fb logo

Aktualne wydanie

Okladka AMS 08 2020

Moc nadejdzie szybciej...

F 0Doładowanie samochodowych silników tłokowych stało się popularne już przed kilkudziesięciu laty. Najpierw za sprawą rozwiązań sportowych i wyczynowych w jednostkach z zapłonem iskrowym, a potem dzięki ekspansji silników z zapłonem samoczynnym. Z prawdziwym rozwojem wszelkiego rodzaju systemów doładowania, a szczególnie turbodoładowania, mamy jednak do czynienia dzisiaj wraz z techniką tzw. downsizingu.

Czym jest downsizing? Idea polega na tym, by silnik samochodu osobowego dysponował rozsądnym nadmiarem mocy i momentu obrotowego, ale gdy maksymalnych osiągów się nie wykorzystuje (czyli w przeważającej większości czasu pracy), by był on jak najbardziej efektywny i wykorzystywał jak najlepiej energię zawartą w paliwie. Połączenie tych wymagań jest trudne, bo potencjał wysokiej mocy/momentu obrotowego pojawia się, gdy silnik jest „duży” (ma znaczną pojemność skokową i wiele cylindrów), zaś znacznie częstsza w typowym ruchu drogowym jazda z wykorzystaniem niewielkiego procentu tej mocy odbywa się w zakresie minimalnych obciążeń. Wtedy jednostka tłokowa nie wykazuje się optymalną sprawnością i, co gorsza, ów „duży” silnik jest także cięższy od jednostki, którą zoptymalizowano dla częściej występujących małych obciążeń. Pojawiła się więc idea downsizingu – czyli odwrócenia omówionej wyżej sytuacji. Chodzi o to, by zamiast korzystać z dużego silnika, który zwykle pracuje pod zbyt małym obciążeniem, zastosować mały silnik, pracujący znacznie częściej pod optymalnym dla siebie i dla zużycia paliwa, wyraźnie większym obciążeniem. Natomiast na te krótkie momenty, gdy potrzeba znacznie większych osiągów, ów downsizingowany – czyli po prostu zmniejszony silnik musi je bezpieczne dostarczyć. Inaczej mówiąc, taki silnik musi być „mały”, ale w razie potrzeby powinien się zachować jak „duża” jednostka napędowa.

Doładowanie, czyli regulator „wielkości” silnika
W realizacji idei „silnika o zmiennej wielkości” z pomocą przychodzi doładowanie, plus oczywiście zaawansowane, wsparte elektroniką sterowanie.
Systemów doładowania silników tłokowych jest wiele. Występuje ono nawet w silnikach wolnossących, niewyposażonych w oddzielne układy zwiększające ciśnienie powietrza w układzie dolotowym. Jest to doładowanie dynamiczne, wykorzystujące procesy falowe w kolektorach ssącym i wydechowym. Niestety, im skuteczniej skonstruowany jest pod tym względem silnik, tym gorsza jest jego charakterystyka z punktu widzenia downsizingu. Przyczyną jest fakt, że zjawisko doładowania dynamicznego zasadniczo da się optymalizować dla wąskich zakresów obrotów użytkowych, a zatem można osiągnąć np. dużą moc maksymalną, ale w tym samym silniku trudno o wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach wału korbowego. Sytuację tę poprawiają często stosowane układy zmiany pojemności oraz długości kolektorów dolotowych i w znacznie większym stopniu układy zmian faz rozrządu i ewentualnie wzniosu zaworów.
Proste lub zaawansowane układy z obu tych grup występują w większości nowoczesnych silników samochodów osobowych, jednak ich efektywność nie wystarcza do skonstruowania rzeczywiście wydajnego silnika downsizingowanego. Przyczyny tego są dwie:
• nawet idealne zarządzanie procesami falowymi w układach dolotowym i wylotowym zwiększa stopień napełnienia cylindra o niewielki procent, rzędu 20% – znów w wąskim zakresie obrotów,
• zjawiska falowe stają się zauważalne przy wyższych prędkościach obrotowych, a najlepsze efekty osiąga się w silnikach z zapłonem iskrowym, szczególnie o charakterystykach co najmniej sportowych.
Tymczasem musimy pamiętać o celu naszych działań – silnik downsizingowany ma ograniczyć rzeczywiste zużycie paliwa, a więc powinniśmy poszukiwać zakresu niskich obrotów użytkowych, kiedy straty mechaniczne są odpowiednio mniejsze. Dlatego wszelkie systemy doładowania dynamicznego, dziś bardzo dobrze opanowane przez producentów silników, są stosowane, ale raczej jako uzupełnienie rozwiązań z wszelkiego rodzaju sprężarkami w układzie dolotowym.

