Turbosprężarka, a może jest lepszy sposób napełniania cylindrów powietrzem – dynamiczne doładowanie silnika

Zjawisko doładowania dynamicznego jest uzyskiwane dzięki odpowiedniemu wykorzystaniu dynamiki przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika spalinowego. Bardzo istotny jest fakt, iż przebieg oraz efekt doładowania dynamicznego są ściśle uzależnione od prędkości obrotowej silnika i geometrii układu dolotowego. Zwrócić uwagę należy na rozwój układów zasilania paliwem w silniku spalinowym, żeby dostrzec rozwój oraz ewolucję geometrii układu dolotowego. W układach gaźnikowych, układy dolotowe charakteryzowały się krótkimi przewodami o prostym kształcie. Analogiczna sytuacja miała miejsce w układach o wtrysku jednopunktowym. Sytuacja znacząco uległa zmianie w momencie pojawienia się pierwszych układów z wielopunktowym wtryskiem paliwa: paliwo podawane jest tuż przed zaworem ssącym, co eliminowało jego obecność w procesie przepływu powietrza i dynamizacji w układzie dolotowym. Zaczęto więc dopracowywać przepływ falowy powietrza w układzie dolotowym w oparciu o teorię falową. Kolejnym krokiem w optymalizacji procesu zasilania silnika spalinowego w ładunek powietrza przynosiły ze sobą takie rozwiązania, jak wyeliminowanie przepustnicy z układu dolotowego i zastąpienie jej przez płynne sterowanie zaworami dolotowymi. Takie rozwiązanie zastosowanie zostało przez BMW w modelu 316ti. System Valvetronic steruje fazami rozrządu oraz wzniosem zaworów i dzięki tej ostatniej funkcji pełni rolę wyeliminowanej przepustnicy w układzie dolotowym.

System VTEC

Prekursorem w dziedzinie zmiennych faz rozrządu była japońska firma Honda. Pierwszym silnikiem tego producenta, wyposażonym w system zmiennych faz rozrządu, była jednostka B16A (silnik o pojemności 1,6 litra). Jednostka ta generowała moc rzędu 160 KM. W porównaniu do silnika o tej samej pojemności lecz z konwencjonalnym układem rozrządu o mocy 125 KM było i jest to nie małe wyzwanie. Dzięki dynamizacji i optymalizacji zjawiska przepływu powietrza w układzie dolotowym, silnik Hondy przygotowany do pracy na wyższych obrotach zachował również moc i elastyczność w niższych partiach prędkości obrotowych. System zmiennych faz rozrządu, opracowany przez Hondę, nosi nazwę VTEC.

Działanie systemu VTEC:

System ten od lat 80 ewoluował do systemu i-VTEC, który zastosowany został w Hondzie Stream oraz innych samochodach tej marki, produkowanych po dziś dzień. Takie rozwiązanie konstrukcyjne, optymalizujące powyższe zjawisko, stało się wizytówką marki nie tylko w przemyśle motoryzacyjnym, ale również znakiem rozpoznawczym w motorsporcie (dominacja Hondy w F1).

System VTEC, a więc system zmiennych faz rozrządu, pozwolił na dopracowanie zjawisk doładowania dynamicznego, które występują w układzie dolotowym każdego silnika. Na początku system ten oparty był na zastosowaniu sterowanej ciśnieniem oleju ruchomej podkładki przesuwanej w jednej płaszczyźnie, w celu zintegrowania ruchu sąsiadujących ze sobą krzywek na wałku rozrządu. Ruch powrotny podkładki realizowany był przez działanie sprężyny, która zapewniała powrót podkładki do jej pierwotnej pozycji. W jednej ze swoich odmian VTEC-E SOHC, system steruje tylko zaworami ssącymi. W tej odmianie występuje oddzielna dźwignia dla małych i średnich prędkości obrotowych silnika. To zróżnicowanie skoku zaworów ssących pozwoliło na uzyskanie efektu zawirowania ładunku powietrza w komorze cylindra. Skutkowało to tworzeniem się uboższej mieszanki, co przyczyniało się z kolei do mniejszego zużycia paliwa. System krzywek blokowanych ciśnieniem oleju umożliwiał w zakresie większych obciążeń pracę zaworów ssących z jednakowym skokiem, co skutkowało zwiększeniem się napełniania cylindra, a tym samym wzbogaceniem mieszanki – większa moc.

