Suflantă

O suflantă (poz. 6) a unui motor cu piston

Suflantă Roots M62 pe un motor Ecotec LSJ cu 4 cilindri

Într-un motor cu ardere internă o suflantă de supraalimentare este un dispozitiv care comprimă amestecul carburant la motoarele cu ardere internă, respectiv aerul la motoarele diesel pentru a permite introducerea a mai mult amestec carburant, respectiv aer în motor, cu scopul de a obține mai multă putere dintr-o anumită cilindree. O suflantă este acționată mecanic (de obicei de arborele cotit, printr-o curea de transmisie), spre deosebire de o turbosuflantă, care este acționată de energia cinetică a gazelor de evacuare.

Uneori suflanta de supraalimentare este antrenată de un motor electric.

Denumiri alternative

În România la automobile turbosuflantei i se spune colocvial „turbină”, însă aerul comprimat este livrat de un compresor centrifugal, care este doar antrenat de turbină. Termenul corect este „grup turbosuflantă”, deoarece este un agregat format din două componente: turbina și compresorul centrifugal. Suflantei antrenate mecanic i se spune „compresor”, însă în terminologia compresoarelor acestea sunt cele cu raportul de creștere al presiunii mai mare decât 3:1, cele cu raportul până la 3:1 (cazul obișnuit la motoarele de automobile) sunt „suflante”.

Istoric

În 1849 G. Jones din Birmingham, Anglia, a început fabricarea unei suflante cu rotoare profilate pentru ventilarea minelor de cărbune. În 1860 compania Roots Blower (fondată de frații Philander și Francis Marion Roots) din Statele Unite a brevetat un dispozitiv de ventilare pentru furnale și alte aplicații industriale. Atât acest dispozitiv de ventilare, cât și suflanta de ventilare a companiei din Birmingham au folosit modele similare cu cele ale suflantelor Roots de mai târziu.

În martie 1878, inginerul german Heinrich Krigar a obținut primul brevet pentru un compresor elicoidal. Brevetul descria un ansamblu de rotoare de aceeași formă cu câte doi lobi elicoidali, însă proiectul n-a ajuns în producție.

Tot în 1878 inginerul scoțian Dugald Clerk a proiectat prima suflantă de supraalimentare care a fost utilizată pe un motor. Această suflantă a fost utilizată pe un motor în doi timpi pe benzină. Gottlieb Daimler a obținut un brevet german pentru supraalimentarea unui motor cu ardere internă în 1885.

În 1902 Louis Renault a brevetat o turbosuflantă centrifugă în Franța.

Descriere

Tipuri

Există două familii principale de suflante, definite în funcție de metoda de comprimare a aerului: volumice și dinamice. Suflantele volumice oferă un nivel aproape constant de creștere a presiunii de supraalimentare la toate turațiile motorului, în timp ce cele dinamice determină, peste un anumit prag, creșterea exponențială a presiunii odată cu turația motorului.

Suflantele Roots (volumice, cu rotoare profilate) tind să aibă o eficiență de doar 40–50 % la niveluri mari de supraalimentare, comparativ cu 70–85 % pentru cele dinamice. Suflantele elicoidale pot fi aproape la fel de eficiente ca și cele dinamice, însă doar într-un interval îngust de sarcină/viteză/supraalimentare, regim pentru care sunt proiectate.

Suflante volumice

Schema funcționării unei suflante Roots: 1, 3 - rotoare, 2 - corp

Rotoarele unei suflante elicoidale de tip Lysholm

Suflantele volumice furnizează un volum aproape fix de aer per rotație (cu excepția scurgerilor, care au de obicei un efect redus la turații mai mari ale motorului). Cel mai comun tip de suflantă volumică este suflanta de tip Roots. Alte tipuri de suflante volumice sunt cele elicoidale, cele cu lamele culisante și cele spirale.

Sistemul de clasificare pentru suflantele volumice se bazează de obicei pe volumul refulat în cursul unei rotații. În cazul suflantei Roots este tipic modelul de clasificare GMC. Clasificarea GMC se bazează pe numărul de cilindri în doi timpi și dimensiunea acestora, pe care este proiectată să îi baleieze suflanta. Gama de modele GMC conține suflante 2–71, 3–71, 4–71 și 6–71. De exemplu suflanta 6–71 este proiectată să baleieze șase cilindri de 71 cu in (1,16 L) fiecare, rezultând un motor cu o cilindree totală de 426 cu in (7,0 L). Însă deoarece 6–71 este denumirea motorului și nu cea a suflantei, cilindreea reală a suflantei este mai mică. De exemplu, o suflantă de 6–71 pompează 339 cu in (5,6 L) pe rotație. Alți producători de suflante au produs suflante cu puteri nominale de până la 16–71.

Suflante dinamice

Compresoarele dinamice se bazează pe accelerarea aerului la viteză mare și apoi transformarea acestei viteze în presiune în difuzoare.

