Historia powstania i opis działania doładowarki Comprex.

Przedstawione na Międzynarodowym Salonie Genewskim w roku 1974 doładowanie gazodynamiczne pod nazwą Comprex zostało opracowane w firmie Brown Boweri przy współudziale uczelni szwajcarskich. W wyniku przeprowadzonych prac teoretycznych i doświadczalnych powstał system doładowania silników o zapłonie zarówno samoczynnym, jak i iskrowym, w pełni dopracowany technicznie, możliwy do zastosowania we współczesnych silnikach samochodowych
Celem, który przyświecał konstruktorom, była możliwość modelowania przebiegu krzywej momentu obrotowego, co w efekcie pozwala na zmniejszenie eksploatacyjnego zużycia paliwa. Prace badawcze pod kierunkiem prof. M. Berchtolda prowadzili T. Lutz i R. Scholz i przedstawili ich wyniki w postaci zasad nowego sposobu doładowania. Polegał on na wykorzystaniu ciśnienia gazów wylotowych do sprężenia powietrza wtłaczanego do przewodu dolotowego silnika. Opisali oni szczegółowo budowę doładowarki, jej poszczególne elementy, sposób napędu, podstawy teoretyczne zjawisk falowych (wykorzystując metodę charakterystyk), stanowisko badawcze oraz przeprowadzone na nim badania, jak też badania drogowe samochodu ciężarowego wyposażonego w silnik z doładowaniem Comprex. Z kolei A. Wunsch przedstawił szczegółowo parametry mierzone w trakcie próby oraz zdolność silnika do przyspieszania. Wyniki tych badań przedstawiono tabelarycznie i na wielu rysunkach umożliwiających porównanie mierzonych parametrów.
Prace są poświęcone teoretycznym podstawom procesu doładowania Comprex oraz zastosowaniu go jako wysokociśnieniowego stopnia turbiny spalinowej.



(Doładowarka Comprex z Mazdy 626)

System doładowania Comprex łączy w sobie zalety doładowania mechanicznego i turbodoładowania. Do zalet tych można zaliczyć:
- płaski przebieg krzywej ciśnienia powietrza doładowującego w całym zakresie użytecznych prędkości obrotowych,
- bardzo krótki czas odpowiedzi na gwałtowne obciążenia (prawie jak w przypadku doładowania mechanicznego),
- duży spręż,
- korzystne parametry pracy silnika w górach (wysoko nad poziomem morza),
- mniejsze wymagania w stosunku do materiału wirnika,
- małe jednostkowe zużycie paliwa w całym zakresie użytecznych prędkości obrotowych silnika,
Jak każde urządzenie techniczne, doładowarka Comprex ma też wady, m.in.:
- trudności w uzyskiwaniu małych ciśnień,
- większe wymiary wirnika w porównaniu z turbosprężarką,
- konieczność zwiększenia wymiarów filtra, tłumika i układu dolotowego,
- konieczność wzmocnienia izolacji akustycznej,
- większa masa niż turbosprężarki o takiej samej wydajności.
Silnik z doładowaniem Comprex ma znacznie lepsze właściwości dynamiczne, co wynika między innymi z tego, że doładowarka jest napędzana mechanicznie od wału korbowego silnika, a więc czas reakcji na zmiany prędkości obrotowej musi być krótszy niż w przypadku turbosprężarki.
Doładowarka składa się z wirnika zamontowanego w obudowie o odpowiednio ukształtowanych oknach dolotowych i wylotowych. Wirnik jest napędzany przekładnią pasową od wału korbowego silnika z przełożeniem zwiększającym prędkość obrotową około 2,6 ÷ 3,6 razy. Świeże powietrze jest zasysane przez filtr z otoczenia i wpada na łopatki wirnika, który obraca się w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów wału korbowego. Powietrze to jest sprężane w poszczególnych celach wirnika przez spaliny wydostające się przez przewód wylotowy silnika. Z kolei sprężone powietrze dostaje się przez przewód dolotowy i zawór dolotowy do tłoka. Pozostała część powietrza, które występuje w nadmiarze, wydostaje się ze spalinami przewodem do atmosfery, dopalając pozostałości CO w spalinach i obniżając temperaturę wylotu. Wymiary geometryczne wirnika i okien są tak dobrane, by istniała poduszka powietrzna, zabezpieczająca przed przedostaniem się spalin stroną powietrzną.
Spaliny wpadają pod zwiększonym ciśnieniem pw ze stosunkowo małą prędkością przepływu między przegrody wirnika sprężarki (przy sprężu π = 2,0 liczba Macha Ma = 0,3). Przegrody są wypełnione świeżym powietrzem. Wypływające z silnika spaliny wypychają w przegrodach powietrze do przewodu dolotowego, sprężając je i przekazując mu energię. W chwili nadejścia fali ciśnienia przegroda musi być połączona z przewodem dolotowym. W podobny sposób każda przegroda musi być łączona kolejno z innymi kanałami dolotowymi i wylotowymi. Po zamknięciu (przez obrót przegrody) kanału dolotowego spalin, w celu niedopuszczenia do zakłóceń w przepływie poprzez odbicie fali ciśnienia, z tego samego powodu następuje zamknięcie połączenia z kanałem ładowanego powietrza, przy czym jest ono opóźniane o czas przebiegu fali. Jeśli chwila otwarcia kanału wylotowego jest odpowiednio dobrana, rozprężone (niezupełnie) spaliny wydostają się z przegrody do kanału wylotowego, a wywołana ich wypływem fala podciśnienia pozwala na wlot (zasysanie) świeżego powietrza przez kanał dolotowy.
W ten sposób proces może się zacząć od nowa, jeśli tylko przegroda jest całkowicie wypełniona powietrzem. Momenty otwarć kanałów, wyznaczone czasem rozchodzenia się fal i prędkościami przepływu w przegrodach, określają geometrię otworów.

