Всё о наддуве двигателей

Автомобилисты нынешнего поколения - далеко не первые, кого гипнотизирует магия цифр скорости и максимальной мощности двигателей. Больше ста лет назад стартовала эта гонка. Уже в 1905 году был превзойден рубеж в 100 л. с., всего несколько лет спустя - 150 л. с. Рос объем и, соответственно, масса моторов, заставляя применять все более тяжелое шасси. А это, в свою очередь, заметно снижало заветные цифры на спидометре. Таким образом, еще в начале века инженеры начали решать невероятно сложную задачу: как повысить мощность двигателя, снижая остальные его параметры - вес, размеры, расход топлива.

"Мерседес-24/100/140" начала 20-х - один из первых автомобилей с приводным нагнетателем

Схема турбонаддува бензинового двигателя:
1, 2 - выпускные трубопроводы- 3 - перепускной воздушный клапан- 4 - клапан перепуска отработавших газов- 5 - впускной трубопровод- 6, 11 - впускные каналы- 7 - канал управляющего давления- 8 - регулятор состава смеси- 9 - воздушный фильтр- 10 - топливная магистраль- 12 - топливная форсунка- 13 - компрессор- 14 - турбина- 15 - глушитель.

В ту героическую эру родилось немало конструкций - от совершенно фантастических до вполне реальных. Наиболее замечательной в этом ряду оказалась идея наддува. Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный - на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном - тогда горючей смеси (для дизелей - воздуха) в цилиндре "поместится" больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, станет выше- вырастет и общая мощность двигателя.

Эта несложная теория воплотилась во множестве самых разнообразных устройств, получивших общее название "нагнетатели". Были здесь и поршневые компрессоры, и шиберные, и объемные: Бриллиантом во всей этой массе блеснул запатентованный в 1905 году швейцарским инженером Альфредом Бюхи агрегат, известный сегодняшним автомобилистам как турбонаддув. Слово это родилось много позже самой идеи, которую добрых четверть века не удавалось использовать - уровень технологий не был еще готов к этому. Чему удивляться - самые лучшие двигатели той поры имели ресурс 30-40 тысяч километров, в среднем же - 5-10 тысяч. Какой уж тут турбонаддув?

Система наддува типа "Компрекс"

Однако технический прогресс быстро набирал обороты, и к 30-м это препятствие практически утратило силу. Впрочем, трудностей и так хватало - назовем хотя бы основную, над решением которой работали конструкторы все прошедшие годы (и, заметим, так до конца и не решенную): ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне порезче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Итак, турбину следует сделать как можно меньше по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается увеличивать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. И это далеко не все проблемы.

Агрегат наддува на "формульном" двигателе "Рено", предназначенном для "Лотоса-93Т" начала 80-х. Через несколько лет наддув в F1 был запрещен.

Тем не менее, уже в 30-х годах многие фирмы (естественно, самые богатые и передовые) устанавливали турбонаддув на свои модели. Тогда же появились многие устройства, ставшие теперь обязательными для агрегатов турбонаддува. Во-первых, это, конечно же, клапан, перепускающий выхлопные газы, если обороты турбины слишком велики. Не будь этого клапана, стал бы возможен режим, когда обороты двигателя растут неконтролируемо: выхлопных газов все больше, соответственно, все выше обороты турбины и количество нагнетаемого воздуха: В таком случае поломка мотора неизбежна. Перепускным клапаном управляет давление воздуха во впускном коллекторе: если оно выше допустимого, клапан открывается и часть отработавших газов идет в глушитель, минуя турбину. Этого конструкторам и, естественно, водителям показалось мало, ведь и торможение, и последующий разгон турбины требуют определенного времени, стало быть, быстрой реакции автомобиля ожидать опять-таки не приходится. Кроме того, рассчитывая агрегат наддува на достаточную (не чрезмерную) подачу воздуха при оборотах выше средних, тем самым получают двигатель с так называемым "турбоподхватом" - до 3000-4000 об/мин он набирает мощность почти как атмосферный, а затем резко (и для неопытного водителя неожиданно) "выстреливает", моментально развивая обороты, близкие к максимальным. Получалось, что под капотом как бы два мотора: один вполне мирный, а другой - взрывного темперамента.

Клапан перепуска отработавших газов:
А - камера атмосферного давления- Б - камера управляющего давления- 1 - мембрана- 2 - клапан.

Такое положение до 60-х годов всех устраивало: турбонаддув применялся в основном на спортивных и гоночных машинах, поскольку их приверженцы (хотя бы в душе) легко простят мотору такую двойственность, лишь бы в нужный момент, вдавив до упора педаль газа, ощутить всю силу бешеного "табуна лошадей": Средние скорости на дорогах тем временем росли, на вполне обычных серийных автомобилях увеличивался рабочий объем двигателей: если в первые послевоенные десятилетия двухлитровый двигатель казался чуть ли не монстром, то к концу 70-х он стал обычным оснащением среднего семейного седана. И тут вмешались законодатели. Скажем, в Италии машины с мотором до 2 л пользуются существенными налоговыми льготами, в Японии этот "потолок" еще ниже - 660 см3. Здесь-то и кроется причина широкого распространения турбонаддува на массовых автомобилях, хотя для этого пришлось преодолеть ряд непростых технических препятствий.

Средний потребитель и слышать не хочет о "подхвате", а тем более о запаздывании реакций мотора. Ему не гоняться нужно, а ездить каждый день. Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, под капотом "поселились" два перепускных клапана: один - для отработавших газов, а другой - чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды - время закрытия клапана. Перепуск отработавших газов здесь уже не регулятор, а лишь ограничитель числа оборотов турбины.

Спиральный компрессор-нагнетатель:
1 - рабочая спираль- 2 - корпус- 3 - приводная шестерня.

Повсеместное проникновение электроники в управление двигателем не могло оставить вне своей сферы систему турбонаддува. Оба упомянутых выше клапана сохранились, но вот управляет ими уже не давление в коллекторе, а электрические сервомоторы или включенные в пневматическую систему электрические клапаны. Это дает возможность учитывать не только нагрузку на двигатель, но и множество других факторов: детонацию в цилиндрах, тепловой режим мотора, токсичность выхлопных газов и т. д.

Вам, вероятно, встречались в городском потоке машины с шильдиком "интеркулер" на борту. Это название закрепилось за радиатором охлаждения наддувочного воздуха, расположенным за компрессором. Интеркулер нужен для того, чтобы при том же давлении наддува "поместить" в цилиндр больше смеси (воздуха). Вспомните школьную физику - при одинаковом давлении в определенный объем войдет больше (по массе) газа более низкой температуры. А ведь мощность мотора зависит именно от "массового" наполнения цилиндров. Пока интеркулер применяют в основном на спортивных машинах (скажем, на "Феррари"), а также на магистральных грузовиках.

Радиаторы интеркулера под капотом "Феррари-228GTO"

Как уже упоминалось, частота вращения ротора турбины должна быть очень велика. Насколько? До 150-180 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур.

Выход нашли только недавно, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ - и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно удивления не применение керамики - подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! На очереди - металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции.

В последнее время стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея эта, опять-таки, давняя, а вот воплотить ее долго не могли- в качестве примера назовем новейший агрегат наддува "опелевских" дизелей "Экотек".

Может показаться, что победное шествие системы турбонаддува ничем не может быть заторможено. Уже встречаются моторы с двумя турбокомпрессорами, все "умнее" становится управляющая электроника: Но как раз в это время после многолетнего забвения возрождается давний конкурент "турбо" - приводной компрессор, получающий вращение от коленчатого вала двигателя. В чем же его преимущества? Если коротко - в более быстрой реакции мотора на управляющее воздействие, а с учетом гораздо меньшей его частоты вращения - еще и в большей технологичности изготовления. Однако за все, как известно, приходится платить. Если турбокомпрессор повышает КПД двигателя, используя энергию отработавших газов, по сути уже выброшенную, то приводной компрессор отбирает энергию у самого двигателя. Допустим, конструкторам пришло бы в голову заменить нагнетателем турбокомпрессор мотора "Порше-911". В режиме максимальной мощности это привело бы к потере 26 кВт! Конечно, при этом мощность "наддутого" мотора все равно заметно превосходила бы тот же показатель "атмосферного" (безнаддувного) варианта, а вот топливная экономичность пострадала бы.

