Turbosprężarki vs. Doładowania: Twoje wprowadzenie do wymuszonej indukcji

Turbosprężarki są wszędzie. Tak naprawdę prawie każdy producent samochodów oferuje silniki z turbodoładowaniem. Ale jak działają te małe wzmacniacze wydajności i dlaczego stają się tak popularne?

Dyrektor

Zasadniczo zarówno turbosprężarka, jak i sprężarka doładowująca działają poprzez dostarczanie większej ilości powietrza do silnika. Tlen stanowi jedną z nóg piramidy spalania, wraz z paliwem i źródłem zapłonu – czyli „iskry”. Dla Aby spalanie przebiegało najskuteczniej, należy zachować staranną równowagę pomiędzy tlenem, paliwem i iskra.

Znalezienie tej równowagi od dawna stanowiło problem dla projektantów silników. Przez większą część historii spalania wewnętrznego problem polegał na dostarczeniu wystarczającej ilości paliwa. Dzięki niedawnemu rozwojowi bezpośredniego wtrysku paliwa pod wysokim ciśnieniem problem ten został w zasadzie rozwiązany. Teraz pozostaje kwestia zapewnienia wystarczającej ilości powietrza, aby silnik mógł oddychać.

Naprawdę wydajny silnik będzie musiał co minutę zasysać powietrze z sypialni dziecka – pomyśl Unikaj Hellcata. Prawa fizyki zwykle na to nie pozwalają, ponieważ jedyną siłą wciągającą powietrze do silnika jest siła niska ciśnienie powstające podczas cofania cylindrów silnika – dokładnie tak samo, jak to, co dzieje się, gdy tłok zostanie odciągnięty do tyłu w a strzykawka.

Siła ta po prostu nie jest wystarczająco duża, aby nadążać za ilością paliwa, jaką nowoczesne silniki mogą wtryskiwać do cylindrów. Zarówno turbosprężarki, jak i sprężarki doładowujące próbują rozwiązać ten problem poprzez proces zwany wymuszoną indukcją, co jest fantazyjnym terminem oznaczającym wtłaczanie większej ilości powietrza do silnika. Każdy z nich robi to jednak na różne sposoby, z odrębnymi zaletami i wadami.

Turbosprężarki

Najbardziej rozpowszechnioną formą wymuszonej indukcji są turbosprężarki. Producenci samochodów je uwielbiają, ponieważ, przynajmniej w teorii, można je wykorzystać do poprawy zarówno mocy, jak i oszczędności.

Wydawałoby się, że wszystko, co jest w stanie to zrobić, musi być niezwykle skomplikowane, ale turbosprężarki są w rzeczywistości zwodniczo proste. Pod dziwnie wyglądającymi, wodnymi obudowami turbosprężarki to w zasadzie para wentylatorów połączonych osią.

Gorące spaliny silnika obracają pierwszy wentylator, który z kolei napędza drugi, który służy do sprężania powietrza. To sprężone powietrze jest następnie wtłaczane z powrotem do silnika. Jak omówiono powyżej, to dodatkowe powietrze oznacza, że ​​można wtryskiwać więcej paliwa i że niezależnie od tego, jakie paliwo się znajduje, można je spalić w pełni.

Z punktu widzenia wydajności korzyści są oczywiste. Turbosprężarki zwiększyły objętość powietrza, umożliwiając zużycie większej ilości paliwa w każdym cyklu spalania, co prowadzi do większej mocy. Zasadniczo pozwala to małemu silnikowi udawać, że jest znacznie większy.

Jeśli chodzi o wydajność, korzyści płynące z turbodoładowania są nieco trudniejsze do zrozumienia. Zacznijmy od tego, że turbosprężarki mogą oferować pewne nieodłączne korzyści. Turbosprężarki mogą pomóc w poprawie wydajności, zapewniając wystarczającą ilość powietrza do zakończenia każdego spalania. Mogą również pomóc poprawić sprawność termodynamiczną silnika poprzez podniesienie jego temperatury roboczej. A co najlepsze, ponieważ turbosprężarki napędzane są zasadniczo „darmową” energią (spalinami silnika), ich obecność w żaden sposób nie wpływa negatywnie na wydajność.

Prawdziwy powód, dla którego producenci samochodów kochają turbosprężarki, ma mniej wspólnego z inżynierią, a bardziej z ludzkim zachowaniem. Przeciętny kierowca używa pełnego gazu przez mniej niż jeden procent czasu. W dużym, wolnossącym silniku oznacza to marnowanie dużej ilości mocy, podczas gdy sam rozmiar silnika nadal obniża jego wydajność.

Natomiast turbosprężarki napędzane są spalinami silnika, które powstają w wystarczającej ilości tylko podczas ciężkiej pracy silnika. Oznacza to, że gdy kierowca nie naciska mocno przepustnicy, turbosprężarka nie dodaje więcej powietrza, a silnik nie dodaje więcej paliwa. Zatem jednym ze sposobów myślenia o turbosprężarce jest stworzenie silnika, który może być tak duży lub tak mały, jak tego wymaga sytuacja.

