Fot. SXC.hu, archiwum

Doładowaniem silnika nazywa się proces, w którym dostarczenie świeżego ładunku do cylindra odbywa się pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego, co zwiększa masę substancji uczestniczących w spalaniu.

Celem doładowania jest uzyskanie wzrostu mocy użytecznej oraz sprawności silnika. Jest to efekt równoważny zwiększeniu łącznej objętości skokowej cylindrów (związanej z niepożądanym wzrostem masy własnej silnika) lub prędkości obrotowej wału korbowego (co powoduje jednak zmniejszenie sprawności mechanicznej). Inne, alternatywne sposoby uzyskania wyższej mocy to: podwyższenie stopnia sprężania, z czym wiążą się większe obciążenia mechaniczne i cieplne, albo zmniejszenie współczynnika nadmiaru powietrza, co obniża sprawność cieplną.

Doładowanie silnika może być realizowane różnymi metodami. Ponieważ świeże powietrze nagrzewa się podczas przepływu do cylindrów i sprężania (przez co zmniejsza swą gęstość), stosuje się jego schładzanie w przepływowej chłodnicy. Zależnie od wartości ciśnienia świeżego ładunku rozróżnia się doładowanie niskie, nieprzekraczające 150 kPa, i doładowanie wysokie, przekraczające 150 kPa (sięgające nawet 300 kPa), przy którym niezbędne jest chłodzenie powietrza. Wzrost mocy uzyskiwany dzięki doładowaniu wyrażony w procentach mocy tego samego silnika, lecz zasilanego pod ciśnieniem atmosferycznym, nazywa się stopniem doładowania.

Metody doładowania

Zwiększenie ciśnienia świeżego ładunku dostarczanego do cylindra realizujemy przez doładowanie dynamiczne oraz sprężarkowe. Pierwsze (bezsprężarkowe) polega na wykorzystaniu działania fali uderzeniowej powietrza w przewodzie dolotowym podczas suwu ssania. Tworząca się przy tym fala stojąca zwiększa ciśnienie przepływu gazów przez zawór dolotowy. Jego odmianą jest doładowanie rezonansowe, uzyskiwane dzięki wykorzystaniu zjawiska akustycznego rezonansu ciśnienia słupa powietrza w układzie dolotowym, co nie wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń pomocniczych zużywających energię otrzymywaną z silnika. Układ rezonansowy (rezonator Helmholtza) złożony jest ze zbiornika o stałej lub regulowanej objętości i pojedynczych przewodów dolotowych (o odpowiednio dobranej długości i przekroju) do poszczególnych cylindrów. Małe wartości stosunku długości do przekroju tych przewodów nie zakłócają przebiegu drgań powietrza.

Doładowanie sprężarkowe polega na zwiększeniu ciśnienia powietrza dostarczanego do cylindra przez:

• sprężarkę mechaniczną napędzaną od wału korbowego silnika,
• turbosprężarkę napędzaną gazami spalinowymi z silnika,
• systemem mieszanym, w którym sprężarka mechaniczna oraz  turbosprężarka pracują szeregowo.

Stosowane bywa również doładowanie kombinowane, polegające na równoczesnym stosowaniu sprężania dynamicznego i sprężarkowego.

Doładowanie silników ZI

Silniki o zapłonie iskrowym są stosowane głównie do napędu pojazdów osobowych, w mniejszym zaś stopniu do pojazdów dostawczych. Początkowo stosowano w nich doładowanie mechaniczne za pomocą sprężarek wypornościowych. Z biegiem cza-su wprowadzono kilkuprocentowe turbodoładowanie oraz sporadyczne doładowanie mechaniczne. Pod koniec XX wieku stosowano najczęściej doładowanie kombinowane, czyli turbosprężarkowe połączone z dynamicznym. Poważnym problemem zastosowania doładowania w silniku o zapłonie iskrowym jest występowanie samozapłonów (spalanie stukowe), co wymuszało obniżanie wartości stopnia sprężania.

