Как этот работает: наддув двигателя

Попытки увеличить давление воздуха в системах внутреннего сгорания с целью увеличения мощности последних предпринимаются уже очень давно. Первые нагнетатели и вовсе были описаны еще в 1885 году, когда только-только начали изобретать бензиновые двигатели. Однако с тех пор технологии сильно шагнули вперед и сегодня мы знаем о множестве различных систем наддува двигателя. Как они устроены и для чего нужны? В цикле статей на Avto.pro мы попытаемся разобраться с тем, как форсируются двигатели и какие устройства для этого нужны. Также мы разберемся в их устройстве и основных неисправностях. В данном материале речь пойдет о вариантах реализации наддува двигателя.

Принципиально новое решение

С появление автомобилей инженеры стремились создать такой агрегат, который сможет разогнать транспорт до невероятных скоростей. Разумеется, этому поспособствовал набирающий популярность автоспорт. Наверняка все читатели хотя бы раз видели фотографии старых гоночных автомобилей – вытянутый, низко посаженный транспорт, большую часть которого занимал моторный отсек. 16-цилиндровые силовые агрегаты не были редкостью в середине прошлого века. А почему использовали именно такие монструозные моторы? Причины, казалось бы, просты:

1. Для увеличения мощности нужны агрегаты, в которых можно сжигать как можно большее количество топлива;
2. Для увеличения количества сгораемого топлива нужно создавать двигатель большого объема.

Однако конструкторы быстро выяснили, что по мере увеличения двигателей их масса начинает становится такой большой, что дальнейшие попытки увеличить объем не приводят к желаемому результату. И это не говоря о том, что для нормального сгорания топлива в цилиндры нужно подавать большие объемы атмосферного воздуха. На 14 объемных частей воздуха должна приходиться всего одна часть топлива – именно при таком соотношении топливо будет сгорать полностью. А что если мощность двигателя можно увеличить не за счет увеличения кубатуры, а за счет подвода больших объемов воздуха? Так и родилась идея применения нагнетателей и компрессоров.

Подробнее о нагнетателях

Наддув двигателя – это принудительное повышение давление атмосферного воздуха на впуске ДВС. Это позволяет нарастить объем и массу воздуха, поступающего в камеры сгорания. За счет увеличения удельной/литровой мощности ДВС повышается мощность и крутящий момент, а также улучшаются экологические показатели его работы.

Первыми на свет появились механические нагнетатели. С их помощью инженеры смогли повысить мощностные характеристики автомобилей без увеличения рабочего объема двигателей. Все оказалось очень просто: в единицу времени в двигателе могло сгорать больше топлива, так как его горение обеспечивалось бесперебойной подачей воздуха нужных объемов. Напоминаем, что способность двигателя всасывать воздух крайне ограничена, а вот если в систему добавить нагнетатель, двигатель всегда будет обеспечен кислородом.

Механические нагнетатели активно применяли еще в 30-х годах прошлого века. Обычно их называли компрессорами, хотя позже появилось понятие турбокомпрессоров – это несколько иная технология. О ней мы поговорим чуть позже. Конструктивно механические нагнетатели довольно просты, хотя схем их реализации очень много. Обычно их делят на два типа:

• Объемные;
• Центробежные.

К примеру, популярные в свое время нагнетатели Roots работали почти так же, как масляные шестеренчатые насосы. Пара роторов, вращающихся в противоположные стороны и связанные друг с другом шестернями на осях, сжимают воздух в трубопроводе. Воздух, получив достаточное ускорение, продвигался в сторону автомобильного двигателя, где и обеспечивал горение топлива.

Довольно интересное решение было предложено инженером Лисхольмом. В его нагнетателе располагалось два взаимодополняющих шнека, вращающихся в разные стороны. Захватывая воздух, шнеки загоняли его прямо в цилиндры. Казалось бы, особых отличий между нагнетателем Лисхольма и аналогичным агрегатом от Roots нет, но на деле оказалось, что первое устройство более компактно, работает практически бесшумно и имеет минимально возможные потери. К несчастью, шнековый нагнетатель сложно изготавливать – зазоры в нем настолько малы и должны быть так хорошо выверены, что производство агрегатов Лисхольма был экономически нецелесообразным.

