Doładowane wersje silników tłokowych były szeroko stosowane w transporcie pasażerskim w ostatnich dziesięcioleciach. Nowych technologii wykrzesania większej mocy z silnika poszukiwano już w latach 80. ubiegłego stulecia, jak również we wcześniejszych dekadach. Rzadko dyskutuje się o tym, jak daleko można lub jak daleko warto posunąć zwiększanie wydajności oraz o tym, jakie fizyczne przeszkody można napotkać w niektórych zakresach wydajności. W artykule przedstawimy czynniki utrudniające doładowanie silnika.

Istota i cel doładowania

Niezależnie od rodzaju doładowania, w przypadku czterosuwowych i dwusuwowych silników spalinowych, cel jest zawsze taki sam – zwiększenie wydajności mieszanki paliwowej, a tym samym osiągów silnika.

Silnik wolnossący może wtłoczyć do komory cylindra podczas danego suwu tyle powietrza, ile podciśnienie wytworzone przez tłok może zassać przez filtr powietrza i zawór dolotowy podczas suwu ssania. Jest to ograniczona ilość wyznaczana przez maksymalny limit ilości paliwa, które można dostarczyć (czy to benzyny, czy oleju napędowego). Gdybyśmy jednak byli w stanie zwiększyć ilość dostarczanego powietrza, limit ilości paliwa również uległby proporcjonalnemu podwyższeniu.

Należy zauważyć, że celem doładowania jest zawsze zwiększenie osiągów danego silnika bez zwiększania jego prędkości obrotowej. Wynika to z faktu, że zarówno doładowanie, jak i wzrost obrotów zwiększają ilość ładunku wprowadzanego do cylindra w jednostce czasu, tym samym proporcjonalnie zwiększając osiągi silnika spalinowego. Zgodnie z obecnie znanymi zależnościami, moc silnika można obliczyć na podstawie powierzchni tłoka, liczby cylindrów, liczby suwów silnika i średniej prędkości tłoka. Parametry takie jak liczba cylindrów, powierzchnia tłoka i długość skoku, którą można obliczyć ze wzoru są stałe, więc w celu zwiększenia wydajności można wykorzystać jedynie pozostałe parametry.

Jeśli postanowimy zwiększyć prędkość, musimy wziąć pod uwagę, że naprężenia spowodowane zwiększonymi siłami wzrosną wykładniczo wraz z podwyższeniem prędkości, a ekonomia silnika pogorszy się. Jeśli zwiększone zostanie średnie ciśnienie skuteczne (które daje średnią prędkość przy określonej długości skoku) dzięki turbodoładowaniu, wyższe będą również siły wywierane przez gazy. Jednak w tym drugim przypadku wzrost obciążenia wykazuje co najwyżej liniową zależność od wzrostu wielkości ładunku.

Opisane powyżej zależności znacznie przyczyniły się do tego, że w transporcie drogowym tak chętnie wykorzystuje się tę technologię. Oczywiście nie oznacza to, że doładowanie może zwiększać wydajność silnika w nieskończoność.

Powiązanie między kompresją, ciśnieniem, temperaturą, a limitem spalania stukowego

Limit doładowania jest zwykle określany przez naprężenia termiczne, aspekty ekonomiczne i naprężenia mechaniczne komponentów. W miarę rozwoju technologii limity te windowane są coraz wyżej. W przypadku silników benzynowych ilość doładowania zależy przede wszystkim od limitu spalania stukowego, ponieważ tendencja do spalania stukowego jest spowodowana wzrostem ciśnienia i temperatury w cylindrze. Należy dodać, że w przypadku limitu spalania stukowego istnieje korelacja między ciśnieniem a temperaturą powietrza dolotowego. Jeśli temperatura powietrza jest wysoka, spalania stukowego można uniknąć poprzez zmniejszenie ciśnienia i odwrotnie.

Znaczący wpływ ma również jakość paliwa: dzisiejsze benzyny bezołowiowe z dużą liczbą dodatków zazwyczaj znacznie lepiej tolerują pracę w okolicach limitu spalania stukowego, przy czym limit ten plasuje się znacznie wyżej niż kiedyś.

Ważnym czynnikiem ograniczającym spalanie stukowe jest kąt zapłonu wstępnego. Przy dużej mocy, aby uniknąć spalania stukowego, należy ograniczyć zapłon wstępny. Zwiększa to jednak zużycie paliwa przez silnik, więc w zależności od obszaru zastosowania silnika konieczne jest osiągnięcie kompromisu między tymi dwoma parametrami.

Temperatura powietrza doładowującego zależy również od wielkości kąta zapłonu wstępnego. Zmniejszenie kąta zapłonu wstępnego umożliwia uzyskanie wyższych temperatur powietrza doładowującego bez osiągnięcia przez silnik limitu spalania stukowego.

Nie jest tajemnicą, że osiągalny stopień sprężania zależy przede wszystkim od tolerancji sprężania paliwa. Wraz ze wzrostem stopnia sprężania znacznie wzrasta również końcowe ciśnienie i temperatura sprężania. Dzięki temu rośnie także tendencja do spalania stukowego.

Korelacja między jakością powietrza a ograniczeniem spalania stukowego

Może się to wydawać zaskakujące, ale na tendencję do spalania stukowego – a jednocześnie na maksymalne osiągi, które można otrzymać bez stukania przy doładowaniu – ma również jakość dostarczanego powietrza. Co ciekawe, tendencja do stukania jest największa w pobliżu idealnego (stechiometrycznego) stosunku mieszania. Im dalej od tych idealnych proporcji, czy to w kierunku bogatej, czy ubogiej mieszanki, tym silnik będzie mniej podatny na spalanie stukowe, więc większą ilość turbodoładowania można osiągnąć paradoksalnie z dala od wartości lambda równej 1.

Obciążenie termiczne silnika

Stukanie nie jest jedynym zjawiskiem, które ogranicza ilość doładowania. Proces ten utrudnia również sam silnik, a zwłaszcza obciążenie termiczne tłoków i zaworów. Ponieważ zarówno układ chłodzenia, jak i konstrukcja mechaniczna silników mogą się od siebie bardzo różnić, trudno jest wyciągnąć jakiekolwiek ogólne wnioski. Ponadto zjawisko stukania zwykle utrudnia ładowanie wcześniej niż obciążenie cieplne.

To jednak nie oznacza, że nie ma między nimi związku: wzrost obciążenia cieplnego zwiększa również tendencję do spalania stukowego, ponieważ lokalnie lub całkowicie przegrzana komora spalania sprzyja nieprawidłowemu przebiegowi spalania. Ogólnie stosowanym rozwiązaniem jest bardziej intensywny cykl płukania, które zwykle osiąga się poprzez większe otwarcie zaworu. Ponadto, z powodzeniem stosuje się również roztwory chłodzące ze wtryskiem cieczy (np. wody).

Silniki wysokoprężne

W przypadku tego typu silnika temperatura powietrza doładowującego nie wpływa negatywnie na spalanie w ogólnie stosowanych limitach, więc nie ogranicza doładowania. Chłodzenie powietrza nie jest konieczne do spalania.

Jednocześnie wzrasta obciążenie cieplne tłoka i zaworów, co ostatecznie ogranicza prędkość ładowania. W praktyce obciążenie mechaniczne jest określane przez maksymalne ciśnienie gazu mierzone w cylindrze, więc szczytowe ciśnienie spalania.