Анатомия надувательства

КОНСТРУКЦИИ: СИСТЕМЫ НАДДУВА

Первые эксперименты в этой области проводили еще в конце XIX века. А в 1920-х появились «живые» образцы – на гоночных и спортивных автомобилях начали устанавливать нагнетатели с механическим приводом от двигателя.

Несмотря на почтенный возраст, такие агрегаты наддува применяют и ныне. Но еще более популярны устройства, в которых компрессор приводится не от коленчатого вала, а энергией отработавших газов, вращающих колесо турбины. Последнее, как правило, устанавливают на одном валу с колесом компрессора, поэтому название агрегата – «турбокомпрессор» – звучит вполне логично.

ВЕЧНАЯ МЕХАНИКА?

Из конструкций, которые пользовались успехом в первой трети прошлого столетия, сегодня наиболее распространены роторные нагнетатели типа «Рутс». В них порция воздуха проталкивается лопастями роторов к впускному коллектору.

Преимущества и недостатки механических устройств обусловлены их жесткой связью с валом двигателя. Именно из-за нее двигатель и механический компрессор всегда согласованы, независимо от режимов работы двигателя. Однако, нагнетая свежий заряд в цилиндры, механические агрегаты отнимают мощность у мотора, что ведет к повышению, а не снижению расхода топлива.

Раньше механические компрессоры в основном устанавливали на двигатели большого объема для увеличения их мощности. Сегодня, наоборот, их чаще ставят на относительно небольшие моторы и настраивают так, чтобы они улучшали продувку цилиндров, снижая токсичность выхлопа и повышая КПД поршневой части. Уже при незначительном приросте лошадиных сил такого двигателя его удельный (отнесенный к мощности) расход топлива может снизиться.

С турбонаддувом ситуация похожая… но с точностью до наоборот. Основные характеристики двигателя, включая мощность, крутящий момент и расход топлива, от установки турбокомпрессора заметно выигрывают. Но конструкторам приходится потрудиться, чтобы согласовать работу самого мотора с агрегатом наддува и преодолеть вызванный форсировкой рост концентрации окислов азота в выхлопе. Немного забегая вперед, скажем, что решение первой проблемы заставило инженеров изобретать различные способы управления системой наддува, а борьба со вторым злом породила рециркуляцию отработавших газов – довольно странную на первый взгляд процедуру возврата их части обратно в цилиндр.

Любые нагнетатели помогают существенно поднять крутящий момент двигателя и, что еще важнее, добиться от него более выгодной нагрузочной характеристики. Так, двигатель «Мерседес-Бенц» объемом 2,3 л развивает 280 Н.м уже при 2500 об/мин и сохраняет эту величину до 4800 об/мин.

Немецкая фирма – одна из пионеров использования нагнетателей, придерживается «классики» до сих пор, хотя, разумеется, постоянно ее совершенствует. Например, роторы компрессора «Рутс» заставили вращаться с частотой свыше 12 000 об/мин, ранее казавшейся нереальной. Для покрытия таких роторов применяют особые полимеры, позволяющие максимально уменьшить зазор между ними, а значит, и перетечки воздуха в обход роторов. В результате даже на невысоких оборотах отдача двигателя улучшается более чем на 30%.

Возможность эффективной работы на малых оборотах для механических нагнетателей весьма важна – ведь именно здесь издавна было одно из слабых мест. Одна из основных причин – уже упомянутые перетечки воздуха в компрессоре, тем большие, чем меньше скорость вращения лопастей. Сказывается и дополнительная нагрузка на двигатель. Ведь мощность мотора на малых оборотах и так мала, а его еще заставляют компрессор крутить. Кстати, чтобы снизить потери энергии на привод, применяют магнитное сцепление, которое включает агрегат в работу только в эффективном диапазоне оборотов коленчатого вала и отключает на «холостом ходу».

МОЩНОСТЬ… ИЗ ВОЗДУХА

Хотя турбокомпрессор изобрели еще в 1905 году, его широкое применение началось лишь многие годы спустя. Основу агрегата турбонаддува составляет вал, на который с одной стороны насажено колесо турбины, с другой – компрессора. Турбина, используя энергию отработавших газов, раскручивает общий вал, а вместе с ним и компрессор, который отправляет свежий заряд (для дизеля – воздух, для бензинового мотора – воздух или топливовоздушную смесь) в цилиндры.

Очевидно, производительность компрессора зависит от того, в каких условиях трудится турбина. Если водитель давит на акселератор, в цилиндры подается много топлива – энергия отработавших газов высока и компрессору хватает сил для работы. Но стоит педаль отпустить – агрегат останется на голодном пайке и, когда от него вновь потребуют отдачи, может забастовать. Вот и выходит, что двигатель в режиме прибавления нагрузки дымит и «проваливается в турбояму».

Чтобы справиться с переходными режимами, колесо турбины увеличивают – тогда оно лучше будет раскручиваться выхлопными газами и никакой «ямы» не будет. Но возникает другая опасность: когда мотор выйдет на нормальный режим, турбина будет предлагать в распоряжение компрессора слишком большую мощность. Как быть? Агрегат наддува снабжают системой управления, способной согласовать возможности турбины и потребности компрессора.

Турбокомпрессоры особенно эффективны на дизелях, поскольку у них выше степень сжатия и давление отработавших газов. Совсем недавно фирма «Опель» представила для этих моторов новый интересный агрегат, а точнее, систему наддува. Здесь две турбины работают по хитрой переменной схеме. Когда коленчатый вал вращается со скоростями до 1800 об/мин, клапан в выпускном коллекторе подключает к работе малый турбокомпрессор высокого давления – до 3,2 бар. При больших оборотах клапан откроет газам доступ к второму компрессору.

До 3000 об/мин оба агрегата работают параллельно, а контролируемый электроникой клапан плавно меняет соотношение объемов отработавших газов, подаваемых к той или иной турбине. Большой компрессор при этом сжимает воздух, повышая давление на входе в малый. Наконец, когда двигатель выходит на обороты свыше 3000, работает лишь большой агрегат, а маленький «отдыхает».

Конструкцию отработали на дизельном двигателе объемом 1,9 л для концепт-кара «Опель Вектра ОРС». Такой турбонаддув позволил поднять мощность до 156 кВт/212 л. с., а крутящий момент достиг 400 Н.м! Внушительные 85 кВт/112 л. с. с литра – пока рекорд для дизелей. Максимальную скорость машины пришлось принудительно ограничить 250 км/ч, разгон до сотни занимает 6,5 с, а средний расход топлива всего 6 л/100 км!

НЕТ ПРЕДЕЛА «НАДУВАТЕЛЬСТВУ»

Каждый из подвидов наддувных агрегатов постепенно обрастает новыми высокотехнологичными устройствами. Пример – интеркулер, он же промежуточный охладитель.

Поскольку при сжатии воздух нагревается, его плотность снижается. Это мешает компрессору «накачать» в цилиндры столько свежего заряда, сколько он теоретически способен. Соответственно качество газообмена и КПД двигателя оказываются не столь высоки, как могли бы быть. Чтобы избежать этого недоразумения, после компрессора воздух пропускают через специальный радиатор (как правило, алюминиевый), по конструкции аналогичный тому, что стоит в системе охлаждения. Иногда для снижения температуры наддувочного воздуха используют охлаждающую жидкость, а порой – другой поток воздуха, набегающий при движении машины. Промежуточный охладитель, или по-английски интеркулер, не только увеличивает мощность двигателя, но и снижает тепловые нагрузки, уменьшает выбросы окислов азота и расход топлива.

Конструкции с двумя турбоагрегатами из экспериментальных машин уже переселились в серийные. На мощных современных V-образных моторах, например, «Майбаха» «запараллелены» два компактных турбонагнетателя. Каждая из турбин приводится выхлопными газами от «своей» группы цилиндров и быстрее реагирует на нажатие педали газа.

Последовательные схемы включения используют, когда на выходе турбины необходимо получить давление свыше 3,5 бар, что крайне сложно достичь одним агрегатом наддува. Воздух прогоняют сначала через нагнетатель низкого давления, затем он «дожимается» компактным турбокомпрессором высокого давления и только потом попадает в двигатель. В эту цепочку обычно включают два промежуточных охладителя.

Для грузовых моторов большого литража применяют, хотя пока довольно редко, так называемый турбокомпаунд. Первый турбокомпрессор работает как обычно. А воздух, подаваемый вторым, «докручивает» коленчатый вал двигателя. По такой схеме действуют, например, моторы «Скания».

Первые турбины с изменяемой геометрией направляющего аппарата появились еще в 1950-х. Соблазн легко объясним: такую турбину существенно проще адаптировать к работе в широком диапазоне оборотов. Лопатки направляющего аппарата поворачивают специальные кулачки с пневмоприводом, а в последнее время – управляемые электроникой.

Конструкторы без устали продолжают поиск новых решений. Поскольку температура отработавших газов современных двигателей порой превышает 1300°С, появляются роторы из высокопрочной керамики, термостойкой и легкой.

В ближайшие годы системы наверняка усовершенствуют. Механические нагнетатели, родившиеся почти 100 лет назад, не сдают позиций. Ведь современные технологии позволяют делать «классические» компрессоры с точностью часовых механизмов. Резервы турбонаддува и подавно не исчерпаны. Так что «надувательство» будет продолжаться, пока жив сам двигатель внутреннего сгорания.