spalin.

Doładowanie - trochę trudniej
Z wcześniejszych zależności wynika, że tzw. granice zapalności benzyny w powietrzu, wyrażone współczynnikiem nadmiaru powietrza l, zawierają się w granicach (teoretycznych) 0,35(0,38)-1,3(1,35). Tak określone granice spalania odnoszą się do spalenia czystego ładunku, który nie jest zanieczyszczony produktami spalania (gazami spalinowymi), pozostającymi w cylindrze po zakończeniu poprzedniego cyklu. Wynika stąd ważna potrzeba usunięcia z cylindra możliwie największej ilości gazów spalinowych pozostających w jego objętości. Dla niektórych silników stosuje się w związku z tym urządzenia zapewniające przepłukanie cylindra. Zabieg ten wykonuje się pomiędzy suwem wydechu i ssania. Polega on na przedmuchaniu objętości cylindra (tłok znajduje się w górnym martwym położeniu) dawką czystego powietrza, które usuwa resztki spalin. Do tak oczyszczonej objętości zasysany jest świeży ładunek. Niestety, takie rozwiązanie, pomimo niewątpliwej zalety (czysta przestrzeń nadtłokowa), ma również wadę - wymaga czasu na przepłukanie i dodatkowego urządzenia. O ile wyposażenie silnika w dodatkowy wentylator może nie stanowić problemu, o tyle wspomnianego czasu - brakuje i w związku z tym zabieg taki przeprowadzany jest tylko dla silników wolnoobrotowych.

Przepłukanie cylindra jest pewną formą doładowania, zwiększa bowiem rzeczywistą ilość świeżego ładunku zasysaną do cylindra.

Dla silników wolnossących ilość świeżego ładunku w komorze spalania jest w większości mniejsza od tej, która mogłaby się w niej zmieścić. Jest to efekt działania wszelkich oporów przepływu powietrza (ładunku) przez układ dolotowy. Stosunek masy ładunku, który został zassany do cylindra mrzeczywista do masy ładunku mteoretyczna, która mogłaby znaleźć się w jego wnętrzu, z uwzględnieniem jego wymiarów geometrycznych, nosi nazwę współczynnika napełnienia cylindra hv. Wartość współczynnika nie jest stała i dla danego rozwiązania konstrukcyjnego zależy głównie od prędkości obrotowej silnika (rys. 8). Szczegółowa interpretacja przebiegu - w kolejnym numerze Auto Moto Serwisu.