Doładowanie mechaniczne - sprężarka 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.

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.

W przestrzeniach a oraz b znajduje się powietrze o niskim ciśnieniu, a 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 proc.), szczególnie przy wysokich sprężach (spręż to iloraz ciśnienia za sprężarką i ciśnienia przed sprężarką). 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.

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 proc.), 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 McLarena SLR.

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.

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.

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 3.0 TFSI czy LS9 stosowanym w Corvette ZR1.

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.A to zdecydowanie nie sprzyja niskiemu zużyciu paliwa.

Źródło: Prezentacja Eaton (Robert Walling) • Custom Car • Kenne Bell • Orion Coat