Ze względu na wprowadzenie do cylindra czynnika ulegającego spaleniu, silniki dzielimy na wolnossące i doładowane. Wolnossące to jednostki w których czynnik dociera do cylindra w wyniku różnic ciśnienia atmosferycznego i podciśnienia w cylindrze powstałego wskutek pracy tłoka. Doładowana jest to zaś jednostka w której do cylindrów dostarczane jest większa ilość powietrza, poprzez sprężenie wpływającego ładunku.
W tym drugim przypadku mamy: poprawę napełnienia cylindra, zwiększenie optymalnej dawki spalanej substancji (mieszanka stechiometryczna to odpowiednie proporcje paliwa i powietrza i tylko równoczesne zwiększenie obu czynników pozwoli na optymalne spalanie) i zwiększenie ciśnienia spalanej mieszanki, a tym samym zwiększenie siły działającej na denko tłoka.
Powietrze jest doładowywane poprzez wirnik „wtłaczający” świeży ładunek do kolektora ssącego i dalej do cylindra. Ze względu na napęd wirnika rozróżniamy doładowanie jednostek: sprężarką mechaniczną i turbiną gazową.
Sprężarka mechaniczna
W przypadku sprężarki mechanicznej (w samochodach silniki te maja zazwyczaj oznaczenie KOMPRESOR) wirnik, wymuszający sprężenie ładunku napływającego napędzany jest przez wał korbowy silnika (poprzez pas lub koła zębate). Takie rozwiązanie ma zarówno zalety, jak i wady.
Do zalet należą z pewnością liniowy przyrost mocy i uzyskanie zwiększonej mocy już w niskim zakresie prędkości obrotowej silnika. Zaletą jest także konstrukcja sprężarki, której obroty sięgają kilkunastu tysięcy obrotów (Mercedes podaje w kompresorze silnika 2,3 z SLK i CLK obroty 12 000 obr/min), a przez to ułożyskowanie wirnika nie jest narażone na utrudnione warunki smarowania. Wadami tego rozwiązania są dodatkowe obciążenie silnika wskutek wykorzystania obrotów walu napędowego do napędu sprężarki (czyli zwiększone zużycie paliwa), oraz ograniczone możliwości zwiększania doładowania.
Turbina, czyli silniki turbodoładowane
Znacznie bardziej rozpowszechnionym systemem jest turbodoładowanie. Do napędu wirnika nie wykorzystywane są w tym wypadku obroty wału korbowego, ale wykorzystano energię spalin wylatujących z cylindra. Jest to zrealizowane dzięki zabudowaniu na jednym wałku dwóch wirników, z których jeden jest w komorze połączonej z kolektorem wylotowym, a drugi w komorze złączonej z kolektorem dolotowym. W efekcie wirnik kręcący się pod wpływem ciśnienia wylatujących spalin wymusza obrót drugiego wirnika i przepływające powietrze jest sprężane.
Także w tym przypadku są wady i zalety. Zaletami są z pewnością wykorzystanie energii spalin zamiast pracującego silnika (czyli wykorzystanie energii traconej, a nie energii wytwarzanej przez silnik). Kolejną zaletą jest też znacznie większy przyrost mocy, niż może zaoferować KOMPRESOR.
Minusem jest natomiast bezwładność doładowania. Efektem tego jest zjawisko nazywane „turbodziurą”. To bezwładność układu w niskich prędkościach obrotowych silnika (mała energia wylotu spalin i małe sprężenie powietrza) i potężny zastrzyk mocy po osiągnięciu wyższej prędkości obrotowej. Nie bez znaczenie jest także skomplikowana budowa układu smarowania. Turbina kręci się z prędkością ok 200 000 obr/min, a jej wał jest smarowany olejem z układu smarowania silnika, jest więc często narażona na uszkodzenia.
Aktualnie oferowane konstrukcje turbodoładowania wykorzystują nowoczesne układy elektroniczne, co pozwoliło zastosować turbiny o zmiennej geometrii łopatek wirnika, oraz układ bi turbo (dwie turbiny). Te rozwiązania wyeliminowały powstawanie turbodziury, a także „wyprostowano” charakterystykę momentu obrotowego dzięki czemu jest on stały w dużym zakresie pracy silnika.
W czasach gdy turbodoładowanie było obarczone znacznie większymi wadami niż obecnie, oferowano jeszcze jeden układ doładowania – COMPREX. Wykorzystuje on zasadę impulsowego przepompowywania ładunku napływającego przez gazy spalinowe. Nazwa COMPREX pochodzi od kompilacji słów Compression-Expansion czyli sprężanie-rozporężanie.
Jak działa system Comprex?
Tak jak w przypadku turbodoładowania i systemu ze sprężarką mechaniczną, podstawowym elementem urządzenia jest wirnik. W tym przypadku jest to rotor o kształcie walca, w którym znajduje się zestaw ułożonych osiowo kanałów. Napęd wirnika zapewniony jest, tak jak w klasycznych sprężarkach, od obracającego się wału korbowego. Cykl pracy systemu COMPREX zaczyna się od zassania świeżego ładunku powietrza, co jest efektem podciśnienia panującego w kanałach rotora. Faza pracy następuje gdy obracający się rotor przesuwa kanały do których dopłynął świeży ładunek poza okno dolotowe. Równocześnie z drugiej strony odsłaniane jest okno stykające się z kanałem którym odprowadzane są spaliny z silnika. Spaliny te z dużą siłą wpływają do kanałów wirnika i uderzają w znajdujące się tam doprowadzone z drugiej strony powietrze. Powoduje to sprężenie powietrza. Obracający się dalej rotor odsłania po stronie świeżego ładunku otwór wylotowy, dzięki czemu sprężone powietrze wydostaje się z rotora do kanału dolotowego do silnika. Równocześnie dalszy obrót wirnika zamyka ten otwór wylotowy, uniemożliwiając wypływ spalin będących w kanałach. W efekcie spaliny pozostają w kanałach wirnika i odbijają się od ścianek korpusu. Dalszy ruch wirnika otwiera okno wylotowe po drugiej stronie korpusu i spaliny -odbite od ścianek- wydostają się, stwarzając podciśnienie w kanałach.
Tym samym możliwy jest proces od początku tzn. po odsłonięci okna dolotowego panujące podciśnienie umożliwia zassanie ładunku.
Oczywiście, poprawne działanie układu wymaga precyzyjnego wykonania sprężarki w kontekście „odbicia spalin od korpusu”, koordynację ruchu rotora z otwarciem zaworów w silniku, oraz zachowania szczelności pomiędzy kanałami w obudowie a obracającym się walcem.
Właśnie ten ostatni aspekt był największym problemem tego systemu. W efekcie układ Comprex nie znalazł popularności w świecie motoryzacji. W praktyce stosowany był w latach osiemdziesiątych w kilku tysiącach samochodów Opel Senator (specjalna wersja silnika 2.3D), a w latach 1992-1997 przez Mazdę w modelu 626
Bogusław Korzeniowski