Jaka sprężarka jest najlepsza?
Idealny silnik downsizingowany, celem zmniejszenia zużycia paliwa, powinien mieć w układzie dolotowym sprężarkę. Jaką? Albo sprężarkę wypornościową (tłokową, śrubową lub łopatkową, zębatą, spiralną itp.), albo najbardziej popularną – tzw. turbosprężarkę, czyli zestaw turbiny napędzanej gazami wylotowymi i sprężarki odśrodkowej powietrza doładowanego.
Pierwsza grupa sprężarek, zwanych wypornościowymi, wymaga mechanicznego napędu zwykle od wału korbowego silnika. To jednocześnie ich zaleta i wada. Napęd od wału silnika pozwala tak dostroić parametry doładowania, że zwiększone ciśnienie w układzie dolotowym (a zatem większa moc/moment silnika) pojawia się niemal natychmiast po naciśnięciu pedału gazu (nie mówimy o otwarciu przepustnicy, bo często jej nie ma, albo sterowana jest układem elektronicznym). Napęd mechaniczny jest jednak także wadą. Cały układ jest dość kosztowny, kłopotliwy w instalacji, a przede wszystkim pochłania – jeżeli potrzebne jest nam spore ciśnienie doładowania – znaczną ilość mocy, liczoną w konkretnych kilowatach. Zależy to oczywiście od przyjętych parametrów i przede wszystkim od pojemności skokowej silnika, ale efekt jest taki, że jednostka napędowa musi wyprodukować dodatkowe kilkanaście procent mocy, której nie zużyjemy do napędzania samochodu, choć kosztuje to odpowiednią ilość paliwa.
Turbosprężarka, której turbina napędzana jest już „niepotrzebnymi” gazami wylotowymi, działa nieco inaczej. Jej instalacja jest stosunkowo łatwiejsza, a samo urządzenie, produkowane masowo, jest w dzisiejszych czasach tańsze od wszelkich sprężarek wypornościowych. Wreszcie napęd wydaje się tu całkowicie darmowy. To jednak tylko pozory – opór, jaki wytwarza turbina w układzie wydechowym, wymaga odpowiedniego wydatku spalin, gdyż moc wykorzystywana do sprężania powietrza nie bierze się znikąd. Jednak rzeczywiście bilans energetyczny może być korzystniejszy. Turbosprężarka, nawet najbardziej nowoczesna, ma jednak istotne wady:
• jej roboczy zakres pracy (gdy efektywnie wykorzystuje energię spalin w turbinie i równie efektywnie spręża doładowane powietrze) jest stosunkowo niewielki i nigdy nie pokrywa pełnego zakresu obrotów wału i obciążeń silnika tłokowego. Wymaga to zatem specjalnych rozwiązań;
• turbosprężarka, jako urządzenie niepodłączone mechanicznie do wału korbowego silnika, po naciśnięciu pedału gazu (szczególnie w niskim zakresie obrotów i obciążeń) potrzebuje czasu, by rozpędzić swój wirnik i zacząć podawać powietrze doładowane pod zwiększonym ciśnieniem. Wynika to z bezwładności zespołu wirników, ale też z faktu, że wydatek gazów wylotowych napędzających turbinę musi się pojawić zanim uzyskamy zwiększenie ciśnienia podawanego do kolektora dolotowego.
Zjawisko to, znane pod nazwą turbodziury, skutkowałoby w downsizingowanym silniku poważnymi konsekwencjami. Nie chodzi tylko o to, że turbodziura jest kłopotliwa i nieprzyjemna dla kierowcy. Niektórzy twierdzą nawet, że świadczy o charakterze sportowego silnika. Tu jednak mamy silnik nie sportowy, ale taki, który powinien być ekonomiczny. A zbadano dokładnie, że w tych krótkich momentach rozpędzania wirnika turbosprężarki, gdy ciśnienie doładowania jest znikome, sprawność silnika skonfigurowanego do dużych ciśnień doładowania (szczególnie chodzi o ograniczony jego stopień sprężania), jest wyjątkowo małe. W jeździe miejskiej będzie to skutkować zauważalnym, niepotrzebnym zwiększeniem zużycia paliwa. Dlatego konstruktorzy nowoczesnych silników downsizingowanych stoją przed ważnym zadaniem – stosować oczywiście turbosprężarkę, ale tak, by ograniczyć zjawisko turbodziury praktycznie do zera.

