Historia turbodoładowania

Historia doładowywania silników spalinowych sięga czasów, kiedy jeszcze nikomu nie śnił się samochód.  Pod koniec 19 wieku sprężarki stosowane były w gazowych i naftowych silnikach stacjonarnych. Konstrukcja tych silników wymagała podania do komory spalania sprężonego powietrza. Najczęściej stosowano w tych silnikach sprężarki śrubowe, były to urządzenia zewnętrzne.

W 1905 roku szwajcar dr. Alfred Buchi  opatentował sprężarkę napędzaną gazami spalinowymi będącymi ubocznym produktem pracy każdego silnika spalinowego. Założeniem Buchego było zwiększenie sprawności używanych wtedy silników, która nie należała do oszałamiających.

Typowa sprawność silnika w tamtym okresie wynosiła 25% (dla porównania dzisiejsze silniki mają typową sprawność dochodzącą do 35%). Większość energii powstałej przy spalaniu paliwa tracona jest w postaci ciepła i ciśnienia spalin.

Po raz pierwszy sprężarkę w silniku spalinowym wykorzystała firma Murray-Willat w 1911.
Joseph J. Murray, projektant, postanowił wykorzystać turbosprężarkę w celu zwiększenia osiągów swojego poprzednika -  6-cylindrowej dwutaktowej jednostki zaprojektowanej do wykorzystania w lotnictwie.
Po zastosowaniu turbodoładowania moc silnika wzrosła z początkowych 18.6kW (26hp) do 50kW (70hp) czyli prawie trzykrotnie. Silnik ten nie został nigdy wprowadzony do produkcji seryjnej, ale za to miał swój epizod filmowy. Został wykorzystany jako rekwizyt w do 2 pierwszych filmów wyprodukowanych przez studio Keystone Macka Sennett-tych, "Saved by Wireless" i "Civilization".

Parametry silnika Murray Rotary 6 Engine:

• Data produkcji: 1912
• Wyprodukowany w: USA
• Wymiary: średnica 73.7cm (29”)
• Charakterystyka silnika: 6-cylindrowy dwutaktowy chłodzony powietrzem, turbodoładowany
• Pojemność skokowa: 6.14l
• Moc: 52kW (70hp) przy 1200 obr/min
• Waga: 118 kg

 
Historia turbodoładowania nieodłącznie towarzyszyła rozwojowi techniki lotniczej. Silniki lotnicze pracują na dużych wysokościach, gdzie mniejsze jest też ciśnienie powietrza. Stąd właśnie koniecznością stało się stosowanie turbosprężarek w samolotach.

W 1918 roku inżynier lotnictwa Stanford Alex Moss zbudował swoją pierwszą turbosprężarkę. Po ukończeniu studiów zaczął pracować dla międzynarodowego koncernu General Electric. Tam Moos wykorzystał turbosprężarkę do doładowania 12-cylindrowego silnika samolotu Liberty. Silnik ten został przetestowany w górach Colorado na wysokości 4300m. Udowodniono w ten sposób że turbosprężarka skutecznie eliminuje straty mocy w silniku spalinowym powstające w wyniku zmniejszenia ciśnienia i gęstości powietrza na dużych wysokościach.

Dzięki turosprężarce w 1920 roku w Dayton ustanowiony został nowy rekord świata w lotach wysokościowych. Major Rudolph W. Schroeder wzniósł się na wysokość 28,500 stóp (8687 metra) na dwupłatowcu Lepere z silnikiem o mocy 400 koni mechanicznych. Lot był przeprowadzony z pasażerem. Dla ciekawostki – warunki panujące na takich wysokościach są bardzo ciężkie, temperatura powietrza podczas lotu wynosiła -20 stopni celciusza.

W między czasie dr Buchi udoskonalał swoją turbosprężarkę (która na początku była dosyć awaryjna). Zaliczył kilka nieudanych prezentacji swojego produktu (np. w 1917 w Baden, gdzie prezentował swój wynalazek firmie Brown Boveri). Niestrudzony kontynuował prace aby w 1925 roku pokazać silnik diesla wyposażony w turbosprężarkę. Zanotował on wzrost mocy o 40%.

W tym też roku w Niemczech zwodowane zostały 2 pierwsze statki wyposażone w turbodoładowane silniki. Jednostki użyte w tych statkach osiągały moce 2000 hp.

Po tych sukcesach turbosprężarki stopniowo zaczęły wkraczać w bardziej popularne piony przemysłu motoryzacyjnego. W 1938 roku szwajcarska fabryka maszyn Saurer rozpoczęła produkcję pojazdów dostawczych wyposażonych w silnik diesla z turbosprężarką (turbodiesel).

W 1962 roku General Motors zastosował seryjnie turbosprężarkę w dwóch modelach produkowanych pojazdów osobowych: "Chevrolet Corvair Monza" oraz "Oldsmobile Jetfire". Ze względu na kłopoty związane ze zbyt wczesnym samozapłonem w komorze spalania, a przez to awaryjnością silników, rozwiązanie to nie przyjęło się zbyt dobrze.

W 1977 BMW spróbowało przygody z turbosprężarką montując ją w modelu 2002 Turbo. Niestety zła sytuacja gospodarcza na świecie spowodowana kryzysem paliwowym spowodowała, że zostało wyprodukowanych tylko 1670 sztuk tego pojazdu.

W zasadzie od początku lat ’70 producenci pojazdów osobowych zaczęli po kolei używać turbosprężarki w swoich modelach aut osobowych. W 1978 Mercedes wypuścił model 300 SD, a w 1981 ukazał się VW Golf z turbodieslem pod maską.

Turbosprężarki ze względu na warunki pracy nie są urządzeniami niezawodnymi, oraz wymagają odpowiedniego użytkowania. Mimo to niewątpliwe korzyści wynikające z zastosowania ich w pojazdach zadecydowały, że turbosprężarka jest stosowana obecnie w znacznej większości pojazdów. Do zalet turbosprężarek należą:

• Zwiększenie osiagów silnika przy małej pojemności skokowej
• Poprawienie parametrów spalania mieszanki paliwowo – powietrznej, a dzięki temu zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery
• Zmniejszenie zużyci paliwa
• Zwiększenie momentu obrotowego przy niższych prędkościach obrotowych silnika.

Nic nie wskazuje, żeby znalazła się jakaś alternatywa dla turbosprężarek. Co więcej zaostrzone norm emisji spalin w 2014 z Euro 5 na Euro 6 spowoduje, że producenci pojazdów i silników będą musieli jeszcze precyzyjniej kontrolować proces spalania w silniku. Turbosprężarka stanie się niezbędnym elementem praktycznie każdego silnika spalinowego.