Doładowanie mechaniczne: sprężarki Rootsa, Lysholma i typu G

Sprężarki mechaniczne, jako pobierające moc z wału korbowego silnika, powinny być skazane na porażkę. Tymczasem jest zupełnie inaczej. Nie dość, że nie zostały całkowicie wyparte przez turbodoładowanie, to jeszcze możemy mówić o ich małym renesansie. Tekst ten zostanie poświęcony najpopularniejszym typom mechanicznych sprężarek wyporowych.

Sprężarki można podzielić na wyporowe i przepływowe. Te drugie np. są jednym (obok turbiny) z elementów składowych turbosprężarki. Problem w tym, że jeśli sprężarkę przepływową będziemy napędzać od wału korbowego silnika, to otrzymamy wydatek zależny nieliniowo od prędkości obrotowej. W praktyce kończy to się niedoborem momentu przy niskich prędkościach obrotowych i wysokoobrotową charakterystyką silnika. Z powyższego powodu sprężarki tego typu nie przyjęły się w jednostkach fabrycznych.

Sprężarki wyporowe mają wydatek niemal liniowo zależny od prędkości obrotowej. Ich zasada działania opiera się na wykorzystywaniu zamkniętych przestrzeni np. pomiędzy łopatkami wirnika a obudową. Dla odmiany w sprężarkach przepływowych nigdy nie dochodzi do zamknięcia powietrza.

Sprężarka Rootsa

Najbardziej znana ze sprężarek mechanicznych.Wykorzystuje dwa identyczne wirniki o 2, 3 lub 4 łopatkach. Na rysunku poniżej zobrazowana została zasada działania.  1 i 3 to wirniki, element 2 pełni rolę korpusu sprężarki.

Przepływ w sprężarce Rootsa (dragcars.com)

W przestrzeniach a oraz b jest znajduje się powietrze o niskim ciśnieniu, w c ciśnienie jest już wysokie.  Powietrze nie jest sprężane w samej sprężarce, wzrost jego ciśnienia uzyskiwany jest dzięki dławieniu na wyjściu. Z tego powodu Roots często nazywany jest dmuchawą (ang. blower), bo ma za zadanie tylko przetłoczyć powietrze, a nie je sprężyć.

Niestety wynikiem takiego działania jest niska sprawność termiczna (40–60%), szczegónie przy wysokich sprężach1. W chwili gdy przestrzeń b łączy się z c, to powietrze z tej drugiej (o wyższym ciśnieniu) chwilowo cofa się do b i burzliwie miesza z powietrzem o niższym ciśnieniu. Następuje wzrost temperatury i emisja hałasu. W późniejszym okresie, w celu poprawy sprawności i cichobieżności, zastosowano po trzy skręcone łopatki.

Zobacz również: Tylko na Autokult.pl

Wirniki można uznać za szczególny przypadek kół zębatych, jednak ilość ich "zębów" jest zbyt mała by przekazywać napęd z jednego na drugi. Do tego służy dodatkowa para kół zębatych — same łopatki (zęby) wirników nie stykają się ze sobą.

Sprężarka Rootsa ma jedną zasadnicza zaletę. W przypadku braku oporu na wyjściu jej pobór mocy jest znikomy — można zbudować kanał obejściowy, używany gdy nie wykorzystujemy tylko ułamek mocy silnika.

Maserati GranTurismo S by Novitec

Sprężarka śrubowa (Lysholma)

Z pozoru podobna jest do Rootsa, najłatwiej rozpoznać ją po kształcie wirników. W Rootsie oba są identyczne, w Lysholmie różnią się kształtem (męski i żeński) i prędkością obrotową.

W przypadku sprężarki śrubowej powietrze przypływa wzdłuż wirników i, co najważniejsze, realizowane jest sprężanie wewnętrzne. Poprawia to sprawność (nawet do 70%), a cofanie powietrza nie występuje lub jest znacznie mniejsze niż Rootsie. Niestety sprężarka śrubowa ma też kilka wad:

  • wyższy koszt wytworzenia wirników,
  • wyższą prędkość obrotową wirników,
  • konieczność stosowania sprzęgła, gdy nie chcemy wykorzystywać sprężarki — na skutek sprężania wewnętrznego moc jest zawsze pobierana.

Mimo kosztów, Lysholm znalazł zastosowanie m.in. w silniku Mazdy pracującym wg obiegu Millera-Atkinsona czy w jednostce Mercedesa SLR.

Sprężarki śrubowe o różnych stopniach sprężania wewnętrznego (kennebell.net)

Sprężarka typu G

W tym przypadku powietrze zamykane jest pomiędzy dwoma spiralami. Jedna z nich zostaje wprawiona w ruch przy użyciu dwóch mimośrodów.

Sprężarka typu G posiada zalety Lysholma (sprężanie wewnętrzne), jednocześnie mając mniejszą długość i nie posiadając pary drogich wirników. G-Lader, bo tak jest z niemieckiego zwana ta sprężarka, pojawił się w 115-konnym Polo 1.3 G40 z końca lat 80-tych. Również Golf otrzymał silnik ze sprężarką typu G: 160-konny 1.8 G60.

Czemu nie jest już stosowana? Problemem w tym typie sprężarki jest bezobsługowość i trwałość, szczególnie słabym punktem staje się uszczelnienie.

Renesans Rootsa, czyli Eaton Twin Vortices Series

Piąta generacja sprężarek Eaton wykorzystywała wirniki o trzech łopatkach skręconych o kąt 60 stopni. W kolejnej generacji (TVS) zastosowano cztery łopatki, kąt 160 stopni i większe okno wlotowe.

Dwie generacje sprężarek Rootsa

Efekt to sprawność zbliżona, a czasem nawet wyższa, niż w przypadku sprężarek śrubowych. Jednocześnie wirniki są znacznie łatwiejsze w wykonaniu niż te montowane w Lysholmie. TVS znalazł szerokie zastosowanie m.in. w silniku Audi 3.0TFSI czy LS9 stosowanym w Corvette ZR1.

Storm – po prostu G-Power!


Doładowanie mechaniczne czy turbodoładowanie?

O ile turbodoładowanie na ogół zmienia kształt krzywej momentu obrotowego (maksymalna wartość zostaje przeniesiona "w lewo"), o tyle doładowanie mechaniczne tylko podnosi jego poziom. Inaczej mówiąc nie zmienia charakteru silnika.

Turbosprężarka lepiej sprawdza się przy wysokich stopniach doładowania, np. przy dieslach. Oprócz tego nie pobiera mocy z wału korbowego i dostosowuje wydajność głównie do obciążenia, a nie prędkości obrotowej silnika. Sprężarkę mechaniczną trzeba natomiast dławić, co powoduje znaczny spadek sprawności silnika przy dużych prędkościach obrotowych i małych obciążeniach. Także z tych powodów, przy turbodoładowaniu można uzyskać wyższą moc.

Po stronie zalet sprężarki wyporowej należy zapisać sprawną pracę już od najniższych obrotów i natychmiastową reakcję na wciśniecie pedału przyspieszenia. Paradoksalnie, ma to też wpływ na obniżenie zużycia paliwa, które może być niższe niż przy turbodoładowaniu — pomimo poboru mocy z wału. Wystarczy sobie wyobrazić potrzebę dynamicznego przyspieszenia. Żeby uniknąć "turbodziury" silnik turbodoładowany będzie musiał być utrzymywany na podwyższonych, względem doładowanego mechanicznego, obrotach. To zdecydowanie nie sprzyja niskiemu zużyciu paliwa. Być może to jest powód, dla którego Nissan w nowej Micrze 1.2 ma zamiar zastosować doładowanie mechaniczne. Na pewno jest nim niska energia spalin silnika Nissana pracującego wg obiegu Atkinsona-Millera.

1. Spręż — iloraz ciśnienia za sprężarką i ciśnienia przed sprężarką.

Źródło: Prezentacja Eaton (Robert Walling)Custom CarKenne BellOrion Coat

Zobacz więcej artykułów z serii: Doładowanie silników

Podziel się:

Przeczytaj także: