Лошади из воздуха

Получить что-нибудь полезное «из ничего» любит каждый. Особенно в этом плане преуспели любители тюнинга. Ведь только у них есть возможность прибавить к подкапотному табуну своего авто десяток-другой голов буквально из воздуха.

Зачем надувают моторы?

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания не менялся со дня его изобретения, но постоянно совершенствовался. Легендарный 2,9-литровый мотор «Форда-Т» выдавал в свое время всего 20 л.с. Сегодня инженеры способны без особого труда из аналогичного объема выдавить в 10 раз больше мощности. Однако, спустя столетие непрерывных доработок атмосферного двигателя, литровая мощность (с единицы рабочего объема) вплотную приблизилась к планке, преодолеть которую можно разве что принципиально новыми средствами. Одно из них – наддув. Для начала освежим в памяти знания о том, как работает творение Николауса Отто. Выходная мощность ДВС напрямую зависит от количества сгораемого топлива. При этом из ненавистного школьного курса химии каждый помнит, что для хорошего горения необходим окислитель. Его роль играет кислород, занимающий 21% объема и 23% массы воздуха (это на уровне моря и при определенных погодных условиях – давлении и температуре). Соотношение топливо/воздух для эффективной работы двигателя составляет 1:14,7. Когда-то горючую смесь засасывало за счет разряжения в цилиндре, создаваемого поршнем. Но что если подавать ее принудительно под избыточным давлением? С топливом выручила система принудительного впрыска (инжектор), а как же быть с воздухом? Ведь если к нормальному давлению в одну атмосферу прибавить еще столько же, то получим в два раза больше воздуха в цилиндрах, а значит, и окислителя. Эквивалентно возрастет и мощность мотора. Арифметика весьма грубая, но именно эту цель преследовали изобретатели наддува.

Первые серийные образцы появились в Старом Свете отчасти потому, что заокеанские производители в погоне за мощностью пошли несколько иным путем. Американцы банально увеличивали количество цилиндров и объем двигателя. Больше топлива – больше мощность. Европейцы, а в особенности японцы, не могли позволить себе так расточительно обходиться с габаритами автомобиля в силу географических и архитектурных особенностей своих городов. Их моторы были гораздо скромнее и экономичнее, но мощность востребована не меньше. В 20-е годы прошлого столетия на автомобилях компании Mercedes появились роторно-шестеренчатые компрессоры типа «roots» (от имени разработчиков, братьев Рутс). Чуть позже, в 1936 году, был запатентован винтовой компрессор. В силу технологических особенностей популярность к нагнетателям подобного типа пришла лишь во второй половине XX века. К этому времени эволюционный процесс естественным образом разделил устройства на механические и газодинамические. Первые отбирают энергию у двигателя посредством привода от коленчатого вала, а вторые используют никому не нужные отработавшие газы – с них и начнем…

Атмосферные явления

Устройства с газодинамическим приводом (турбонаддувы) получили широкое распространение благодаря компактному размеру и несложному принципу действия.

Но главное, с турбонаддувом растет КПД двигателя, ведь помимо прибавки в мощности (на 20-50%) снижается расход топлива (на 5-20%). Сам «девайс» состоит из двух камер, впускного и выпускного коллекторов. Благодаря похожей форме их принято называть «улитками». В каждой из них расположены крыльчатки, жестко связанные между собой валом ротора. Вал вращается на подшипниках скольжения в корпусе подшипников, к которому и крепятся «улитки». Называть подобные устройства турбинами в корне неверно, поскольку турбина является составной частью нагнетателя. В работе эта штуковина выглядит следующим образом: отработавшие газы из выпускного коллектора попадают в корпус турбины, отдавая часть своей энергии на раскрутку турбинного колеса. Оно, в свою очередь, вращает компрессорное колесо, которое засасывает воздух через центральное отверстие, сжимает и нагнетает его во впуск­ной коллектор через кольцевой канал (давление воздуха растет на 30-80%). Вроде бы все просто, но не спеши браться за слесарные инструменты в собственном гараже. Турбонаддув работает в условиях, «приближенных к боевым»: высокая температура выхлопных газов и бешеные скорости вращения. На концах лопаток она может достигать 300 м/с, а это соизмеримо со скоростью пули. Так что не советуем напрягать воображение турбонаддувом в работе – голова закружится. Условия эксплуатации диктуют заоблачные требования по термостойкости, жаропрочности, жесткости, износостойкости и качеству обработки деталей. Корпус турбины представляет собой сплошную отливку из чугуна, а ее профиль обработан до полного соответствия форме лопастей крыльчатки. Улитка компрессора работает в более мягких условиях, поэтому ее льют из алюминия. Но самый капризный элемент – корпус подшипников со сложной геометрией системы смазки. Скорость вала, соединяющего крыльчатки, достигает 170000 об/мин, а подшипники скольжения, на которых вращается вал, эффективно работают до температуры 150 °С. При этом турбина вращается с момента пуска двигателя, а это значит, что система смазки должна оставаться эффективной постоянно с учетом тепловых расширений. Весь узел чрезвычайно чувствителен к чистоте масла, ведь зазоры в парах вал–подшипник, подшипник–корпус настолько малы, что соизмеримы с размерами ячеек масляного фильтра. Как правило, ресурс турбонаддува ограничивается сроком службы самого недолговечного звена – подшипников.

