Υπερπλήρωση

Η υπερπλήρωση (αγγλ. supercharging) ή εξαναγκασμένη αναπνοή (σε αντιπαραβολή με τον όρο φυσική αναπνοή που χρησιμοποιείται για μηχανές εσωτερικής καύσης χωρίς υπερπλήρωση) είναι η εισαγωγή συμπιεσμένου αέρα στους κυλίνδρους του κινητήρα με σκοπό την αύξηση της ισχύος και της αποδοτικότητάς του, μέσω της αύξησης της πυκνότητας του εισαγώμενου αέρα.

Εισαγωγή

Ο αγγλικός όρος supercharging καλύπτει κανονικά τόσο τους μηχανικούς υπερπληρωτές (αγγλ. mechanical supercharger), όσο και τους στροβιλοπληρωτές καυσαερίου (αγγλ. exhaust gas turbocharger), γνωστούς και ως "turbo". Είναι ωστόσο σύνηθες να χρησιμοποιείται ο όρος supercharger αποκλειστικά για τους μηχανικούς υπερπληρωτές, μιας και ο όρος turbocharger μονοσήμαντα περιγράφει τους στροβιλοπληρωτές καυσαερίου.

Για κινητήρα με δεδομένο κυβισμό και λοιπά χαρακτηριστικά, η υπερπλήρωση είναι ο μόνος τρόπος αύξησης ισχύος, εφόσον ούτε ο αριθμός στροφών ούτε η σχέση συμπίεσης μπορούν να αυξηθούν πάνω από κάποιο όριο. Εισάγοντας συμπιεσμένο αέρα στον κύλινδρο, επιτυγχάνεται η είσοδος μεγαλύτερης μάζας αέρα για δεδομένο όγκο, με αποτέλεσμα να καθύσταται δυνατή η καύση μεγαλύτερης μάζας καυσίμου (για σταθερό λόγο μίγματος αέρα-καυσίμου), που οδηγεί σε αύξηση της αποδιδόμενης ισχύος και ροπής του κινητήρα.

Εναλλακτικά, η υπερπλήρωση επιτρέπει την απόδοση ίδιας ροπής και ισχύος με μικρότερο όγκο εμβολισμού, πρακτική που χρησιμοποιείται σήμερα ευρύτατα κυρίως στην αυτοκινητοβιομηχανία, τόσο σε εφαρμογές βενζινοκινητήρων, όσο και πετρελαιοκινητήρων. Η πρακτική αυτή, γνωστή με τον αγγλικό όρο downsizing, έχει συμβάλει καταλυτικά στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών καυσαερίων των μηχανών εσωτερικής καύσης, ιδιαίτερα μέσω του συνδυασμού της χρήσης υπερπληρωτών με άλλες καινοτόμες τεχνολογίες, όπως η άμεση έγχυση καυσίμου (αγλλ. Gasoline Direct Injection) στους κινητήρες Otto και οι βαλβίδες πλήρως μεταβλητού χρονισμού (Variable Valve Timing) και βυθίσματος (Variable Valve Lift).

Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται για υπερπλήρωση είναι:

• Οι υπερπληρωτές δυναμικής ροής
• Οι μηχανικοί υπερπληρωτές

Η υπερπλήρωση, αν και αρχικά αναπτύχθηκε κυρίως για χρήση σε μηχανές εσωτερικής καύσης αεροπορικών εφαρμογών, λόγω του προβλήματος της χαμηλής πυκνότητας του αέρα σε υψηλά υψόμετρα που περιόριζε το φάκελο πτήσης, χρησιμοποιείται σήμερα σχεδόν σε όλα τα είδη οχημάτων (αεροπορικές και ναυτικές εφαρμογές, αυτοκινητοβιομηχανία ελαφρών και βαρέων οχημάτων) και κύκλους λειτουργίας (Diesel, Otto αλλά και πιο πρόσφατα Miller/Atkinson), ενώ έχουν αναπτυχθεί και για εφαρμογές κυψελών καυσίμου.

