Нынешние автомобилисты являются далеко не первыми любителями, которых очень сильно гипнотизируют высокие цифры скорости и максимальная мощность моторов. Эта гонка между владельцами транспортных средств началась еще более 100 лет назад. Предел в 100 «лошадей» автолюбителям удалось превзойти уже в 1905 году, причем через какие-то несколько лет мощность уже была увеличена до 150 лошадиных сил. Вместе с увеличением мощности увеличивался также вес и количество двигателей, все это вынуждало производителей устанавливать все более тяжелые шасси, что само собой существенно снижало максимальную скорость. Поэтому уже в начале 20-го века инженеры задумывались о решении этой сложной задачи – повысить мощность силового агрегата, но снизить при этом остальные параметры: размеры, вес и расход топлива.
Ту эпоху можно назвать поистине героической, именно тогда возникла большая часть конструкций, начиная замысловатыми фантастическими и заканчивая вполне настоящими. Наиболее приемлемой и замечательной среди них оказалась именно новая идея наддува. Можете представить себе двигатель внутреннего сгорания, а именно такт его впуска: силовой агрегат работает наподобие насоса, и является очень неэффективным из-за того, что на пути горючей смеси находятся изгибы клапанов и воздушный фильтр, а если речь идет о бензиновом моторе, то там мешает еще и дроссельная заслонка. Все в совокупности значительно понижает наполнение цилиндра. Возникает закономерный вопрос: «чем повысить это наполнение?» Сделать это можно путем подъема давления перед клапаном выпуска, в таком случае в цилиндре поместится больше горючей смеси или воздуха (дизельные двигатели). В результате таких действий энергия сгорания с большим числом топлива еще больше повысится, также увеличится и неспециализированная мощность мотора.
Данная теория не имеет никаких особых сложностей, что позволило ей воплотится в огромное количество разных устройств, которые получили название «нагнетатели». Среди них были и шиберные компрессоры, и поршневые и объемные, во всей этой массе настоящим алмазом стал турбонаддув, который изобрел Альфред Бюхи и запатентовал его в 1905 году. Но надо отметить, что само слово «турбонаддув» возникло намного позднее, чем сама идея, ведь четверть века ее никак не удавалось применить на практике из-за недостаточного уровня разработки. Но удивлять здесь не чему, особенно если учесть, что самые лучшие моторы тех времен имели ресурс, составляющий 30-40 тыс. км, но в среднем двигатели могли проезжать только 5-10 тыс. км. Поэтому о торбоннадуве и речи не было.
Но благодаря техническому прогрессу ситуация вскоре существенно изменилась и уже примерно к 30-м годам 20 века это препятствие почти потеряло силу. Впрочем, тогда были и другие трудности, среди них основной было то, что ротор турбокомпрессора было невозможно сделать большим, именно над решением этой сложности все прошедшие годы и трудились конструкторы. Все это имело одну простую причину: чем больший диаметр имеет турбина, тем больше момент ее инерции. В такой ситуации даже если водитель во время разгона автомобиля начнет давить на педаль акселератора более резче, то все равно не получит стремительного ускорения, так как ему придется ждать чтобы турбина набрала необходимые обороты. Из-за этого надо было устанавливать турбины с небольшим диаметром. При этом поступление воздуха напрямую зависело от скорости лопаток, эта скорость зависела от диаметра ротора, тем он меньше, тем и меньше сама скорость. Единственным выходом было увеличение оборотов, даже при том, что в этот же момент существовало ограничение со стороны приемлемой нагрузки на материалы. Причем это далеко не все неприятности.
Но уже в 30-х годах 20-го века передовые самые богатые компании по производству автомобилей начали устанавливать на свои транспортные средства турбонаддув. Именно в то время начали широко использоваться и другие устройства, которые в нынешнее время стали незаменимыми для агрегатов турбонаддува. В первую очередь это относится к перепускному клапану выхлопных газов, особенно когда турбина крутится слишком быстро. Если бы этого клапана не было, тогда появился бы режим, в котором обороты силового агрегата возрастают неконтролируемо, так как количество выхлопных газов увеличивается, вместе с этим увеличиваются и обороты турбины, которые нагнетаются воздухом. В подобном режиме работы не удалось бы избежать выхода из строя двигателя. Давление воздуха впускного коллектора руководит перепускным клапаном и если оно выше оптимального, то клапан начинает раскрываться, благодаря чему некоторая часть выхлопных газов уходит в глушитель, не попадая в турбину. Вот только в свое время и водителям и конструкторам этого показалось недостаточно, ведь и последующий разгон турбины и торможение нуждаются в определенном времени, поэтому не приходится ожидать слишком быстрой реакции машины. Кроме этого начали выпускаться моторы с так называемым «турбоподхватом», рассчитывающиеся на оптимальную подачу воздуха на оборотах немного выше средних до 3-4 тыс. об/мин, они способны набирать мощность, так же как и атмосферные силовые агрегаты, вот только затем мгновенно развивают обороты, «выстреливая». Получается, что под капотом авто находится как бы два двигателя: один обычный, а второй имеющий взрывной характер.
