Механический наддув является одним из способов повысить мощность двигателя. Главным элементом такой системы является механический нагнетатель (Supercharger или compressor). Он представляет собой компрессор, приводимый в действие за счет вращения коленчатого вала. Установка механического нагнетателя обеспечивает увеличение до 50%. Supercharger осуществляет забор воздуха через воздушный фильтр, сжимает и далее отправляет его во впускной коллектор ДВС, что и способствует повышению мощности последнего.

Конструкция и принцип работы механического наддува

В современном автомобилестроении применяется несколько видов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и принцип нагнетания воздуха.

Устройство механического наддува

Система механического наддува состоит из следующих элементов:

• механический нагнетатель (компрессор);
• интеркулер;
• дроссельная заслонка;
• заслонка перепускного трубопровода;
• воздушный фильтр;
• датчики давления наддува;
• датчики температуры воздуха во впускном коллекторе.

Схема работа механического наддува

Управление механическим нагнетателем осуществляется при помощи дроссельной заслонки, которая при высоких оборотах открыта. При этом заслонка трубопровода закрыта, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя. Когда двигатель работает на низких оборотах, открыта под небольшим углом, а заслонка трубопровода открыта полностью, что обеспечивает возврат части воздуха на вход компрессора.

Поступающий из нагнетателя воздух проходит через интеркулер, что снижает температуру нагнетаемого воздуха примерно на 10°C, способствуя более высокой степени его сжатия.

Типы привода механического наддува

Ременной привод кулачкового компрессора

Передача крутящего момента от коленчатого вала к механическому компрессору может осуществляться различными способами:

• Система прямого привода — предполагает монтаж компрессора непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя.
• Ременный привод. Передача усилий реализуется при помощи ремня. Различные производители используют свои виды ремней (плоские, клиновидные или зубчатые). Системы с использованием ремня характеризуются коротким сроком службы и вероятностью возникновения проскальзывания.
• Цепной привод. Имеет аналогичный ременному приводу принцип.
• Шестеренчатый привод. Недостатком такой системы является повышенный шум и большие габариты.

Виды механических компрессоров

Центробежный компрессор

Каждый тип привода наддува имеет свои эксплуатационные особенности. Всего различают три вида механических нагнетателей:

• Центробежный нагнетатель. Самый распространенный вид механических нагнетателей. Основной рабочий элемент системы — колесо (крыльчатка), которое имеет сходную конструкцию с компрессорным колесом . Оно вращается со скоростью порядка 60 000 оборотов в минуту. При этом воздух всасывается в центральную часть компрессорного колеса в режиме высокой скорости и малого давления. Пройдя через лопасти нагнетателя, воздух подается во впускной коллектор, но уже в режиме низкой скорости и высокого давления. Этот вид нагнетателя используется в комплексе с турбокомпрессорами для устранения .
• Винтовой нагнетатель. Представляет собой систему из двух вращающихся шнеков (винтов) конической формы. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит по камерам компрессора и, благодаря вращению, сжимается и нагнетается в патрубок впускного коллектора. Такие системы применяются в основном на спортивных и дорогостоящих автомобилях, поскольку достаточно сложны в изготовлении. Их преимущество — высокая эффективность работы.
• Кулачковый нагнетатель (roots). Один из первых видов механических нагнетателей. Конструктивно он представляет собой два ротора со сложным профилем сечения. Оси вращения роторов соединяются двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, в результате чего происходит его нагнетание во впускной трубопровод. Недостатком этой системы является образование избыточного давления, что провоцирует сбои в работе наддува. Для устранения этого явления в конструкции кулачкового нагнетателя предусматриваются либо муфта с электрическим приводом (управление с отключением нагнетателя), либо перепускной клапан (без отключения нагнетателя).

Винтовой нагнетатель

Механические нагнетатели довольно часто применяются на автомобилях марок Cadillac, Audi, Mercedes-Benz а также Toyota. При этом кулачковые и винтовые компрессоры устанавливаются преимущественно на мощных спортивных автомобилях с бензиновыми двигателями, а центробежные входят в систему двойного турбонаддува для дизельных моторов.