Wspomnieć należy, że system rozpoznawał obciążenie silnika i był wysterowany na dwie wartości progowe. Podczas pełnego obciążenia silnika, system VTEC-E był załączany zaraz po przekroczeniu 2700 obr/min, a podczas częściowego obciążenia silnika było możliwe dłuższe zaopatrywanie go w uboższą mieszankę aż do przekroczenia 3300 obr/min.

Środkowa krzywka o agresywnym zarysie pozwalała na stosowanie sportowej charakterystyki pracy silnika, natomiast krzywka o łagodnym zarysie pozwalała na pracę silnika w trybie ekonomicznym. Kolejnym krokiem japońskich konstruktorów, była wersja VTEC z trójstopniowym załączaniem. Dzięki temu rozwiązaniu można było dokładnie realizować chwilowe zapotrzebowanie na ładunek powietrza, łącznie z uzyskaniem pożądanego efektu zawirowania, charakterystycznego dla małych obciążeń silnika.

Ekonomiczny tryb pracy trójstopniowego VTEC’a:

Załączenie ekonomicznego trybu pracy VTEC’a powoduje pracę tylko jednego z dwóch zaworów (na cylinder) ssących. Spowodowało to pożądany efekt zawirowania mieszanki w zakresie małych prędkości obrotowych silnika. Zawór sterujący przemieszczaniem się układu trzpieni w systemie VTEC pozostaje w pozycji zamkniętej, dzięki temu wydrążony wewnątrz popychacz może pracować ze swoją naturalną charakterystyką. Tę swobodę zapewnia neutralna pozycja trzpieni w środku popychacza, które poprzez sprężyny są utrzymywane w pozycji obojętnej w stosunku do ruchu krzywek w najmniejszym wzniosie oraz największym. Taka charakterystyka ruchu zaworów jest utrzymywana do prędkości 2500 obr/min. Drugi tryb z trzystopniowego systemu VTEC odpowiada pracy jednostki charakterystycznej dla średnich prędkości obrotowych w zakresie od 2500 do 6000 obr/min.

Drugi tryb pracy systemu VTEC:

Podczas tego trybu pracy systemu, zawór sterujący wpływem oleju do wydrążonego popychacza umożliwia wpłynięcie oleju do wewnątrz, powodując tym samym przesunięcie się trzpienia odpowiedzialnego za współpracę obydwu popychaczy zaworów ssących z krzywką o średnim wzniosie. Zapewnia to taki sam napływ ładunku do cylindra, co pozwala na łagodne rozwijanie mocy w zakresie średnich prędkości obrotowych. Powyżej 6000 obr/min olej napływający do dwóch kanałów wydrążonego popychacza powoduje zablokowanie całego układu w pozycji bardziej agresywnej, odpowiadającej sportowym nastawom pracy silnika.

Tryb trzeci, sportowe nastawy pracy silnika:

Wznios obydwu zaworów jest jednakowy, tak jak w przypadku średnich prędkości obrotowych, ale znacznie większy. Pozwala to na znaczące wydłużenie czasu otwarcia zaworów ssących, co wiąże się z jeszcze lepszym współczynnikiem napełniania cylindra. W efekcie otrzymujemy silnik oszczędny a zarazem bardzo mocny.