Przy zasilaniu gaźnikowym doładowanie sprężarkowe stosowano za pomocą dwóch systemów. W pierwszym w układzie dolotowym gaźnik poprzedzał sprężarkę. Powodowało to lepsze wymieszanie paliwa z powietrzem i większą gęstość ładunku, dzięki jego ochłodzeniu na skutek parowania paliwa. Wadą tego systemu była konieczność zmian przekrojów dysz w gaźniku oraz możliwość wybuchu mieszanki w przewodzie dolotowym. W drugim systemie gaźnik znajdował się za sprężarką. Do wad tego systemu należy zaliczyć konieczność zachowania całkowitej szczelności komory pływakowej gaźnika.

W silnikach zasilanych wtryskowo o zapłonie iskrowym występują trzy rodzaje wtrysku: o wtrysku centralnym (jednopunktowym), wielopunktowym (dla każdego cylindra), wielopunktowy bezpośredni (pod dużo większym ciśnieniem), który jest rozwiązaniem najnowszym. W silnikach tych rola doładowania polega na dostarczeniu wymaganej masy powietrza do układu, dawka wtryskiwanego paliwa zależy zaś od obciążenia z zachowaniem wymaganego współczynnika nadmiaru powietrza. Należy pamiętać, że w silnikach benzynowych zasilanych wtryskowo najczęściej stosowane jest doładowanie dynamiczne uzyskiwane przez odpowiednio ukształtowany i regulowany układ dolotowy, zapewniający względnie dobre napełnianie cylindrów przy określonych prędkościach obrotowych. Dla uzyskania lepszego doładowania stosuje się jednoczesne doładowanie sprężarkowe lub turbodoładowanie.

Zastosowanie turbosprężarek w silnikach benzynowych jest korzystne, lecz też rodzi pewne problemy. Zmiana prędkości obrotowej wału korbowego powoduje, że pompa wtryskowa reaguje natychmiast na zmianę obrotów, wtryskując odpowiednią dawkę paliwa, lecz turbosprężarka  ze względu na swą bezwładność nie nadąża z podawaniem wymaganej ilości powietrza. Dlatego w silnikach TSI firmy VW stosowane jest doładowanie dynamiczne w całym zakresie obrotów, dynamiczne i przez mechanicznie napędzany kompresor w zakresie niskich obrotów, a dynamiczne, kompresorowe oraz przez turbosprężarkę w zakresie obrotów średnich, a przy wyższych – dynamiczne i turbosprężarkowe.

Doładowanie silników ZS

Silniki o zapłonie samoczynnym są stosowane do napędu ciężkich pojazdów użytkowych i dostawczych, lecz również coraz powszechniej do samochodów osobowych. W ich konstrukcji ostatnio dokonał się znaczny postęp. Był on wymuszony zarówno koniecznością  obniżenia kosztów zużycia paliwa, jak i restrykcyjnymi przepisami dotyczącymi między innymi toksyczności spalin. Aby sprostać tym wymaganiom i poprawić właściwości dynamiczne silników ZS, poszczególni wytwórcy stosują różne sposoby ich doładowania.

Silniki wysokoprężne turbodoładowane z bezpośrednim wtryskiem paliwa (TDI) uzyskują bardzo dobre parametry (również elastyczność) dzięki usprawnieniu systemu przygotowania mieszanki palnej i jej spalania. Pozwala to uzyskiwać wyższe prędkości obrotowe rzędu 4500 obr./min, wymagane w silnikach pojazdów osobowych.

Stosowanie doładowania wraz z wtryskiem bezpośrednim paliwa oraz innymi rozwiązaniami technicznymi zarówno w silnikach benzynowych, jak i wysokoprężnych spowodowało poprawienie efektywności i wydajności tych silników spalinowych. Wpłynęło również na zmniejszenie ich uciążliwości dla otoczenia.

<sup>Rys.: kład dolotowy zmiennej długości w silniku VW: 1. wlot powietrza do kolektora,
2. kolektor dolotowy, 3. przepustnica, 4, przewód dolotowy, 5. kanał dolotowy w głowicy</sup>

^{Rys.: Kolektor dolotowy silnika SW 680:
L – zakres regulacji, A - kolektor mały, B – kolektor średni, C - kolektor duży}

Leszek Stricker, Marcin Tkaczyk         
Politechnika Wrocławska         

W pracy posłużono się wiadomościami zawartymi          
w książkach prof. prof. K. Wisłockiego          
i J. Mysłowskiego.         

Tweet

Leszek A. Stricker
Politechnika Wrocławska