DOŁADOWANIE SILNIKÓW

DOŁADOWANIE

SILNIKÓW

• dynamiczne (bezsprężarkowe) polega na

wykorzystaniu działania fali uderzeniowej
powietrza w przewodzie dolotowym
podczas suwu ssania. Tworząca się przy
tym fala stojąca zwiększa ciśnienie
przepływu gazów przez zawór dolotowy.
Jego odmianą jest doładowanie
rezonansowe, uzyskiwane dzięki
wykorzystaniu zjawiska akustycznego
rezonansu ciśnienia słupa powietrza
w układzie dolotowym, co nie wymaga
zastosowania dodatkowych urządzeń
pomocniczych zużywających energię
otrzymywaną z silnika.

DOŁADOWANIE

SILNIKÓW

• Układ rezonansowy (rezonator Helmholtza)

złożony jest ze zbiornika o stałej lub
regulowanej objętości i pojedynczych
przewodów dolotowych (o odpowiednio
dobranej długości i przekroju) do
poszczególnych cylindrów. Małe wartości
stosunku długości do przekroju tych
przewodów nie zakłócają przebiegu drgań
powietrza.

Doładowanie silników -

Mechaniczne

• Doładowanie mechaniczne osiąga się

za pomocą napędzanej od silnika
sprężarki dostarczającej powietrze do
cylindra. Najczęściej stosowane są
sprężarki tłokowe, wyporowo-
przegrodowe typu Rootsa lub
Lysholma, obrotowe typu
łopatkowego oraz promieniowe

Doładowanie silników -

Mechaniczne

• Sprężarki wyporowo-przegrodowe typu

Rootsa (rys. 1a) są dość proste w obsłudze
lecz nie posiadają najlepszej sprawności i
są one dosyć hałaśliwe. Korzystną cechą
sprężarki Rootsa jest liniowa zależność
między wydatkiem powietrza a prędkością
obrotową jej wirników, co jest korzystne w
tym sposobie doładowania, zwłaszcza w
silnikach trakcyjnych, pracujących w
dużym zakresie prędkości obrotowych

Doładowanie silników -

Mechaniczne

• Sprzężenia sprężarki z układem korbowym

silnika dokonuje się w małych jednostkach
za pomocą pasków klinowych, w
większych za pomocą łańcucha lub
przekładni zębatej.

• W silnikach pracujących przy małych

prędkościach obrotowych korzystne jest
wprowadzenie sprężarki promieniowej
(rys.1b), która odznacza się większą
sprawnością i cichą pracą.

DOŁADOWANIE

SILNIKÓW

• Sprężarka odśrodkowa, charakteryzująca

się wyższą ogólną sprawnością od
sprężarki wyporowej, wytwarza ciśnienie
proporcjonalne do kwadratu prędkości
obrotowej wirnika. Oznacza to, że w
zasadzie nie ma ona żadnych ograniczeń
w zakresie maksymalnego ciśnienia, ale
jest w stanie wytworzyć ciśnienie jedynie
przy dużej prędkości.

DOŁADOWANIE

SILNIKÓW

• Jej mechaniczne

napędzanie wymaga zatem
bardzo dużych przełożeń
przekładni, co wpływa na
wysoki poziom hałasu, stąd
w przeszłości stosowano je
tylko w silnikach lotniczych
oraz w samochodach
wyścigowych. Dziś
stosowane są w
samochodach seryjnych,
wyłącznie w połączeniu z
turbinami gazowymi
(turbosprężarki).

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

Turbodoładowanie

•Sprężarki, które na tej samej osi mają zamontowane dwa wirniki i

które nie wymagają żadnego zewnętrznego napędu mechanicznego.
Turbina jest w stanie wytworzyć pewną moc tylko przy dużej
prędkości obrotowej. Stanowi to przyczynę pewnej zwłoki, która w
starszych konstrukcjach silników z doładowaniem była wyraźnie
wyczuwalna.

•Dziś istnieją już różne sposoby ograniczenia tej wady: najlepszym z

nich jest dobranie turbiny, tak by mogła działać już przy małych
prędkościach obrotowych silnika (małe średnice, a tym samym
zmniejszona bezwładność wirników), przy jednoczesnej rezygnacji z
wyższych ciśnień przy dużej prędkości obrotowej. W ten sposób
podwyższa się przede wszystkim moment obrotowy, odpowiadający
za elastyczność jazdy, bez potrzeby uciekania do częstej zmiany
biegów, jak to jest w przypadku silników wolnossących o dużej
pojemności.