Udoskonalony i-VTEC

Ostatnią ewolucją był system i-VTEC, które zostało zastosowane w chociażby najnowszej generacji Hondy Accord. System ten cechuje się płynną regulacją zachodzenia na siebie okresów otwarcia zaworów. Pozwala to na kontrolowanie w sposób płynny przebiegu wtrysku napełniania, w zależności od zadanego obciążenia silnika. Jednocześnie system nazwany VTC jest zbudowany w podobny sposób jak u innych producentów, którzy dostrzegli korzyści płynące z poprawiania przebiegu napełniania cylindrów w silniku. Do grona tych producentów zaliczyć możemy BMW, które opracowało swoją konstrukcję pod nazwą VANOS. Podobne do rozwiązania Hondy jeśli chodzi o mechanizm płynnego sterowania czasem otwarcia zaworów. Natomiast zadanie pośredniczenia między wałem korbowym a obydwoma wałkami rozrządu przejmują tutaj dwa zsynchronizowane ze sobą łańcuchy rozrządu. Podobny pod względem efektów jest system, zastosowany przez Toyotę o nazwie VVTi. Zastosowanie systemu VTC pozwoliło nie tylko zwiększyć moc silników w zakresie niskich prędkości obrotowych ale również na redukcję emisji szkodliwych substancji. Główną rolę w układzie VTC odgrywa mechanizm w postaci tulei, który umiejscowiony jest pomiędzy wałkiem rozrządu a kołem rozrządu. Tuleja, w celu współpracy zarówno z wałkiem rozrządu jak i z kołem rozrządu, jest obustronnie nagwintowana. Gwint wewnętrzny łączący tuleję z wałkiem rozrządu jest nacięty w sposób spiralny. Zastosowanie takiego właśnie gwintu zaowocowało tym, że możliwe jest dokładne i płynne kontrolowanie przemieszczenia koła rozrządu w stosunku do wałka rozrządu. Należy jednak pamiętać, że system VTC stosowany w Hondzie, wraz z jego odmianami użytymi m.in. w BMW o nazwie VANOS, czy Toyocie o nazwie VVTi, służy jedynie do płynnej kontroli zachodzenia na siebie czasów otwarć zaworów ssących jak i wydechowych. Dopiero system VTEC jako całość, którego elementem konstrukcyjnym jest VTC, jest w stanie kontrolować wysokość wzniosu zaworów i bezwzględny czas ich otwarcia.

Układ systemu i-VTEC:

Honda stosując system płynnego kontrolowania zachodzenia na siebie czasów otwarć zaworów, wykorzystała przesuwny promieniowo mechanizm zabudowany w kole rozrządu, pozwalający na kątowe przemieszczenie koła w stosunku do wałka rozrządu. Mechanizm ten jest rozwiązaniem charakterystycznym dla Hondy oraz stanowi integralną część systemu VTEC. Inne marki poszły inną drogą rozwojową jednak uzyskany efekt końcowy był taki sam. Charakterystycznym elementem w układzie i-VTEC jest regulowana długość przewodu dolotowego w celu osiągnięcia wzrostu momentu obrotowego w zakresie niskich i średnich prędkości obrotowych. Działanie zmiennej długości przewodu dolotowego oparte jest na zastosowaniu w świetle kolektora zaworu obrotowego, który pozwala na przepływ powietrza krótszą lub dłuższą drogą.

Działanie zmiennej długości kanału dolotowego i-VTEC:

System opracowany przez Toyotę o nazwie VVTi umożliwia wcześniejsze lub późniejsze okresy otwierania się zaworów. Dodatkowym atutem tego rozwiązania jest jego niski koszt produkcji w stosunku do pozostałych systemów sterujących pracą układu rozrządu.

Działanie systemu opracowanego przez Toyotę – VVTL-i:

Ewolucją systemu VVT-i jest rozwiązanie VVTL-i, które zapewnia nie tylko płynne sterowanie czasem otwarcia zaworów, ale i zróżnicowanie wzniosu zaworów w zależności od obciążenia silnika w odniesieniu do zaworów dolotowych i wydechowych. Działanie tej konstrukcji polega na sterowaniu zaworami zarówno dolotowymi, jak i wydechowymi za pomocą dwóch różnych profili krzywek na wałku rozrządu. Są one dostosowane do danego obciążenia silnika. Krzywka, pozwalająca na dłuższy czas otwarcia zaworów, nie wpływa na dźwignię popychacza hydraulicznego współpracującego z krzywką odpowiedzialną za zakres niskich prędkości obrotowych. Sytuacja taka ma miejsce, aż do momentu przejścia silnika w wyższy zakres prędkości obrotowych, kiedy ruchoma podkładka zostaje przesunięta ciśnieniem oleju i wtedy układ sterowany jest za pomocą krzywki wysokoobrotowej. Łagodniejsza charakterystyka jej powierzchni pozwala na maksymalne wydłużenie czasu otwarcia zaworów w porównaniu do krzywki odpowiedzialnej za nastawy pracy w niższych partiach prędkości obrotowych o stromej charakterystyce powierzchni. Ponadto przesuwana ciśnieniem płytka, warunkująca współpracę krzywki łagodniejszej z powierzchnią popychacza hydraulicznego, wpływa na większy wznios zaworów.System VANOS, opracowany przez niemiecką firmę BMW, również w wersji Double VANOS, pozwala na płynne kontrolowanie faz rozrządu.

