• Pierwsze doładowanie silników spalinowych datuje się na rok 1878.
• Turbodoładowanie, czyli wykorzystanie gazów spalinowych do napędu turbiny i sprężarki opatentowano w 1905 roku.
• W 1915 roku zwrócono uwagę na straty mocy silników lotniczych i możliwość kompensacji ich za pomocą doładowania.
• W latach 30 XX wieku pierwsze samochodu ciężarowe Saurer były wyposażone w turbodoładowanie
• Pierwszy samochód osobowy z seryjną turbosprężarką to BMW 2002 turbo produkowany od 1972 roku.
• Jeśli chcesz być na bieżąco z najważniejszymi wiadomościami z branży – zapisz się na nasz newsletter.

Silnik spalinowy to silnik cieplny, w którym spalanie paliwa odbywa się z utleniaczem (tlenem znajdującym się w powietrzu) w komorze spalania, która jest integralną częścią obiegu gazu roboczego. W silniku spalinowym rozprężanie gazów o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu wytwarzanych podczas spalania przykłada bezpośrednią siłę do niektórych elementów silnika. Siła jest zwykle przykładana do tłoków (silnik tłokowy), łopatek turbiny (turbina gazowa), wirnika (silnik Wankla) lub dyszy (silnik odrzutowy). Siła ta jest wynikiem zamiany energii chemicznej zawartej w paliwie na energię kinetyczną przykładaną do ruchomych elementów silnika.

Różni naukowcy i inżynierowie przyczynili się do rozwoju silników spalinowych. W 1791 roku John Barber opracował turbinę gazową. W 1794 roku Thomas Mead opatentował silnik gazowy. Również w 1794 roku Robert Street opatentował silnik spalinowy, który jako pierwszy wykorzystywał paliwo płynne, i mniej więcej w tym czasie zbudował silnik. W 1798 roku John Stevens zbudował pierwszy amerykański silnik spalinowy. W 1807 roku francuscy inżynierowie Nicéphore Niépce i Claude Niépce uruchomili prototypowy silnik spalinowy wykorzystujący kontrolowane eksplozje pyłu węglowego. W tym samym roku szwajcarski inżynier François Isaac de Rivaz wynalazł silnik spalinowy działający dzięki iskrowemu zapłonowi wodoru. W 1808 roku De Rivaz zamontował swój wynalazek w prymitywnym działającym pojeździe – „pierwszym na świecie samochodzie spalinowym”. W 1823 roku Samuel Brown opatentował pierwszy silnik spalinowy do zastosowania przemysłowego.

W 1854 roku w Wielkiej Brytanii włoscy wynalazcy Eugenio Barsanti i Felice Matteucci uzyskali certyfikat: „Uzyskanie siły napędowej przez eksplozję gazów”. W 1857 roku Urząd Patentowy Wielkiej Pieczęci przyznał im patent nr 1655 na wynalazek „Ulepszonego urządzenia do uzyskiwania siły napędowej z gazów”. Barsanti i Matteucci uzyskali inne patenty na ten sam wynalazek we Francji, Belgii i Piemoncie w latach 1857-1859. W 1860 roku belgijski inżynier Jean Joseph Etienne Lenoir wyprodukował silnik spalinowy opalany gazem. W 1864 roku Nicolaus Otto opatentował pierwszy silnik na gaz atmosferyczny. W 1872 roku Amerykanin George Brayton wynalazł pierwszy komercyjny silnik spalinowy na paliwo ciekłe. W 1876 roku Nicolaus Otto rozpoczął współpracę z Gottliebem Daimlerem i Wilhelmem Maybachem, opatentował czterosuwowy silnik ze sprężonym ładunkiem. W 1879 roku Karl Benz opatentował niezawodny dwusuwowy silnik benzynowy. Rok wcześniej taki silnik stworzył co prawda szkocki inżynier Sir Dougald Clerk, jednak opatentował go dwa lata później, niż Benz, bo w 19881 roku. W 1886 roku, Benz rozpoczął pierwszą komercyjną produkcję pojazdów silnikowych z silnikiem spalinowym, w którym trójkołowy, czterosuwowy silnik i podwozie tworzyły jedną całość. W 1892 roku Rudolf Diesel opracował pierwszy silnik o zapłonie samoczynnym. W 1926 roku Robert Goddard wystrzelił pierwszą rakietę na paliwo ciekłe. W 1939 roku Heinkel He 178 stał się pierwszym na świecie samolotem odrzutowym.