Aby uzyskać symetryczne obciążenie łożysk oraz zminimalizować odkształcenia wynikłe z naprężeń termicznych, jak również zredukować długość wirnika, każdy stator zawiera po dwa połączone ze sobą otwory niskiego i wysokiego ciśnienia. Dzięki temu każda przegroda realizuje w ciągu jednego obrotu wirnika dwa suwy pracy. Zmniejszenie długości wirnika jest wymagane również z tego względu, że jest on łożyskowany na części omywanej powietrzem, natomiast część omywana gorącymi spalinami jest swobodna. Tym różni się między innymi doładowarka Comprex od turbosprężarki. Zbyt duża długość wirnika powodowałaby powstanie nadmiernego momentu obciążającego wirnik, a tym samym zmniejszenie trwałości łożysk.

Doładowarka Comprex z kieszeniami.

Biorąc pod uwagę fakt, że opisane urządzenie działałoby skutecznie jedynie dla określonej prędkości obrotowej i odpowiadającej tej prędkości jednej wartości obciążenia silnika (równoznacznego z ilością wydalanych spalin), skomplikowano nieco doładowarkę Comprex wprowadzając tzw. kieszenie. Mają one za zadanie uelastycznić pracę doładowarki i przystosować ją do zmiennych prędkości obrotowych oraz obciążeń rzeczywiście występujących w silniku trakcyjnym. Na rysunku 6.4 pokazano trzy kieszenie (zaznaczone linią przerywaną):
- sprężającą KS, która zmniejsza odbicie fali powietrza wywołane pierwszym uderzeniem, zwłaszcza podczas małych prędkości obrotowych, powodując wstępne sprężenie powietrza,
- gazową KG, pomagającą w zachowaniu ciągłości wydalania gazów wylotowych,
- rozprężającą KR, pomagającą w wydalaniu gazów wylotowych w całym zakresie użytecznych prędkości obrotowych.
Gazy spalinowe napływające z kanału 3 wdzierają się między przegrody do połowy ich głębokości, a energia strumieni zewnętrznych przemieszcza się wzdłuż drogi, jaką przebywa powietrze. Pewna ilość powietrza przepływa z części wysokociśnieniowej urządzenia Comprex do kanału 4, powodując jego przepłukanie i schłodzenie.
Przeciętne ciśnienie doładowania wynosi około 0,2 MPa.