Говоря о типах нагнетателей, можно заметить: их многообразие уже в прошлом. И поршневые, и центробежные, и большинство других вариантов вряд ли когда-нибудь вновь появятся на автомобильных моторах. Остаются разве что объемные нагнетатели (они по принципу действия чем-то напоминают шестеренчатые насосы системы смазки), к которым - через шестьдесят лет! - вернулись конструкторы "Мерседеса".

Впервые нагнетатели типа "Рутс" появились на легковых машинах этой фирмы еще в 20-х. Работали они не постоянно, а лишь кратковременно подключались многодисковым сцеплением на режимах максимальной мощности, производя устрашающий визг (у Ремарка более поэтично - "пение рассерженной осы") и пожирая ресурс мотора. У современных компрессорных "мерседесов" схема почти та же, но они включаются в работу раньше - при 1500 об/мин. Между прочим, нагнетатель похожего типа знаком тем, кому приходилось иметь дело с отечественным мотором ЯАЗ-204 или ЯАЗ- 206. Этот двухтактный дизель конструкции 40-х годов имел, благодаря компрессору, неплохие по тем временам показатели, а потому выпускался несколько десятилетий подряд. Упомянем еще необычные спиральные нагнетатели, с которыми в 80-х годах немало экспериментировал "Фольксваген". Можно вспомнить несколько серийных модификаций "Гольфа", "Пассата", "Коррадо". В 90-х это направление, по сути, было свернуто.

Обзор современных систем наддува был бы неполным без упоминания еще о двух разработках. Первая называется "наддув типа Компрекс", над которым уже три десятка лет работают инженеры швейцарской фирмы "Браун энд Бовери". Строго говоря, устройство - это не компрессор, хотя и использует энергию отработавших газов. Действует оно так. Цилиндр, разделенный на продольные каналы, вращается вокруг своей оси, приводимый ремнем от коленчатого вала. Торцы цилиндра прикрывают две глухие крышки статора, в которых по два окна - для воздуха и выхлопных газов. Цикл работы следующий: после открытия выпускного клапана в цилиндре двигателя ударная волна распространяется по трубопроводу, проходит через окно торцевой крышки и продолжает движение по каналам ротора, сжимая находящийся в них воздух. Поскольку ротор вращается, в определенный момент открывается окно и воздух поступает в трубопровод повышенного давления. Окно тут же закрывается, и потоку выхлопных газов ничего не остается, как, отразившись от торцевой крышки, направиться в обратный путь, навстречу открывающемуся окну выпуска. За отраженной волной сжатия следует волна разрежения, она позволяет к моменту удаления газов заполнить канал свежим воздухом, эжектировав его через соответствующее окно. Принцип действия агрегата позволил дать ему еще одно название - "волновой обменник".

Кроме швейцарцев, наддувом "Компрекс" всерьез заинтересовались японцы: на рынок выпущено уже несколько моделей фирмы "Мазда", оснащенных подобным агрегатом. К слову, над таким устройством работают и харьковские моторостроители.

Наконец, последнее, о чем хотелось бы сказать, так это о системе резонансного наддува. Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно - достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и "догрузило" цилиндр дополнительной порцией смеси. Для кратковременного повышения давления вполне "подойдет" волна сжатия, гуляющая по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент. Теория (по крайней мере, при объяснении "на пальцах") проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины! И такие моторы были созданы - со специальными заслонками, открывающими воздуху тот или иной путь. Пик популярности этого решения пришелся на середину 80-х, а затем производители, видимо, пришли к выводу: зачем морочить себе голову, если уже есть и более производительный турбонаддув, и управляющая им электроника? В последнее время сообщений о новых двигателях с резонансным наддувом почти не поступает...

Итак, работы над различными вариантами наддува поршневых двигателей продолжаются. Можно ли сказать, что они в полном разгаре? Трудно определить - ведь не исключено, что на сцене появятся двигатели, отличные от нынешних поршневых. И уже новые поколения конструкторов будут стремиться выжать из них все - в угоду новым поколениям автомобилистов.

http://www.gt-bratsk.ru/

Всё о наддуве двигателей

Читайте также: