Motoarele supraalimentate: un aer de superioritate

Sună ironic, dar aspiraţia către o superioritate a performanţelor te obligă să ţii cont de motoarele supraalimentate. Primul motor cu combustie internă a însemnat un progres şi, în acelaşi timp, a deschis, mai departe, calea spre progres. Indiferent câte carburatoare, arbori cu came, supape, sisteme de injecţie şi dispozitive electronice au apărut pentru a ridica performanţele agregatelor, nici unul nu ar putea să compenseze aportul procesării prin supraalimentare, în momentul formării amestecului carburant.

Fără “dopaj”, motoarele aspirate sunt limitate în privinţa eficienţei umplerii cilindrilor de către presiunea atmosferică. Coborârea pistonului generează o zonă depresionară, care este umplută de aerul din afară; la rândul său, acesta ajunge acolo împins de presiunea atmosferică. De cantitatea de aer care intră până la închiderea supapei de admisie depinde potenţialul exploziv al amestecului format în camera de ardere (evident, după injectarea combustibilului); aşadar, “îndesarea” în cilindru a unei cantităţi de aer mai mari decât cea livrată pe cale naturală ridică semnificativ performanţele motorului.

În acest scop, au fost inventate şi perfecţionate sistemele de supraalimentare: să lase cât mai mult aer să pătrundă în cilindru înaintea finalizării etapei de admisie. Măsura în care se poate aduce mai mult aer în cilindru este cunoscută şi sub denumirea de eficienţă volumetrică, care, în cazul, unităţilor aspirate, este de aproximativ 70%. În schimb, la motoarele supraalimentate, un procent de 90% este considerat foarte bun, iar unul de 100% – excelent şi realist. Mai mult: în domeniul competiţional se trece, uneori, peste 110%.

Acuma – în esenţă, sistemul de supraalimentare are rolul unei pompe de aer şi poate funcţiona în două moduri: antrenare mecanică sau pe principiul turbinei (turbocompresor). Uneori, cele două concepte sunt utilizate şi combinat, dar, pentru o înţelegere mai bună a lor, le vom explica separat.

motoarele supraalimentate

Compresorul mecanic: “old school”, dar vizaţi-l cu încredere

Supraalimentarea cu compresor mecanic a început să fie folosită de Mercedes încă din al treilea deceniu al secolului trecut (de exemplu, automobilele sport SSK). Aceste compresoare sunt antrenate direct de către motor, asemenea anexelor de genul pompei de apă sau alternatorului. În prezent, turbocompresoarele sunt mult mai folosite, dar asta nu înseamnă că “specia” compresoarelor va dispărea prea curând. Şi iată de ce:

  • ele nu sunt afectate de fenomenul “turbo lag” (răspuns întârziat, tipic turbinelor, din cauza nevoii de creştere a presiunii în galeria de evacuare înainte de a-şi creşte propria turaţie);
  • sunt mult mai uşor de adaptat şi calibrat pe diverse agregate;
  • modificarea presiunii de supraalimentare (unii utilizatori insistă pe cuplul motor la turaţii joase, alţii pe puterea disponibilă în plaja superioară de turaţie) poate fi făcută simplu, schimbând raportul de demultiplicare al dispozitivului de antrenare ((de obicei, se pune o fulie cu diametrul mai mare sau mai mic pe axul compresorului).

motoarele supraalimentate

Desigur, există şi unele dezavantaje:

  • potenţialul de creştere a performanţelor este inferior celui oferit de turbocompresoare;
  • compresoarele mecanice sunt mai zgomotoase (aici, trebuie menţionat că unii nu consideră asta ca fiind un ”dezavantaj”, ci dimpotrivă);
  • poate cel mai important lucru, aceste sisteme “parazitează” eficienţa motorului (o parte din puterea activă a agregatului este consumată pentru antrenarea compresorului mecanic, în timp ce turbocompresorul foloseşte energia disponibilă în fluxul gazelor de evacuare).

motoarele supraalimentate

Referitor la cele mai folosite tipuri de compresoare mecanice, acestea sunt compresorul centrifugal (un fel de turbină antrenată mecanic), compresorul de tip Roots (o pompă de aer tipică, având rotoare cu doi sau trei lobi) şi compresorul cu rotoare spiralate de diverse forme (cunsocut şi sub denumirea “twin screw”). Acesta din urmă seamănă mult cel de tip Roots, dar, pentru că procesul comprimării începe de-a lungul rotoarelor şi nu are loc în galeria de admisie şi în cilindri, oferă avantajul unui flux mai omogen de aer comprimat.

În general, compresoarele de tip Roots sau “twin screw” sunt mai scumpe, iar montarea lor poate implica schimbarea capotei, deoarece au dimensiuni relativ mari. Pe de altă parte, în comparaţie cu compresorul centrifugal, oferă o caracteristică de cuplu superioară şi uniformă pe toată plaja de turaţie.

Un alt model de compresor mecanic este aşa-numitul G-Lader. Principiul său a fost inventat în 1905 de către francezul Leon Creux şi apoi patentat în SUA, dar tehnologia disponibilă pe atunci nu a permis realizarea unor dispozitive performante. În interiorul carcasei cu perete separator spiralat, se învârte un rotor excentric – de asemenea spiralat – care preia aerul din canalul de admisie şi îl comprimă progresiv, spre centrul spiralei. Acest tip de compresor (folosit la un moment dat de VW şi oferit în prezent de tunerul G-Power) are avantajul unei eficienţe ridicate şi al unei funcţionări relativ silenţioase, dar are o construcţie complexă, fiind scump în privinţa proiectării şi fabricaţiei.

motoarele supraalimentate

Turbocompresoare: principiu simplu, realizare delicată, rezultate excepţionale

Tratând simplistic obiectul, un turbocompresor constă din două roţi de turbină situate pe acelaşi ax, una aflându-se undeva în avalul galeriei de evacuare, iar cealaltă în amontele galeriei de admisie. Deja v-aţi dat seama, amplasarea unui turbocompresor luată la un loc cu chestiunea optimizării formei conductelor de admisie şi evacuare este ceva dificil.

Dimensionarea turbinei este următoarea problemă grea, deoarece inerţia acesteia trebuie să fie minimă (antrenarea de către gazele de evacuare presupune o rotire ultrauşoară a turbinei, astfel încât să nu se manifeste efectul de eşapament astupat), iar rata comprimării aerului trebuie să fie ridicată (ca urmare, turbina din galeria de admisie e musai să aibă dimensiunile şi turaţia necesară pentru obţinerea unei supraalimentări eficiente). Nu este cazul să mai insistăm aici pe rezolvarea dilemelor din conceptul “turbo”: deja ştim că acestea au fost rezolvate cu mare succes.

În principiu, adaptarea “home made” a unui turbocompresor la un motor aspirat se rezolvă cu mari dureri de cap şi cu satisfacţii modice (ori riscuri de mari probleme tehnice), în timp ce integrarea turbocompresorului în conceptul motorului, încă din faza de proiectare (tratată la un nivel tehnologic de top, specific departamentelor R&D ale producătorilor auto), este ceva de departe preferabil.

motoarele supraalimentate

Pentru că ating în mod curent turaţii de ordinul a 200.000-250.000 rpm, turbinele sunt confecţionate din aliaje ultrauşoare, au nevoie de lubrifianţi specifici, trebuie să funcţioneze într-o plajă termică limitată şi nu pot folosi lagăre cu rulmenţi (aceştia s-ar încinge şi s-ar topi instantaneu la turaţiile menţionate).

Folosirea turbocompresoarelor permite creşterea presiunii de supraalimentare mai mult decât în cazul compresoarelor mecanice, iar asta fără să apară pierderi de putere cauzate de antrenarea turbocompresorului (dacă rotirea un turbcompresor opune prea mare rezistenţă gazelor de evacuare, acestea vor refula înapoi spre motor, cauzând detonaţii cu posibile consecinţe grave. Deci, ca să zicem aşa: ori la bal, ori la spital).

Sistemele de gestiune electronică şi dispozitivele cu geometrie variabilă au adus turbocompresoarele moderne la un nivel de eficieinţă impresionant. Există şi sisteme numite “twin turbo”, alcătuite din două trubocompresoare montate în serie sau în paralel. Scopul acestora? Diminuarea efectului “turbo lag” şi extinderea eficienţei supraalimentării pe o plajă largă de turaţie a motorului. În acelaşi scop a fost dezvoltată şi tehnologia “twin scroll”, care dispune, dinspre galeria de evacuare, de conducte de acţionare cu două secţiuni, ce permit turbinei să se comporte diferit (în funcţie de sarcina şi turaţia motorului).

Precum spuneam însă la început, compresorul mecanic şi turbocompresorul pot coexista în cadrul unui sistem de supraalimentare mixt. Caz în care rezultă…

motoarele supraalimentate

Sistemele “twincharged”: o abordare barocă

În principiu, un astfel de sistem oferă ce este mai bun de la ambele moduri de supraalimentare: lipsa turbo lag-ului (de la compresorul mecanic) şi creşterea foarte mare a performanţelor (specifică turbocompresoarelor). Ei bine, în această situaţie, avem de-a face cu două concepte: twincharging în serie sau în paralel.

La varianta în serie, compresorul mecanic şi turbocompresorul acţionează într-o singură conductă de admisie. Primul ajută la eliminarea turbo lag-ului, iar cel de-al doilea ridică presiunea de supraalimentare mai sus decât ar putea să o facă compresorul mecanic. Eventual, pentru evitarea pierderilor de putere cauzate de antrenarea neîntreruptă a compresorului mecanic, acesta poate fi decuplabil, începând de la un anume regim, prin intermediul unui ambreiaj comandat electronic.

În schimb, la varianta în paralel, fiecare dintre cele două dispozitive de supraalimentare este amplasat pe o altă variantă de conductă de admisie, iar un sistem by-pass cu gestiune electronică asigură intrarea lor (doar) alternativă în funcţiune. Şi în acest aranjament, compresorul mecanic poate fi făcut să fie decuplabil, cu ajutorul unui ambreiaj comandat electronic.

Din păcate, complexitatea şi preţul ridicat al sistemelor twincharger le-a condamnat la o utilizare marginală în domeniul auto, cea mai cunoscută realizare de serie fiind motorul 1.4 TSI de origine Volkswagen.

motoarele supraalimentate

Să nu uităm de intercooler!

În esenţă, un intercooler este un radiator al cărui scopt este de a răci aerul pentru admisie. Această răcire este necesară din cel puţin trei motive: aerul rece este mai dens (deci, pentru eficienţa supraalimentării, e preferabil să umpli cilindrii cu aer mai rece decât mai cald), aerul rece previne apariţia detonaţiilor în motor (explozii ce au loc spontan la momente nepotrivite, fără să fi fost comandate de sistemul de aprindere) şi, nu în ultimul rând, ajută la răcirea sistemului de supraalimentare.

Concluzie

În mare măsură, puterea unui motor depinde de cât de mult amestec carburant poate să ardă într-un anume interval de timp; ei bine, supraalimentarea permite creşterea cantităţii pe care un motor de o anumită cilindree poate să o ardă. Cu alte cuvinte, datorită supraalimentării, un motor de cilindree mai mică va putea consuma o cantitate de carburant similară cu a unui motor de cilindree mai mare.

Cât despre creşterea de putere rezultată la motorul supraalimentat, aceasta va fi mai mare decât în cazul arderii unei cantităţi similare de carburant într-un motor aspirat, de cilindree superioară. Motivul: pierderile de putere din interiorul motorului (necesare punerii în mişcare a maselor pistoanelor şi arborelui cotit, plus alte pierderi) sunt, fireşte, mai mici la agregatul de cilindree mică decât la cel de cilindree mare.

Fără îndoială, supraalimentarea este cheia ce deschide calea spre ridicarea performanţelor. Pe de altă parte, realizarea unei motorizări supraalimentate capabile şi fiabile este mult mai complicată decât simpla montare a unui sistem de “dopaj”, dedicat unui propulsor aspirat oarecare (chiar şi în condiţiile dimensionării corespunzătoare).

Surse: Daimler AG, Volkswagen, Holley, Wikipedia, Vortech Superchargers

Error thrown

Cannot use object of type stdClass as array