Τύποι Υπερπληρωτών

Δυναμικής Ροής

Στροβιλοπληρωτές καυσαερίων

Ο στροβιλοπληρωτής καυσαερίου αποτελείται από έναν αεριοστρόβιλο τοποθετημένο στον αγωγό εξαγωγής καυσαερίων, και έναν αεροσυμπιεστή τοποθετημένο στην εισαγωγή του κινητήρα. Ο αεριοστρόβιλος κινείται εκμεταλλευόμενος την ενέργεια των καυσαερίων και παράγει ισχύ με την οποία θέτει σε λειτουργία τον αεροσυμπιεστή, με τον οποίο και είναι συνδεδεμένος μηχανικά, μέσω ενός άξονα. Ο αεροσυμπιεστής, με τη σειρά του, εκτελεί τη συμπίεση του αέρα, ο οποίος και διοχετεύεται στους κυλίνδρους στη νέα, άνω της ατμοσφαιρικής πίεση, επιτυγχάνοντας έτσι την υπερπλήρωση. Ο στροβιλοπληρωτής, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής, μπορεί να είναι τόσο αξονικής, όσο και φυγοκεντρικής (ακτινικής) ή μικτής ροής.

Βασικά μειονεκτήματα της χρήσης του στροβιλοσυμπιεστή καυσαερίων είναι:

• H κακή χρονική απόκριση στις αλλαγές του φορτίου (φαινόμενο "υστέρησης" γνωστό και ως turbo lag), λόγω του χαμηλού ενθαλπικού περιεχομένου των καυσαερίων σε συνθήκες χαμηλού φορτίου ή/και χαμηλών στροφών, σε σχέση πάντα με έναν αντίστοιχο κινητήρα φυσικής αναπνοής (αγγλ. naturally aspirated).

Ένα μεγάλο εύρος τεχνολογιών έχει προταθεί για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού, όπως για παράδειγμα η πολυβάθμια υπερπλήρωση σε σειρά (συνδυασμός ενός μικρού και ενός μεγαλύτερου στροβιλοπληρωτή, βελτιστοποιημένοι για τα χαμηλά και τα υψηλά φορτία αντίστοιχα), η χρήση ηλεκτρικής υποβοήθησης για την επιτάχυνση του συμπιεστή μέσω ενός μικρού ηλεκτροκινητήρα, και ο συνδυασμός μηχανικής υπερπλήρωσης και στροβιλοπλήρωσης, όπου ο μηχανικός υπερπληρωτής ενεργοποιείται στις χαμηλές στροφές (η άντληση μηχανικής ενέργειας μέσω άμεσης σύνδεσης με το στροφαλοφόρο σημαίνει ότι ενέργεια είναι διαθέσιμη ακόμη και όταν το ενεργειακό περιεχόμενο των καυσαερίων είναι χαμηλό), ενώ στις υψηλότερες στροφές και φορτία, την υπερπλήρωση αναλαμβάνει ο στροβιλοπληρωτής. Φυσικά, οι παραπάνω μέθοδοι έχουν ως σαφές μειονέκτημα την ακόμα περαιτέρω αύξηση του κόστους, των μηχανικών μερών αλλά και της δυσκολίας ελέγχου του συστήματος.

• Η τοποθέτηση του στη γραμμή των θερμών καυσαερίων απαιτεί υλικά εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες. Φυσικά, εκτός των δυσκολιών κατεργασίας των υλικών αυτών, η χρήση στροβιλοπληρωτών αυξάνει τις πιθανότητες διαφόρων τύπων αστοχίας, αλλά και το κόστος του τελικού προϊόντος.

Ιστορικά, οι χαμηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων των πετρελαιοκινητήρων επέτρεψαν την ταχύτερη και αποδοτικότερη εφαρμογή των στροβιλοπληρωτών σε αυτόν τον τύπο κινητήρα. Σήμερα, πρακτικά το σύνολο των πετρελαιοκινητήρων χρησιμοποιούν στροβιλοπληρωτές, σε αντίθεση με τους βενζινοκινητήρες, στους οποίους συχνά απαντώνται και ατμοσφαιρικές εφαρμογές, αν και η τάση είναι και εδώ στην κατεύθυνση της υπερπλήρωσης.

• Απαιτείται η χρήση μηχανισμού ψύξης του αέρα (intercooler) πριν αυτός εισαχθεί στους κυλίνδρους.

