Για την αύξηση της ιπποδύναµης, υπάρχουν δύο σχετικά απλές επιλογές σε έναν κινητήρα: τα turbo (turbocharger - στροβιλοσυµπιεστές ή υπερπληρωτές εξάτµισης ή φυγοκεντρικοί υπερπληρωτές) και οι κοµπρέσορες (supercharger - υπερσυµπιεστές ή µηχανικοί υπερπληρωτές ή ογκοµετρικοί υπερσυµπιεστές). Ποια θεωρείται καλύτερη επιλογή;
Η παραγόµενη ιπποδύναµη από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης έχει άµεση σχέση µε την ποσότητα του καυσίµου που καίγεται µέσα στον κύλινδρο. Όσο περισσότερο καύσιµο καεί, τόσο µεγαλύτερη και η ιπποδύναµη.
Σε έναν ατµοσφαιρικό κινητήρα, ο αέρας εισαγωγής αναρροφάται από τον κύλινδρο µε πίεση (τουλάχιστον θεωρητικά) ατµοσφαιρική. Στην πράξη, η πίεση αυτή βρίσκεται περίπου στη µισή ατµόσφαιρα. Σε έναν κινητήρα µε υπερπλήρωση, η πίεση εισαγωγής µπορεί να είναι µεγαλύτερη από την ατµοσφαιρική. Έτσι, η ποσότητα του αέρα που µπαίνει στον κύλινδρο είναι αρκετά µεγαλύτερη. Σε έναν τέτοιο κινητήρα, η αύξηση της ποσότητας του µίγµατος που συµµετέχει στην καύση εξαρτάται από την πίεση µε την οποία µπαίνει ο αέρας στον κύλινδρο.
Ομοιότητες και διαφορές
Πριν αναφερθούμε στις διαφορές, ας δούμε τι κοινό έχουν τα turbo και οι κομπρέσορες, από μηχανική άποψη. Και τα δύο είναι συστήματα εξαναγκασμένης εισαγωγής. Χρησιμοποιούν συμπιεστές, για να ωθήσουν πεπιεσμένο αέρα στον κινητήρα, ο οποίος επιτρέπει την επίτευξη υπερπλήρωσης του κινητήρα, συμβάλλοντας στη δημιουργία πρόσθετης ισχύος.
Περισσότερος αέρας σημαίνει και περισσότερα καύσιμα, για μεγαλύτερη ισχύ από κάθε έκρηξη σε κάθε κύλινδρο. Ένας υπερτροφοδοτούμενος κινητήρας παράγει περισσότερη ισχύ συνολικά από τον ίδιο κινητήρα, με κανονική τροφοδοσία.
H βασική διαφορά τους αφορά την πηγή της ενέργειάς τους. Το turbo εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των καυσαερίων, που πήγαινε χαμένη, για την κίνηση του συμπιεστή. Από την άλλη πλευρά, ο κομπρέσορας εξαρτάται από την περιστροφή του κινητήρα. Μπορεί να παίρνει κίνηση με γρανάζι ή με ιμάντα από τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα. Η κύρια διαφορά µεταξύ τους είναι η προέλευση της κίνησης. Τα turbo παίρνουν κίνηση από τα καυσαέρια, ενώ οι κοµπρέσορες από τον στροφαλοφόρο άξονα.
Η λειτουργία του turbo
Αποτελείται από έναν κοινό άξονα που στο ένα άκρο φέρει έναν στρόβιλο ή φτερωτή, που κινείται από τη ροή των καυσαερίων και ονομάζεται τουρμπίνα, και στο άλλο άκρο υπάρχει ένας ακόμη στρόβιλος, ο συμπιεστής, που συμπιέζει τον αέρα της εισαγωγής.
Τα καυσαέρια χτυπούν με πίεση και ταχύτητα τα πτερύγια του στροβίλου της τουρμπίνας και θέτουν τον άξονα σε περιστροφή. Η ταχύτητα του στροβίλου συνήθως ξεπερνά τις 100.000 στροφές ανά λεπτό.
Ο συμπιεστής, ο δεύτερος στρόβιλος, που είναι συνδεδεμένος με τον άξονα, περιστρέφεται και αυτός με την ίδια ταχύτητα περιστροφής. Πατώντας ο οδηγός το πεντάλ του γκαζιού αυξάνουν οι στροφές του κινητήρα, όπως και ο όγκος και η ταχύτητα των καυσαερίων. Η τουρμπίνα επιταχύνεται, όπως επίσης και ο αέρας εισαγωγής που συμπιέζεται.
Η αποτελεσματικότητα του turbo εξαρτάται από τις στροφές του κινητήρα. Στις χαμηλές στροφές, κάτω από 60.000 ανά λεπτό, παράγονται λίγα καυσαέρια και ο κινητήρας λειτουργεί ως ατμοσφαιρικός. Αυξάνοντας οι στροφές, περνά σε φάση υπερσυμπίεσης.
Η λειτουργία του κοµπρέσορα
Οι πρώτοι μηχανικοί υπερσυμπιεστές ήταν τύπου Roots. Αυτός αποτελείται από ένα ζεύγος λοβών που περιστρέφονται σε ένα αλουμινένιο κέλυφος. Η περιστροφή των λοβών σπρώχνει αέρα στην πολλαπλή εισαγωγής σε ποσότητα μεγαλύτερη από όσο μπορεί να αναρροφήσει ο κινητήρας. Έτσι, στην πολλαπλή εισαγωγής σχηματίζεται υπερπίεση.
