Trudne czasy nastały dla branży motoryzacyjnej. Emisja CO2 do atmosfery ma być ograniczona, a ceny paliw wciąż rosną. Europejskie instytucje i kierowcy są bezlitośni i, nie zaproponowawszy rozwiązań, oczekują od koncernów samochodowych coraz lepszych wyników. Oddech kontrolerów na plecach i baczne oko konsumenta to wystarczający pretekst do szukania nowych rozwiązań. I tu pomocne okazuje się sprężone powietrze.

Przyjęte założenia unijnego programu 3×20 nakładają na państwa Europy daleko idące obostrzenia w funkcjonowaniu ich sektora energetycznego. Jednym z punktów pakietu klimatycznego jest doprowadzenie do ograniczenia emisji CO2 do 2020 roku. Nie mniej restrykcyjnie prezentują się postulaty spod szyldu Euro5. Niebawem pojawią się zapewne regulacje Euro6. Wiadomo, w dysputach polityków klimat i ekologia to mocno akcentowane tematy. Łatwo jednak o zmianach dużo mówić, trudniej je w praktyce wdrożyć. Tym bardziej że mało kto wskazuje formę koniecznych przeobrażeń. Odpowiedzialność spada zatem na producentów, choćby luźno związanych z energetyką. Wszystko to, uzupełnione o niezmiennie bardzo wysoką cenę ropy naftowej, popycha branżę samochodową w kierunku innowacyjnych silników spalinowych.

Branża motoryzacyjna – cele i wyzwania

Energetycznej sprawy nie zamiecie się pod dywan. Gdzie więc szukać rozwiązań? Można stawiać na nieodkryte dotąd innowacje, co może okazać się błądzeniem we mgle. Lepiej więc sięgać istniejące, ale do tej pory niewykorzystane. Nastały bowiem dobre czasy dla projektów jeszcze niedawno uważanych za nieracjonalne, nieefektywne finansowo. Nagle opłacalne okazało się wydać więcej, ale zmieścić się w nakreślonych przez Unię normach i bez paniki oczekiwać na dalsze posunięcia wspólnotowych rządów w walce z CO2. Nie bez znaczenia jest też drożejąca w szaleńczym tempie ropa naftowa. Wzrost cen nie sprzyja popytowi na samochody o dużym spalaniu. Konsumenci chcą tankować rzadziej, bo to oczywista oszczędność dla domowych budżetów. Nie chcą jednak spadku samochodowych osiągów. Czy da się to pogodzić? Odpowiedzią na potrzeby rynku ma być downsizing. Przed producentami aut karkołomne zadanie – zmniejszenie pojemności silników, lecz przy zachowaniu parametrów dawniej uzyskiwanych wyłącznie w najmocniejszych samochodach.

Na drodze do nowości – doładowania silników spalinowych

Narzucone zobowiązania w zderzeniu z oczekiwaniami klientów doprowadziły do intensywnego rozwoju wielu rodzajów doładowania silników spalinowych. Polegają one na zasilaniu silnika gęstszym powietrzem, czyli sprężaniu go w sprężarce doładowującej. W toku tego procesu temperatura powietrza znacznie wzrasta i może sięgać nawet 90 stopni Celsjusza. Konieczne jest więc zastosowanie intercoolerów. Z kolei im mniejsza jest ciepłota gazu, tym jest on gęstszy, co wiąże się większej ilości cząsteczek tlenu do procesu spalania. A to daje możliwość zwiększenia dawki paliwa, uzyskania większej mocy oraz osiągnięcia idealnych proporcji mieszanki i maksymalnego jej wykorzystania. Nie jest to bynajmniej jedyny walor doładowania silników spalinowych sprężonym powietrzem. Dzięki uzyskanemu w ten sposób powietrzu o niższej temperaturze, zmniejsza się emisja tlenków azotu, a to pozwoli producentom zmieścić się w narzuconych im odgórnie normach. Warto także zwrócić uwagę, że doładowanie sprężonym powietrzem wykorzystuje się również w celu niwelowania efektu zmniejszonej gęstości powietrza na wyższych wysokościach nad poziomem morza.