Tak więc od pierwszych prób stworzenia silnika napędzanego mieszaniną palnych gazów do zastosowania go jako napęd pojazdu upłynęło około 100 lat.

Nie trzeba było długo czekać, na wnioski idące z samej konstrukcji silników spalinowych. Aby silnik spalinowy miał większą wydajność, czyli generował więcej mocy konieczne jest albo zwiększenie jego prędkości obrotowej, albo zwiększenie pojemności skokowej, albo zwiększenie ilości energii chemicznej dostarczanej do cylindrów (zwiększenie ilości spalanego paliwa).

Wielkością charakterystyczną dla każdego paliwa jest teoretyczna masa powietrza potrzebna do całkowitego spalenia 1 kg paliwa. Jest to dokładnie masa powietrza w której znajduje się wystarczająca ilość tlenu do utlenienia związków chemicznych zawartych w spalanym paliwie tak, by produktami spalania był dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Taką idealną mieszankę paliwa z powietrzem nazywamy mieszankę stechiometryczną.

Teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia różnych rodzajów paliw podana jest poniżej:

• 6,47 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg metanolu (CH3OH),
• 9 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg alkoholu etylowego (C2H5OH),
• 14,6 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg oleju napędowego,
• 14,7 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg benzyny,
• 15,5 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg gazu LPG,
• 17,19 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg gazu CNG,
• 34,3 kg powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg wodoru (H2).

Mając na uwadze powyższe właściwości chemiczne paliwa oraz wzór na moc silnika:

Dość łatwo zauważyć, że łatwiej jest podnieść ciśnienie efektywne w cylindrze, niż zwiększać pojemność silnika lub zwiększać jego prędkość obrotową. Dla przykładu – aby zgodnie z przytoczonym wzorem dwukrotnie podnieść moc silnika konieczne jest:

• dwukrotne zwiększenie jego pojemności skokowej, lub
• dwukrotne zwiększenie ciśnienia w cylindrze, lub
• dwukrotne zwiększenie jego prędkości obrotowej, lub
• stworzenie silnika o takich samych parametrach, lecz o dwukrotnie mniejszej liczbie suwów (zamiast 4. suwowego – 2 suwowy).

Zwiększanie wymiarów wiąże się z wprowadzeniem dodatkowych strat związanych z tarciem i temperaturą – podobnie, jak zwiększanie prędkości obrotowej. Relatywnie najprostszym zabiegiem jest zwiększenie ciśnienia w komorze spalania. Aby to zrobić konieczne jest dostarczenie większej ilości paliwa, a co za tym idzie – większej ilości powietrza potrzebnego do jego spalenia.

Przed wynalezieniem turbosprężarki wymuszone napełnianie cylindrów było możliwe tylko przy użyciu mechanicznie napędzanych sprężarek. Stosowanie sprężarek doładowujących rozpoczęło się w 1878 r., kiedy zbudowano kilka dwusuwowych silników gazowych z doładowaniem według projektu szkockiego inżyniera Dugalda Clerka o którym wspominaliśmy wcześniej. Następnie w 1885 roku Gottlieb Daimler opatentował technikę wykorzystania pompy zębatej do wtłaczania powietrza do silnika spalinowego. Wszystkie te rozwiązania miały jednak jedną podstawową wadę – do ich napędzania potrzebna była część energii generowanej przez silnik. W skrócie – ich użycie generowało pewne straty.

Oczy konstruktorów zwróciły się w kierunku energii, która jest tracona podczas pracy silnika. Tę energią jest energia cieplna i kinetyczna gazów spalinowych, które ulatują do atmosfery bezpowrotnie. Przełom w tej kwestii wydarzył się dzięki Alfredowi Büchiemu – inżynierowi, który poświęcił swoją pracę zawodową na badanie strat energii silników spalinowych. Patent Büchiego nr 204630 otrzymany z Cesarskiego Urzędu Patentowego Rzeszy Niemieckiej 6 listopada 1905 r. opisuje „silnik sprzężony o wysokim doładowaniu” z rozwiązaniem do wychwytywania energii spalin za pomocą turbiny i sprężarki osiowej osadzonych na wspólnym wale. Patent z 1905 r. Alfreda Büchiego, szwajcarskiego inżyniera pracującego w firmie Sulzer, jest często uważany za narodziny turbosprężarki.