Преимущества и недостатки схемы с механическим нагнетателем

В сравнении с турбонагнетателем механическая система наддува приводится в движение не отработавшими газами двигателя, а за счет вращения коленчатого вала. Это означает, что, с одной стороны, мощность мотора увеличивается, а с другой — возникает дополнительная нагрузка, отбирающая, в зависимости от вида компрессора, до 30% производительности двигателя. Также минусом системы является высокий уровень шума, который создает привод системы.

Использование механического наддува на повышенных оборотах провоцирует более быстрый износ деталей двигателя, а потому они должны быть изготовлены из материалов повышенной прочности.
Основным достоинством механического привода является низкая стоимость изготовления (в сравнении с турбонаддувом), простота монтажа, а также мгновенный отклик системы на повышение оборотов двигателя. Так системы с винтовыми и кулачковыми компрессорами обеспечивают высокую динамику разгона, а центробежные нагнетатели стабильную работу двигателя на высоких скоростях.

Помимо привода от коленчатого вала двигателя, механический наддув может работать за счет отдельного электродвигателя. В этом случае потери мощности мотора удается избежать.

Для того чтобы в объеме цилиндра сжечь больше топлива и получить в результате большую полезную мощность, необходимо пропорционально увеличить количество воздуха из условия α ≈ const. Эта задача нашла свое решение в наддуве. Наддувом называется увеличение заряда воздуха, подаваемого в цилиндр, за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия до давления P k >P o , и соответственно увеличение количества сжигаемого топлива. Степень форсировки дизелей наддувом оценивается “степенью наддува” λ н:

λ н = Р ен / Р е, (№1)

где Р е и Р ен — среднее эффективное давление двигателя без наддува и с наддувом.

Принципиально количество воздуха в цилиндре можно увеличить не только за счет его предварительного сжатия, но и за счет понижения температуры (удельный вес воздуха пропорционален Рк и обратно пропорцилнален Тк: γк / γо = Рк То / Ро Тк), а также повышением коэффициента наполнения цилиндра η н путем лучшей очистки цилиндра. Эти факторы используются при наддуве в комплексе. Так, после предварительного сжатия воздух охлаждается до температуры 30÷45 о С, после чего подается в цилиндр. Лучшая очистка цилиндра обеспечивается тщательной отработкой системы газообмена, использованием продувки камеры сгорания в 4-тактных ДВС.

Газотурбонагнетатель судового дизельного двигателя

Применение наддува позволило увеличить цилиндровую мощность дизелей в 4÷5 раз по сравнению с двигателями без наддува, однако потребовало решения ряда серьезных технических проблем, связанных с повышением механической и , ухудшением условий смазки, повышенными износами цилиндро-поршневой группы, согласованием характеристик агрегатов наддува и дизеля и т.д. Эти проблемы постоянно встают перед дизелестроителями при дальнейшей форсировке двигателей.

Различают следующие способы наддува:

• Инерционный;
• Механический;
• Газотурбинный и комбинированный.

Попытки использования инерционного наддува имели место в начальный период форсировки 4-тактных ДВС. При этом каждый цилиндр снабжался специально подобранной длинной впускной трубой. Повышение давления воздуха в конце впуска достигалось благодаря кинетической энергии столба воздуха во впускной трубе и соответствующей организации в ней резонансных колебаний. Инерционный наддув позволял повысить мощность на 15÷25%.

Инерционный наддув судового двигателя

При механическом наддуве нагнетатель воздуха приводится в движение от коленчатого вала двигателя. В качестве нагнетателей применяются поршневые, ротационные или центробежные компрессоры, приводимые от коленчатого вала непосредственно или через передачу (зубчатую, цепную, электрическую ).

Наиболее широкое распространение в ДВС получили газотурбинный и комбинированный способы наддува. При газотурбинном наддуве для привода нагнетателя используется энергия выпускных газов. Газовая турбина и сидящий с ней на одном валу центробежный компрессор представляют собой единый агрегат — газотурбонагнетатель (ГТН). Газы из рабочих цилиндров, отдавая часть энергии газовой турбине, направляются далее в утилизационный котел и в атмосферу. Воздух, засасываемый из атмосферы, сжимается в компрессоре до давления Рк, подается в холодильник воздуха и затем — в продувочный ресивер и в рабочие цилиндры. При незначительном сжатии в компрессоре, когда температура не поднимается выше 45÷50 о С, холодильник может отсутствовать.