Principalele tipuri de compresoare dinamice sunt:

• centrifugale
• axiale.

Sistemul de antrenare

Metodele obișnuite de antrenare a unei suflante sunt:

• antrenare directă;
• prin curea (trapezoidală, dințată, lată);
• prin angrenaj;
• prin lanț;
• printr-un variator de turație centrifugal;
• de un motor electric.

Suflante electrice

Suflantele electrice folosesc un motor electric pentru a comprima aerul de admisie. Această soluție oferă un răspuns imediat la comanda accelerației, eliminând întârzierea în cazul turbosupraalimentării, ceea ce le face benefice pentru performanță. Însă, la automobile are nevoie de un sistem electric mai robust, iar datorită transformărilor energiei de antrenare pe traseul electric, consumă mai multă putere.

Efectul cifrei octanice a combustibililor

Combustibilii cu o cifră octanică mai mare sunt mai în măsură să reziste la autoaprindere și detonație. Ca urmare, supraalimentarea furnizată de suflante putea fi crescută, ceea ce duce la o creștere a puterii motorului. Obținerea combustibilului de aviație cu cifră octanică de 100, inovatoare în SUA în anii 1930, a permis utilizarea unor presiuni de supraalimentare mai mari la motoarele de aviație de înaltă performanță și a fost utilizată pentru a crește considerabil puterea motoarelor a mai multor avioane care au doborât recorduri de viteză.

Utilizarea militară a combustibililor cu cifră octanică ridicată a început din 1940, când combustibilul cu cifră octanică de 100 a fost livrat Royal Air Force care luptau în Al Doilea Război Mondial. Și Luftwaffe avea provizii de combustibil similar. Creșterea cifrei octanice a devenit un obiectiv major al dezvoltării motoarelor de aviație pentru restul războiului, combustibilii ulteriori având o cifră octanică nominală de până la 150. Folosind astfel de combustibili, motoarele de aviație precum Rolls-Royce Merlin și Daimler-Benz DB 605 au avut puteri de până la 2000 CP (1500 kW).

Încălzirea aerului de admisie

Un dezavantaj al supraalimentării este că, prin comprimarea aerului de admisie, temperatura acestuia crește. Pentru un motor cu ardere internă temperatura aerului de admisie devine un factor limitator al performanței. Temperaturile extreme pot provoca preaprinderi sau detonații, ceea ce reduce performanța și poate provoca daune motorului. Riscul de preaprindere/detonație crește odată cu creșterea temperaturii ambientale și cu creșterea presiunii de supraalimentare.

Comparație cu turbosupraalimentarea

Motoarele torbosupraalimentate utilizează energie din gazele de evacuare care în mod normal ar fi irosită, comparativ cu supraalimentarea mecanică care extrage puterea din arborele cotit. Prin urmare, motoarele cu turbosuflantă produc de obicei mai multă putere și au un consum de combustibil mai redus decât motoarele supraalimentate mecanic. Totuși, în special la turații mai mici, debitul de gaze de evacuare este inițial insuficient pentru a antrena turbosuflanta și a atinge nivelul de supraalimentare dorit, ceea ce duce la o întârziere a turbosuflantei în răspunsul la comanda clapetei de accelerație. Acest lucru este adesea rezultatul unei turbosuflante prea mari pentru cilindreea motorului. Din acest motiv motoarele supraalimentate mecanic sunt comune în aplicațiile în care răspunsul la comanda clapetei de accelerație este esențial, cum ar fi la cursele de dragstere și la competițiile de tractare a remorcilor.

În ceea ce privește designul, suflantele au conducte relativ simple de la admisia aerului, prin suflantă și pînă la motor. Turbosuflantele au conducte mai complicate: admisia funcționează ca și în cazul suflantelor, dar evacuarea motorului trebuie să treacă și prin turbosuflantă, necesitând ca atât conductele de admisie, cât și cele de evacuare să se apropie una de cealaltă într-un compartiment motor adesea aglomerat. De asemenea, motoarele turbosupraalimentate sunt mai predispuse la încălzirea aerului de admisie, deoarece componentele extrem de fierbinți ale galeriei de evacuare și ale turbosuflantei se află lângă sistemul de admisie a aerului. Acest neajuns poate fi combătut prin răcirea intermediară a aerului în schimbătorul de căldură intermediar. Prin urmare, la motoarele turbosupraalimentate se întâlnesc mai des schimbătoare de căldură intermediare decât la cele supraalimentate mecanic.

Comparație pentru motoarele de aviație

Majoritatea motoarelor de aeronave utilizate în timpul celui de Al Doilea Război Mondial au folosit supraalimentarea mecanică, deoarece aceasta aveau avantaje semnificative în fabricație față de turbosuflante. La aeronavele americane a fost considerat prioritar avantajul unei raze de acțiune mari din cauza unei cerințe mai puțin previzibile privind raza de acțiune și a necesității de a ajunge departe de bazele lor. În consecință, la motoarele de aeronave americane au fost utilizate în principal turbocompresoarele, cum ar fi la Allison V-1710 și Pratt & Whitney R-2800, care erau relativ mai grele atunci când erau turboalimentate și necesitau conducte suplimentare din aliaje metalice scumpe rezistente la temperaturi înalte în turbina cu gaze și într-o secțiune a sistemului de evacuare aflată înaintea turbinei. Dimensiunea conductelor în sine a fost o problemă serioasă la proiectare. De exemplu, atât F4U Corsair, cât și P-47 Thunderbolt foloseau același motor radial, dar fuzelajul mare, în formă de butoi, al modelului P-47 turbosupraalimentat era necesar din cauza numărului mare de conducte către și de la turbocompresorul situat în spatele aeronavei. F4U folosea un compresor cu răcire intermediară în două etape, cu un design mai compact. Totuși, turbocompresoarele erau utile la bombardierele de mare altitudine și la unele avioane de vânătoare datorită performanței și razei de acțiune sporite la mare altitudine.

Motoarele cu piston turbosupraalimentate sunt, de asemenea, supuse multora dintre aceleași restricții de funcționare ca și cele ale motoarelor cu turbocompresoare. Motoarele turbosupraalimentate necesită, de asemenea, inspecții frecvente ale turbocompresoarelor și sistemelor de evacuare pentru a căuta posibile daune cauzate de căldura și presiunea extremă a turbocompresoarelor. Astfel de daune au fost o problemă importantă la primele modele de bombardiere americane de mare altitudine: B-29 Superfortress utilizate în teatrul de operațiuni din Pacific în perioada 1944–1945.

Motoarele cu piston turbosupraalimentate au continuat să fie utilizate la un număr mare de avioane postbelice, cum ar fi Boeing B-50 Superfortress, KC-97 Stratofreighter, Boeing 377 Stratocruiser, Lockheed Constellation și Douglas C-124 Globemaster II.

Supraalimentarea combinată

La Campionatele Mondiale de Raliuri din 1985 și 1986, Lancia a pilotat modelul Lancia Delta S4, care încorpora atât o suflantă antrenată prin curea, cât și o turbosuflantă antrenată de gazele de evacuare. Designul a folosit o serie complicată de supape de ocolire în sistemele de admisie și evacuare, precum și un ambreiaj electromagnetic, astfel încât la turații mici ale motorului lucra suflanta. La mijlocul intervalului de turații lucrau ambele sisteme, iar la turații maxime, sistemul deconecta transmisia de la suflantă și izola conductele asociate. Astfel se dorea exploatarea avantajelor fiecăruia dintre sistemele de supraalimentare, eliminând în același timp dezavantajele. Însă această abordare a dus la o complexitate mai mare și a afectat fiabilitatea mașinii în cursele WRC, precum și creșterea ponderii componentelor auxiliare ale motorului în versiunea finală.

Supraalimentarea combinată a fost folosită ocazional la mașini de serie, cum ar fi Volkswagen 1,4 litri din 2005–2013 și anumite motoare cu patru cilindri Volvo B4204T 2.0 litri din 2014 până în prezent.

Bibliografie

• Berthold Grünwald, Teoria, calculul și construcția motoarelor pentru autovehicule rutiere, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1980
• Liviu Dan Negru, Compresoare volumice rotative (curs), Timișoara: Litografia IPTVT, 1986

Vezi și

• Grup de turbosupraalimentare
• Raport de comprimare

Legături externe

• Materiale media legate de suflantă la Wikimedia Commons
• en „The Turbosupercharger and the Airplane Power Plant”. US: General Electric. ianuarie 1943. Accesat în 23 iunie 2025 – via Randy Wilson's aviation history site. 
• en Pearce, William (12 noiembrie 2018). „Aircraft Engines, Books, World War II”. Old Machine Press. Accesat în 23 iunie 2025. 
• en „The story of the B-17 – Turbo-superchargers”. Aviation of World War II. Russia. Accesat în 23 iunie 2025. 
• en „Superchargers, Engines, and the B-17”. Aero Vintage Books. 17 iulie 2024. Accesat în 23 iunie 2025. 
• en Nabors, Andrew (14 decembrie 2021). „How Turbochargers Helped the Allies Win World War II”. autoevolution. Romania. Accesat în 23 iunie 2025. 
• en McCutcheon, Kimble D. „A brief overview of aircraft engine development”. Pilot Friend. Accesat în 23 iunie 2025. 
• en „Supercharging and turbocharging”. Accesat în 23 iunie 2025 – via Slide Player. 
• en Superchargers Explained | How Different Types of Supercharger Works. The Engineer's Post. 13 noiembrie 2022. https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=iq8KWnFGNf8.