Появившиеся почти одновременно с объемными, центробежные нагнетали работали по иному принципу. Они очень похожи на современные турбины – та же «улитка», создающая избыточное давление за счет работы компрессорного колеса. Вот только от современного турбонаддува центробежный нагнетатель отличается приводом – он механический.

Существуют и весьма необычные конструкции. Например, волновой нагнетатель Comprex от Asea-Brown-Boweri. Суть его работы сводятся к следующему: при вращении ротора в ячейку попадает атмосферный воздух, ячейка подходит к специальному отверстию, через которое проходят отработавшие газы. За счет взаимодействия с более горячими газами резко возрастает давление и воздух вытесняется во впускной трубопровод. Так как ротор вращается на протяжении всего цикла нагнетания воздуха, отработавшие газы не успевают попасть туда же, куда и воздух. Сразу после вытеснения газов в ячейке резко снижается давление и новая порция воздуха попадает в нее без механических воздействий.

Логично предположить, что при всем многообразии нагнетателей они должны управляться весьма специфическим образом. На самом же деле управляются механические нагнетатели очень просто. Схема выглядит так:

• Нагрузка двигателя высока – перепускной трубопровод закрыт заслонкой. Дроссельная заслонка открыта и через нее воздух может попасть к двигателю;
• Нагрузка находится в пределах нормальной – дроссельная заслонка закрыта, заслонка трубопровода открыта частично. Избыток воздуха при этом может вернуться на вход нагнетателя.

Здесь стоит отметить, что в состав систем как механического, так и газотурбинного наддува должен входить охладитель. Он называется интеркулером. Об интеркулерах мы ранее писали в отдельном материале. Такое устройство нужно для уменьшения температуры воздуха. Дело в том, что при сжатии воздух нагревается. Плотность нагреваемого воздуха постепенно уменьшается, следствием чего является падение мощности двигателя – полезный объем горячего воздуха ниже, чем холодного. Снизив температуру наддувочного воздуха хотя бы на 10 °C, можно увеличить мощность нагнетателя на 3%. Мощность двигателя вырастет примерно на тот же процент.

Преимущества и недостатки механических нагнетателей

Механические нагнетатели до сих пор находят применение, хотя из автопромышленности их исключили. Такую конструкцию считают устаревшей, несмотря даже на то, что она лишена турболага – задержке в увеличении мощности при резком наборе скорости автомобилем. Недостатки механических нагнетателей таковы:

• Низкая производительность;
• Высокая шумность работы (относительно тихие нагнетатели слишком сложны в производстве);
• Большие габариты.

Ключевыми моментами все-таки принято считать производительность и габариты. Механический нагнетатель имеет не самый высокий КПД, при том что занимает довольно много места под капотом (хотя и здесь многое зависит от конструкции). Тем не менее, достоинства у механических нагнетателей есть. В их числе:

• Уже упомянутое отсутствие турболага (турбоямы);
• Возможность повысить мощность ДВС на 5-10%;
• Отсутствие сильного нагрева (решается применение интеркулера);
• Почти неограниченный эксплуатационный ресурс;
• Высокая надежность.

Кроме того, нагнетатели почти не нуждаются в обслуживании. Опять же, исключением могут стать специфические конструкции, которые встречаются довольно редко. Данный агрегат по своей сути является самым простым решением для реализации наддува двигателя. Так как инженеры гонятся за увеличением топливной экономичности двигателей, нагнетатели в принципе не могли остаться актуальными. Их почти окончательно перестали использовать еще в конце 90-х годов. На замену нагнетателям пришли турбокомпрессоры.