Patent Büchiego wyraźnie wskazywał na napędzanie turbiny i zarazem sprężarki odśrodkowej gazami spalinowymi, ale częściowo bazował na opatentowanym 3 lata wcześniej – w 1902 roku przez Louisa Renaulta (patent nr: 327,452) systemie doładowania mającego na celu wtłoczenie większej ilości powietrza do cylindra przez wykorzystania sprężarki odśrodkowej. Oba pomysły są zbieżne, jednak Büchi opatentował gotową turbosprężarkę, natomiast Renault sposób wtłaczania powietrza, dlatego niektóre źródła podają wynalazek Renaulta jako pionierski w kwestii turbodoładowania.

W 1911 r. firma Sulzer otworzyła fabrykę turbosprężarek, a prototyp turbodoładowanego silnika Diesla ze sprężarką Büchiego wyprodukowano w 1915 r. Już w latach 1918–1919 Büchi kierował działem silników Diesla w fabryce samochodów ciężarowych Sulzer. W końcu pod koniec swojej kadencji w firmie, w 1925 r. Büchi po raz pierwszy zdołał połączyć swoją technologię z silnikiem Diesla, zwiększając jego wydajność o ponad 40%. Büchi z powodzeniem zainstalował turbo w dziesięciocylindrowych silnikach wysokoprężnych, zwiększając moc wyjściową z 1300 do 1860 kilowatów (1750 do 2500 KM). Silnik ten był używany przez niemieckie Ministerstwo Transportu na dwóch dużych statkach pasażerskich o nazwach Preussen i Hansestadt Danzig. Projekt był licencjonowany dla kilku producentów, a turbosprężarki zaczęto stosować w zastosowaniach morskich, kolejowych i dużych stacjonarnych.

Tego samego roku złożył szwajcarski patent numer 122 664 na „system turbodoładowania Büchi-Duplex”. W 1938 r. szwajcarski Saurer wyprodukował pierwszy silnik do ciężarówki, w którym wykorzystywane było turbodoładowanie.

W 1915 roku zaczęto także zwracać uwagę na straty mocy, jakiej doświadczają silniki samolotów z powodu zmniejszonej gęstości powietrza na dużych wysokościach. Aby im zapobiec zaczęto testować turbosprężarki w połączeniu z silnikami lotniczymi. Prototypy były jednak zawodne i nie weszły do powszechnego użytku. Inny wczesny patent na turbosprężarki został złożony w 1916 roku przez francuskiego wynalazcę turbiny parowej Auguste’a Rateau, do ich zamierzonego zastosowania w silnikach Renault używanych we francuskich samolotach myśliwskich. Oddzielnie testy przeprowadzone w 1917 r. Przez National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) i Sanford Alexander Moss wykazały, że turbosprężarka może umożliwić silnikowi uniknięcie jakiejkolwiek utraty mocy (w porównaniu z mocą wytwarzaną na poziomie morza) na wysokości do 4250 m (13944 stóp) nad poziomem morza. Testy przeprowadzono w Pikes Peak w Stanach Zjednoczonych przy użyciu silnika samolotu Liberty L-12.
Turbosprężarki były używane w kilku silnikach samolotów podczas II wojny światowej, poczynając od Boeinga B-17 Flying Fortress w 1938 roku, w którym zastosowano turbosprężarki wyprodukowane przez General Electric. Inne wczesne samoloty z turbodoładowaniem to Consolidated B-24 Liberator, Lockheed P-38 Lightning, Republic P-47 Thunderbolt i eksperymentalne warianty Focke-Wulf Fw 190.

Pierwsze praktyczne zastosowanie turbo dla ciężarówek zostało zrealizowane przez szwajcarską firmę produkującą ciężarówki Saurer w latach trzydziestych XX wieku. Silniki BXD i BZD były produkowane z opcjonalnym turbodoładowaniem od 1931 roku. Przemysł szwajcarski odegrał pionierską rolę w dziedzinie silników z turbodoładowaniem, o czym świadczą ciężarówki produkowane przez Sulzer, Saurer & Brown, Boveri & Cie.

Turbosprężarka jest sprężarką odśrodkową napędzaną energią kinetyczną gazów spalinowych silnika. Gazy spalinowe wydostając się z cylindrów kierowane są do kolektora wydechowego, a następnie przez spiralnie ukształtowany korpus kierowane są na łopatki turbiny, która jest wprawiana w ruch obrotowy. Turbina osadzona jest na łożyskowanym wałku na którego drugim zakończeniu zamocowane jest koło kompresora. Dzięki napędowi od turbiny koło kompresji spręża powietrze wtłaczając je do kanałów dolotowych w silniku.