Подобная ситуация полностью всех устраивала до 60-х годов, так как по большей части турбонаддув использовали на гоночных и спортивных транспортных средствах, владельцы которых в необходимый момент могли жать педаль газа до упора и ощущали силу целого «табуна лошадей». Тем временем на дорогах возрастали средние скорости серийно выпускающихся автомобилей, так как увеличивалось количество рабочих моторов. К примеру, если в послевоенное десятилетие 2-литровый мотор считался монстром, то уже в конце 70-х голов 20-го столетия такой двигатель являлся стандартным для обычного седана. Именно в этот период в жизнь автомобилей вмешались законы. К примеру, в Италии на транспортные средства, оснащенные моторами объемом до 2-х литров, предлагаются существенные налоговые льготы, а в Японии льготы даются только машинам с объемом мотора 660 см³ и ниже. Именно в законах и кроется причина широкой популярности турбонаддува на обычных массовых автомобилях, даже при том, что для этого приходилось преодолевать многие сложные технические препятствия.
Среднестатистические покупатели даже и слышать, не хотят о «подхватах» двигателя, что уже говорить о запоздалой реакции. Ведь обычным автомобилистам нужно ездить ежедневно, а не гонять. Поэтому под капотом начали устанавливать два перепускных клапана, не считая агрегата наддува, один клапан был предназначен для отработанных газов, в то время как второй предназначен перепускать из коллектора мотора лишний воздух в трубопровод до компрессора. Второй клапан также отвечает за управление давлением во впускном коллекторе. В результате та частота, с которой вращается ротор турбины, во время сброса газа понижается лишь незначительно, в то время как при следующих нажатиях на педаль, задержка подачи атмосферы занимает лишь десятые доли секунды – это как раз то время, которое нужно для закрытия клапана. В данном случае перепуск отработанных газов уже не является регулятором, а скорее ограничителем оборотов турбины.
Когда электроника начала повсеместно проникать в управление мотором, то она также не обошла стороной и систему турбонаддува. Упомянутые выше клапана остались, вот только ими уже начали руководить электрические клапаны, включенные в пневматическую систему либо электрические сервомоторы. Благодаря этому появилась возможность учитывать не только нагрузку на силовой агрегат, но также и остальные важные факторы, такие как: тепловой режим силового агрегата, детонацию в цилиндрах, токсичность выхлопных газов и прочее.
Возможно, вам когда либо удавалось видеть в потоке машин транспортные средства, на которых был шильдик «интеркуллер» на борту. Данное название носит радиатор охлаждения воздуха наддува, который размещается за компрессором. Обычно интеркуллеры устанавливаются с целью поместить больше воздуха в цилиндр при том самом давлении наддува. Из уроков физики можно вспомнить, что в определенное количество и при одинаковом давлении входит больше газа более низкой температуры. Что касается мощности силового агрегата, то она зависит именно от «массовой» наполненности цилиндров. Обычно интеркуллерами оснащаются спортивные машины, а также магистральные грузовики.
Как уже говорилось выше, ротор турбины обязан вращаться с большой частотой до 150-180 тыс. об/мин. Еще недавно срок работы двигателя ограничивался долговечностью подшипника. Это были своеобразные вкладыши, очень похожие на вкладыши коленвала, их под давлением смазывали маслом. Конечно же, такие подшипники скольжения имели огромный износ, но что было делать, когда шариковые подшипники не могли выдерживать большой частоты вращения и высоких температур. И конструкторы нашли выход, создав подшипники, имеющие керамические шарики. В самом начале данную инновацию в производство внедрили японские фирмы, а затем шведские, благодаря чему машины с такими подшипниками и были выпущены на дороги. Но удивляться следует не тому, что автомобилестроительные концерны начали использовать керамику, а тому, что такие подшипники имеют постоянный запас пластичной смазки, получается, что им уже не нужен канал от штатной смазочной системы.
После этого был выпущен металлокерамический ротор турбины, он получил одно огромное преимущество – стал на 20% легче по сравнению с ротором, который изготавливается из термостойких сплавов, и ко всему этому новый ротор еще и получил меньший момент инерции.
На данный момент используется тот метод регулировки подачи воздуха, который направлен на изменение угла наклона лопаток на компрессоре. Но на самом деле это далеко не новая идея, так как ее придумали уже давно, но продолжительное время никак не могли воплотить в жизнь.
Учитывая стремительное развитие системы турбонаддува можно предположить, что система будет также развиваться и в будущем. На данный момент уже можно увидеть двигатели с двумя турбокомпрессорами, а управляющая электроника становится все более умной. Но именно сейчас после довольно длительного забвения оживает приводной компрессор – давнейший соперник «турбо», он вращается посредством коленвала мотора. Так какие же преимущества он имеет? Если объяснять вкратце, то его плюсы кроются в более быстрой реакции силового агрегата на управляющие действия, ну а если учесть еще и его меньшую частоту вращения, то еще одно преимущество заключается в большей технологичности производства. Но за все приходится платить и если турбокомпрессор позволяет существенно повысить КПД мотора за счет использования энергии выхлопных газов, то есть получается уже выброшенной энергии, в это же самое время приводной компрессор отбирает энергию у мотора. Возьмем, к примеру, двигатель автомобиля Порше 911, если бы конструкторы заменили его турбокомпрессор нагнетателем, то на высоких мощностях это позволило бы терять до 26 кВт мощности. Хотя вместе с этим мощность надутого двигателя все равно была бы заметно больше по сравнению с показателем безнаддувного (атмосферного) его варианта, но топливная экономичность точно бы пострадала.
