Doładowanie silników | Ciśnienie rośnie

A jednak sprężarka

Doładowanie, dzięki któremu silnik nie musi trudzić się z zasysaniem powietrza do cylindrów, daje ogromne możliwości w zakresie podnoszenia dynamiki silnika. Jak duże? Wystarczy zerknąć w dane techniczne Kawasaki H2R. Ten motocykl nie wyjedzie na publiczne drogi, ale moc maksymalna 326 KM z litra pojemności skokowej pokazuje, jaki potencjał tkwi w doładowaniu.

Bliźniaczy H2, który dostępny będzie w salonach, ma co prawda „tylko” 210 KM, ale producent musiał zadbać przecież o odpowiednią trwałość podzespołów i akceptowalną przez rynek cenę. Czy taka moc z litrowego silnika to dużo czy mało? Dyskusjom pewnie nie będzie końca. Ważniejsze, w jaki sposób konstruktorzy „wydobyli” tę moc z czterocylindrowca.

Zrobili to przy pomocy sprężarki napędzanej od wału korbowego poprzez przekładnię planetarną, znacząco podnoszącą obroty wirnika tłoczącego powietrze do układu dolotowego. Postąpili zatem w taki sam sposób, jak pionierzy doładowania, bowiem historia wymuszonego wtłaczania powietrza do cylindrów zaczęła się właśnie od sprężarek.

Doładowanie, dzięki któremu silnik nie musi trudzić się z zasysaniem powietrza do cylindrów, daje ogromne możliwości w zakresie podnoszenia dynamiki silnika. Jak duże? Wystarczy zerknąć w dane techniczne Kawasaki H2R. Ten motocykl nie wyjedzie na publiczne drogi, ale moc maksymalna 326 KM z litra pojemności skokowej pokazuje, jaki potencjał tkwi w doładowaniu.

Bliźniaczy H2, który dostępny będzie w salonach, ma co prawda „tylko” 210 KM, ale producent musiał zadbać przecież o odpowiednią trwałość podzespołów i akceptowalną przez rynek cenę. Czy taka moc z litrowego silnika to dużo czy mało? Dyskusjom pewnie nie będzie końca. Ważniejsze, w jaki sposób konstruktorzy „wydobyli” tę moc z czterocylindrowca.

Zrobili to przy pomocy sprężarki napędzanej od wału korbowego poprzez przekładnię planetarną, znacząco podnoszącą obroty wirnika tłoczącego powietrze do układu dolotowego. Postąpili zatem w taki sam sposób, jak pionierzy doładowania, bowiem historia wymuszonego wtłaczania powietrza do cylindrów zaczęła się właśnie od sprężarek.

źródło:

Podniebni pionierzy

Pierwsze próby doładowania silników benzynowych prowadzone były w lotnictwie wojskowym już podczas pierwszej wojny światowej. Głównym celem konstruktorów było utrzymanie niezmiennej mocy silników podczas lotów na dużych wysokościach. Doładowanie doskonale zdało egzamin, dlatego podjęto próby przeniesienia tych doświadczeń do pojazdów.

Początkowo były to systemy doładowania mechanicznego. Sprężarki w motocyklach pojawiły się już pod koniec lat dwudziestych. Jedną z pierwszych zamontowano w BMW 750 Ernsta Hennego, bijącego rekordy prędkości. Osiemdziesięciokonny silnik pozwolił osiągnąć Niemcowi 217 km/h. Jego konkurent, Brytyjczyk Joe Wright, również jeździł doładowanym motocyklem OEC Temple JAP 1000 o mocy 85 KM. Wright osiągnął 221 km/h. Henne odpowiedział niebawem wynikiem 222 km/h. W 1935 r. doładowany BMW 750 miał już 100 KM, a w 1936r. nawet 106 KM.

Jeszcze przed wojną, w 1935 r., pojawiły się doładowane DKW Ure 250, Velocette Roarer i Gilera 500. W 1939r. doładowane BMW zwyciężyło w klasie senior podczas wyścigów TT na wyspie Man.