Innym przypadkiem, jest doładowarka Comprex z kieszeniami ale o zmniejszonej prędkości obrotowej, co powoduje wolny ruch wirnika a co za tym idzie małe natężenie przepływu. W związku z tym uderzenie fali, wywołane powolnym ruchem wirnika, biegnie „płasko”. Pierwsze uderzenie przybywa na stronę powietrzną dużo wcześniej, nim zostanie otwarty kanał 2. Dzięki kieszeni sprężającej KS, odbicie nie jest twarde, sprężone powietrze zaczyna wypełniać kieszeń sprężającą. To gwałtowne wpłynięcie powietrza tworzy ciśnienie 0,13 MPa, a siła działania tego powietrza jest skierowana do wnętrza przegród, które zawierają świeże, atmosferyczne powietrze. W ten sposób świeże powietrze jest wstępnie sprężane po stronie powietrznej jeszcze przed działaniem gazu wylotowego z kanału 3. Fala powstająca od wstępnego sprężania, pokazana na rys. 6.7 linią ciągłą, rozpoczynającą się od KS, przecina pierwsze uderzenie mniej więcej w środku przegrody.
Na początku na powietrze działa wysokie ciśnienie gazu, który wypływa z kanału 3. Zaraz potem wstępnie sprężona fala przechodzi etap dalszego podwyższania ciśnienia i następuje jej zatrzymanie lub równomierne odwracanie przepływu (wypływ i tworzenie strefy regulacyjnej w kanale 3). Maksymalna prędkość przepływu wciska gaz do przegrody. Proces ten rozpoczyna się w środku kanału, gdzie następuje odbicie pierwszej fali przybyłej od strony gazowej. W kanale powietrza 2 prędkość przepływu nie jest jednolita. Fala rozprężania części niskociśnieniowej biegnie od krawędzi kanału 4 do środka kieszenie rozprężnej KS (linia przerywana w poprzek wirnika). W ten sposób kieszeń przeszkadza przedostawaniu się gazu do przestrzeni powietrznej, przy czym przebiega to zupełnie inaczej niż przy „twardym odbiciu”.

Gdy mamy do czynienia z częściowym obciążeniem i dużą prędkością obrotową, natężenie przepływu powietrza w kanale 2 jest duże, co wiąże się z dużą prędkością obrotową silnika i wirnika doładowarki Comprex. W związku z dużym współczynnikiem nadmiaru powietrza, natężenie przepływu spalin w części wysokiego ciśnienia 3 oraz niskiego ciśnienia 4 jest nieduże (rys. 6.8). Pierwsze uderzenie fali ciśnienia jest słabe i występuje w środku powietrznej strony w kanale 2, co jest typowe dla dużej prędkości obrotowej wirnika. Przez cały czas występuje duża prędkość przepływu w obudowie sprężarki przy dużej prędkości przepływu sprężonego powietrza i niskim jego ciśnieniu w kanale 2. Część medium jest sprężana przez energię pierwszej fali zawartej w kieszeni rozprężnej KS. Przepływ medium w kieszeni rozprężnej KS jest podtrzymywany jej kształtem oraz ciśnieniem gazów wywieranym przez kieszeń gazową KG. Małe ciśnienie spalin jest wystarczające, żeby wypłynęły one po otwarciu kanału 4. Gdy prędkość przepływu maleje, wypływ z dolnej części kanału 4 jest niewielki i część spalin pozostaje w wirniku do następnego cyklu. W rezultacie wirnik w dużej mierze jest wypełniony spalinami. Powietrze doładowujące, skierowane do kanału 1, na początku cyklu tylko w małych ilościach zajmuje przegrody wirnika. Granica styku powietrza i gazu jest zamknięta na stronie powietrznej, dlatego całe świeże powietrze jest wpychane do kanału 2 przez pierwsze uderzenie fali. Pewna ilość spalin jest przenoszona z poprzedniego cyklu i podąża za powietrzem. W ten sposób występuje recyrkulacja spalin.
Intensywność recyrkulacji spalin w każdym punkcie pracy silnika musi być odpowiednio dobrana, tak aby neutralizowała udział tlenków azotu w gazach wylotowych, nie zmniejszając napełnienia silnika świeżym ładunkiem.