Подробнее о турбокомпрессорах

Вы удивитесь, но первые турбокомпрессоры появились в начале 20 века. Впервые их описал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи. Согласно его расчетам, довольно простой механизм мог развивать до 2 тысяч оборотов в минуту. При этом его производительность была очень высокой. В предыдущем разделе мы упомянули, что центробежные нагнетатели очень похожи на турбокомпрессоры. Но было упомянуто одно отличие: привод. Дело в том, что турбины приводятся в действие потоком выхлопных газов. Проще говоря, турбокомпрессор не отнимает у двигателя часть его мощности для осуществления работы.

Работа турбокомпрессора сводится ко все тому же сжатию воздуха и его подаче к двигателю. Эффективность компрессора во многом обусловлена тем, что он не имеет связи с коленчатым валом двигателя – его привод реализован по-другому. Вот как это выглядит:

1. При работе двигателя он выбрасывает отработавшие газу через специальную систему;
2. Часть газов перенаправляется на турбинное колесо;
3. Колесо начинает вращаться внутри корпуса;
4. Начавшее вращаться компрессорное колесо всасывает воздух;
5. Воздух, проходя через фильтр, двигается по трубопроводу в цилиндры силового агрегата.

Как и в случае нагнетателей, в тандеме с турбокомпрессорами должен работать интеркулер. Он является тем самым охладителем наддувочного воздуха. Охлаждение здесь особенно важно, так как в турбине воздух нагревается достаточно сильно. Сама же турбина может обеспечить всасывание больших объемов воздуха – это главное ее достоинство. Среди других положительных моментов:

• Высокая производительность;
• Турбина не потребляет энергию двигателя;
• Относительная простота в ремонте и обслуживании.

Не обошлось и без недостатков. У турбин есть свой температурный режим. Они расходуют масло. Турбины имеют не самый большой эксплуатационный ресурс. У турбин есть эффект турболага (турбоямы). К тому же, сами по себе они очень требовательны к качеству топлива, масел и к качеству работы систем, обеспечивающих сгорание топлива и нормирование состава выхлопных газов. Недостатки кажутся существенными, но практика успела показать, что топливная экономичность и хорошие мощностные показатели стоят того, чтобы оснастить автомобиль турбокомпрессором.

Важно отметить, что некоторые автомобили используют систему «Би-Турбо» или «Твин-Турбо». Суть такой системы в том, что в тандеме с обычной турбиной может работать и более простая механическая. Последняя включается в работу только на низких оборотах, тем временем как основной турбокомпрессор подключается только при выходе на средние обороты. Это позволяет решить проблему возникновения турболага. Однако технологии не стоят на месте и на сегодняшний день лучшая реализация наддува двигателя предусматривает использование электротурбины. Она может быть единственной в автомобиле, но зачастую она является лишь частью системы «Би-Турбо».

Что представляет собой электротурбина

Применение турбин, использующих энергию потока выхлопных газов, еще не так давно казалось инновационным решением в области форсирования двигателей внутреннего сгорания. Однако практика успела показать, что и у турбин есть недостатки. В теории, их можно было решить за счет использования электрического привода. Вот о каких проблемах идет речь:

• Эффект турболага (турбоямы);
• Высокие требования к качеству охлаждения;
• Высокие требования к качеству смазочных материалов; их расход;
• Небольшой эксплуатационный ресурс.

Впервые оснастить турбину электрическим приводом решили инженеры концернов Mercedes-Benz, Audi и BMW. Проще говоря, они сделали из турбины своеобразный вентилятор, который создавал давление от 0,5 атмосфер и выше. Согласно имеющейся информации, им удалось создать турбину, нагнетающую до 5 атмосфер! При правильных настройках подачи топлива инженерам удалось увеличить мощность силового агрегата на феноменальные 20-30%. Кроме того, электротурбина может работать на разных оборотах в зависимости от режима работы двигателя.