Ο υπερσυμπιεστής κινείται συνήθως από ιμάντες και παίρνει κίνηση από την τροχαλία του στροφάλου. Όσο γρηγορότερα περιστρέφεται ο συμπιεστής, τόσο περισσότερο αέρα συμπιέζει.
Δυστυχώς ο αέρας αυτός θερμαίνεται. Εσωτερικές απώλειες και διαρροές περιορίζουν σημαντικά την απόδοση στους Roots.
Σήμερα χρησιμοποιούνται συνήθως κοχλιωτοί συμπιεστές, όπου δύο κοχλίες σε επαφή περιστρέφονται συμπιέζοντας τον αέρα. Σε αυτούς, η πίεση υπερπλήρωσης είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τους Roots και ο εξωτερικός τους όγκος είναι σχετικά μικρός.
Τι είναι καλύτερο;
Υπάρχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και στα δύο συστήματα.
Θεωρητικά, ένα turbo είναι πιο αποδοτικό, επειδή χρησιμοποιεί τη «χαμένη» ενέργεια από τη ροή των καυσαερίων, για την πηγή της ισχύος. Παράλληλα, η απόδοση που παρέχει ένα turbo σε μεγάλα υψόμετρα είναι σημαντικά καλύτερη. Εκεί, λόγω της χαμηλότερης πίεσης αέρα, η απώλεια ισχύος είναι σημαντική. Το turbo περιορίζει αυτές τις απώλειες και η χαμηλότερη πυκνότητα αέρα, στην είσοδό του, εξισώνεται κατά ένα μεγάλο μέρος. Ως εκ τούτου, η απώλεια ισχύος της μηχανής είναι πολύ μικρή έως αμελητέα.
Ωστόσο, το turbo προκαλεί κάποια αντίθλιψη στο σύστημα εξάτμισης και τείνει να παρέχει μικρότερη ιπποδύναμη, μέχρι ο κινητήρας να λειτουργεί σε υψηλότερες στροφές.
Ένα σοβαρό πρόβλημα είναι η υστέρηση (turbo lag). Πρόκειται για την καθυστέρηση από τη στιγμή που θα πατήσει ο οδηγός το πεντάλ του γκαζιού, μέχρι να αρχίσει να ανεβάζει στροφές ο κινητήρας. Με το turbo υπάρχουν αδράνειες που έχουν ως αποτέλεσμα να καθυστερεί ο κινητήρας σε αυτή την απόκριση.
Άλλο ένα μειονέκτημα αφορά τη λίπανση. Ένα turbo χρησιμοποιεί λιπαντικό κινητήρα, που προσθέτει απαιτήσεις στο κύκλωμα λίπανσης του κινητήρα. Και καθώς η θερμοκρασία στο turbo είναι υψηλότερη από αυτήν του κινητήρα, προκύπτει η ανάγκη για καλύτερη ποιότητα λαδιού, καθώς δημιουργείται γρηγορότερη φθορά και υποβάθμιση του λαδιού.
Ο κοµπρέσορας παίρνει κίνηση από τον κινητήρα, µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται απώλεια ισχύος λόγω των εσωτερικών τριβών.
Η ισχύς που απαιτείται για την κίνηση του κομπρέσορα αντιστοιχεί μέχρι και στο 15% της εξόδου ισχύος του κινητήρα. Επομένως, η κατανάλωση καυσίμου είναι υψηλότερη σε σύγκριση με έναν κινητήρα με ατμοσφαιρική εισαγωγή ή με τούρμπο.
Η εξέλιξη
Από νωρίς έγινε προσπάθεια να δημιουργηθεί κάτι που να συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των δύο συστημάτων. Αυτό που ενδιέφερε, αρχικά, ήταν η αύξηση της ιπποδύναμης χωρίς το turbo lag. Σήµερα το βάρος µεταφέρεται στην οικονοµία καυσίµου και τους λιγότερους ρύπους, αντί της µέγιστης ιπποδύναµης.
Η Lancia παρουσίασε μία έξυπνη λύση, έναν συμπιεστή που έπαιρνε κίνηση και από τον στροφαλοφόρο και από τα καυσαέρια: τον Comprex. Σε ό,τι αφορά την ιπποδύναμη τα κατάφερε καλά, αλλά από την άποψη της αξιοπιστίας, όχι. Έτσι, δεν χρησιμοποιήθηκε ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Μία άλλη προσπάθεια ήταν του γκρουπ VAG με τη διάταξη TSi, όπου υπήρχε τοποθετημένος ένας κομπρέσορας και ένα τούρμπο. Στις χαμηλές στροφές λειτουργούσε ο κομπρέσορας και στις υψηλές το τούρμπο. Άλλες λύσεις που δόθηκαν ήταν με δύο τούρμπο, ένα για τις χαμηλές και ένα για τις υψηλές στροφές. Αλλά και με τούρμπο μεταβλητής γεωμετρίας.
Η εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας των καυσαερίων εξοικονομεί καύσιμα. Η τάση είναι τα ηλεκτρικά τούρμπο, όπου στις χαμηλές στροφές ένας ηλεκτροκινητήρας υποστηρίζει την περιστροφή του στροβίλου. Έτσι η απόκριση είναι άμεση και το turbo lag εξαφανίζεται. Στις δε υψηλές στροφές, ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί σαν γεννήτρια, ανακτώντας την κινητική ενέργεια από τα καυσαέρια. Αποτελεί μία ιδανική λύση για τις υβριδικές διατάξεις και ειδικά για τα ήπια υβριδικά.
