Ograniczenia w stosowaniu doładowania

Fundamentalnym ograniczeniem w stosowaniu doładowania silników o zapłonie iskrowym z punktu widzenia konstrukcyjnego jest stopień sprężania, który odpowiada za spalanie bezstukowe mieszanki zawartej w cylindrze. Mieszanka ta, wprowadzona do cylindra pod zwiększonym ciśnieniem, w wyniku doładowania będzie miała skłonność do spalania stukowego. Z kolei liczba oktanowa paliwa ma ograniczoną wartość, której nie przekracza się na ogół w silnikach normalnie eksploatowanych. Można zapobiegać temu przez zmniejszenie stopnia sprężania, które jest korzystne szczególnie w przypadku turbodoładowania, gdyż poprawia sprawność układu silnik-turbosprężarka przy zwiększeniu prędkości obrotowych i obciążenia.

Na możliwości powstania spalania stukowego wpływają dwa czynniki: stopień sprężania oraz liczba oktanowa paliwa, związane ze sobą nierozłącznie. Ze wzrostem temperatury powietrza doładowującego maleje jego ciśnienie dla stałego współczynnika nadmiaru powietrza. Wyższe wartości ciśnienia doładowania dla benzyny o wyższej liczbie oktanowej wskazują na to, jakie jest ograniczenie możliwości doładowani ze względu na spalanie stukowe. Ograniczeniem jest tu maksymalne ciśnienie spalania, a więc znowu możliwość spalania stukowego. Zmniejszając stopień sprężania można zwiększać sprawność obiegu, ale granicą jest tu z kolei możliwość uzyskania rozruchu w niskich temperaturach otoczenia, choć nie w tak znacznym stopniu, jak to ma miejsce w silnikach o zapłonie samoczynnym. Dla małego stopnia sprężania można uzyskać względnie duże ciśnienie indykowane, a tym samym duże maksymalne ciśnienie spalania bez spalania stukowego.

Kolejną przyczyną problemów związanych z zastosowania doładowania turbosprężarkowego był szeroko rozumiany stan konstrukcji turbosprężarek. O ile w silnikach samochodów ciężarowych wysokoprężnych, o dużej objętości skokowej, można było stosować turbosprężarki o względnie dużych średnicach wirnika, o tyle w szybkoobrotowych silnikach o zapłonie iskrowym były wymagane turbosprężarki o bardzo dużych prędkościach obrotowych i małych średnicach wirnika. Było to konieczne ze względu na mały moment bezwładności wirnika turbosprężarki, wymagany do zapewnienia jej dobrych przyspieszeń.

Z uwagi na małe rozmiary turbosprężarki, straty energii paliwa wynoszą ok 5% i powodują znaczne zmniejszenie jej sprawności adiabatycznej. Aby zmniejszyć straty na zawirowanie, łopatki nie mają zakończenia prostopadłego, lecz są odchylone pod kątem 8◦. Przy takim rozwiązaniu zmniejszają się straty prędkości na wylocie.

Zwiększenie sprawności małogabarytowych turbosprężarek o 5 ÷ 8% uzyskuje się przez zwiększenie średnicy wirnika na wlocie gazów do wirnika. Poprawę sprawności małowymiarowych turbosprężarek do wysokiego doładowania silników uzyskuje się przez układ regulacji łopatek kierownicy i dobór technologii wykonania części przepływowej turbiny z odpowiednich stopów, a wirników – z wykorzystaniem pokryć ceramicznych.

Wynika to z różnicy temperatur obiegów silnika o zapłonie samoczynnym i zapłonie iskrowym. W silnikach o zapłonie samoczynnym i o stosunkowo niskiej temperaturze spalania (około 1800 ÷ 2100 K) można było stosować turbosprężarki o względnie dużych średnicach wirnika, wykonanych z materiału zapewniającego prawidłową pracę turbiny w temperaturze spalin 700◦C (973 K) i pracę w czasie nie przekraczającym jednej godziny w temperaturze 760◦C (1033 K). W silnikach o zapłonie iskrowym było to niemożliwe. Wspomniane maksymalne temperatury spalania w silnikach o zapłonie samoczynnym powodowały, że temperatura gazów spalinowych mieściła się w granicach 700 ÷ 900◦C, a więc 973 ÷ 1223 K, co przy aktualnie stosowanych materiałach na wirniki turbin nie było przeszkodą w ich zastosowaniu. W silnikach o zapłonie iskrowym maksymalne temperatury spalania wynosiły 2400 ÷ 2700◦C (2673 ÷ 2973 K), a temperatury gazów spalinowych 850 ÷ 1100◦C (1123 ÷ 1373 K), co wykluczało możliwości zastosowania ówczesnych turbosprężarek ze względu na wytrzymałość cieplną wirnika turbiny.

Zmniejszenie średnicy wirnika turbosprężarki przyniosło jednocześnie zmniejszenie jego masowego momentu bezwładności, który w zasadniczy sposób wpływa na zdolność przyspieszania, a tym samym nadążanie z podawaniem do cylindrów niezbędnej masy powietrza. Nawet niewielkie zwiększenie masowego momentu bezwładności wirnika powoduje znaczne zwiększenie zadymienia spalin oraz wydłużenie czasu rozpędzenia zespołu silnik-turbosprężarka do momentu ustabilizowania się parametrów pracy tego zespołu. W krańcowym przypadku zwiększenie masowego momentu bezwładności o 3,85% spowodował przyrost czasu rozpędzania o 27,7% oraz zadymienia spalin o 30%.

Właściwy dobór układu doładowania turbosprężarkowego silników o zapłonie iskrowym wymaga pogodzenia ze sobą przeciwstawnych wymagań. W zależności od cech konstrukcyjnych przeznaczonego do doładowania silnika należy przeprowadzić optymalizację parametrów jego współpracy z turbosprężarką, w celu uzyskania pożądanych efektów techniczno-eksploatacyjnych.

Omówiona problematyka związana z doładowaniem turbosprężarkowym silników o zapłonie iskrowym wskazuje wyraźnie, że o ile sprawy związane z konstrukcją, budową i eksploatacją turbosprężarek zostały rozwiązane pomyślnie, o tyle w dalszym ciągu pozostaje do rozwiązania problem rozsądnego kompromisu między stopniem sprężania lub ciśnieniem doładowania a liczbą oktanową paliwa i ograniczeniem w tej mierze pozostaje ewentualność spalania stukowego. Jest to nie do przyjęcia ze względów eksploatacyjnych, gdyż wpływa w zasadniczy sposób na żywotność silnika i jego elementów. Sprawę nadążania turbosprężarki z podawaniem wymaganej ilości powietrza rozwiązano dzięki zastosowaniu nowych tworzyw, co umożliwiło miniaturyzację wirników, a tym samym na skrócenie czasu odpowiedzi zespołu turbosprężarkowego. Poza tym na poprawę właściwości dynamicznych tego zespołu wpłynęło zastosowanie upustu spalin w okresie pracy turbosprężarki w warunkach ustalonych i pełne wykorzystanie ich energii w czasie p