Задача увеличения мощности и крутящего момента двигателя была всегда важной. Мощность силового агрегата прямо зависит от объема цилиндров и объема подаваемого в них топливно-воздушного состава. То есть, чем больше топлива сгорает в цилиндрах, тем выше мощность, которую развивает двигатель. Тем не менее, самое простое решение – увеличить мощность двигателя за счет его рабочего объема – ведет к росту размеров и массы конструкции.
Можно увеличить подачу рабочей смеси, повысив обороты коленчатого вала (иначе говоря, осуществить в цилиндрах за единицу времени большее количество рабочих циклов), но это вызовет серьезные проблемы, связанные с увеличением инерционных сил и резким ростом механических нагрузок на элементы силового агрегата, что приведет к снижению срока службы двигателя. Наиболее эффективным методом в данной ситуации является наддув.
Представим себе момент впуска двигателя внутреннего сгорания: при этом мотор функционирует как насос, причем довольно неэффективно – на пути воздуха располагаются воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, а в бензиновых моторах – еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, уменьшает заполняемость цилиндра. Так что же нужно, чтобы ее увеличить? Повысить давление перед впускным клапаном – тогда воздуха в цилиндре “поместится” больше. При наддуве улучшается заполняемость цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах больше топлива и, следовательно, получать более высокую агрегатную мощность двигателя.
В двигателях внутреннего сгорания используют три разновидности наддува:
- резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)
- механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя
- газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.
У каждого метода есть свои плюсы и минусы, которые определяют сферу использования.
Резонансный наддув
Регулируемый впускной коллектор
Как уже было сказано в начале статьи, для оптимального заполнения цилиндра нужно увеличить давление перед впускным клапаном. Однако повышенное давление не требуется постоянно – достаточно, чтобы оно повысилось в момент закрытия клапана и «дополнительно загрузило» цилиндр воздухом. Для кратковременного увеличения давления вполне годится волна сжатия, «перемещающаяся» по впускному трубопроводу в процессе работы мотора. Нужно лишь правильно рассчитать длину трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, достигла клапана в нужный момент.
Теория довольно проста, но реализация её требует значительного творчества: клапан на различных оборотах коленчатого вала открыт разное время, поэтому для эффективного применения эффекта резонансного наддува необходимы впускные трубопроводы с изменяемой длиной. При коротком впускном коллекторе двигатель лучше функционирует на высоких оборотах, тогда как длинный впускной тракт более эффективен на низких оборотах. Создать переменные длины впускных трубопроводов можно двумя способами: либо посредством подключения резонансной камеры, либо через переключение на нужный впускной канал или его включение. Второй вариант также называют динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув способны ускорить движение впускного столба воздуха.
Эффекты наддува, возникающие из колебаний давления воздушного потока, находятся в пределах от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно достичь значений в диапазоне от 750 до 1200 миллибар. Чтобы дополнить рассмотрение, стоит упомянуть, что существует также инерционный наддув, при котором главным фактором, формирующим избыточное давление перед клапаном, является скорость потока во впускном трубопроводе. Он дает небольшое увеличение мощности при высоких (свыше 140 км/ч) скоростях. Применяется, в основном, на мотоциклах.
Механический наддув
Механические компрессоры (по-английски supercharger) дают возможность относительно простым способом значительно увеличить мощность двигателя. Обладая приводом напрямую от коленчатого вала двигателя, компрессор может нагнетать воздух в цилиндры на низких оборотах без задержки, увеличивая давление наддува строго пропорционально оборотам двигателя. Однако у них есть и минусы. Они снижают коэффициент полезного действия ДВС, так как часть мощности, производимой силовым агрегатом, расходуется на их привод. Системы механического наддува требуют больше места, нуждаются в специальном приводе (зубчатый ремень или шестеренчатый механизм) и производят повышенный шум.
Существует два типа механических насосов: объемные и центробежные.
Типичными представителями объемных нагнетателей являются компрессор Lysholm и нагнетатель Roots.
Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в разные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов соединены друг с другом шестернями. Особенность такой конструкции заключается в том, что воздух сжимается не внутри нагнетателя, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Главный недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы качественно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Методов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов или сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.
Таким образом, возможно увеличить конечные показатели до удовлетворительного уровня, однако многоступенчатые устройства лишены своего основного достоинства – компактности. Еще одним недостатком является неравномерное нагнетание на выходе, так как воздух поступает порциями. В современных системах используются трехзубчатые роторы спиралевидной формы, а впускные и выпускные отверстия имеют треугольный контур. Благодаря этим методам нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсаций. Небольшие скорости вращения роторов, а значит, долгий срок службы конструкции вместе с низким уровнем шума привели к тому, что их активно используют такие известные бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.
Объемные нагнетатели увеличивают кривые мощности и крутящего момента, не меняя их конфигурацию. Они показывают высокую эффективность уже на низких и средних оборотах, что позитивно влияет на динамику ускорения. Единственная проблема заключается в том, что такие системы крайне капризны в производстве и монтаже, а следовательно, достаточно затратны.