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

Turbodoładowanie

• Gdy ciśnienie doładowania zaczyna przekraczać

pożądane wartości, dla ograniczenia go wyposażono
turbiny w zawór ograniczający ciśnienie (zawór
waste-gate = przepustnica spalin przed turbiną),
który otwiera bezpośrednie połączenia pomiędzy
przewodem na wlocie do turbiny a kolektorem
wydechowym. Zastosowanie elektroniki umożliwia
zastąpienie pośredniego sterowania ciśnieniem
doładowania (opartego na ciśnieniu gazów
spalinowych na wlocie do turbiny) znacznie
dokładniejszym bezpośrednim sterowaniem ciśnienia
doładowania, wytworzonego, przez sprężarkę.

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

TURBODOŁADOWANIE

Przykład silnika z turbosprężarką napędzaną przez gazy spalinowe Volvo 850 T-5
A - turbosprężarka   B -zawór regulacji ciśnienia doładowania (waste-gate)
4 - przepływomierz powietrza  5 - czujnik temperatury silnika  9 - czujnik spalania
stukowego
23 - zawór sterowania doładowaniem

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

Turbocompound

• Interesującym rozwiązaniem jest doładowanie o nazwie

Turbocompound. Ta ciekawa konstrukcja ma za zadanie
odzyskiwać energię spalin, a swoje zastosowanie znalazła w
pojazdach Scanii, w 12-litrowym, 6-cylindrowym silniku DT-12.
Zespół doładowania stosowany w silniku Scanii DT-12
wykorzystuje energię kinetyczną spalin podwójnie. Początkowo
napędzają one tradycyjną odśrodkową turbosprężarkę, a po jej
opuszczeniu napędzają Turbocompound.

• Urządzenie to jest zbudowane po jednej stronie z wirnika

turbiny odśrodkowej, napędzanej energią kinetyczną spalin
rozgrzanych do temperatury 600°C, a po drugiej z przekładni
zębatych przenoszących napęd za pośrednictwem sprzęgła
hydrokinetycznego na wał korbowy silnika.

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

Turbocompound

• Przekazanie napędu poprzez sprzęgło jest

spowodowane potrzebą kompensacji prędkości
obrotowej koła zamachowego w stosunku do prędkości
obrotowej uzyskiwanej przez zespół Turbocompound. Z
przekładni zębatej, odzyskany moment obrotowy trafia
prosto na wieniec zębaty, w który jest zaopatrzone koło
zamachowe silnika. Warto do odnotowania jest to, że
przejście spalin przez tą drogę powoduje spadek ich
temperatury do ok. 500°C. Jest to korzystne z punktu
widzenia trwałości układu wydechowego. System
Turbocompound przeznaczony jest dopojazdów
budowlanych. Wynika to z faktu, że pojazdy budowlane
często pracują z mocą maksymalną.

Twin turbo i Biturbo

• Ogólnie zasada działania jest identyczna jak w przypadku

silników turbo doładowanych jedną sprężarką. Różnica
polega na tym, iż powietrze sprężane jest jak sama
nazwa wskazuje przez dwie turbo sprężarki. Takie
rozwiązanie stosuje się szczególnie w silnikach o wyższej
pojemności poczynając od 2500 wzwyż.

• Twin turbo to rozwiązanie charakteryzujące się dwoma

turbosprężarkami o takiej samej charakterystyce pracy.
Takiej samej bowiem obie turbosprężarki pracują w
sposób równoległy przez co są w stanie minimalizować
efekt bezwładności turbiny, szczególnie jeżeli mówimy o
efekcie turbo dziury. Technologia ta szczególnie pozwala
na zastosowanie w silnikach rzędowych.

Twin turbo i Biturbo

• Biturbo to zastosowanie również dwóch turbosprężarek

lecz w innej specyfikacji. W tej technologii jedna turbina
pracuje w specyfikacji niższych obrotów spełniając swoje
pracę do wartości około 1500 obr. Dzięki tej mniejszej
turbinie zdecydowanie poprawia się skuteczność pracy
turbiny od najniższych obrotów. Natomiast druga
zdecydowanie większa dołączana jest w trakcie
zwiększonego zapotrzebowania na moc, a co za tym
idzie rosnącego momentu obrotowego. Turbina bierze
ciężar wspomagania silnika po przekroczeniu wartości
około 2500 tys obr. Jenak w tej metodzie tylko jedna z
dwóch turbosprężarek jest napędzana gazami wtórnymi.
Druga natomiast załączana jest w miarę potrzeb.

Twin turbo i Biturbo

• Przełączanie zasilania strugi

powietrza na poszczególne
turbosprężarki jest realizowane za
pomocą pneumatycznie sterowanego
zaworu. Podobnie jak w przypadku
twin turbo rozwiązanie to zmniejsza
efekt turbo dziury. Zaletą tej metody
jest również fakt iż druga turbina
dołączana posiada określoną
prędkość obrotową jeszcze zanim
będzie aktywowana.

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

COMPREX

• typ sprężarki pracującej według zasady impulsowego

przepompowywania powietrza, sprężonego przez gazy
spalinowe. Charakteryzuje się bezpośrednim
przekazaniem energii spalin do powietrza
doładowującego poprzez wykorzystanie zjawisk
falowych. Do tego celu służy walcowy wirnik mający
łopatki zamocowane wzdłuż jego tworzących.

• Do głównych zalet układu Comprex w porównanoiu z

silnikiem turbodoładowanym należy wię ksza zdolność
do przyspieszenia ze względu na korzystniejszy rozkład
momentu obrotowego, szczegulnie w zakresie małych
prędkości obrotowych silnika, łatwość wykonania
wirnika.

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

COMPREX

• Dogłównych trudności należy dostrojenie

zjawisk falowych do prędkości obrotowych
silnika, nierównomierne nagrzewanie się
obudowy wirnika, konieczność zachowania
bardzo małych luzów oraz duża
hałaśliwość.

• Sprężarka Comprex składa się z: dwóch

stojanów, wirnika, kanałów oraz z
napędzającego paska. Ta sprężarka nie
znalazła większego zastosowania.

DOŁADOWANIE SILNIKÓW

COMPREX

• 1 - silnik 2 - bęben

obrotowy    3 - przekładnia
pasowa     4 - gazy spalinowe
pod ciśnieniem    5 -
powietrze pod ciśnieniem
6 - zasysanie powietrza pod
małym ciśnieniem 7 - wylot
gazów pod małym ciśnieniem

Chłodzenie Powietrza

• W silnikach doładowanych powietrze ulega sprężaniu czy to przez

turbosprężarkę, czy kompresor. Potrzeba chłodzenia powietrza okazała
się niezbędna, gdyż podczas sprężania powietrze ulega nagrzewaniu się,
a ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość co przekłada się na gorsze
napełnianie cylindrów silnika. Niższa temperatura powietrza wtłaczanego
do cylindrów silnika wpływa na temperaturę osiąganą w komorze
spalania, co w rezultacie przekłada się na zwiększenie ogólnej sprawności
silnika a także na zmniejszenie zużycia paliwa. Dodatkowo zimniejszy
ładunek powietrza obniża skłonność mieszanki do spalania stukowego,
redukując również obciążenie cieplne tłoków.

• Korzyścią zastosowania chłodzenia jest zmniejszenie emisji NOX w

spalinach. Niekorzystny bilans termiczny, wynikający z emitowania przez
pracujący silnik spalinowy temperatury, wymusza zastosowanie
intercooler, który ma za zadanie chłodzić powietrze zasilające jednostkę
napędową.

Chłodzenie Powietrza

• Miejsce montażu intercooler’a może być różne, podobnie jak układ

dolotowy. Niektórzy producenci stosowali dodatkowo natrysk wody na
powierzchnię czynną intercooler’a w celu lepszego chłodzenia
powietrza. Takie rozwiązanie spotykane było w seryjnych odmianach
Mitsubishi Lancer EVO VI a także Subaru Impreza STI. Obaj producenci
umieścili swoje intercoolery w innych miejscach. Subaru instaluje
chłodnicę powietrza nad silnikiem, tłumacząc to lepszymi parametrami
przepływu czynnika, który możliwy jest przez wlot na pokrywie silnika

• Odmienną koncepcją chłodnicy powietrza doładowującego jest

zastosowanie intercooler wodnego. Rozwiązanie takie zastosował
Mercedes w modelu S 420 CDI. Ładunek powietrza zostaje wstępnie
sprężony w układzie BiTurbo, a potem przepływa przez umieszczoną z
przodu silnika wodną chłodnicę, która jest podłączona do układu
chłodnicy niskiej temperatury. Dzięki zastosowaniu wymiennika ciepła
powietrze-woda, uzyskano zwiększenie gęstości sprężonego powietrza o
około 25% przy pełnym obciążeniu silnika.

Chłodzenie Powietrza

• Budowa intercoolera przypomina budowę zwykłej

chłodnicy płynu, montowanej w każdym
samochodzie. Różnica polega na tym,
że w intercoolerze przepływa powietrze, i to właśnie
ono jest chłodzone. Jego chłodzenie odbywa się
w wyniku naturalnego pędu samochodu. Możliwe
jest także zastosowanie wentylatora dla lepszego
chłodzenia lub natrysku wody

• Powietrze musi przebyć dłuższą drogę, a więc

docelowe ciśnienie w układzie trudniej uzyskać.
Bardzo istotna jest pojemność cieplna intercoolera.

Document Outline