W poprzednich artykułach szczegółowo omówiliśmy kwestię doładowania i turbodoładowania, które zrewolucjonizowały branżę motoryzacyjną. Istnieją jednak różne rodzaje doładowania mechanicznego. W tym artykule przedstawiamy jeden z nich, który różni się nieco od pozostałych.

Czym jest doładowanie mechaniczne?

Zanim rozpoczniemy przegląd poszczególnych typów doładowania, przyjrzyjmy się podstawowym właściwościom omawianej tu grupy. Osiągi silników wolnossących w dużej mierze zależą od ilości powietrza zasysanej do cylindra w danym cyklu pracy. Jest to ważne, ponieważ ilość dostarczanego paliwa musi być w określonej proporcji do ilości powietrza. W wyniku ruchu tłoka w dół w komorze spalania powstaje podciśnienie, które zasysa mieszankę do środka. W dawnych czasach jedynym sposobem zwiększenia mocy silnika było powiększenie pojemności skokowej. Wynaleziono jednak kilka metod zwiększenia podciśnienia wytwarzanego przez tłok, mianowicie (turbo)sprężarkę.
Typy doładowania różnią się od siebie źródłem wytwarzania podciśnienia. W konsekwencji rozróżniamy sprężarki mechaniczne, w których do generowania ciśnienia wykorzystywana jest część mocy silnika, oraz turbosprężarki, które generują doładowanie z pędu spalin.
Sprężarki mechaniczne pozyskują energię potrzebną do wytworzenia ciśnienia bezpośrednio z wału korbowego silnika, zazwyczaj za pośrednictwem przekładni. Istnieją wersje, w których szybkość ładowania może być regulowana lub nawet całkowicie wyłączona podczas pracy silnika. Jak wspomniano powyżej, energia pochodzi z wału korbowego, co oznacza, że moc do ładowania pobierana jest z samego silnika. Zaletą jest to, że napędzana silnikiem sprężarka zawsze może dostarczyć dodatkową moc.
Sprężarka Comprex również należy do pierwszej grupy – choć można by to kwestionować, gdyż jej działanie różni się znacznie od tradycyjnego ładowania mechanicznego.

Jak zbudowana jest sprężarka Comprex?

Powszechnie nazywana jest również sprężarką z falą ciśnieniową i ta nazwa wiele mówi o działaniu tego urządzenia. Nawiasem mówiąc, nazwa Comprex pochodzi od słów „kompresja” i „ekspansja”.
Comprex wykorzystuje efekt dynamiki gazu, aby ilość sprężanego powietrza sprowadzić do najmniejszej możliwej objętości.

Można debatować, czy ładowarka Comprex jest sprężarką mechaniczną, ponieważ nie jest jasne, skąd czerpie energię potrzebną do działania. Energia ta jest bowiem częściowo dostarczana przez silnik z głównego wału, który obraca mechanizm ładowarki. Jednocześnie należy zauważyć, że pokrywa to tylko część zapotrzebowania sprężarki na energię. Pozostała część dostarczana jest przez koło napędowe, które obraca się zgodnie z prędkością obrotową silnika, do czego przyczyniają się spaliny. Sprężarka Comprex jest jednak w stanie wytworzyć odpowiedni stosunek ciśnienia nawet w niskich i średnich zakresach prędkości, bez pobierania części energii z silnika.

Zasada działania sprężarki Comprex

Duszą całego mechanizmu jest wspomniane koło napędowe, będące cylindrycznym, skomplikowanym wirnikiem. Jest ono napędzane przez wał korbowy silnika.
Wirnik ten jest połączony czterema różnymi kanałami, dwoma wejściami i dwoma wyjściami. Jeden z wlotów doprowadza spaliny pod wysokim ciśnieniem, co powoduje obrót wirnika. W międzyczasie przez drugi wlot napływa świeże powietrze ze środowiska zewnętrznego i wypełnia dostępną przestrzeń. Podczas gdy koło napędowe nadal obraca się pod działaniem spalin, to świeże powietrze po drugiej stronie koła zaczyna być wypychane w kierunku zaworu na jednym z wylotów, gdzie dochodzi do wzrostu stopnia sprężenia.

Gdy zawór dolotowy otwiera się, wpuszcza wstępnie sprężone powietrze doładowujące, podczas gdy spaliny, oddając część swojej energii, uchodzą wylotem do układu wydechowego.
Największa złożoność ładowarki Comprex polega na tym, że chociaż kanały świeżego powietrza i spalin są oddzielne to struktura cylindrycznego koła napędowego znajduje się pośrodku, wykonuje ruch obrotowy i nadal konieczne jest zapobieganie mieszaniu się spalin i świeżego powietrza, ponieważ powoduje to znaczny spadek wydajności.
Aby temu zapobiec, ściana komory została zaprojektowana w taki sposób, aby szczelnie oddzielić dwie mieszaniny gazów wewnątrz cylindra.

Dlaczego sprężarki Comprex nie zyskały popularności?

Sprężarka Comprex była wyjątkowa w swoim czasie, ponieważ była w stanie zapewnić prawidłowe ciśnienie doładowania nawet przy niskich i średnich zakresach prędkości, więc nikt nie przewidywał, że jej popularność może spaść.
Mimo swoich zalet sprężarka ta ma wady. Jedną z nich jest złożoność konstrukcji, która sprawia, że jej opracowanie jest skomplikowane i kosztowne. Na wydajność doładowania duży wpływ ma odpowiednio dobrana geometria, materiał wykonania elementów, jak również liczba kanałów. Im większa liczba kanałów, tym większa strata ciśnienia w układzie, czego również należy unikać.
Wybór materiału wykonania jest również interesujący, ponieważ koło napędowe musi wytrzymać ciągłe fale uderzeniowe, znaczną siłę odśrodkową, naprężenia i rozszerzalność cieplną generowaną przez cykliczne zmiany temperatury.
Sprężarka ta była stosowana w silnikach wysokoprężnych, np. Opel i Mazda stosowały doładowanie Comprex do lat 80-tych.
W miarę jak technologia silnikowa stawała się coraz bardziej precyzyjna, coraz bardziej oczywistym stał się fakt, że utrzymanie na zadowalającym poziomie strat ciśnienia sprężarki Comprex jest zbyt kosztowne i w efekcie nieopłacalne.