Под комбинированным наддувом подразумевается система, использующая одновоременно газотурбинный и механический наддув. К ней прибегают в случаях, когда мощность газовых турбин недостаточна для привода нагнетателя. Частным случаем механического нагнетателя является использование рабочих цилиндров крейц-копфных двигателей совместно с газотурбонагнетателем.

Механический наддув судового дизельного двигателя

Оценка степени совершенства той или иной системы наддува может быть дана на основе качественного анализа механического КПД двигателя. Для двигателя без наддува можно написать зависимость;

ηмех = Ne/ Ni = (Ni — Nмex) / Ni = 1 — Nмex / Ni:

η мех = 1 — N мех / Ni

При инерционном наддуве при прочих равных условиях мощность механических потерь двигателя N мех не изменится, а возрастет без каких- либо дополнительных энергетических затрат на привод нагнетателя воздуха. Следовательно, механический КПД двигателя увеличится. Тем не менее, инерционный наддув не нашел применения в судовых дизелях из-за грамоздкости впускной системы и сравнительно невысокого уровня форсировки.

В двигателе с механическим наддувом мощность механических потерь возрастает на величину NB затрат на привод нагнетателя воздуха; механический КПД равен:

η мн мех = 1 — ((N мех +Nв) / (Ni + ΔNi)), (№2)

где Ni + ΔNi = N iн — индикаторная мощность двигателя с наддувом.

Очевидно, что всякое увеличение мощности дизеля требует повышения давления наддува Рк. При этом возрастает и мощность Nв на привод воздушного нагнетателя. Если индикаторная мощность возрастает более интенсивно, чем мощность механических потерь, то механический КПД растет. В таком случае при возрастании Рк растет и среднее эффективное давление Ре н: Ре н = Pi н η мн мех .

При достижении определенного уровня форсировки затраты на привод механического воздушного нагнетателя начинают расти более интенсивно, чем приращение индикаторной мощности; механический КПД снижается. Несмотря на увеличение Рк, среднее эффективное давление при этом может даже уменьшится (если степень снижени η мех превосходит степень приращения Pi). В предельном случае механического наддува можно создать двигатель, у которого вся индикаторная работа будет поглощаться компрессором, механический и эффективный КПД будут равны нулю.

По опытным данным, граница обоснованного увеличения Ан при чисто механическом наддуве находится в пределах:

λн = 1,2÷1,3.

При этом Рк = 1,3÷1,5 или η мн мех = 0,70÷0,85.

При дальнейшей форсировке двигателей на привод нагнетателя требуется слишком большая мощность, что снижает η мех и η е. По этой причине в современных двигателях чисто механический наддув не применяется. Его можно встретить в двигателях старой конструкции (ЗД-100, 37Д, ДР 30/50, ДР 43/61 и др.).

Наддув начал использоваться на практике, как только конструкторы определили важнейший автомобильный приоритет – высокую удельную мощность при возможно меньших габаритах мотора. Первым нагнетателем, появившемся на автомобильном двигателе (если не считать самых ранних поршневых компрессоров), стал принудительный или механический нагнетатель типа «Рутс» («Roots»), хорошо зарекомендовавший себя в промышленности. Это произошло в 1885 году , когда Готтлиб Даймлер запатентовал нагнетатель собственной конструкции, работавший по принципу нагнетателя братьев Рутс. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя, а уже в 1911 г. принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи.

Наддув Повышение давления воздуха при впуске в двигатель внутреннего сгорания с целью увеличения количества подаваемого топлива и, соответственно, мощности снимаемой с единицы объёма двигателя. Нагнетатель (компрессор) Механизм для сжатия и подачи газов под давлением.

Однако быстрое решение задачи (литровая мощность действительно заметно увеличилась) оказалось не таким удачным, как представлялось вначале. Существенно возросший приток тепла, который несли отработавшие газы, преждевременно выводил из строя выпускные клапаны, поршни и систему охлаждения. Несоответствие конструкции и применявшихся материалов задержало развитие наддува на автомобиле.