Producenci samochodów osobowych rozpoczęli badania nad silnikami z turbodoładowaniem w latach pięćdziesiątych XX wieku, jednak problemów związanych z poprawną pracą doładowanego silnika w samochodzie nie można było wówczas rozwiązać.

Pierwszymi samochodami z turbodoładowaniem były Chevrolet Corvair Monza i Oldsmobile Jetfire, oba wprowadzone na rynek w 1962 roku, jednak szybko wycofane ze sprzedaży ze względu na bardzo wysoką awaryjność.

Turbosprężarka w Chevrolecie Corvair została wyprodukowana przez Thompson-Ramo-Wooldridge Inc., która w 1965 roku przekształciła się w TRW. Ważyła 6,1 kg i miała wirnik o średnicy 3 cali (76 mm). Jej prędkość obrotowa wynosiła 70 000 obr/min. Turbodoładowany silnik Chevroleta Corvaira nie wykorzystywał zaworu upustowego do ograniczania ciśnienia doładowania. Zamiast tego doładowanie było kontrolowane przez sterowanie z układu wydechowego zaprojektowanego w celu wytworzenia przeciwciśnienia wystarczającego do ograniczenia maksymalnego doładowania. Aby zapobiec pracy silnika na zbyt ubogiej mieszance wybrano dysze gaźnika, które które dostarczały zbyt bogatą mieszankę przy pełnym otwarciu przepustnicy.

Przy maksymalnym ciśnieniu doładowania ograniczonym do 10 psi (0,69 bara), moc wyjściowa tego silnika w 1962 roku wynosiła 150 KM (111,9 kW), co stanowi wzrost o 47% w stosunku do mocy 102 KM (76,1 kW) silnika wolnossącego. Moment obrotowy został również zwiększony o 58% do 285 Nm.

Stosowany w Oldsmobile’u F-85 Jetfire silnik V8 o pojemności 3,5 litra z doładowaniem, dysponujący mocą 215 KM był rewelacją pod względem osiągów. Doładowanie zwiększyło moc i moment o ponad 30% w stosunku do wersji bez turbodoładowania. W czasach wielkich i niezbyt mocnych silników V8, turbodoładowanie pozwoliło temu samochodowi osiągnąć 100 mil na godzinę w czasie o 10 sekund krótszym, niż taki sam samochód z silnikiem wolnossącym. Przyspieszenie do 60 mil na godzinę skróciło się dwukrotnie. Niestety były z tym samochodem dwa problemy: po pierwsze, zawieszenie było wciąż tą samą chwiejną, niewygodną, niereagującą i wręcz niestabilną konfiguracją dopasowaną do zwykłego – słabego silnika. Po drugie, silnik Jetfire potrzebował specjalnego rozwiązania, aby uniknąć spalania detonacyjnego. Fabrycznie proponowano dodawanie mieszanki wody i alkoholu ze specjalnego zbiornika oznaczonego na ilustracji 5, jednak właściciele o tym nie pamiętali, więc zwiększenie ciśnienia w cylindrze na amerykańskim – niskooktanowym paliwie skutkowało uszkodzeniami silnika wynikającymi ze spalania stukowego.

Szersze zastosowanie turbodoładowania w samochodach osobowych rozpoczęło się w latach 80. XX wieku jako sposób na zwiększenie osiągów silników o mniejszej pojemności skokowej. Pierwszym samochodem produkowanym seryjnie i wyposażonym w turbosprężarkę było zaprezentowane w 1973 r. BMW 2002 Turbo. Był to samochód wyposażony w silnik benzynowy o pojemności 2 l z układem wtryskowym typu Kugelfischera (FAG Kugelfischer Georg Schäfer). Dzięki turbodoładowaniu moc tego silnika została zwiększona ze 130 do 170 KM.

Rewolucję w turbodoładowaniu samochodów osobowych spowodowało w 1978 r. wprowadzenie na rynek silników Diesla z turbodoładowaniem w Mercedesie Benz 300 SD oraz w 1981 r. w Volkswagenie Golfie Turbodiesel.

Zapraszamy do kolejnej części artykułu poświęconej sprężarkom.

Długa historia turbo cz. 2