Usuwanie turbodziury
Rozwiązań tego problemu jest wiele. Niektóre z nich stosowano od dawna. Jeszcze przed erą downsizingu starano się połączyć efekt doładowania turbosprężarki i efekt doładowania dynamicznego. Systemy takie stosuje się dziś powszechnie (włącznie z turbosprężarkami twin scroll – czyli dwukanałowymi), ale efekty – choć pozytywne – nie są wystarczające.
W silnikach, w których nie poszukuje się wysokich mocy jednostkowych, stosuje się bardzo małe turbosprężarki, charakteryzujące się niewielką bezwładnością układu wirników. Turbodziura zatem jest, tylko mniejsza, a wszystko obywa się kosztem mocy maksymalnej. Podobnym rozwiązaniem jest soft turbo, czyli doładowanie o niewielkim nadciśnieniu, które ukrywa efekt turbodziury, a także pozwala zastosować stosunkowo wysoki stopień sprężania, korzystny dla ogólnej sprawności silnika. Podobne skutki powoduje powszechne dziś stosowanie wtrysku bezpośredniego w silnikach z zapłonem iskrowym. Chłodzenie wewnętrzne komory spalania plus sterowanie elektroniczne pozwalają zastosować bardzo wysoki – jak na doładowanie – stopień sprężania.
Turbodziura zostaje, ale względnie niewielka. Z kolei w silnikach wysokoprężnych typowym rozwiązaniem jest użycie turbosprężarek tzw. regulowanych, czyli ze zmiennym ustawieniem kierownic gazów wylotowych. Rozszerza to zakres roboczy turbosprężarki z efektem jak wyżej, ale nie do tego stopnia, by pokryć cały zakres roboczy silnika, nawet wysokoprężnego (ZS).
Inne rozwiązanie to zastosowanie w jednym silniku zestawu sprężarek. Możliwe jest użycie dwóch mniejszych równolegle, zamiast jednej większej; użycie dwóch lub nawet trzech o różnych wymiarach, z regulacją lub bez; szeregowo (silniki ZS), względnie użycie mniejszej sprężarki wypornościowej i większej turbosprężarki – też szeregowo (silniki ZI). Wymienione rozwiązania są w kolejności odpowiednio coraz droższe, ale umożliwiają uzyskanie z tego samego silnika znacznej mocy maksymalnej i wysokiego momentu obrotowego od niskich obrotów.
Poszukiwania rozwiązania idealnego dla usunięcia turbodziury trwają jednak nadal. Ostatnio pojawiły się informacje o dwóch systemach: jednym dość skomplikowanym, badanym przez Audi, a drugim względnie prostym, anonsowanym przez Volvo.

Jak turbo, ale z napędem elektrycznym
Audi już dwa lata temu przedstawiło pomysł, według którego w układzie dwóch sprężarek odśrodkowych działających szeregowo, ta pierwsza nie jest turbosprężarką, a urządzeniem napędzanym elektrycznie. Brzmi to bardzo prosto – naciśnięcie pedału gazu powoduje uruchomienie silnika elektrycznego, który bezpośrednio napędza sprężarkę odśrodkową, będącą czymś w rodzaju „połowy turbosprężarki”. Jest ona umieszczona bocznikowo w układzie dolotowym silnika. O tym, która sprężarka zasila układ dolotowy decyduje sterowana elektronicznie przepustnica. Efekt ma być doskonały – zwiększone ciśnienie w kolektorze dolotowym pojawia się w czasie ćwierć sekundy, niezależnie od wydatku spalin oraz obrotów wału korbowego. W efekcie turbodziura będzie praktycznie niezauważalna, co ma przynieść od 7 do 10% ograniczenia realnego zużycia paliwa. Audi twierdzi nawet, że sprawność tak wyposażonego silnika Diesla wzrośnie o 15% lub więcej. Jednocześnie zasadniczą turbosprężarkę można wysterować tak, by osiągać wyższe doładowanie i w wyższym zakresie obrotów, uzyskując wyższą moc.
Audi współpracuje przy tym projekcie z Valeo – dostawcą elektrycznej sprężarki. Dotychczas pokazano dwa prototypy – RS5 TDI (2014 r.) z silnikiem 3.0 V6 TDI o mocy maksymalnej 385 KM i Clubsport TT Turbo Concept, z pięciocylindrowym silnikiem benzynowym 2.5 dm3, o mocy podniesionej do 600 KM. Trzeba jednak dodać, że opisanego tu rozwiązania nie da się zrealizować tak prosto, jak się wydaje. Impulsowe wspomaganie turbodoładowania wymaga znacznej mocy elektrycznej, rzędu kilku kilowatów, nie należy go zatem mylić ze znanymi tuningowymi sprężarkami elektrycznymi, mogącymi nieznacznie podnieść osiągi silnika wolnossącego. Chodzi o szybkość działania, a ta wymaga dużych mocy. W rezultacie konieczne jest zbudowanie podsystemu elektrycznego 48V i zasilanie urządzenia ze specjalnej baterii akumulatorów ładowanych oddzielnie od standardowego układu 12V. Dlatego koszty są znaczne i szefowie Audi przewidują użycie elektrycznego wspomagania doładowania tylko w samochodach o najwyższych specyfikacjach. Mówi się, że wkrótce system ten pojawi w nowym Audi RS4 (2016 r.) z silnikiem o mocy maksymalnej ok. 450 KM, ale już nie w „zwykłym” Audi S4.

Po prostu trochę powietrza...
Znacznie prostsze rozwiązanie, podobno skutecznie likwidujące zjawisko turbodziury, prezentuje Volvo w nowym modelu S90 z silnikiem wysokoprężnym. Czterocylindrowe, dwulitrowe jednostki, będące bez wątpienia rodzajem downsizingu w stosunku do dawniejszych silników pięciocylindrowych, wyposażone są w sekwencyjne układy turbodoładowania. Prawdziwa nowość, nazwana PowerPulse, kryje się jednak obok nich. W komorze silnikowej wygospodarowano miejsce na dwulitrowy zbiornik ciśnieniowy, który napełniany jest przez elektryczną sprężarkę powietrzem pobieranym z filtra powietrza. Gdy kierowca wciska głęboko pedał gazu, podczas gdy silnik pracuje w zakresie zbliżonym do biegu jałowego, owo powietrze pod ciśnieniem uwalniane jest do kolektora wydechowego przed turbinę turbosprężarki. Według Volvo wystarcza to, by natychmiast napędzić wirnik turbosprężarki, a zatem zwiększyć ciśnienie w układzie dolotowym. System PowerPulse nie zwiększa zatem mocy maksymalnej, ale przyspiesza pojawienie się momentu napędowego, gdy silnik pracuje w najniższym zakresie obrotów. Rozwiązanie to jest zresztą w swej idei podobne do układów „podtrzymania turbo” stosowanych w turbodoładowanych silnikach wyczynowych, choć Volvo nic nie wspomina o jednoczesnym zwiększaniu dawki paliwa, co mogłoby wspomagać chwilowe wytworzenie większej ilości spalin. Volvo nie podaje zresztą żadnych konkretnych specyfikacji technicznych nowych silników, ani ich systemu PowerPulse. Producent zapewnia jedynie, że to proste rozwiązanie całkowicie likwiduje zjawisko turbodziury i sprawia, że kierowca odnosi (np. podczas ruszania) wrażenie zdecydowanego przypływu mocy.

F 1W elektrycznej „turbosprężarce” wirnik sprężarki odśrodkowej napędzany jest silnikiem elektrycznym. Takie urządzenie skonstruowała firma Valeo.


F 2System PowerPulse stosowany seryjnie przez Volvo w modelu S90 – powietrze ze zbiornika ciśnieniowego jest kierowane do kolektora wydechowego przed turbinę turbosprężarki. Dzięki temu można niemal natychmiast zwiększyć obroty wirnika przy niskich obrotach silnika i zmniejszyć efekt turbodziury.


F 3Powietrze do zbiornika (1) jest tłoczone przez elektryczną sprężarkę (2).


F 4Wykres mocy i momentu obrotowego (linia przerywana) silnika V6 TDI Audi z doładowaniem turbosprężarką i „turbosprężarką” napędzaną elektrycznie. To 3-litrowy, 6-cylindrowy silnik (w układzie V) z zapłonem samoczynnym, który osiąga moc maksymalną 385 KM przy 4250 obr./min i maksymalny moment obrotowy 750 Nm od 1250 do 2000 obr./min.


Jerzy Dyszy

homeWyszukiwarka

mailNewsletter

PassThru

Redakcja „Auto Moto Serwisu” w 2017 roku rozpoczęła cykl publikacji dotyczących PassThru – procedury dostępu online do portali internetowych wybranych producentów pojazdów. Przedstawiamy proces pierwszej rejestracji, diagnostyki pojazdu i programowania sterowników dla poszczególnych marek samochodów.

Czytaj więcej

Prenumerata 2021

prenumerata 2021 baner

 

mobile phoneAplikacja Android

Zapraszamy do korzystania z naszego serwisu informacyjnego dostępnego na smartfonach z systemem android. Znajdują się tu wiadomości z działów: nowości, z życia branży oraz szkolenia. Aplikację Auto Moto Serwis można ściągnąć bezpłatnie ze sklepu Google Play.

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem