В погоне за мощностью: Нагнетатели

В погоне за мощностью: Нагнетатели
Нагнетатель как радикальное средство дать пинок под зад своему автомобилю
Как мы писали в предыдущем номере, увеличить мощность двигателя можно
единственным способом – сжигая больше горючей смеси. Этого можно добиться разными
способами, но наиболее распространенные – увеличение рабочего объема двигателя или
увеличение подачи горючей смеси в цилиндры посредством наддува. Первая схема
хорошо известна по американским многолитровым машинам. Очевидный плюс – простота
конструкции такого двигателя и, следовательно, более высокий ресурс. Минус – большая
масса, что ведет за собой увеличение габаритов и веса автомобиля и, как следствие,
ухудшение управляемости.
Наддув обязательно ведет к усложнению конструкции двигателя, что не может не
сказываться на надежности, но позволяет достичь большей мощности при меньших
размерах и габаритах. Если на Porsche поставить 12-цилиндровый двигатель, мы получим
классический американский автомобиль, пускай и с прекрасной разгонной динамикой.
Удивительно маневренными немецкие машины делают компактные 6цилиндровые
двигатели, в которых они умудряются снимать с 3,5 л объема мощность в 456 л.с.
Наддувательство
Самым элементарным является инерционный наддув. Принцип его действия
действительно прост: на капоте, если двигатель находится впереди, или по бокам или на
крыше, если мотор сзади, ставятся дополнительные воздухозаборники, от которых по
воздуховоду подводится дополнительный воздух к впускному коллектору. Заметим сразу,
что воздухозаборники «ушастого» «Запорожца» никакого отношения к наддуву не имели
– они служили для охлаждения двигателя. Точно так же заблуждались владельцы
«тюнинговых» «Жигулей», которым умельцы устанавливали такие воздухозаборники на
капоте. Дело в том, что инерционный наддув начинает работать только на скорости выше
180 км/ч, которую продукт отечественного автопрома развить не мог ни при каких
обстоятельствах. А увидеть действующую систему в Москве можно на нескольких Pontiac
Firebird Trans Am, на которые инерционный наддув ставился на заводе.
Реальную же прибавку в мощности можно получить, только установив компрессор. Если
он приводится механической передачей от коленвала, то такое устройство чаще всего
называют механическим нагнетателем в России, compressor – в Германии, supercharger – в
Америке и blower – в Англии. Если же компрессор вращается турбиной, размещенной в
выпускном тракте двигателя, то его чаще всего называют турбонагнетателем
(turbocharger).
С немецким акцентом
Впервые наддув применил в своих автомобилях легендарный француз Луис Рено. По
иронии судьбы сегодня Renault – одна из немногих компаний, не применяющая наддув в
своих двигателях для легковых автомобилей. Мировую же известность механическим
нагнетателям принесла компания Mercedes-Benz, устанавливающая наддувочные
компрессоры в конце 20-х сначала на гоночные, а начиная с 30-х – и на серийные
машины. После того, как компрессорные «Мерседесы» полюбили Адольф Гитлер и
немецкие кинодивы, мода на наддувные машины перекинулась на Голливуд и оттуда – на
весь мир. Золотой век немецких «компрессоров» закончился одновременно с началом
Второй мировой войны. Основное применение компрессоров в военное время пришлось
на авиацию: наддув использовался для компенсации недостатка кислорода на больших
высотах. Особенно в этом преуспели американцы. Поэтому неслучайно в послевоенное
время центр производства механических нагнетателей переместился за океан. Даже вновь
появившиеся на «Мерседесах» после полувекового перерыва механические нагнетатели
для немецкого гиганта поставляет американская компания Eaton, что, впрочем, не очень
афишируется.
Но это не значит, что европейцы распрощались с идеей наддува. Ни для кого не секрет,
что к мерседесовским нагнетателям в 30-е годы приложил руку небезызвестный
конструктор Фердинанд Порше. Но на собственных двигателях он решил ставить
турбонагнетатели. Проблема заключалась в том, что они приводятся в действие
отработанными газами и должны выдерживать довольно высокие температуры. Долгое
время не существовало жаропрочных и прочных материалов и турбокомпрессоры
оставались капризными и ненадежными агрегатами. И только сильный прогресс немецкой
оборонной промышленности 40-х годов в области авиационных турбореактивных
двигателей наконец-то дал технологии и материалы для производства надежных
автомобильных турбин. С тех пор лучшие турбомоторы в Европе – у Porsche.
Борьба с ямами
Современный турбокомпрессор конструктивно проще механического нагнетателя, но
имеет собственные проблемы – высокую требовательность к качеству масла и, самое
главное, медленный отклик на нажатие педали газа, что обусловливается инерцией
турбины. С недостатком борются, устанавливая вместо одной большой две маленькие
турбины (меньше масса – меньше инерция), по одной на свою сторону двигателя. Такая
схема часто называется «битурбо».