Если речь уже зашла о нагнетателях, то стоит подметить, что их многообразие осталось в прошлом. Вряд ли центробежные, поршневые и целый ряд других нагнетателей когда-нибудь еще окажутся на моторах машин. Остались только объемные нагнетатели, к которым обратились конструкторы концерна Мерседес через 60 лет, они по своему принципу действия немного напоминают насосы системы смазки.
Самые первые нагнетатели «Рутс» начали устанавливаться на транспортные средства немецкого концерна в 20-х годах прошлого столетия. В то время они подключались только на большой мощности с помощью многодискового сцепления и работали лишь краткосрочно, а не постоянно, да еще и создавали страшный визг во время работы, пожирая при этом ресурс силового агрегата. Что касается современных компрессорных автомобилей Мерседес, то они обладают почти такой же системой, вот только в работу включаются намного раньше при 1500 об/мин. Надо сказать, что существовали и отечественные нагнетатели похожего типа, они должно быть хорошо известны автолюбителям, имевшим дело с отечественными двигателями ЯАЗ-206 либо ЯАЗ-204. Эти силовые двухтактные дизельные агрегаты, конструкция которых была разработана еще в 40-х годах, на те времена отличались хорошими показателями, за счет чего их производили несколько десятилетий. Еще можно упомянуть спиральные необычные нагнетатели, ими в 80-х годах оборудовались автомобили марки Фольксваген: Коррадо, Пассат, Гольф, но в 90-х годах такое направление свернули.
Нельзя считать обзор современных систем наддува полным, не упомянув о разработке еще двух систем. Первую разработку называют «наддувом типа Комплекс», над ее созданием уже 30 лет работают швейцарские инженеры. На самом деле данное устройство не является компрессором, даже при том, что использует энергию выхлопных газов. Оно имеет следующий принцип действия: поделенный на продольные каналы цилиндр вращается около собственной оси и приводится ремнем коленчатого вала. Две глухие крышки статора закрываются торцами цилиндра. У них размещено по два окна для выхлопных газов и воздуха. После того как выпускной клапан открывается в цилиндре мотора по трубопроводу распространяется ударная волна, она следует через окно торцевой крышки и идет дальше по каналам ротора, при этом тот воздух, который в них находится, сжимается. Учитывая, что ротору свойственно вращаться в один момент он раскрывается, и воздух через окно идет в трубопровод высокого давления. Окно сразу закрывается, в результате поток отработанных газов отражается от торцевой крышки и идет в обратный путь в раскрывшееся окно выпуска. Волна разрежения направляется за отраженной волной сжатия. Именно она и мешает заполнить канал свежим воздухом к моменту удаления газов, выводя его через нужное окно. Такой принцип действия получил еще одно название «волновой обменник».
Если не считать швейцарцев, то наддувом под названием «Комплекс» заинтересованы и японские фирмы, которые уже даже выпустили несколько моделей марки «Мазда» на рынок с подобным агрегатом.
Напоследок надо сообщить еще о системе резонансного наддува. Выше уже говорилось, что для оптимального наполнения цилиндров, следует поднимать давление перед клапаном впуска. Но важно, что высокое давление необходимо не постоянно, вполне достаточно если оно будет подниматься именно в момент закрытия клапана «догружая» тем самым цилиндр порцией топливной смеси. Чтобы увеличивать давление на короткий срок хорошо подходит волна сжатия, которая при работе двигателя гуляет по впускному трубопроводу. Для того чтобы волна могла несколько раз отразится от концов трубопровода следует всего лишь вычислить его длину, тогда волна в нужный момент будет приходить к клапану. Подобная теория не очень то и сложна при объяснении, но чтобы воплотить ее на практике, необходима огромная изобретательность, учитывая, что клапан открывается не на одинаковое время при разных оборотах коленвала, значит, для использования резонансного наддува следует использовать трубопроводы переменной длины. Инженерам удалось создать такие двигатели, они оборудованы специальными заслонками, которые для воздуха открывают разные пути. Наиболее популярным данное решение было в 80-х годах 20-го столетия, но видимо автомобилестроительные компании решили, что незачем так мучится, когда уже был создан более производительный турбонаддув, которым управляла электроника. На данный момент новые моторы с резонансным наддувом почти не производятся.
Итак, инженеры и конструкторы продолжают работать над разнообразными вариантами наддува для поршневых силовых агрегатов. Тяжело выяснить находятся ли сейчас все данные разработки на самом пике, ведь никто не может исключить возникновение в будущем новых двигателей, которые будут еще лучше, чем нынешние поршневые. Тогда уже новые поколения конструкторов начнет стремиться добиваться от них максимального результата, чтобы угодить новым поколениям автомобилистов.
