Prednabijanje 2: Kompresori – AutopressHR

Turbo pogone ispušni plinovi, a mehanički kompresor (kraće: kompresor) pogoni motor, npr. preko remena, zupčanika ili lanca. Prve primjene bile su u metalurškim postrojenjima, sredinom 19. stoljeća: kompresori su obavljali posao kovačkog mijeha. U serijskim automobilima su se pojavili 1920ih (Mercedes, 1921.), a bili su česti u jačim automobilima i na cestama i na pistama. Dio snage motora (time i goriva) koristi se za pogon kompresora, ali posljedična mogućnost izgaranja više smjese nadoknađuje taj gubitak i k tome dodaje još snage. Budući da je pogonjen motorom, kompresor praktički neprestano tlači zrak i odaziv motora na gas je praktički trenutan.

Dvije glavne vrste kompresora
Automobilski kompresori spadaju u dvije glavne vrste. Prva uključuje kompresore koji isporučuju podjednaki tlak na danom broju okretaja (positive displacement supercharger). Tu spadaju npr. Rootsov tip kompresora (često zvan i blower), koji zapravo ubrzava zrak prema usisnoj grani gdje se zrak komprimira. Po konstrukciji je sličan vijčanom, ali su im rotori jednostavnije geometrije. Zatim, vijčani (screw-type supercharger) koji komprimira zrak, a sastoji se rotora po obliku sličnih vijcima koji rotiranjem između praznina svojih navoja tlače zrak. Tu spadaju i kompresori s pomičnim elisama (sliding vane supercharger): rotirajući cilindar (rotor) je postavljen u okruglo kućište, ali ne u centru. Elise rotora prate rub kućišta i zalaze u rotor kako se prostor između rotora i kućišta smanjuje (i vraćaju se kako se, dalje u ciklusu okretanja, povećava – aktuator za to može biti jednostavna opruga). Zrak zarobljen između dvije susjedne elise tako se komprimira, a geometrija tog kompresora po svom principu slična je geometriji Wankelovog motora. Još jedan tip koji spada u ovu vrstu i radi po sličnom principu je scroll-type kompresor, koji za tlačenje zraka koristi plohu oblika zavojnice u pripadajućem kućištu; takav je kompresor i Volkswagenov G-Lader.

Druga vrsta uključuje kompresore koji su efikasni pri većoj brzini, kada ubrzani zrak šalju kroz difuzore kako bi ga usporili i tako podigli tlak u komori (dynamic superchargers). U ovu vrstu spada centrifugalni kompresor: sličan je kompresorskoj strani turbopunjača, ali ovdje motor pogoni impeler koji usisava i primarno ubrzava zrak koji zatim bude stlačen promjenom geometrije (presjeka) usisne grane. Drugi tip kompresora koji se koristi u automobilima i spada u ovu vrstu je tzv. pressure wave kompresor. On kombinira sliding vane tip i prednabijanje korištenjem Helmholtzove rezonancije: rotirajući cilindar propušta ispušne plinove u komoru, koji tlače svježi zrak. Kako taj cilindar dalje rotira, tako propušta stlačeni svježi zrak dalje u usis (ali i dio ispušnog plina) i zatvara se pa se ispušni puls odbija natrag i stvara potlak koji pomaže s usisom idućeg ciklusa svježeg zraka. Jedan od rijetkih primjera kompresorski prednabijenih dizelskih putničkih automobila je Mazda 626 s Comprex kompresorom (1987. – 1992.). U vožnji su kompresorski prednabijeni motori karakteristični po zavijanju kompresora, brzom odazivu na gas i relativno linearnoj isporuci snage.

Zagrijavanje i hlađenje
Napomenimo kako svaki motor, a pogotovo prednabijeni, treba zagrijati prije jačeg korištenja da ulje procirkulira i sve komponente dođu na radnu temperaturu; isto tako, nakon brže vožnje, motor treba ohladiti normalnom vožnjom i ne gasiti isti čas nakon puštanja gasa. Tako se komponente i punjača i motora ravnomjernije i sigurnije ohlade. Uvijek treba imati na umu termalnu ekspanziju materijala i možda se to svojstvo može lakše opisati primjerom kočnica: ako nakon intenzivnog korištenja (tj. kočenja i zagrijavanja) zaustavimo automobil i ostavimo ga na mjestu s uključenom ručnom kočnicom, zadnji diskovi će se na mjestu kontakta s paknama kočnice hladiti drugom brzinom, tj. materijal diska na tom dijelu neće se stezati istom brzinom kao na ostatku diska i tako dolazi do deformacije diska. Ona se osjeti kao vibriranje u vožnji i kočenju, a gašenje motora prije nego se npr. turbina ohladi uskraćuje joj cirkulaciju ulja pa može doći do mehaničkih i termičkih oštećenja osjetljivih komponenti turbine poput ležajeva i rotora. 

U nastavku slijede neki primjeri automobila s kompresorima i zanimljivosti o njima.

Uključivanje kompresora
Toyota MR2 prve generacije (1984. – 1989.) mogla se kupiti i s prednabijenim 4A-GZE motorom. Četverocilindarski 1.6 u tom slučaju nije imao dva para usisnih kanala (T-VIS), a koristio je kompresor Roots tipa. Da se smanji prosječna potrošnja, remenski pogon kompresora se s motorom spajao preko elektromagnetskog kuplunga tek pri jačem gasu. Princip uključivanja kompresora po potrebi koristio je npr. i Mercedes-Benz 1930ih, a može se vidjeti i u filmu Mad Max na kompresoru ugrađenom na Maxov presretač, australski Ford Falcon.

Elektromotorni kompresor
Audi od 2016. u ponudi ima V8 turbodizel s električnim kompresorom, prvim na serijskom automobilu. Koristi se za prednabijanje pri niskom opterećenju, a ne pogoni ga motor automobila nego posebni elektromotor pa ne troši snagu/gorivo (tj. ne troši ih izravno, ali i električnu struju za elektromotor mora se nekako pripremiti i pohraniti) i počne tlačiti zrak već za oko 250 milisekundi od vozačevog pritiskanja pedale gasa.

Dvostruko prednabijanje – twincharging
Lancia Delta S4 iz ere relijaške Grupe B (točnije, 1985. i 1986.), kao i cestovna verzija (Stradale) primjer je automobila koji koristi i kompresor i turbo. Kompresor tlači zrak na okretajima i opterećenju motora nepovoljnom za turbo (slabiji gas, niski okretaji), pri srednjim okretajima rade zajedno, a pri jačem gasu i visokim okretajima, kompresor se isključuje i tlačenje preuzima turbo sustav. Rezultat je korištenje prednabijanja kroz cijeli raspon okretaja, trenutni odaziv na gas i izbjegavanje turbo rupe.

Zašto je turbo češći od kompresora?
Mini JCW (John Cooper Works) je početkom 2000ih koristio kompresor, a kasniji su modeli koristili turbo. Osim Minija i Volkswagenovih 1.4 TSI motora s turbom i kompresorom, relativno česti putnički automobili s kompresorom su Mercedesovi Kompressor modeli (npr. C-Klasa i CLK) iz iste ere. Kompresor koristi i Chevrolet Corvette ZR1 (C06 i C07). Turboprednabijanje je ipak češće jer koristi ispuh umjesto snage motora za tlačenje zraka, tj. reciklira inače otpadnu toplinu te troši manje goriva nego kompresor, a to je postalo bitnije i za dizajn motora sukladno strožim ekološkim normama.