Przygoda z turbiną

Doładowanie silników lotniczych doskonale sprawdziło się również podczas drugiej wojny światowej, gdy zaczęto stosować bardziej wyrafinowane rozwiązania. Były to na przykład układy dwusystemowe, w których przy tej samej jednostce napędowej montowano zarówno turbosprężarkę jak i sprężarkę mechaniczną. Jednak konstruktorzy motocykli nie wykorzystali tych doświadczeń, bo w powojennych realiach na powodzenie mogły liczyć tylko proste i tanie jednoślady.

W 1951 r. jeszcze jedną, udaną próbę doładowania podjęło NSU w motocyklu do bicia rekordu prędkości. Delphin III miał pojemność 500 ccm, moc 110 KM przy 8000 obr/min i osiągnął 339 km/h. Potem słuch o doładowaniu w jednośladach zaginął.

Sprawa wróciła, gdy Honda zaszokowała motocyklowy świat silnikiem z turbodoładowaniem. Model CX 500 Turbo z 1980 r. był owocem technicznego „wyścigu zbrojeń” dekady lat siedemdziesiątych, w którym wyczerpano dostępne wówczas możliwości znaczącego podnoszenia mocy silników. Pomysł nie był oryginalny, bowiem tunerzy już wcześniej sięgali po turbiny. Honda wprowadziła taki element do produkcji seryjnej. W 1982 r. jej śladem poszły inne firmy japońskie – Yamaha i Suzuki, które w 1982 r. pokazały oficjalnie swoje turbodoładowane modele – XJ 650 Turbo oraz XN 85. Rok później do tej grupy dołączyło jeszcze Kawasaki Z 750 Turbo. Ten model zakończył erę motocyklowego „turbo” w 1985r.

Motocykl z turbodoładowaniem próbowało tworzyć na początku lat osiemdziesiątych również BMW, ale zakończyło prace na etapie prototypu o nazwie Futuro. W rozwiązaniu Bawarczyków pojawiła się nawet chłodnica powietrza doładowanego.

Trzeba też odnotować doładowanego Titana 1800, stworzonego przez Friedela Müncha, budującego własne konstrukcje z silnikami o samochodowym rodowodzie. W 1999?r., przy reaktywowaniu firmy, przedstawiono jeszcze jeden model z turbodoładowaniem (Mammut 2000). Oba motocykle produkowano w niewielkiej liczbie egzemplarzy. Udana próba turbodoładowania pojawiła się w 2007 r. za sprawą niemieckiego Neandera, z silnikiem wysokoprężnym, lecz to kolejny jednoślad produkowany jednostkowo. Podobnie wygląda sprawa z Horeksem VR6, wyposażonym w sprężarkę promieniową. Od 2010 r. produkowany jest w limitowanej liczbie egzemplarzy.

Mechaniczne dylematy

Przykład Horeksa pokazał, że konstruktorzy motocykli chętnym okiem zerkają na sprężarki. Teraz mamy Kawasaki, które również poszło tą drogą i to na masową skalę. Skąd ta sympatia dla doładowania z mechanicznym napędem? Przede wszystkim stąd, że w przeciwieństwie do „turbo”, uzyskuje się bardzo szybki przyrost ciśnienia w układzie dolotowym praktycznie od najniższych obrotów. Nie ma zatem „turbodziury”, czyli chwilowego braku reakcji silnika na otwarcie przepustnicy, kłopotliwej w przypadku samochodów, a w motocyklu wręcz niebezpiecznej. Nie ma też problemu z bardzo wysokimi temperaturami, który trapi układy z turbosprężarkami. Powietrze doładowywane nie rozgrzewa się tak, by trzeba było myśleć o dodatkowej chłodnicy do jego studzenia. W „turbo” intercoolerem jest wręcz niezbędny dla uzyskania dobrych efektów doładowania. W motocyklu znacząco podniosłaby ona masę. Niełatwo też znaleźć dla niej miejsce.

Sprężarka mechaniczna ma jednak nie tylko zalety. Przede wszystkim nie korzysta ona z ?darmowego? napędu, czyli energii spalin, jak turbosprężarka. Napędzana jest od wału głównego i zabiera jednostce napędowej część momentu obrotowego. Straty sięgają nawet 10%. Dlatego efektywność takiego rozwiązania jest dużo mniejsza niż „turbo”. Bardzo wydajne sprężarki, pracujące w systemie Lysholma czy Rootsa, stosowane w samochodach, są na dodatek kosztowne. Ten aspekt można jednak pominąć, bo zarówno w Horeksie, jak i Kawasaki mamy do czynienia z dużo tańszymi sprężarkami promieniowymi. Ale te z kolei nie zapewniają tak szybkich reakcji.

Jeszcze jedna wada sprężarek mechanicznych, to ich hałaśliwość, wynikająca głównie z konieczności zastosowania dodatkowych przekładni dla uzyskania odpowiednio dużych obrotów wirnika.

Więcej powietrza

Kawasaki tworząc silnik do modeli H2 i H2R, wróciło w pewien sposób do korzeni doładowania. Projekt tworzono bowiem wspólnie z departamentem lotnictwa Kawasaki Aerospace. Wszystkie rozwiązania opracowano samodzielnie, bez udziału firm zewnętrznych.

Najważniejszym elementem czterocylindrowca jest oczywiście sprężarka promieniowa, której obudowę wykonano z kutego aluminium. Wirnik ma średnicę 69 mm i sześć łopatek. Powierzchnie między łopatkami mają frezowane rowki dla poprawy przepływu powietrza. Napęd sprężarki „pobierany” jest od wału korbowego poprzez niewielką przekładnię planetarną. Obroty sprężarki są 9,2 raza większe niż wału korbowego. A zatem gdy silnik pracuje przy 14 000 obr/min, wirnik sprężarki osiąga 128 000 obr/min. Wydajność sprężarki przekracza 200 l/s. Zarówno przekładnia planetarna jak i sama sprężarka wprowadzone są w układ smarowania silnika.

Do systemu doładowania dostosowano oczywiście cały system zasysania powietrza, stanowiący jednocześnie układ dynamicznego doładowania. Główna komora powietrzna ma aż 6 l pojemności i wykonana jest z aluminium. Ma to gwarantować stabilność kształtu, a zatem i szczelność, a także skuteczne odbieranie ciepła od zasysanego powietrza.

Konstrukcyjne bliźniaki

Kawasaki deklaruje, że reakcje sprężarki są bardzo szybkie, a nagrzewanie się powietrza doładowywanego nie stanowi problemu. Te zapewnienia mogą potwierdzić dopiero testy. Wówczas dowiemy się też, jak wyglądają przyśpieszenia motocykla, które według producenta są oszałamiające. Na razie nie podano ich.

Trzeba też czasu, by przekonać się o trwałości nowego silnika. Jak został przygotowany, by podołać obciążeniom znacznie większym niż w konstrukcjach wolnossących? Przede wszystkim ma odlewane specjalną metodą tłoki. Kawasaki nie zdradza jednak jej szczegółów. Twierdzi jedynie, że zdecydowało się na elementy odlewane ze względu na lepszą tolerancję wysokich temperatur. Tłoki są przy tym tak lekkie, że ich masa zbliżona jest do tłoków kutych.

Zawory ssące wykonano ze stali nierdzewnej, zaś wydechowe ze stopu Inconel. Składa się na niego aż 15 różnych komponentów, a głównymi są nikiel i chrom.

Prawdziwą ciekawostką jest jednak to, że silniki 210-konnego modelu H2 i 326-konnego H2R są niemal identyczne. Inne są tylko wałki rozrządu i uszczelka głowicy. Wygląda na to, że zyskanie dodatkowych 116 KM w H2 nie będzie trudne i kosztowne.