Działanie systemu VANOS

System Double VANOS, stosowany przez BMW:

W porównaniu do innych systemów zmiennych faz rozrządu, był rozwijany nieco inną drogą ale efekt końcowy jest taki sam jak w przypadku innych systemów, a więc zwiększenie sprawności napełniania cylindra. Działanie systemu VANOS oparte jest na ciśnieniowym mechanizmie przesuwnym, który steruje ruchem tłoczka wpływającego na ruch tulei z naciętym gwintem spiralnym. Oddziaływanie tłoczka na tą tuleję, poruszającą się po wyznaczonej linii przez gwint spiralny, powoduje zmianę przesunięcia fazowego otwarcia zaworów dolotowych w sposób płynny i zależny od zadanego przez tłoczek przesuwu. Ruch tłoczka jest sterowany za pomocą zaworów elektromagnetycznych, które odbierają sygnały od sterownika silnika. Rozwiązanie Double VANOS to kolejny krok BMW w ewolucji autorskiego systemu. Zaimplementowano w nim dodatkowo sterowanie zmiennymi fazami rozrządu na zaworach wydechowych, co pozwala na zwiększenie ogólnej sprawności napełniania cylindra.

Doładowanie oscylacyjne stosuje się w silnikach benzynowych o wielopunktowym wtrysku paliwa, gdzie do każdego cylindra doprowadzany jest osobny przewód dolotowy, rozpoczynający się we wspólnym kolektorze zbiorczym. Efekt osiągniętego doładowania zależy w dużej mierze od geometrii przewodów dolotowych oraz od prędkości obrotowej jednostki napędowej.

Doładowanie bezwładnościowe zastosowano głównie w silnikach spalinowych pojazdów o szerokim zakresie użytecznych prędkości obrotowych silnika. Z tego względu, dobór pojedynczych przewodów dolotowych jest nieadekwatny do zamierzonych celów. Krótkie przewody dolotowe poprawiają współczynnik napełniania silnika przy niskich prędkościach obrotowych, z kolei długie w zakresie wyższych prędkości obrotowych. Najlepszym rozwiązaniem jest stosowanie przewodów dolotowych o regulowanej długości, lecz jest to sposób bardzo kosztowny przez co spotykany jedynie w samochodach sportowych lub produkcji małoseryjnej. W silnikach powszechnie produkowanych samochodów stosuje się regulację skokową przez włączenie bądź odcinanie przepływu ładunku powietrza przez konkretny odcinek kolektora dolotowego. Rozwiązanie tego typu zostało zastosowane w 3-litrowym rzędowym silniku o 6 cylindrach w samochodzie Opel Omega Caravan. Czy to turbosprężarka?

Zmienna długość przewodów dolotowych - Dual-RAM

Rozwiązanie Dual-RAM pozwala na dwufazowe sterowanie długością przewodów dolotowych, gdzie granicą zmiany długości jest przekroczenie prędkości obrotowej silnika. Przekroczenie prędkości obrotowej 4000 obr/min powoduje skrócenie długości pojedynczych przewodów dolotowych, zasilających poszczególne cylindry silnika, do 400 mm. Do prędkości 4000 obr/min długość przewodów dolotowych wynosi 700 mm, dzięki czemu przepustnica w kolektorze rezonansowym pozostaje zamknięta. Silnik z punktu widzenia zjawiska napełniania, pracuje jak dwie jednostki trzycylindrowe. Zastosowanie takiego rozwiązania umożliwiło uzyskanie bardziej płaskiej charakterystyki przebiegu momentu obrotowego w szerszym zakresie prędkości obrotowych w odniesieniu do silnika bazowego.

Podobne rozwiązanie wykorzystujące zjawisko rezonansowe w procesie napełniania cylindra, jest Multi-RAM, zastosowany w układzie dolotowym widlastej 6-cylindrowej jednostki Opla. Pozwoliło to na dostarczanie ładunku powietrza do każdego cylindra silnika za pomocą dwóch przewodów dolotowych, izolowanych od siebie dwiema przepustnicami.

W zakresie niskich prędkości obrotowych silnika do wartości 3000 obr/min ładunek powietrza dostarczany jest długimi (750 mm) przewodami dolotowymi. Dzięki zastosowaniu takiej długości, geometrii, umożliwiającej przebieg procesu napełniania odrębnie dla dwóch rzędów cylindrów, uzyskano 90% wartości momentu obrotowego już od 2500 obr/min.

Gdy przekroczony zostanie prób 3000 obr/min, przepustnica w układzie dolotowym od strony filtra powietrza zostaje otwarta, co powoduje skrócenie długości przewodów do 480 mm. Warunkuje to poprawę napełniania cylindrów w średnim zakresie prędkości obrotowej silnika. Otwarcie drugiej przepustnicy, ulokowanej po przeciwnej stronie silnika, następuje po przekroczeniu 4300 obr/min i umożliwia zwiększenie przepływu ładunku powietrza w zakresie największych obciążeń jednostki.

Układ dolotowy silnika BMW serii 7 jest zoptymalizowany pod kątem elastyczności silnika. Napełnianie realizują przewody o jednakowej długości o owalnym kształcie, co pozytywnie wpływa na rozwijanie mocy i momentu obrotowego przez silnik w całym zakresie prędkości obrotowej.

Doładowanie rezonansowe jest skutkiem wprawienia w drgania ładunku powietrza znajdującego się w kolektorze dolotowym przy określonej prędkości obrotowej silnika, powodowanych przez posuwisto-zwrotny ruch tłoka w cylindrze. Układ doładowania rezonansowego łączy wspólnym kolektorem (z pomocą krótkich przewodów dolotowych) z grupą cylindrów, pracujących w tym samym momencie. Poszczególne kolektory łączą się za pomocą dłuższych przewodów rezonansowych z zasobnikiem zbiorczym. Taki podział, ze względu na kolejność zapłonu poszczególnych cylindrów, ma za zadanie zmniejszyć zakłócenia przebiegu przepływu powietrza. Rozwiązanie tego typu odnaleźć można szczególnie w silnikach o przeciwsobnym układzie cylindrów (bokser). Warte uwagi jest to, że kolejność zapłonu poszczególnych cylindrów przebiega w taki sposób by pobierały one powietrze na przemian z kolektorów rezonansowych, powodując tym samym powstanie fali ciśnienia. Ta metoda uzyskuje największą sprawność, kiedy częstotliwość zapłonu poszczególnych cylindrów pokrywa się z częstotliwością wywołaną przemieszczeniem się fali. Częstotliwość fali zależy od przekroju przewodu dolotowego. W celu poprawienia procesu napełniania w zakresie średnich prędkości obrotowych, przekrój jednego z kolektorów zostaje zamknięty co powoduje zmniejszenie częstotliwości. W zakresie wyższych prędkości obrotowych przekroje obu kolektorów rezonansowych są otwarte, co pozwala na maksymalne napełnianie cylindrów podczas pełnego obciążenia silnika. Rozwiązanie tego typu stosowało Porsche między innymi w modelu Carrera 964 Turbo.

System Vario-RAM od Porsche

System opracowany przez Porsche polega na tym, że do prędkości obrotowej 5000 obr/min napełnianie cylindrów jest realizowane przy pomocy długich przewodów dolotowych, a cały układ rezonansowy jest wyłączony. W zakresie pomiędzy 5000 a 5800 obr/min, w procesie napełniania biorą udział dwa długie przewody dolotowe oraz jeden krótszy. Gdy próg 5800 obr/min zostanie przekroczony, układ rezonansowy zostaje całkowicie otwarty i realizuje napełnianie silnika w zakresie pełnego obciążenia. Ze względu na konstrukcję tego typu doładowania, wymagana jest duża powierzchnia do ulokowania tego układu. Największą jego zaletą jest jednak cena takie układu. Jest ona nieporównywalnie niższa od innych stosowanych układów doładowania przy czym efekt jest taki sam.

Zmienna geometria przewodów dolotowych wydaje się być najbardziej efektywną z metod doładowania dynamicznego. Pozwala ona na uniezależnienie układu napełniania od stanu obciążenia silnika i dopasowanie ich geometrycznego kształtu do płynnie zmieniającego się zapotrzebowania jednostki na powietrze. Realizowane jest to dzięki ruchomej przesłonie, która tworzy dwie drogi przepływu powietrza. W zakresie małych prędkości obrotowych, aktywny jest dłuższy przewód dolotowy, natomiast na wyższych prędkościach obrotowych – krótszy. Pozwala to na maksymalne wykorzystanie przekroju przewodu do przepływu ładunku powietrza.