Еще один способ подачи воздуха в впускной коллектор с избыточным давлением когда-то предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его устройство получило название винтового нагнетателя или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает привычную мясорубку. Внутри корпуса размещены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают ее и подают в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями благодаря точно рассчитанным зазорам. Кроме того, винтовые нагнетатели эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, работают бесшумно, имеют небольшие размеры, но очень дороги из-за сложности производства. Тем не менее, их выбирают такие известные тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.
Центробежные компрессоры по своей структуре напоминают турбонаддув. Повышенное давление в впускном коллекторе также образует компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и выбрасывают воздух в периферийный тоннель благодаря центробежной силе. Отличие от турбонаддува заключается только в способе привода. Центробежные компрессоры подвержены аналогичному, хотя и менее заметному инерционному эффекту, но существует и еще одна важная черта. На самом деле уровень создаваемого давления пропорционален квадрату скорости компрессорного колеса.
Проще говоря, оно должно вращаться с высокой скоростью, чтобы накачать в цилиндры необходимый объем воздуха, иногда в десятки раз превышая обороты мотора. Центробежный компрессор эффективен при высоких оборотах. Механические «центробежники» менее требовательны к обслуживанию и долговечнее газодинамических аналогов, так как функционируют при менее экстремальных температурах. Неприхотливость и, соответственно, невысокая стоимость конструкции принесли им популярность в области любительского тюнинга.
Система управления механическим нагнетателем довольно понятна. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода полностью закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха идет в двигатель. При частичной нагрузке дроссельная заслонка закрыта, а заслонка трубопровода открыта — избыток воздуха возвращается на вход механизма. Входящий в систему охладитель воздуха (Intercooler) почти всегда является необходимым элементом как механических, так и газотурбинных наддувных систем.
При сжатии воздуха в компрессоре (или нагнетателе) он нагревается, в результате чего его плотность снижается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра оказывается меньше воздуха, а, следовательно, и кислорода по массе, чем могло бы быть при отсутствии нагрева. Поэтому сжатый воздух перед подачей в цилиндры двигателя охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Снижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, дает возможность повысить мощность двигателя примерно на тот же процент.
Газотурбинный наддув
Турбонагнетатель
Современные автомобильные двигатели всё чаще оснащаются турбокомпрессорами. На самом деле, это аналог центробежного компрессора, но с иным принципом привода. Это ключевое, можно сказать, основное отличие механических нагнетателей от “турбо”. Именно принцип привода в значительной степени влияет на характеристики и сферы применения различных конструкций. В турбокомпрессоре крыльчатка-нагнетатель располагается на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая размещена в выпускном коллекторе двигателя и вращается за счёт отработанных газов. Частота вращения может превышать 200 000 об./мин. Прямой связи с коленчатым валом двигателя нет, и управление подачей воздуха реализуется благодаря давлению отработанных газов.
К преимуществам турбонаддува можно отнести: увеличение КПД и экономичности двигателя (механический привод забирает мощность у мотора, тогда как этот использует энергию отработанных газов, следовательно, КПД возрастает). Не стоит путать удельную и общую экономичность мотора. Очевидно, для работы двигателя, мощность которого возросла благодаря применению турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь процесс наполнения цилиндров воздухом улучшает, как известно, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Однако массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда меньше, чем у подобного по конструкции силового агрегата, лишенного наддува.
Турбонаддув позволяет достичь необходимых характеристик мотора при меньших размерах и весе, чем в случае использования “атмосферного” мотора. Кроме этого, у турбированных двигателей лучшие экологические показатели. Наддув камеры сгорания снижает температуру и, как следствие, уменьшает образование оксидов азота. В бензиновых моторах с использованием наддува достигается более полное сгорание топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха помогает отодвинуть границу образования дымности, то есть борется с выбросами частиц сажи.
Дизели значительно лучше подходят для наддува в целом, и для турбонаддува в частности. В отличие от бензиновых двигателей, где давление наддува ограничивает риск возникновения детонации, дизели с этим явлением не сталкиваются. Дизельные двигатели можно нагнетать до достижения максимальных механических нагрузок в их системах. Кроме того, отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия создают большее давление отработанных газов и их более низкую температуру по сравнению с бензиновыми двигателями. В общем, именно то, что требуется для установки турбокомпрессора. Турбокомпрессоры легче в производстве, что компенсирует некоторые их недостатки.
При низкой частоте вращения мотора объем отработавших газов незначителен, следовательно, эффективность работы компрессора низка. Также турбонаддувный двигатель, обычно, обладает так называемой «турбоямой» (на английском “turbo-lag”) — затрудненным откликом на увеличение подачи топлива. Если вам нужно резко ускориться — жмете на педаль газа в пол, но двигатель некоторое время «обдумывает» и только потом начинает реагировать. Объяснение довольно простое — требуется время, чтобы мотор набрал обороты, увеличилось давление выхлопных газов, раскрутилась турбина, а с ней и крыльчатка нагнетателя – и, в конце концов, “пошел” воздух. Чтобы устранить упомянутые недостатки, конструкторы используют различные методы. В первую очередь, снижают массу вращающихся компонентов турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко помещается в ладонь.
Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и подбором для него подходящих материалов. Основная трудность при этом – высокая температура отработанных газов. Металлокерамический ротор турбины приблизительно на 20% легче, чем сделанный из жаростойких сплавов, и при этом обладает меньшим моментом инерции. До недавнего времени срок службы всего устройства ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, аналогичные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких скользящих подшипников, конечно, был значительным, однако шариковые не выдерживали огромных частот вращения и высоких температур. Решение было найдено, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не использование керамики – подшипники наполнены постоянным запасом пластичной смазки, что делает ненужным канал от стандартной масляной системы двигателя!
Удаление недостатков турбокомпрессора достигается не только за счет уменьшения инерционности ротора, но и благодаря внедрению дополнительных, порой достаточно сложных систем управления давлением наддува. Основные цели в данном случае — снижение давления при высоких оборотах двигателя и его увеличение при низких. Полностью устранить все трудности позволяет использование турбины с регулируемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), к примеру, с подвижными (поворотными) лопатками, параметры которой можно изменять в широких пределах.
Принцип функционирования VNT турбокомпрессора основан на оптимизации потока выхлопных газов, подаваемых на крыльчатку турбины. На низкой скорости работы двигателя и небольшом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, что способствует увеличению ее мощностных и давления наддува. При высоких оборотах и значительном объеме газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытой позиции, увеличивая сечение и отвлекая часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от избыточных оборотов и сохраняя давление наддува на необходимом для двигателя уровне, предотвращая перенаддув.
Комбинированные системы
Двухступенчатая наддувная система.
Кроме одиночных систем наддува, в настоящее время также довольно популярны двухступенчатые наддувы. Первая ступень — приводимый компрессор — гарантирует эффективный наддув на низких оборотах двигателя, а вторая — турбонагнетатель — использует энергию выхлопных газов. Когда силовой агрегат достигает оборотов, необходимых для стандартной работы турбины, компрессор автоматически отключается, а при снижении оборотов вновь начинает функционировать.
Некоторые производители устанавливают на свои двигатели сразу два турбокомпрессора. Подобные системы называют «битурбо» или «твинтурбо». В принципе разницы между ними нет, кроме одного нюанса. «Битурбо» означает применение турбин с разным диаметром, а значит и с разной производительностью. При этом алгоритм их работы может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро активируется и начинает работать турбонаддув меньшего диаметра, а на средних к нему присоединяется «старший брат».
Таким образом, разгонная характеристика автомобиля становится более сбалансированной. Данная система является дорогостоящей, поэтому ее можно встретить на автомобилях премиум-класса, таких как Maserati или Aston Martin. Главная функция «твинтурбо» заключается не в уменьшении эффекта «турбоямы», а в обеспечении максимальной производительности. Для этого применяются две идентичные турбины. «Твин-» и «битурбо» устанавливаются как на V-образные, так и на рядные моторы. Способы подключения турбин также аналогичны системе «битурбо». В чем же заключается суть? Дело в том, что эффективность турбины зависит от двух ключевых параметров: диаметра и скорости вращения. Оба эти показателя достаточно капризны. Увеличение диаметра увеличивает инерционность и, соответственно, вызывает языком «турбояму». Скорость же турбины ограничивается предельными нагрузками на материалы. Поэтому две небольшие и менее инерционные турбины могут быть более эффективными, чем одна большая.
Рекомендации
Прежде всего, регулярно заменяйте масло и масляный фильтр. Затем, применяйте только то масло, которое предназначено для двигателей с турбонаддувом, так как оно специально разработано для работы при более высоких температурах, чем стандартное. Однако на дороге могут произойти неприятности, и если вам по какой-то причине пришлось использовать неизвестное масло, то не спешите, двигайтесь медленно. Двигатель сможет справиться с таким маслом, но турбонаддуву это не обязательно подойдет. Прибыв домой, незамедлительно замените масло и масляный фильтр.
И, наконец, третье и самое важное условие корректной работы турбонаддува. В жизни турбины существуют два наиболее ответственных момента: запуск мотора и его остановка. Когда запускается холодный двигатель, масло внутри него обладает высокой вязкостью, что усложняет его прокачку через зазоры; тепловые зазоры еще не установились; нагрев различных частей компрессора и, соответственно, тепловое расширение происходят с разной скоростью. Поэтому не торопитесь, дайте двигателю прогреться.
Если вам нужно сделать остановку, никогда не выключайте двигатель сразу. В зависимости от стиля вождения дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит скорость до минимальной, а детали, которые непосредственно контактируют с выхлопными газами, постепенно остынут. В данной ситуации значительно упрощает процесс турбо-таймер. Он позаботится о том, чтобы раскалённый двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, охлаждая элементы турбонаддува, даже если владелец уже вышел и закрыл своё авто. Кроме того, подобные функции есть и у многих охранных сигнализаций.