В силу высоких затрат энергии электротурбину обычно ставят совместно с обычной турбиной, как и было указано в предыдущем разделе. Такая система достаточно надежна, хорошо показывает себя на разных оборотах и практически не страдает от эффекта турболага. Высокое потребление электроэнергии пока не позволяет использовать такую турбину как основную – здесь требуется серьезный подход к изменению бортовой системы генератор-приемник бортовой автомобиля.

Немного о китайских электротурбинах

Ни для кого не секрет, что недорогие запчасти и агрегаты преимущественно азиатского производства не всегда могут похвастать достойным качеством. Это особенно касается как обычных, так и электрических турбин. Дело в том, что недобросовестные производители экономят на материалах. Так, например, горячая часть обычного турбокомпрессора должна быть изготовлена из чугуна, легированного молибденом, хромом или же никелем. У азиатских производителей не всегда относятся серьезно к подбору материалов. В случае электротурбин особенно высоки требования к качеству электрической «начинки» агрегата. Но и это не все проблемы. Как правило они страдают от следующего:

• Плохая балансировка и несоответствие изделия допускам;
• Несоблюдение геометрии;
• Децентрализация производства: подшипники изготавливает одна фирма, корпуса – другая. Никто не отвечает за качество своей работы.

Ассортимент китайских электротурбин очень широк. По заверению продавцов, автолюбитель может купить агергат, который можно смело ставить сразу перед воздушным фильтром. Однако именно такие турбины должны быть оснащены электрическим двигателем мощность до 4 КВт. На деле их мощность меньше, да и питать такой приемник автомобильный генератор не сможет. Здесь также стоит учитывать факт «лотерейного» качества самого изделия – одна турбина может проработать долго, другая же, напротив, выйдет из строя очень быстро.

Резюмируя, отметим, что установка недорогой китайской электротурбины является весьма доступным вариантом тюнинга двигателя. Однако автолюбителям важно понимать, что результат такого тюнинга может оказаться плачевным. В лучшем случае такую турбину придется снять. Кстати, с ее установкой наверняка возникнут проблемы. Если же вы решились на эксперимент, то покупайте только изделие, характеристики которого продавец сможет привести: диапазон работы крыльчатки, сила тока, напряжение, диапазон давления , напряжение линейного управления. Часто в продаже можно найти турбины, характеристики которых вовсе не приводятся – мы категорически не советуем покупать их.

Обслуживание систем наддува

Хоть выше мы уже и писали о том, что определенные системы наддува являются довольно капризными, в этом разделе мы уделим внимание лишь основным моментам, касающихся их правильной эксплуатации. Автолюбители хорошо знают, что системы турбонаддува очень чувствительны к характеристикам масла и его качеству. Вот о чем не стоит забывать владельцам автомобилей с системами наддува двигателя:

1. Вовремя меняйте воздушные и масляные фильтры, а также само масло;
2. Выбирайте масло, рассчитанное на высокие температуры.

Если вам пришлось подливать стандартное масло, то ни в коем случае не доводите обороты двигателя до высоких значений. Ехать лучше медленно и осторожно. По приезду домой поменяйте как масло, так и масляный фильтр. Не забывайте и о правилах эксплуатации автомобиля с наддувом: давайте двигателю прогреться после запуска, а перед остановкой и паркованием дайте агрегату проработать 2-5 минут на холостых. При соблюдении этих правил любая система наддува двигателя будет работать долго.

Вывод

Системы наддува двигателя – настоящее благо как для автолюбителей, так и экологии. Благодаря им мощный транспорт стал более дешевым и экономичным. Хоть изначально наддув начали применять для улучшения мощностных параметров двигателей, сегодня он видится многим автоконцернам как решение экологических проблем. Наиболее распространенным агрегатом, с помощью которого можно реализовать наддув двигателя, является турбокомпрессор. Он имеет впечатляющий коэффициент полезного действия и отличается простотой в обслуживании. Однако у турбин есть много интересных особенностей, которые мы рассмотрим в следующем материале цикла «Полезные советы» на АвтоПро.