Rodzaje sprężarek

Różne mogą być modele sprężarek do wykorzystania. Poruszając się w omawianym temacie nie sposób pominąć turbosprężarek, których działanie opiera się na spalinach wylatujących z silnika. Wpadają one jednym kanałem napędzając tym samym turbinę. Ta z kolei na jednej osi ma umieszczoną sprężarkę (druga turbina), odpowiedzialną za kompresję powietrza i dostarczenie go do silnika. Taki układ nabiera sensu, gdy istnieje możliwość sprawowania nad nim realnej kontroli, np. przy pomocy sterowanego także pneumatycznie zaworu upustowego (wastegate). Takie wykorzystanie sprężonego powietrza związane jest też z wykorzystaniem zmiennej geometrii łopatek, dzięki której kontroluje się przepływ oraz zawory blow off, pełniących podobne do wastegate funkcje, ale po drugiej stronie układu. Sprężarka może być także napędzana paskiem od wału korbowego (kompresor). Ów pasek wprawia w ruch wirnik, ten zaś tłoczy powietrze do komory spalania. W branży funkcjonują, poza wspomnianymi rozwiązaniami, jeszcze dwa doładowania sprężonego powietrza w silniku: system comprex (działa przy użyciu fal ciśnienia spalin, np. Mazda 626) oraz wykorzystanie kształtu układu dolotowego. Warto także zwrócić uwagę na stosunkowo świeżą koncepcję doładowania sprężonego powietrza od BMW. Wiemy o niej co prawda nadal niewiele, ale doniesienia o próbach wyeliminowania tzw. turbodziury poprzez użycie silnika elektrycznego, opartego o efektywne działanie trzech zależnych od siebie elementów (kompresora, turbosprężarki i sprężarki zasilanej silnikiem elektrycznym), wydają się być obiecujące.

Zderzenie teorii ze sprężoną rzeczywistością

Nauka zna mnóstwo przypadków, gdy rewolucyjna teoria nijak miała się do rzeczywistości. I w omawianym przypadku entuzjazm powinien być zatem umiarkowany, choć wszystko wskazuje na to, że sprężone powietrze to faktycznie dobre rozwiązanie na obecne, trudne czasy. Nie jest łatwo znaleźć dzisiaj producenta, który nie miałby najmniejszych choćby doświadczeń w stosowaniu doładowań. Na rynku pojawia się coraz więcej modeli, których pojemności są obniżone, a działanie sprężonego powietrza pozwala nadrabiać osiągi auta. Trzeba jednak pamiętać, że im więcej elementów, tym łatwiej o awaryjność danego mechanizmu. I choć stwierdzenie to niewątpliwie ociera się o truizm, to należy do producentów apelować o umiar w innowacjach. Są one bowiem potrzebne, ale tylko wtedy, gdy działają bezusterkowo. Jednak wiele zależy także od użytkowników, od sposobu, w jaki obchodzą się z samochodem. O przykład wcale nie jest trudno. Turbiny napędzane od spalin mogą doprowadzić wirnik sprężarki do poziomu nawet 200.000 obr/min, więc bez smarowania takich elementów może być trudno zachować urządzenie w dobrej kondycji. Kierowca musi zatem pamiętać, że przy wyłączonym silniku układ smarowania nie pracuje i zanim się w pełni wyhamuje narażony jest na intensywne tarcie. Silnik nie powinien być więc wyłączany bezpośrednio po zatrzymaniu pojazdu po podróżowaniu z wysokimi prędkościami obrotowymi. Producent może dostarczać najlepsze rozwiązania, ale niewłaściwa eksploatacja auta przez właściciela szybko zniweczy trud włożony w praktyczne zastosowanie technicznych innowacji.

Bazować na doświadczeniach innych

Doładowanie silników samochodowych nie jest jednak pionierskim rozwiązaniem w skali branż transportowych. W przemyśle okrętowym zaraz po II wojnie światowej tego typu rozwiązania stanowiły spory odsetek wszystkich stosowanych mechanizmów. Dość powiedzieć, że w 1956 r. aż 27% statków oddanych do użytku zasilanych było silnikami dwusuwowymi powyżej 2000DWT opartymi na doładowaniach. Obecnie użycie sprężonego powietrza ma ogromny wpływ na rozwój silników spalinowych w samochodach. To metoda używana coraz powszechniej, a przez to udoskonalana. Wydaje się, że można upatrywać w niej jeden z kierunków rozwoju motoryzacji w następnych, proekologicznych latach.