Mechanikus feltöltők

A mechanikus feltöltéshez közvetlenül a motor főtengelyéről, többnyire megfelelő – esetenként szabályozható, vagy lekapcsolható -, áttételen keresztül nyerik a működéshez szükséges energiát. A feltöltő beszívja, majd elősűrítve továbbítja a friss töltetet a motor hengereibe. A mechanikus feltöltő nyomásviszonya (a feltöltő utáni és előtti töltetnyomások hányadosa) kisebb, mint a gázturbináé. A mechanikus feltöltő által felvett teljesítmény, a motor hasznos (effektív) teljesítményét csökkenti. A kipufogás a szabad levegőbe történik, így az égéstermékek kitolása a kipufogó oldali ellenállások leküzdéséhez szükséges nyomáson történik. Tehát a mechanikus feltöltő hatásfoka kisebb, mint a turbófeltöltőké.

De már kis töltőnyomás is elegendő ahhoz, hogy a negatív töltetcsere eltűnjön, és pozitívvá váljon. Mivel a mechanikus feltöltő a motor főtengelyéről kapja a meghajtást, a motor legtöbb üzemállapotára a pozitív töltetcsere-munkajellemző. Itt jelentkezik a mechanikus feltöltés előnye, miszerint már kis fordulaton is van töltőnyomás. Itt két csoportot különböztetünk meg: belső sűrítés nélküli töltők, és a belső sűrítéssel működő töltők.

A belső sűrítés nélküli töltők (Roots-fúvók)

A Roots-fúvó lényegében egy különleges fogazatú fogaskerék-szivattyú. Ez a fogazat csak a közeget szállítja, a két forgódugattyút külön fogaskerékpár kapcsolja össze. A Roots-fúvó belsejében nincs sűrítés, a fogak csak áttolják a (foghézagokban lévő) közeget a nagynyomású térben, és a már előzőleg odaszállított közeg végzi a sűrítést, miközben részben visszaáramlik a töltőbe. A töltőbe periódikusan visszaáramló levegő lengésfolyamatokat hozhat létre, egyenlőtlen szállítást és jelentős zajt okoz. Maga a veszteség ott jelentkezik, hogy a dugattyúnak nem csak a szállított mennyiséget kell a nagyobb nyomás ellenében kitolnia, hanem azt a mennyiséget is, amely a szállított közeg egyidejű sűrítésekor visszaáramlott. Nagyobb fordulatoknál a Roots-fúvók teljesítményszükséglete és a szállított közeg hőmérsékletének növekedése kedvezőtlenül nagy.

Belső sűrítéssel működő töltők (csavarkompresszorok)

A belső sűrítéssel működő töltők sűrítik a közeget mielőtt azt a nagynyomású térbe szállítanák. Sűrítési folyamatuk miatt, az összhatásfokuk jobb a belső sűrítés nélkül működő töltőkénél. Két egymással szemben forgó dugattyújának konvex és a konkáv fogazata egymásba illeszkedik, és a levegő addig komprimálódik a csavarhornyokban, amíg el nem éri a kiömlő csonk vezérlőélét. A csavardugattyúk nem érintik sem egymást, sem a ház falát. Forgásukat esetenként 1:1 áttételtől eltérő fogaskerékpár szinkronizálja. Jó áramlástechnikai kiképzés és megfelelően pontos gyártás esetén az elérhető fordulatszám nagyobb, mint a Roots-fúvók esetén. A Roots-fúvóknál kb. 50m/s kerületi sebesség a felső határ, csavarkompresszoroknál 100 m/s is megvalósítható jó hatásfokkal. Viszont az elméleti szállítási térfogat kb. 30% kisebb, mint a Roots-fúvók esetében.

Spirál kompresszor (G-töltő)

Eredeti ötletét 1905-ben a francia L. Creux spiráltöltőként szabadalmaztatta az USA-ban, később a VW e szabadalom alapján fejlesztette ki. A töltő kétrészes öntött alumínium házból áll, súlya 7,8 kg. A ház belsejében spirált alakítottak ki úgy, hogy minden oldalából nyomáskamrák keletkezzenek. A házban csak a magnézium ötvözetből készült kiszorító végez mozgást. Ez nem más, mint egy alaplap, amelynek mindkét oldalából G-formájú spirálok emelkednek ki. Anyagául nagy szilárdságú alumínium szolgál, így magas fordulatszámnál is stabilan, kopás nélkül működik. A töltő hatásfoka alaphelyzetben is jobb, mint a turbóé (kb. 55 %), ám a közvetlen hajtás miatt mindjárt el is vesz a motor teljesítményből. Előnye viszont a turbólyuk-mentesműködés. A feltöltés dinamikájának javítása céljából már közepes fordulatszámon több levegőt szállít a szükségesnél.A töltő mindkét fele a kiszorítóval két-két jellegzetes töltőkamrát alkot. A teljes rendszer így négy különálló kamrával rendelkezik. A kiszorító a motor főtengelyéről kapja a hajtást, bordásszíjon át. Ez a szíj a töltő főtengelyét hajtja. A főtengely és a vele párhuzamos “kistengely” között fogas szíj kapcsolat van a szinkronhajtás miatt. Mindkét tengelyen egy excentrikus csapot alakítottak ki, így a párhuzamos hajtás által a kiszorítónak ellipszis alakú mozgása lesz.

A töltés menete innen már roppant egyszerű. A hulla-hopp karika-szerű mozgás hatására, a ház belépőnyílásából érkező levegő a csatornákon át a kiömlőnyílás felé kényszerítődik. Közben összesűrűsödik, begyorsul és a töltő közepén axiális irányba, kilép. A töltő a közvetlen hajtás miatt állandó mozgásban van, ezért a légszállítása folyamatos. Fordulatszáma kb. 1, 55-szöröse a motor fordulatszámának, és minden fordulat alatt kb. 860 cm3 levegőt, szállít. Így pl. 6200-as motorfordulatnál, a töltő 9600 1/min forog. Ez a turbóhoz képest meglepően alacsony, ennek ellenére a G-töltő rendkívül erős igénybevételnek van kitéve, a maximális fordulatszáma 12. 000 1/min-t nem haladhatja meg.