Подводные камни

В процессе работы сильно нагреваются вал и крыльчатка турбины, поэтому владельцам турбированных машин не рекомендуют глушить двигатель после экстремальной поездки, равно как и перекладывать стрелку тахометра в красную зону на непрогретом моторе. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер, которым, правда, оборудованы не все нагнетатели. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобной функцией могут похвастать и многие охранные сигнализации. Обычно турбонаддувы используют систему смазки двигателя, но не все. К примеру, наддув Toyota Land Cruiser 80 оснащен независимой системой смазки и охлаждения. Очень важной является и проблема детонации. В конце такта сжатия, когда поршень прессует и без того сжатую и нагретую турбонаддувом топливо-воздушную смесь, может произойти ее преждевременное воспламенение. Частично проблема решается путем применения более высокооктанового топлива. Тем не менее устанавливать турбонаддув на стоковый «атмосферник» крайне не рекомендуется. Даже именитые производители «турбо-китов» не всегда в состоянии учесть все необходимые калибровки в системе зажигания и газораспределения твоего мотора. Еще один минус – слабая ремонто­пригодность. Все что можно сделать с отжившим нагнетателем – это заменить изношенный вал или переточить его под новые размеры подшипников – не густо, а ведь устройство не из дешевых.

Задержка, и как с ней бороться?

«Напряженное» слово, причем расстроить им может не только твоя подружка, но и автомобиль, если на багажнике сверкает шильдик «TURBO». В работе турбонаддува существует немаловажная особенность: связь с оборотами двигателя нелинейная. Другими словами, мощный мотор отзывается на нажатие педали акселератора с запаздыванием. Все потому, что турбина инерционна: при резком увеличении оборотов двигателя она некоторое время раскручивается и лишь потом нагнетает дополнительное давление во впуск­ной коллектор. Такая задержка получила название «турбояма» (или «турболаг»). В качестве способа борьбы некоторые производители используют сразу два турбонаддува. Первый работает на низких оборотах, второй подхватывает на «верхах». По сути, турбояма никуда не исчезла, она лишь стала практически незаметной для обывателя. Такая схема применена на знаменитом Maybach: с помощью двойного турбонаддува инженеры умудрились снять по доброй сотне лошадей с каждого литра объема его силового агрегата. Баварцы же установили на V-образную «шестерку» BMW два одинаковых турбонаддува, каждый из которых работает со своей тройкой цилиндров. Запредельной производительности от них не ждали изначально, зато скромные нагнетатели помогли заметно сэкономить на весе. Но не будем забегать вперед, о «битурбо» чуть позже. Несколько иной путь избрали конструкторы фирмы Porsche: на гордость немецкого автопрома – 911 Turbo – они установили наддув с изменяемой производительностью. Эффект достигнут благодаря применению регулируемых сопел. Они уменьшают площадь проходного сечения на малых оборотах и увеличивают на больших. Таким образом, энергия газа используется максимально эффективно. Как альтернативу автопроизводители применяют так называемый переразмеренный турбонаддув. Спроектирован он изначально с солидным запасом производительности, поэтому начинает работать с самых «низов», а чтобы не разорвать двигатель на высоких оборотах, срабатывает перепускной клапан, ограничивая давление. Преодолев «турбояму», счастливый владелец «надутого» суперкара ощущает значительный толчок в спину. Этот эффект называется «турбоподхват». Нередко в разговорах псевдогонщиков можно услышать выражение «заработал турбонаддув» или «включилась турбина». Тоже не совсем верно. Турбина вращается, пока работает двигатель, просто на холостых оборотах компрессор безучастно месит воздух. «Турбоподхват» ощущается в тот момент, когда компрессор выходит на свои рабочие обороты: 110000-115000 об/мин.

