Jak supercharger robi to, czego turbo nie potrafi?

Süpercharger to system wymuszonego doładowania, który spręża powietrze dostające się do silnika, dzięki czemu z tej samej pojemności można uzyskać większą moc; różni się od turbo tym, że pobiera moc mechaniczną bezpośrednio z wału korbowego, a nie ze spalin. Dzięki temu połączeniu oferuje moc natychmiastową, bez opóźnień i liniową; z drugiej strony stale zużywa część własnej mocy silnika i zazwyczaj jest mniej wydajny pod względem zużycia paliwa niż turbo.

Jak działa süpercharger: Moc z wału korbowego

Podstawowym limitem określającym moc, jaką może wygenerować silnik spalinowy, jest ilość tlenu dostającego się do cylindrów. W silniku wolnossącym powietrze dostaje się pod wpływem własnego ciśnienia atmosferycznego, dzięki podciśnieniu wytwarzanemu podczas suwu ssania. Süpercharger zmienia tę równowagę: pompuje powietrze do cylindrów z ciśnieniem przekraczającym ciśnienie atmosferyczne (doładowaniem). Więcej tlenu oznacza możliwość spalenia większej ilości paliwa; mocniejszy wybuch w każdym cyklu, czyli większą moc konną i moment obrotowy.

Krytycznym punktem pod względem mechanizmu jest źródło zasilania. Süpercharger jest bezpośrednio połączony z wałem korbowym za pomocą paska, łańcucha lub przekładni; im szybciej obraca się silnik, tym szybciej obraca się süpercharger. Turbo, przeciwnie, obraca się energią kinetyczną spalin i odzyskuje część tej energii. Ta jedna różnica określa cały charakter obu technologii: jedna reaguje natychmiast, ale płaci za to paliwem, druga wykorzystuje energię spalin, która i tak zostałaby wyrzucona, ale na początku każe czekać.

Proces sprężania ma jeszcze jeden koszt: ciepło. Sprężone powietrze się nagrzewa, gęstość nagrzanego powietrza spada, a przyrost mocy zostaje ograniczony. Dlatego w poważnych systemach doładowania stosuje się intercooler powietrze-powietrze lub powietrze-woda; sprężone powietrze jest schładzane, stając się gęstsze i bogatsze w tlen. Ponadto przy wysokich ciśnieniach doładowania rośnie ryzyko spalania stukowego; im wyższa liczba oktanowa paliwa, tym większa odporność na spalanie stukowe, co pozwala na bardziej agresywne ustawienia.

Turbo kontra süpercharger - różnice: Reakcja gazu, moc, wydajność

Pytanie, które rozdziela te dwie technologie, jest w istocie następujące: skąd pobieracie energię? Turbo odzyskuje za pomocą turbiny energię spalin, które normalnie zostałyby wyrzucone w powietrze; dlatego teoretycznie jest bardziej wydajne. Ale rozkręcenie turbiny wymaga czasu. Przy niskich obrotach przepływ spalin jest niewystarczający i dopóki turbina się nie napełni, silnik zachowuje się jak wolnossący; to oczekiwanie nazywa się turbo lag.

W przypadku süperchargera takiego oczekiwania nie ma. Ponieważ kompresor jest mechanicznie połączony z wałem korbowym, doładowanie jest dostępne nawet na biegu jałowym, a krzywa mocy jest liniowa: im mocniej wciskasz gaz, tym więcej uzyskujesz odpowiedzi. Ta przewidywalność daje przewagę kontroli na torze wyścigowym; na dużych wysokościach nad poziomem morza zachowuje również osiągi, sprężając rozrzedzone powietrze.

Cena nie jest przejrzysta, ale daje się zmierzyć: sprężarka mechaniczna może zużywać na własną pracę nawet 20% całkowitej mocy silnika. Nazywa się to obciążeniem pasożytniczym. Turbosprężarka nie ponosi tego obciążenia; cenę płaci jako hamulec napędowy w układzie wydechowym. Różnica istnieje także po stronie instalacji: w sprężarce mechanicznej okablowanie jest proste - powietrze idzie od kompresora do silnika. W turbosprężarce wymagany jest skomplikowany układ rur, przez który spaliny muszą przejść przez turbinę, a ponieważ gorące elementy wydechowe znajdują się obok linii dolotowej, ryzyko przegrzania jest wysokie.

Trzy typy sprężarek mechanicznych i ich charakter

Sprężarki mechaniczne dzielą się na dwie główne rodziny w zależności od tego, jak wiążą doładowanie z obrotami silnika: kompresory o dodatniej objętości zapewniają stałe doładowanie w niemal całym zakresie obrotów; w kompresorach dynamicznych doładowanie rośnie proporcjonalnie do obrotów. Każdy z trzech głównych typów należy do jednej z tych dwóch rodzin.

Roots: Najstarszy, najbardziej natychmiastowy

Typ Roots to przeniesienie do świata silników projektu opatentowanego w 1860 roku do wentylacji kopalń. Dwa wirniki łopatkowe obracające się w przeciwnych kierunkach zatrzymują powietrze w szczelinie między korpusem a łopatkami i wpychają je do kolektora. Kluczowa rzecz, na którą trzeba zwrócić uwagę, jest następująca: Roots sam nie spręża powietrza; jedynie je transportuje. Dlatego nazywa się go raczej dmuchawą niż kompresorem. Zapewnia doładowanie w całym zakresie obrotów, a jego klasyczny wygląd montowany na silniku czyni go symbolem kultury muscle carów. Jednak przy wysokich poziomach doładowania sprawność wynosi jedynie około 40-50% i wytwarza znaczną ilość ciepła. Klasyfikacja dmuchaw GMC nadal odzwierciedla tę tradycję: dmuchawa 6-71 została zaprojektowana tak, aby zapewniać 71 cali sześciennych pojemności na każdy cylinder silnika 426 cali sześciennych (7,0 l).

Dwushrubowy (twin-screw): Konstrukcja z wewnętrznym sprężaniem

Konstrukcja dwushrubowa, znana także jako Lysholm, wykorzystuje dwa zazębiające się śruby helikalne i spręża powietrze wewnętrznie w zwężających się kanałach. Ta jedna cecha decyduje o różnicy względem Roots: wyższa sprawność termiczna, mniej ciepła. Może osiągnąć sprawność zbliżoną do kompresorów dynamicznych w wąskim zakresie obciążeń i obrotów. Współczesny projekt został opatentowany w 1935 roku przez Alfa Lysholma; zaś podstawowy patent na kompresor śrubowy sięga 1878 roku i Heinricha Krigara. Jest to typ preferowany przez zastosowania, które chcą zachować charakter Roots, ale obniżyć temperaturę.

Odśrodkowa: O charakterze turbosprężarki, napędzana mechanicznie

Sprężarka odśrodkowa konstrukcyjnie przypomina turbo, ale działa nie dzięki spalinom, lecz napędowi mechanicznemu. Wirnik obracający się z dużymi obrotami przyspiesza powietrze na zewnątrz i zamienia tę prędkość na ciśnienie. W przeciwieństwie do typów o dodatniej objętości doładowanie rośnie wraz z obrotami silnika; efekt to charakter podobny do silnika wolnossącego, ale dodającego moc przy wysokich obrotach. Sprawność jest najwyższa z trzech typów: w zakresie 70–85%. Wytwarzanie ciepła jest również niższe, a kompaktowa konstrukcja ułatwia montaż w ciasnych komorach silnika. Krótka wada jest jasna: przy niskich obrotach nie daje tyle mocy, co Roots lub twin-screw.

Jakie jest oddziaływanie na zużycie paliwa?

Wpływ sprężarki mechanicznej na ekonomię paliwową jest oczywistym faktem: zwykle zwiększa zużycie. Więcej powietrza oznacza więcej paliwa do spalenia; silnik musi pracować bez zaburzania równowagi powietrze-paliwo. W pojeździe z zamontowanym zestawem sprężarki ekonomia może typowo pogorszyć się o 15–30%, w zależności od stylu jazdy i strojenia; przy agresywnej jeździe zużycie może się podwoić.

Wybór typu również zmienia ten obraz. Typ Roots, ze względu na znaczny opór parazytczny, najbardziej obciąża ekonomię; konstrukcje odśrodkowe dzięki wysokiej sprawności wyróżniają się jako najbardziej ekonomiczny członek rodziny. Żadna sprężarka mechaniczna nie może być jednak wydajniejsza niż turbosprężarka odzyskująca energię spalin. 21. wieku producenci zwrócili się ku turbo silnikom o małej pojemności: Mercedes zastąpił swoje doładowane mechanicznie silniki noszące nazwę Kompressor turbo silnikami około 2010 roku. Są też wyjątki: Silnik Audi 3.0 TFSI od 2009 roku oraz jednostka Jaguar AJ-V8 Gen III od tego samego roku pozostały doładowane mechanicznie.