Другая проблема, связанная с аэродинамикой турбины, так называемая «турбояма», –
практически полное отсутствие наддува до 2500-2800 об./мин. Проблему решают разными
способами, включая такую экзотику, как подкрутка турбины высокоскоростным
электродвигателем.
Механический нагнетатель, который жестко связан с валом двигателя, имеет линейную
зависимость наддува от оборотов: автомобиль практически мгновенно реагирует на
нажатие педали акселератора, что особенно ценно при разгоне. Недостаток же данной
схемы состоит в меньшем КПД по сравнению с турбонагнетателями: механический
нагнетатель отбирает мощность с вала двигателя, а турбина приводится в движение
практически дармовыми выхлопными газами.
Недокрутить – пропасть, перекрутить – пропасть
Независимо от схемы привода, собственно воздух нагнетает компрессор. Наибольшее
распространение получили две схемы – роторнозубчатая схема Roots, запатентованная в
1866 году братьями Филандером и Фрэнсисом Рутсами, и центробежные нагнетатели.
Достоинство нагнетателей Roots в их простоте. Первоначально рассчитанные для
двухтактных двигателей, подобные нагнетатели по сути являются импульсными, что не
лучшим образом сказывается на характеристиках двигателей. При такой схеме частота
вращения компрессора обычно составляет 0,5-2 частоты оборотов коленвала двигателя.
На больших оборотах компрессор может выйти из строя, поэтому на современных
нагнетателях применяются специальные центробежные муфты, ограничивающие
обороты.
Рабочая частота вращения центробежных нагнетателей составляет 40-90 тыс. об./мин (на
некоторых моделях – 90-130). Если перекрутить такой компрессор, поток нагнетаемого
воздуха перестает быть ламинарным и возникающая турбулентность начинает тормозить
поток – давление падает. Если же недокрутить, то центробежная сила становится
недостаточной для создания давления и наддув практически сходит на нет. В итоге
получается, что частоту вращения центробежного нагнетателя надо поддерживать в
пределах +/– 50%, тогда как во время движения частота работы двигателя меняется в
среднем в 7 раз. Все это приводит к установке разнообразных вариаторов и усложнению
конструкции.
Другая проблема – в предельном максимальном давлении, которое могут выдержать
автомобильные двигатели. Хорошие моторы позволяют поднимать давление во впускном
коллекторе в 1,6-1,7 раза, а компрессоры запросто усиливают давление в 2,7 раза. Чтобы
избежать повышенного давления, приходится ставить перепускные клапана для
ограничения максимального давления.
Само собой разумеется, повышение давления на входе ведет к повышению давления в
цилиндрах. Но современные автомобильные двигатели уже подошли к пределу. Степень
сжатия в последних моторах Mercedes достигла 10-10,5 раз, а в Porsche – 11-11,5 раз. При
большем сжатии даже высокооктановый бензин перестает гореть и начинает детонировать
– взрываться. Выход – либо применять специальные гипероктановые топлива, имеющие
степень сжатия 17-18, на основе метанола или нитрометана, либо ставить моторы,
изначально имеющие низкую степень сжатия – 8-8,5. Это, кстати, объясняет, почему
ставить нагнетатели на ультрасовременные двигатели бессмысленно.
Механика ручной сборки
В заводских условиях проще всего ставить именно турбонаддув – больше выигрыш в
мощности, менее сложная конструкция, более простая регулировка. В механических
нагнетателях добавляются проблемы с размыкателями на холостых оборотах, системами
управления компрессора, вариатором и т. д. Хотя некоторых это не пугает – за
возможность иметь ровную тягу во всех диапазонах некоторые компании идут на
усложнение конструкции и ставят механические нагнетатели – например, Mercedes,
Jaguar, Land Rover. Но это, скорее, исключение. Гораздо чаще на мощных машинах можно
увидеть слово «Turbo».
Другое дело – тюнинг. Здесь побоку повышенный расход топлива, повышенная
токсичность и холостой ход, главное – дополнительная мощность. Тюнинговый наддув
двигателей – это царство механических нагнетателей и устаревших многолитровых
моторов. И то и другое, само собой разумеется, американское.
С лучших современных двигателей, например с 2,2-литрового турбодвигателя Porsche,
конструкторы умудряются снимать по 160 л.с. с литра. Классический 5,4-литровый
двигатель GM выдает 70 л.с. с литра. Добавление дополнительных 50-100 л.с. на литр не
приведет к летальным последствиям для такого мотора, в отличие от «европейца».
Осталась сущая безделица – найти свободное место под капотом и купить за
$35 тыс. готовый набор для установки нагнетателя.
Февраль 2003 | Автор: Александр Грек