Двое из ларца, одинаковы с лица

Как уже упоминалось, ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбонаддува. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат» (как на автомобиле Subaru B4). Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система весьма дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбо­ямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбо­яме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой. Подобную схему можно встретить на V-образном 6-цилинд­ровом моторе Mitsubishi 3000 VR-4. Два турбонаддува питаются от своих 3 цилиндров и «дуют» в общий коллектор.

Центробежные наддувы

С газами разобрались, теперь переведем дух и разложим по полочкам наддувы с механическими приводами. Приводятся они от коленчатого вала двигателя при помощи ременной передачи, что накладывает дополнительные ограничения на размещение узла в подкапотном пространстве. Ведь теперь нужно еще и совместить в одной плоскости шкивы нагнетателя и коленвала. Наибольшую популярность в тюнинге сегодня получили центробежные наддувы.

По конструкции они сильно напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса. Не морщи лоб: проще говоря, вращаться оно должно «офигенно» быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Ременный привод в таких условиях издает характерный свист. Именно этот звук так греет душу любителям острых ощущений. Ну, а те, кому бюджет не позволяет обрадовать мотор своего автомобиля столь полезной инсталляцией, всегда могут раскошелиться на «обманку», имитирующую грозный свист. И на них, как ни странно, держится устойчивый спрос. Напоминает давно забытое детство, когда дворовые мальчишки вешали на велосипеды всевозможные «трещалки» и «гремелки». Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах, поэтому если на первом плане стоит не максимальная скорость, а интенсивность разгона, лучше предпочесть турбонаддув. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им завидную популярность в сфере любительского тюнинга.

Хорошо забытое старое

Типичным представителем объемных нагнетателей является компрессор типа Рутс, о котором мы упоминали в самом начале. Его конструкция напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в компрессоре, а снаружи – в нагнетательном трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами.

Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым. Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конст­рукциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors. По достоинству оценили рутс-компрессоры и любители «четверть­миль­ных» заездов. Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, несоизмеримо дороги.

С миру по нитке

Еще один способ нагнетать во впуск­ной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.

Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека) – «папа» и «мама». Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам. Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако не брезгуют «турбомясорубками» такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann. Вообще, принципиальных схем наддува великое множество. Какая-то часть их лучше прижилась в судостроении, что-то и вовсе неоправданно забыто, как, например, лопастные (или шиберные) нагнетатели.

Конструкция их весьма незатейлива: внутри цилиндра с небольшим эксцентриситетом располагается ротор. В канавках ротора установлены плавающие лопатки (шиберы). Под действием центро­бежных сил во время вращения ротора шиберы плотно прилегают к внутренней поверхности цилиндра. Порции воздуха сжимаются благодаря заложенному в конструкцию эксцентриситету. Дешево и сердито, но… не прижилось. Занятный симбиоз приводных нагнетателей с турбонаддувом продемонстрировали инженеры компании Volkswagen на двигателях семейства TSI. Пока турбина вращалась вхолостую на низких оборотах, за наполнение цилиндров отвечал нагнетатель с механическим приводом. На средних же оборотах перепускной клапан перераспределял обязанности с точностью до наоборот. Результат впечатляющий: 140 л.с. с 1,4-литрового мотора.

На десерт

Осталось вспомнить и еще об одном важном компоненте многих нагнетателей. Дело в том, что сжатие воздуха приводит к его нагреву. Но чем выше температура, тем меньше плотность газа, а терять драгоценный окислитель ой как не хочется. Для охлаждения сжатого воздуха и применяют так называемый интеркулер.

По своей сути это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо специальной жидкостью. Последнее, правда, потребует создания отдельной охлаждаю­щей системы. В обязательном порядке такой опцией оснащаются нагнетатели объемного типа. В них, наряду с традиционным нагревом от сжатия, происходит дополнительный нагрев воздушного заряда из за турбулентности в нагнетательном трубопроводе. Бытует мнение о том, что любой нагнетатель пагубно сказывается на ресурсе двигателя. Отчасти эта точка зрения не лишена смысла. С приростом мощности возрастут и нагрузки на стоковые детали двигателя, что потребует их замены на более прочные. С другой стороны, использование наддува на низких и средних оборотах влияет на ресурс вполне благоприятно, ведь поломка, как правило, является следствием эксплуатации на повышенных оборотах. Главное, знать меру.

Источник: maxi-tuning.ru