Следующий шаг сделали авиационные двигателисты. Первым авиационным двигателем с механическим наддувом считается двухтактный ротативный двигатель «Мюррей-Вильята», на самолёте с которым в 1910 г. был установлен рекорд высоты в 5200 м. В 1918 г., на один из истребителей «SPAD» S.XIIIC» был установлен турбонаддувный агрегат «Рато» («Rateau»), который не дал преимуществ самолёту (в связи с недостатками его конструкции и недостаточной для привода турбины мощностью авиадвигателя первых модификаций «Испано-Сюиза» 8-й серии). Но уже в том же году турбонаддувным агрегатом «Рато» был оснащен более мощный чем «Испано-Сюиза» двигатель «Либерти» L-12», а в 1920 г. биплан «Lepere» с этим двигателем поднялся на рекордную по тем временам высоту - 10092 м. Важные исследования, проведенные совместно с металлургами, позволили наладить выпуск поршней, клапанов и подшипников, отвечавших более жестким требованиям. В итоге, наддув всерьез и надолго прижился в авиации.

Внедрению систем наддува не в небесах, а на земле помог автомобильный спорт, где требовались мощные и легкие моторы. Первыми разработали спортивные двигатели с наддувом «Daimler» (1921 г.), «Sunbeam» и «FIAT» (1922 г.). Именно итальянский гоночный «FIAT», выиграв в 1923 г. Большой приз Европы, открыл список побед системы-новинки. В следующем, 1924 г. компрессорные «Alfa Romeo» и «Daimler» завоевали, соответственно, Большой приз автомобильного клуба Франции и первое место в гонках Тарга Флорио в Италии. Уже первые нагнетатели повышали мощность на 50-70%. Например, у 2-литрового двигателя «Delage» после введения наддува мощность возросла со 125 до 190 л.с., т.е. на 52%!

Рассмотрим явление наддува подробнее. Так как подача необходимого количества топлива технических затруднений не вызывает, то мощность двигателя зависит, главным образом, от поступающей в цилиндры за единицу времени массы воздуха. Этот показатель, в свою очередь, связан с рабочим объемом мотора, частотой вращения коленчатого вала (предел здесь - допустимое значение средней скорости поршня) и объемным КПД (коэффициентом наполнения). Стало быть, при заданных условиях увеличить массу воздуха, проходящего через цилиндры, можно только через наддув. Нагнетая воздух в цилиндр принудительно, на современном двигателе можно без особых проблем получить 25%-ную прибавку к мощности, а с интеркулером мощность можно удвоить.

Высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию – это явление очень опасно для бензинового двигателя, так как ведёт к его катастрофическому износу. Дабы избежать подобных проблем, можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т.е. снижать степень сжатия.

Сниженная же степень сжатия отрицательно влияла на КПД и экономичность. В итоге приводные нагнетатели рекомендовались лишь для крайних случаев. В инструкции 1937 г. для легкового автомобиля «Mercedes-Benz» 540K» (на этой модели, кстати, карбюратор дополняли специальные клапаны, включавшиеся одновременно с компрессором) говорилось: «Включайте компрессор (при 1000 оборотов в минуту) только в случае острой необходимости, например, для быстрого проезда перекрестков, ускоренных разгонов, преодоления коротких крутых подъемов и т.д. Продолжительность работы мотора с компрессором не должна превышать 1 минуту, а при достижении 3400 об/мин отключите систему немедленно».

Несмотря на попытки «Lancia», «Volkswagen», «General Motors» в 70-80-е годы усовершенствовать нагнетатели, приводные компрессоры постепенно сошли со сцены. Сейчас они применяются в основном различными тюнинг-ателье и гаражными «умельцами» для форсирования двигателей и очень редко стоят на серийных автомобилях. Крупные автопроизодителям используют нагнетатели в том случае, когда необходимо создать ряд двигателей разной мощности без существенной переделки конструкции базового двигателя.

Самая современная система с принудительным нагнетателем, установленная на моделях «Mercedes-Benz» С- и Е-класса практически не отличается от распространённых в 20-30-е годы роторно-шестеренчатых компрессоров типа «Рутс». Двигатель рабочим объемом 2,3 л комплектуется механическим компрессором фирмы «Eaton», усовершенствованной версией «Рутс» - винтообразных лопастей уже не две, а три или четыре. Привод осуществляется поликлиновыми ремнями от коленчатого вала двигателя. Особое покрытие лопастей, уменьшив трение, значительно улучшило КПД механизма. Подключается компрессор уже не водителем, а специальным электромагнитным сцеплением и только тогда, когда требуется резкое увеличение мощности. Степень сжатия уменьшена до 8,8. Четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,3 л развивает с компрессором 193 л.с. вместо 150 л.с. при 5400-5500 об/мин. Крутящий момент увеличивается с 220 до 270 Нм при 3750-3800 об/мин.