Η αύξηση της πίεσης του αέρα εισαγωγής οδηγεί αναπόφευκτα και στην αύξηση της θερμοκρασίας (καταστατική εξίσωση), η οποία δρα στην κατεύθυνση μείωσης της πυκνότητας του αέρα και σε συνθήκες υψηλού φορτίου και στροφών ενδέχεται να βρίσκεται σε επίπεδα αρκετά υψηλά ώστε να θέτει σε κίνδυνο τα πιο συμβατικά υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται στην εισαγωγή (σε σύγκριση πάντα με αυτά της εξαγωγής), αλλά και να μειώνει το βαθμό απόδοσης της καύσης εντός των κιλύνδρων. Στους κινητήρες Otto χωρίς τεχνολογία άμεσης έγχυσης καυσίμου, η αύξηση της θερμοκρασίας εισαγωγής ευνοεί το κτύπημα (αγγλ. knocking ή preignition) του κινητήρα, την αυτανάφλεξη δηλαδή του μίγαμτος αέρα-καυσίμου (η οποία οδηγεί σε φθορά των κυλίνδρων και μείωση της απόδοσης της μηχανής). Για το λόγο αυτό, η άμεση έγχυση καυσίμου θεωρείται στους βενζινοκινητήρες τεχνολογία-καταλύτης (enabling technology) για την επιτυχή εγκατάσταση συστήματος υπερπλήρωσης.

Υπερπληρωτές Κύματος Πίεσης

Στην αγγλική ορολογία γνωστοί ως Pressure Wave Superchargers. Τα πλέον διαδεδομένα συστήματα αυτού του τύπου είναι τα Comprex και Hyprex, τα οποία αναπτύχθηκαν από την Ελβετικές εταιρίες Brown Bovery & Cie και Wenko AG αντίστοιχα.

Μηχανικοί Υπερπληρωτές

Γνωστοί και ως συμπιεστές θετικής εκτόπισης (positive displacement).

1. Παλινδρομικούς
2. Περιστρεφόμενους

Είναι συμπιεστές αέρα που για την παραλαβή της απαραίτητης για τη λειτουργία τους ισχύος, συνδέονται μηχανικά με τον κινητήρα, συνήθως με τον στροφαλοφόρο άξονα. Στις χαμηλές στροφές, όπου η ενθαλπία των καυσαερίων παραμένει σε χαμηλά επίπεδα, πλεονεκτούν έναντι των υπερπληρωτών δυναμικής ροής, μιας και η ενέργεια κίνησης είναι άμεσα διαθέσιμη μέσω του στροφαλοφόρου άξονα. Φυσικά, σε αντίθεση με τους στροβιλοπληρωτές, οι οποίοι χρησιμοποιούν ενέργεια που ούτως ή άλλως θα αποδιδόταν αχρησιμοποίητη στο περιβάλλον υπό μορφή θερμών καυσαεριών, βελτιώνοντας έτσι τον ολικό βαθμό απόδοσης του συστήματος, η ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία των μηχανικών υπερπληρωτών ουσιαστικά προέρχεται άμεσα από το καύσιμο.

Όπως προαναφέρθηκε, σε περίπτωση συνδυασμού των δύο συστημάτων, λειτουργεί πρώτα ο μηχανικός συμπιεστής στις χαμηλές στροφές, έως ότου τα καυσαέρια αποκτήσουν την απαιτούμενη ενέργεια, οπότε και εκκινεί τη λειτουργία του ο στροβιλοσυμπιεστής. Το σύστημα είναι σχετικά πολύπλοκο και κοστοβόρο.

Παλινδρομικοί Υπερπληρωτές

Στην κατηγορία αυτή συμπεριλαμβάνονται τόσο οι τύποι εμβολοφόρου και στροφαλοθάλαμου, όσο και ο συμπιεστής ταλαντούμενων πτερυγίων.

Περιστρεφόμενοι Υπερπληρωτές

Οι περιστρεφόμενοι υπερπληρωτές περιλαμβάνουν τους συμπιεστές λοβοειδούς τύπου Roots και κοχλιοειδούς τύπου Lysholm, αλλά και τους συμπιεστές κοχλιωτού τύπου (screw) και ολισθαίνοντων πτερυγίων (sliding vanes). Οι δύο πρώτοι είναι και οι πλέον διαδεμένοι.