Υπερπλήρωση

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

 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). 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. Τέλος, εκτεταμένη είναι η χρήση της υπερπλήρωσης και σε βιομηχανικές εφαρμογές. Ένα από τα πρώτα, αν όχι το πρώτο, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχετικής με την υπερπλήρωση, ανήκει στους αδελφούς Philander και Francis Marion Roots της εταιρίας Roots Blower Company (με έδρα το Connersville στην πολιτεία της Indiana των Η.Π.Α.), οι οποίοι σχεδίασαν μία αντλία αέρα για χρήση σε υψικάμινους το 1860. Ο πρώτος πλήρως λειτουργικός υπερπληρωτής σχεδιάστηκε από τον Dugald Clerk, ο οποίος τον χρησιμοποίησε στην πρώτη δίχρονη μηχανή εσωτερικής καύσης το 1878. Ο Gottlieb Daimler κατοχύρωσε με τη σειρά του Γερμανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την υπερπλήρωση κινητήρων εσωτερικής καύσης το 1885, ενώ ο Louis Renault σχεδίασε ένα φυγοκεντρικό υπερπληρωτή, τον οποίο και πατεντάρισε στη Γαλλία το 1902. Ένα από τα πρώτα υπερπληρούμενα αγωνιστικά αυτοκίνητα κατασκευάστηκε από τον Lee Chadwick στο Pottstown της Pennsylvania των Η.Π.Α. το 1908. Το αυτοκίνητο φέρεται να επιτύγχανε ταχύτητες της τάξης των 160χλμ/ώρα. Τα πρώτα αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής με υπερπλήρωση υπήρξαν τα Mercedes 6/25/40 hp και Mercedes 10/40/65 hp. Και τα δύο μοντέλα εισήλθαν στην αγορά το 1921 και είχαν υπερπληρωτές τύπου Roots. Απέκτησαν δε την ονομασία "Kompressor" (από το Γερμανικό όρο για το συμπιεστή), η οποία είναι μέχρι τις μέρες μας σε χρήση από τη Mercedes-Benz για μοντέλα της που εφαρμόζουν μηχανική υπερπλήρωση. Στις 24 Μαρτίου του 1878, ο Heinrich Krigar από τη Γερμανία κατοχύρωσε την πατέντα #4121 για τον πρώτο κοχλιωτό συμπιεστή, ενώ αργότερα το ίδιο έτος (στις 16 Αυγούστου) έλαβε και την πατέντα #7116 μετά από μετατροπές για τη βελτίωση της αρχικής του σχεδίασης. Τα σχέδιά του δείχνουν συναρμολόγηση με ρότορα διπλού λοβού με τους δύο κοχλίες να έχουν περίπου το ίδιο σχήμα. Σχεδόν μισό αιώνα αργότερα, το 1935, ο Alf Lysholm, εργαζόμενος της Σουηδικής εταιρίας Ljungstroms Angturbin AB (αργότερα γνωστής ως Svenska Rotor Maskiner AB και SRM από το 1951), κατοχύρωσε ευρεσιτεχνία υπερπλήρωσης με πέντε θηλυκούς και τέσσερις αρσενικούς ρότορες, καθώς επίσης και τη μέθοδο κατεργασίας του ρότορα αυτού του τύπου. Οι διάφοροι τύποι υπερπληρωτών δύνανται, ανάλογα με τα εκάστοτε χαρακτηριστικά τους, να κατηγοριοποιηθούν με διάφορους τρόπους. Οι κατηγοριοποίηση αυτή προσφέρει μια εποπτική εικόνα των τεχνολογιών που βρίσκουν εφαρμογή στην υπερπλήρωση. Μια πρώτη κατηγοριοποίηση είναι εφικτή με βάση τον τύπο του συμπιεστή που χρησιμοποιείται για την αύξηση της πίεσης στην είσοδο του κινητήρα. Οι υπερπληρωτές δυναμικής ροής δεν μπορούν να επιτύχουν αύξηση της πίεσης σε χαμηλές στροφές, σε αντίθεση με τους υπερπληρωτές θετικής εκτόπισης, οι οποίοι αποδίδουν μια σχεδόν ανεξάρτητη των στροφών του κινητήρα αύξηση πίεσης. Συμπιεστές Δυναμικής Ροής Οι συμπιεστές δυναμικής ροής έχουν ως αρχή λειτουργίας την επιτάχυνση του ρευστού σε υψηλές ταχύτητες και την επακόλουθη ανάκτηση πίεσης μέσω ενός διαχύτη. Γενικότερα, αναφέρονται στην ορολογία και ως αεριοσυμπιεστές. Η συμπίεση δυναμικής ροής για υπερπλήρωση χρησιμοποιεί σχεδόν καθολικά συμπιεστές φυγοκεντρικής ροής. Συμπιεστές Θετικής Εκτόπισης Οι συμπιεστές θετικής εκτόπισης αποδίδουν ένα σχεδόν σταθερό ανα περιστροφή όγκο αέρα, ανεξάρτητα των στροφών του κινητήρα. Παλινδρομικοί ΥπερπληρωτέςΣτην κατηγορία αυτή συμπεριλαμβάνονται τόσο οι τύποι εμβολοφόρου και στροφαλοθάλαμου, όσο και ο συμπιεστής ταλαντούμενων πτερυγίων. Περιστρεφόμενοι ΥπερπληρωτέςΟι 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. Συμπιεστές Κύματος Πίεσης Στην αγγλική ορολογία, τα συστήματα αυτά είναι γνωστά ως Pressure Wave Superchargers. Τα πλέον διαδεδομένα συστήματα είνα τα Comprex και Hyprex, τα οποία αναπτύχθηκαν από την Ελβετικές εταιρίες Brown Bovery & Cie και Wenko AG αντίστοιχα. Η συμπίεση δεν συντελείται σε κάποιον συμπιεστή, αλλά επιτυγχάνεται μέσω κυμάτων πίεσης προερχόμενων από την εκτόνωση των θερμών καυσαερίων σε πτερυγιοφόρο δρομέα. Η κατηγοριοποίηση των υπερπληρωτών είναι επίσης δυνατή βάσει της πηγής από την οποία προέρχεται η ενέργεια για την κίνηση του συμπιεστή. Στρόβιλος Η ενέργεια προέρχεται από την εκτόνωση θερμών καυσεριών σε στρόβιλο ο οποίος είναι μηχανικά συνδεδεμένος με τον συμπιεστή και δύναται να είναι φυγοκεντρικής, μικτής ή και αξονικής ροής. Τα συστήματα αυτά είναι γνωστά και ως στροβιλοϋπερπληρωτές καυσαερίου (exhaust gas turbochargers). Βασικά μειονεκτήματα της χρήσης των στροβιλοϋπερπληρωτών καυσαερίων είναι: Η καθυστέρημενη 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 είναι: Η πολυβάθμια υπερπλήρωση σε σειρά (συνδυασμός ενός μικρού και ενός μεγαλύτερου στροβιλοϋπερπληρωτή, 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 στροβιλοϋπερπλήρωσης, 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 στροβιλοϋπερπληρωτής.Φυσικά, οι παραπάνω μέθοδοι έχουν ως σαφές μειονέκτημα την ακόμα περαιτέρω αύξηση του κόστους, των μηχανικών μερών αλλά και της δυσκολίας ελέγχου του συστήματος, μια σχετικά φτηνή λύση είναι: Το ηλεκτρονικό anti-lag. αυτό όπως λέει το όνομά του είναι δυνατότητα που προσφέρουν οι aftermarket ECU και ενεργοποιείται-ρυθμίζεται κατά τη χαρτογράφηση, το μόνο που κάνει είναι όταν το γκάζι είναι κλειστό, η ανάφλεξη καθυστερεί έως και 30 μοίρες, όταν το πιστόνι μετακινείται προς το κάτω ακραίο σημείο κίνησης μεταφέροντας λίγη ροπή στο στρόφαλο, αρκετή όμως ώστε να μην σβήσει ο κινητήρας, όταν το πιστόνι μετακινείται προς το ανώτατο σημείο κίνησης τα ακόμη διαστελλούμενα αέρια διώχνονται με μεγάλη ταχύτητα, και πέφτουν πάνω στα πτερύγια του στροβίλου, διατηρώντας έτσι την πίεση υπερπλήρωσης ακόμα και αν οι στροφές του κινητήρα πέφτουν. Επειδή το όλο σύστημα της υπερπλήρωσης, τίθεται υπό μεγάλων πιέσεων και θερμοκρασιών οι βλάβες είναι πολύ πιθανές και περιλαμβάνουν από ραγίσματα μέχρι καταστροφή ολοκλήρου του συστήματος του εξάτμισης, πράγμα λογικό αφού από την απόληξη της εξάτμισης βγαίνουν μαζί με τα καυσαέρια, όταν λειτουργεί το anti-lag, φλόγες και μπουμπουνητά.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 στροβιλοϋπερπληρωτών σε αυτόν τον τύπο κινητήρα. Σήμερα, πρακτικά το σύνολο των πετρελαιοκινητήρων χρησιμοποιούν στροβιλοϋπερπληρωτές, 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 την εμφάνιση κτυπήματος (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. Στροφαλοφόρος Άξονας Η ενέργεια για την κίνηση του συμπιεστή παραλαμβάνεται ως μηχανική ενέργεια από τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα. Είναι γνωστοί και ως μηχανικοί συμπιεστές, μιας και τα συστήματα αυτά εφαρμόζονται σχεδόν καθολικά σε συνδυασμό με συμπιεστή θετικής εκτόπισης, σε αντίθεση με τους συμπιεστές δυναμικής ροής που σχεδόν καθολικά συνδυάζονται με στροβίλους εκτόνωσης θερμών καυσαεριών. Στις χαμηλές στροφές, όπου η ενθαλπία των καυσαερίων παραμένει σε χαμηλά επίπεδα, οι μηχανικοί συμπιεστές πλεονεκτούν έναντι των στροβιλοϋπερπληρωτών λόγω της παραλαβής ισχύος απευθείας από στο στροφαλοφόρο άξονα. Ωστόσο, οι στροβιλοϋπερπληρωτές εκμεταλλεύονται ενέργεια που ούτως ή άλλως θα αποδιδόταν αχρησιμοποίητη στο περιβάλλον υπό μορφή θερμών καυσαεριών, βελτιώνοντας έτσι τον ολικό βαθμό απόδοσης του συστήματος. 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 στροβιλοϋπερπληρωτής. Τέτοιου είδους συστήματα είναι σχετικά πολύπλοκα και κοστοβόρα. Ηλεκτροκινητήρας Εφικτή είναι και η σύνδεση του συμπιεστή με ανεξάρτητο ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος παρέχει την απαραίτητη ισχύ για την κίνηση του συμπιεστή. Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως (αν και όχι εκτεταμένα) στην αυτοκινητοβιομηχανία σε συνδυασμό με συμπιεστές δυναμικής ροής για την αντιμετώπιση του προβλήματος της κακής απόκρισης (σε χαμηλές στροφές και φορτία) των συμπιεστών αυτών σε συστήματα τύπου στροβιλοϋπερπληρωτή, των οποίων η παραγόμενη ισχύς εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ενθαλπικό περιεχόμενο των θερμών καυσαερίων.