У нас в стране опыт применения механических нагнетателей на легковых автомобилях ограничился единичными экземплярами гоночных машин в 40-50-е годы.

Значительно более широкое распространение в мире получил наддув с турбонагнетателем, т.е. нагнетателем, приводимым турбиной, действующей на отработавших газах.

Ниже приведена классификация видов наддува ДВС.

Агрегатный наддув осуществляется с помощью нагнетателя. Он подразделяется на:

• механический наддув , где используется компрессор, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя;
• турбонаддув , где компрессор (обычно центробежный) приводится турбиной, вращаемой выхлопными газами двигателя;
• наддув «Comprex» , заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель;
• электрический наддув , где используется нагнетатель, вращаемый электродвигателем;
• комбинированный наддув объединяет несколько схем, как правило, речь идет о совмещении механического и турбонаддува.

Безагрегатный наддув . К нему относят:

• резонансный наддув (иногда называемый инерционным или акустическим), реализуемый за счёт колебательных явлений в трубопроводах;
• динамический наддув (скоростной или пассивный наддув) увеличивает давление во впускном коллекторе за счет воздухозаборников особой формы при движении с высокой скоростью;
• рефрижерационный наддув достигается испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования, на автомобильных двигателях не применяется.

Отметим, что существуют некоторые разногласия в понятиях, и резонансный наддув иногда называют динамическим . В данной статье мы под динамическим наддувом будем понимать только увеличение давления на впуске за счет воздухозаборников особой формы.

Механический наддув

Механический наддув позволяет легко поднять мощность двигателя. Основным элементом в такой системе является нагнетатель, приводимый непосредственно от коленчатого вала двигателя. Механический нагнетатель способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки, увеличивая давления наддува строго пропорционально оборотам двигателя, что является важным преимуществом подобной схемы. Однако механический наддув имеет и существенный недостаток – он отбирает на свою работу часть мощности двигателя.

На видео ниже экстремальный «Rocket 2» с механическим наддувом.

Все виды механических нагнетателей можно подразделить на объемные («Рутс», «Лисхольм» и др.) и центробежные.

Нагнетатель типа «Рутс»/«Итон»

Братья Рутс разработали свой нагнетатель еще в 1859 г. Он относится к объёмным роторным шестерённым машинам для подачи газовых сред. Первоначально он использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Конструкция его была очень проста: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые «шестерни», помещенные в общий кожух, перекачивают объемы воздуха от впускного коллектора до выпускного в пространстве между своими зубьями и внутренней стенкой корпуса.

В 1949 году другой американский изобретатель – Итон (Eaton) – усовершенствовал конструкцию: прямозубые «шестерни» превратились в косозубые роторы, а воздух стал перемещаться не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель.

В настоящее время совершенствование нагнетателей данного типа идёт по пути увеличения количества зубьев-лопаток, если первоначально в нагнетателе Итона было по две лопатки на роторе, то сегодня их число достигло четырёх – «Eaton» TVS» . Увеличение числа лопаток позволяет сгладить основной недостаток нагнетателей типа «Рутс» – неравномерность подачи воздуха, создающую пульсацию давления. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно. Компрессоры подобного типа имеют ещё один существенный недостаток. При выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда, поэтому наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления происходит дополнительный нагрев. В этой связи современные нагнетатели данного типа в обязательном порядке оснащаются интеркулерами.

Сегодня современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Основные преимущества нагнетателей «Рутс» заключаются в простоте конструкции (малое количество деталей и малая скорость вращения роторов делают такие нагнетатели очень долговечными), компактности, эффективности на малых и средних оборотах двигателя, низком уровне шума по сравнению с центробежными компрессорами.

Подобные нагнетатели получили в настоящее время наибольшее распространение, как в виде отдельного приводного компрессора, так и главным образом в составе турбонаддува.

Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя. Итак, воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается.

В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40 тыс. об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к 200 тыс. об/мин. И в том случае если привод осуществляется от двигателя посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора, который снижает КПД механического нагнетателя.

Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку в мощности на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.

Центробежные нагнетатели очень популярны: сравнительно низкая цена и простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы, особенно в сфере тюнинга. Недостатки данного типа нагнетателей известны: повышенные шум и износ, эффективная прибавка мощности только на высоких оборотах.

Нагнетатели типа «Лисхольм»

Следует также рассказать о винтовом нагнетателе или нагнетателе типа «Лисхольм» («Lysholm»). Компрессоры данного типа иногда используются для увеличения мощности двигателя. Первый в мире винтовой нагнетатель был изготовлен и запатентован шведским инженером Альфом Лисхольмом в 1936 г. Он также как и «Рутс» относится к роторным объёмным нагнетателям. Два ротора с взаимодополняющими профилями захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед вдоль роторов. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры - это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия, следовательно, не возникает дополнительной турбулентности как у рутс-компрессоров. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора.

Основные плюсы нагнетателей типа «Лисхольм»: высокая эффективность (КПД порядка 70%), надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие при правильном проектировании и изготовлении. Здесь и кроется единственный их минус. Дело в том, что роторы этих компрессоров имеют очень сложную форму и, как следствие, дороги. По этой причине нагнетатели «Лисхольм» практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много.

Прочие типы нагнетателей

В 80-х годах прошлого столетия компания «Volkswagen» экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как «G-Lader». Сейчас это направление компанией VW свернуто. Идея спирального одноосевого нагнетателя также очень стара. В 1905 году изобретатель Леон Креукс подал заявку на патент. Первоначально предусмотренный в качестве паровой машины, такой нагнетатель имел два спиральных витка, расположенных один в другом. В течение десятилетий он совершенствовался и, в конце концов, превратился из первоначальной четырехструйной машины в восьмиструйную, которая была оснащена двумя камерами - внутренней и внешней - по обеим сторонам с углом разворота 180 градусов относительно друг друга. Но тогда о массовом производстве таких нагнетателей можно было только мечтать, потому что в то время еще отсутствовали соответствующее технологии и оборудование. Сложность производства заключалась также в том, что изготовление деталей должно было быть максимально точным, так как любое отклонение в структуре или качестве поверхности могло привести к значительному снижению КПД. Поэтому в качестве нагнетательного аппарата для автомобильного двигателя спиральный нагнетатель стал использоваться очень поздно. С середины восьмидесятых до 1992 года его серийно использовал лишь «Volkswagen» в моделях «Polo», «Corrado», «Golf» и «Passat». Однако ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры и сегодня.

Также спиральный нагнетатель имеет важные преимущества: высокий КПД (75,9% у прототипов) и низкий уровень шума, хорошее уплотнение (благодаря чему наличие давления наддува проявлялось уже на малых оборотах) и малые потери на трение.

Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко. Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух.

Следует упомянуть незаслуженно забытые в автомобилестроение шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Цилиндрический корпус имеет два отверстия, как правило, растянутые во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.

Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Хорошо сконструированный шиберный нагнетатель может быть на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотными, но довольно габаритными. Это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. В настоящее время появляются новые материалы и технологии, которые делают вновь востребованными старые технические решения и конструкции.

Турбонаддув

Турбокомпрессор или турбонагнетатель состоит из газовой и компрессорной турбин посаженных на один вал. Фактически компрессорная часть – это центробежный нагнетатель. Скорость вращения газовой турбины, благодаря энергии отработавших газов, очень высока (50-100 тысяч об/мин). Компрессор засасывает и сжимает воздух, подающийся затем во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси. Степень сжатия приходится уменьшать и в этом случае, однако тепловой КПД такого мотора снижается незначительно и, более того, удельный расход топлива иногда даже падает. При высоком давлении наддува целесообразно охлаждать воздух после компрессора до поступления в цилиндры. В бензиновых двигателях температура воздуха в цилиндрах ограничена детонацией. Чем выше жаропрочность лопаток турбины (предел около 1000 °С) и чем большую температуру раскаленных выхлопных газов выдерживает этот материал, тем эффективнее работа турбонагнетателя. Нагрев выхлопных газов в дизелях доходит до 600 °С, а в бензиновых двигателях до 1000 °С, поэтому с точки зрения долговечности дизельная турбина дает лучшие результаты. Также увеличенный приток воздуха позволяет дизелю хорошо справляться с обедненными смесями, воспламенение которых при высоких температурах сжатия не вызывает никаких затруднений. Кроме того, дизели с турбонаддувом становятся менее «жесткими» в работе. Однако при быстром и резком увеличении мощности возникают проблемы. Из-за инерции турбокомпрессора подача воздуха отстает от подачи топлива, поэтому сначала дизель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора, которую сводят к минимуму увеличением оборотности при уменьшении диаметра колес турбины.