Jest to świetne rozwiązanie w teorii, ponieważ samochód może być jednocześnie wydajny i mocny. Rzeczywistość, jak to często bywa, nie jest tak różowa. Od silników z turbodoładowaniem można oczekiwać albo mocy, albo oszczędności, ale nie obu jednocześnie. Jedź na pełnym gazie w samochodzie z turbodoładowaniem, a zużycie paliwa nie będzie lepsze niż w samochodzie z większym silnikiem. Jedź powoli, a turbosprężarka po prostu nie będzie używana.

Być może więc najlepszym sposobem myślenia o turbosprężarkach jest zapewnienie kierowcy elastyczności. Mogą wybrać, jak wydajni chcą być i jak dobrze się bawią. Niestety turbosprężarki nie są magiczne, więc nie zawsze mogą zapewnić oba jednocześnie.

Doładowania

Doładowania mogą działać na tej samej zasadzie co turbosprężarki, ale są nieco bardziej skomplikowane.

Zamiast napędzać spaliny, doładowania są napędzane mechanicznie. Zazwyczaj sprężarki doładowujące są połączone z wałem korbowym silnika za pomocą łańcucha lub paska. Moc silnika jest następnie wykorzystywana do napędzania jednego z dwóch typów sprężarek.

Większość sprężarek doładowujących wykorzystuje jakąś odmianę dmuchawy typu „Roots”. Te sprężarki doładowujące wykorzystują podwójne, zachodzące na siebie wirniki do sprężania powietrza. Projekt Roots jest stosunkowo prosty i można go wykonać według różnorodnych specyfikacji. Zaawansowane turbosprężarki produkowane przez firmę Eton można znaleźć w szerokiej gamie pojazdów, takich jak wycofujący się Cadillac CTS-V i Audi S4.

Mniej popularną konstrukcją jest wirnik „Lysholm”. Konstrukcja ta wtłacza powietrze pomiędzy dwie nakładające się śruby Archimedesa, sprężając je do niezwykle wysokiego ciśnienia. Doładowania wirnikowe są wydajne i zapewniają moc w szerokim zakresie prędkości obrotowych silnika, ale są drogie w budowie. Bliźniacze śruby muszą idealnie się zazębiać, a to wymaga niezwykle małych tolerancji produkcyjnych. Z tego powodu sprężarki Lysholm są zwykle stosowane w zastosowaniach o bardzo wysokich osiągach, takich jak samochody Mercedes AMG lub Dodge Hellcats.

W obu przypadkach sprężarki doładowujące zapewniają kilka ważnych zalet w porównaniu z turbosprężarkami napędzanymi spalinami. Superchargery nie mają opóźnień, ponieważ są napędzane bezpośrednio przez wał napędowy. Jest to szczególnie ważne w przypadku silników o dużej pojemności skokowej i niskich obrotach, dlatego też amerykańskie silniki V8 o wysokich osiągach są często doładowywane, a nie turbodoładowane.

Doładowania zapewniają również moment obrotowy w szerszym zakresie obrotów silnika, co czyni je atrakcyjnymi z punktu widzenia wydajności.

Niestety są też wady. Doładowania są zwykle bardziej złożone mechanicznie niż turbosprężarki ze względu na ich bezpośrednie połączenie z silnikiem. Mówiąc najprościej, doładowania wykorzystują energię do jej wytworzenia. Są też duże, ciężkie i zazwyczaj wymagają montażu bezpośrednio na górze silnika, co stanowi poważny problem dla współczesnych producentów samochodów, dla których przestrzeń jest na wagę złota.

W przeciwieństwie do turbosprężarek, doładowania zmniejszają wydajność silnika, ponieważ doładowanie stale wykorzystuje część mocy silnika do obracania się. Kiedy nie jest potrzebna duża moc, energia ta jest w zasadzie marnowana. Właśnie dlatego sprężarki doładowujące są rzadko – jeśli w ogóle – spotykane poza zastosowaniami wyczynowymi.

Wniosek

Każdy, kto kupi samochód w ciągu najbliższych kilku lat, prawdopodobnie stanie przed wyborem, czy kupić model z turbodoładowaniem. Nie ma prostej odpowiedzi. Warto jednak zauważyć, że chociaż oferują one wiele korzyści, szczególnie pod względem wydajności, nie zawsze spełniają obietnicę dotyczącą wydajności.

Turbosprężarki może nie są złotym rozwiązaniem, ale mogą być doskonałym kompromisem. Oferują dodatkową moc, gdy jest ona potrzebna — lub po prostu pożądana — a jednocześnie są w stanie utrzymać mpg podczas normalnej jazdy. Z drugiej strony, w przypadku sprężarek doładowujących chodzi o wydajność 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.

Dla kupujących, którzy chcą doświadczyć mocy V8 o dużej pojemności, doskonałym rozwiązaniem jest sprężarka doładowująca. Zastanów się przez chwilę, że niektóre z najbardziej ekscytujących samochodów tego roku są wyposażone w duże dmuchawy: nowość Cadillac CTS-V, Korweta Z06i potężny Unikaj Hellcatów.

Ostatecznie decyzja o zakupie turbosprężarki, turbosprężarki lub żadnego z nich będzie zależała od samochodu i stylu jazdy kupującego. Niezależnie od tego, wymuszone wprowadzenie ma wiele do zaoferowania niemal każdemu kierowcy.

Zalecenia redaktorów

• Ładowarki docelowe Tesli vs. Doładowania: jaka jest różnica?