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.  13 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.

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.

Regulamin komentowania

  • http://www.rajkonkret.webpark.pl radosław

    a najlepiej zrobic jak vw w 1.4 tsi

    • Adam

      Nie wiem czy najlepiej, bo taki silnik jest mocno obciążony, przez co nawet VW ma problem z jego awaryjnością, pozatym nadal brzmi jak 1.4 a pali jak 2 litrowy.

      Co do artykułu, to gratuluje fachowego i rzeczowego tekstu.
      Jedyna rzecz do poprawki to czasem zbyt techniczny język niezrozumiały dla
      śmiertelników ;)

      • kjl

        Silniki TSI nie sa calkowicie identyczne jak zwykle 1.4. Sa dostosowane do obciazen. Nikt tam nie wlozyl turbosprezarki bez odpowiednich modyfikacji. A po za tym rowniez skrzynia ma dluzsze przelozenia i minimum 6 biegow inaczej nie mialo by to sensu. Przykladowo (jezeli dobze pamietam) nowa Skoda Fabia z silnikiem 1.2 ma wersje z 7-mio biegowym DSG. A calosc ma za zadanie obnizenie spalania szczegulnie na trasie przy duzych predkosciach – wiekszy moment = mniej duszenia na gaz; dluzsze przelozenia + wiecej biegow = mniejsze obroty przy wiekszych predkosciach, a wiec mniejsze spalanie. Nie porownuj z wiekszymi pojemnosciami bo nie ma sensu, a lepiej pomysl, ktory z dotychczasowych silnikow benzynowych o malych pojemnosciach moze im dorownac pod wzgledem mocy i spalania??

        • Adam

          TSI stosowany w golfie gt 5 generacji i scirocco, silnik który znam, ma 6 biegów w wypadku skrzyni dsg, i więcej stoi w serwisie niż jeździ.
          Doceniam kunszt twojej wiedzy jednak zostane przy swoim zdaniu popartym żywym przykładem, a nie informacjami zdobytymi w internecie.
          Nie sądze też że stare silniki są konkurencyjne, a jedynie (jeśli tak cięzko to wychwicić) że lepiej zainwestować w większa pojemność.
          Silnik 1.2, czego byś z nim nie zrobił nie będzie miał dobrej elastyczności przy niskim spalaniu na trasie przy jak to ujałes “wiekszych prędkościach”.
          (nawiasem mówiąc zwiekszenie ilości przełożeń ma za zadanie skrócenie skrzyni :))

  • Robert

    Super artykuł, oby takich więcej.

  • Mikołaj

    Tak artykuł super! Zgodzę się co do języka z przedmówcą. Natomiast bardzo pomógł mi ten artykół gdyż zastanawiam się właśnie co zamontować w moim R6 i już wiem że będzie to turbo mechaniczne. Mam jeszcze pytanie, czy można to nazwać kompresorem czy to jescze co innego?

  • Kamil

    Coś pięknego Adrianie, uwielbiam czytać twoje artykuły dzięki nim coraz bardziej poznaje tajniki motoryzacji nie zmieniaj języka tekstu, to motywuje do zagłębiania się w nomenklaturę mechaniczną.
    Dzięki tobie ten blog zaczął być porządnym źródłem motoryzacyjnej wiedzy ;)

    Pozdrawiam

  • marek

    Wieecej:)

  • Bartek

    Adrian, jesteś moim bogiem ;)

  • http://autokult.pl/author/michalg Michal Grygier

    Adrian Rulezzzz!!! :)

  • mroova81

    Świetny artykuł.

  • http://www.MotoMadness.pl Mateusz

    Artykuł napisany na prawdę rzeczowo i fachowo, bardzo polecam wszystkim którzy lubią wiedzieć “jak to działa” :)

    Od dłuższego czasu chodzi mi po głowie, dlaczego w jednostkach wysokoprężnych nie montuje się sprężarek mechanicznych?

    • marek

      za mało “cisną”?

      • Adrian

        Lub inaczej: za dużo by mocy pożerały, żeby wytworzyć odpowiednie ciśnienie.