Co to jest sprężarka doładowująca i jak działa?

Klasyczna sprężarka mechaniczna składa się z korpusu, w którym umieszczone się dwa wałki o różnym kształcie – zależnie od typu urządzenia – tłoczące powietrze do cylindrów. Wałki przypominają wyglądem śruby (szczególnie w sprężarce Lysholma), których gwint tłoczy powietrze przez korpus do silnika.

Za napęd wałków odpowiada pasek klinowy, łańcuch lub przekładnia zębata, która przenosi moment obrotowy z wału korbowego. Przy napędzie stosuje się sprzęgła, które włączają sprężarkę przy odpowiednim zakresie obrotów lub służące do eliminacji rezonansu w układzie napędzającym. W większości przypadków sprężarka pracuje stale już od uruchomienia silnika do odcięcia obrotów.

Często wobec sprężarek mechanicznych używa się określenia kompresor. Rozróżnia się różne typy sprężarek samochodowych, m. in. Rootsa, Eatona, Lysholma, typu G. Każda z nich różni się ze względu na budowę, ale podstawowa zasada działania zawsze jest taka sama – napęd pochodzi od silnika, a doładowanie realizują napędzane nim ruchome części umieszczone w korpusie sprężarki.

Konstrukcje, które najlepiej się przyjęły, noszą określenie wyporowo-przegrodowych, a najprostszą jest kompresor Rootsa. Charakterystyczną jego cechą jest liniowa zależność pomiędzy wydatkiem powietrza a prędkością obrotową, dlatego motor wyposażony w tego typu doładowanie ma charakterystykę identyczną jak silnik wolnossący, ale generuje większy moment obrotowy. Niestety jego wydajność nie jest zbyt duża, dlatego sprawdza się głównie w jednostkach o dużej pojemności i już znacznej mocy.

Dwa wałki sprężarki Rootsa zazębiają się o siebie, ale nie dotykają i poruszają w przeciwnych kierunkach, a przestrzeń pomiędzy ich powierzchnią a korpusem sprężarki wypełnia powietrze, mające trafić do cylindrów. Powietrze jest sprężane dopiero w kanale wylotowym sprężarki. Oba wałki są ze sobą połączone zębatkami na samym końcu, co pozwala na synchronizację ich obrotów. Niekiedy producent umieszcza dwie nieduże chłodnice na kanałach wylotowych, które schładzają powietrze przed dostaniem się do cylindrów.

Obecnie kompresorów używa się głównie za oceanem - zwykle sprężarek typu Lysholma. Służą doładowaniu dużych jednostek napędowych V8, a z powodzeniem są używane przez tunerów – również europejskich – którzy modyfikują takie samochody. Warto zauważyć, że producenci europejskich silników o dużej pojemności odchodzą od doładowania mechanicznego na rzecz dużo wydajniejszych, a także cichszych turbosprężarek.

Przyczyną jest niska wydajność, ale by zrozumieć sedno sprawy, należy sobie uświadomić, że sprężarki mechaniczne mają małą pojemność, co oznacza, że przepływa przez nie mało powietrza. W związku z tym, by zwiększyć wydajność sprężarki, należy albo podnieść jej prędkość obrotową, co ma pewne granice, albo zwiększyć rozmiary.

Ta druga metoda działa, ale im większa sprężarka, tym większe stawia opory ze względu na ciężar elementów ruchomych, a co za tym idzie, mocniej obciąża silnik. Pomijając już fakt, że sprężarka też swoje waży, a dziś walczy się raczej o zbicie masy niż jej podnoszenie.

W nowoczesnych silnikach, popularnych w Europie czy w Japonii, mających niewielką pojemność skokową, zastosowanie dużego kompresora jest po prostu niemożliwe, ponieważ generowałby zbyt duże straty mocy. Natomiast mały kompresor jest jeszcze bardziej nieefektywny, a do tego głośny (charakterystyczne wycie). To dlatego sprężarki przetrwały głównie dzięki motoryzacji amerykańskiej, gdzie używa się nadal dużych silników, mogących napędzać duże kompresory.

Łatwiej zrozumieć ten aspekt, przyjmując proste założenia teoretyczne do obliczeń. Na 2 konie mechaniczne wygenerowane przez niewielką sprężarkę, pobiera ona moc 0,5 KM z napędzającego ją silnika. Motor wolnossący o pojemności 1,6 litra generuje 100 KM. Chcąc wygenerować sprężarką dodatkowe 50 proc. mocy (50 KM), stracimy 12,5 KM, zatem w rzeczywistości uzyskamy 137,5 KM. Przyrost jest więc nieznaczny i doładowanie w tym przypadku daje tyle, co dobrze dobrany wałek rozrządu, układ dolotowy, wydechowy i obróbka głowicy.

Teraz weźmy amerykański silnik o pojemności 6 litrów, który generuje 375 KM (taki sam wskaźnik objętościowy mocy 62,5 KM). Nawet jeżeli na każde wyprodukowane przez sprężarkę 2 KM stracimy aż 1 KM mocy silnika, czyli efektywność sprężarki jest dwa razy mniejsza, to by uzyskać 50 proc. dodatkowej mocy (187,5 KM) stracimy 93,75 KM. Bardzo dużo, ale daje to ostatecznie przyrost do wartości 468,75 KM. Jest efekt? 93 dodatkowe KM mocy to mimo większych obciążeń niezły wynik w porównaniu z 37,5 KM w silniku o małej pojemności.

Inną wadą sprężarek mechanicznych jest skomplikowanie napędu. O ile turbosprężarka mieści się gdzieś na kolektorze dolotowym, który i tak musi istnieć, o tyle kompresor to dodatkowe urządzenie, do którego trzeba stworzyć oddzielny napęd od silnika. Przy małych jednostkach trudno znaleźć dla kompresora miejsce. W dobie układów mikrohybrydowych, gdzie rozrusznik i alternator zastępuje jedno urządzenie, a instalacja 48V charakteryzuje się tak dużą wydajnością, kompresory mogą powrócić, ale w innej formie - z napędem elektrycznym. Nawet już się takich używa. Czas pokaże, czy to rozwiązanie przyjmie się na szeroką skalę.