W jakich pojazdach i dlaczego wybiera się sprężarkę mechaniczną?

Wybór zależy od tego, jak krytyczna jest reakcja na gaz. W dyscyplinach takich jak wyścigi na 1/4 mili i tractor pulling, gdzie zwycięstwo rozstrzyga się w dziesiątych częściach sekundy, sprężarka mechaniczna jest powszechna; brak opóźnienia doładowania, a moc skaluje się natychmiast z pedałem gazu. Amerykańska tradycja muscle car również opiera się na tej samej logice: w wysokowydajnych modelach GM, Dodge i Ford sprężarka mechaniczna jest wybierana ze względu na kulturę natychmiastowego momentu obrotowego i mocy przy niskich obrotach. Wśród powodów, dla których Ford wybrał sprężarkę do GT500, można wymienić zgodność z dziedzictwem, natychmiastową reakcję gazu i osiągi przy wysokich obrotach.

Możliwy jest też wybór odwrotny. Podejście twincharging łączące obie technologie włącza sprężarkę przy niskich obrotach, obie przy średnich, a tylko turbinę przy wysokich. Lancia Delta S4 stosowała ten układ w sezonie 1985–86 WRC z sprzęgłem elektromagnetycznym i zaworami bypass. W produkcji seryjnej to podwójne zasilanie zastosowały m.in. VW 1.4 TSI (2005–2013) i Volvo B4204T 2.0. Problemy złożoności i niezawodności utrzymały to podejście w niszy.

Kompressor czy turbo: Które jest lepsze?

Najuczciwsza odpowiedź na pytanie, które nie ma jednego rozwiązania, to sprowadzenie porównania do dwóch aspektów: kompressor wygrywa przy niskich obrotach i błyskawicznej reakcji, turbo w mocy szczytowej i efektywności. Słabym punktem kompresora jest efektywność, słabym punktem turbo opóźnienie doładowania; które jest lepsze, zależy od scenariusza użytkowania. W miejskim ruchu szukasz natychmiastowej reakcji, czy na długiej trasie efektywności? W pierwszym przypadku kompresor, w drugim turbo jest racjonalnym wyborem.

Jednym z częstych pytań jest także prędkość: które jest szybsze? Stawianie ogólnej reguły byłoby mylące; moc szczytowa turbo jest zwykle wyższa, ale decydujące są kalibracja pojazdu, wybór typu i nastawy w wymiarach pomiaru, czasu i dystansu. Typowy zakres zysku mocy w kompresorze wynosi 30–75%, w dobrze zaprojektowanym zestawie 50–85%; oba należy nastawić tak, aby pozostawać w granicach wytrzymałości silnika i tolerancji spalania stukowego.

Wniosek: Prosta decyzja inżynierska

Kompresor nie jest alternatywą przeciwko turbo, lecz alternatywą rozważaną razem z turbo. Mechaniczne połączenie zasilane bezpośrednio z wału korbowego oferuje moc bez opóźnień i przewidywalną; cena jest taka, że silnik stale zużywa część własnej mocy. Chwilowość Rootsów w całym zakresie obrotów, równowaga termiczna śruby bliźniaczej i wydajność odśrodkowego przy wysokich obrotach to trzy różne drogi inżynierskie do tego samego celu. Właściwe pytanie brzmi nie: które jest absolutnie lepsze, lecz: w którym scenariuszu użytkowania który charakter ma większą szansę się sprawdzić.

Źródła

• What is a Supercharger
• Supercharger
• Turbochargers vs. Superchargers: Which Is Better?
• How Do Supercharger and Turbocharger Engines Differ?
• Supercharger Kit Fuel Economy Impact
• Supercharger Vs Turbocharger - JEGS
• Roots vs. Twin-Screw vs. Centrifugal Superchargers
• Roots vs. Centrifugal vs. Screw Type Supercharging
• Superchargers Vs. Turbochargers
• How Superchargers Work