Свои особенности у турбонаддува бензиновых двигателей. Здесь, как правило, достигается переходом на уменьшенный рабочий объем двигателя (при той же или большей мощности, обеспечиваемой турбонаддувом). Воспламенение бедных смесей бензина с воздухом происходит с трудом, поэтому необходимо регулировать количество подаваемого воздуха (а не топлива, как на дизеле), что особенно важно при высоких частотах вращения, когда компрессор работает с максимальной производительностью. Существует множество способов ограничения подачи воздуха при пиковых режимах. Рассмотрим систему регулирования «АРС» фирмы «SAAB», в которой для регулирования давления наддува применена электроника. За давлением наддува следит специальный клапан, контролирующий поток отработавших газов, идущих через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при разрежении во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и входом в компрессор. Степень разрежения в перепускном клапане зависит от положения дроссельной заслонки с электроприводом, управляемым электронным устройством, получающим сигналы датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и улавливающий детонационные стуки. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.

Система «АРС» заметно улучшает динамику автомобиля. Например, для быстрого обгона (или разгона) в условиях интенсивного движения двигатель переводится в режим работы с максимальным давлением наддува. При этом детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке двигателе не может, естественно, возникнуть мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнут проявляться первые тревожные симптомы, по сигналу датчика детонации управляющее устройство плавно снизит давление наддува. Применение системы «АРС» при сохранении значений крутящего момента двигателя по внешней характеристике поднимает степень сжатия с 7,2 до 8,5, уменьшая давление наддува с 50 до 40 кПа при 6-8% экономии топлива.

В последнее время совершенствование концепций наддува идет по пути создания регулирующих систем для повышения крутящего момента при низких оборотах двигателя, а также снижения инерционности. Существует несколько способов решения данной проблемы:

• применение турбины с изменяемой геометрией;
• использование двух параллельных турбонагнетателей;
• использование двух последовательных турбонагнетателей;
• комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя «TDI» от «Volkswagen».

Система с двумя параллельными турбонагнетателями (система «biturbo») применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин (система «twin-turbo») максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбонагнетателей на разных оборотах двигателя.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический компрессор. С ростом оборотов подхватывает турбонагнетатель, а механический компрессор отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя «TSI» от «Volkswagen».

После отказа от карбюраторов и переходе на электронный впрыск топлива особенно эффективным стал турбонаддув на бензиновых двигателях. Здесь уже достигнута впечатляющая топливная экономичность.

В целом же, следует признать, что турбонаддув, увеличивая тепловые и механические нагрузки, заставляет вводить в конструкцию ряд упрочненных узлов, усложняющих двигатель как в производстве, так и при техническом обслуживании.

Наддув «Comprex»

Также не хотелось оставить без внимания такой интересный способ наддува как «Компрекс» («Comprex»), разработанный фирмой «Браун энд Бовери» (Швейцария) заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель. Получаемые при этом показатели двигателя такие же, как и в случае использования турбокомпрессора, но турбина и центробежный нагнетатель, для изготовления и балансировки которых требуются специальные материалы и высокоточное оборудование, отсутствуют.

Главная деталь в системе «Компрекс» - это лопастный ротор, вращающийся в корпусе с частотой вращения, втрое большей частоты вращения коленчатого вала двигателя. Ротор установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в движение клиновым или зубчатым ремнем от коленчатого вала. Привод компрессора типа «Компрекс» потребляет не более 2% мощности двигателя. Агрегат «Компрекс» не является компрессором в полном смысле слова, поскольку его ротор имеет только каналы, параллельные оси вращения. Эта система наддува является единственным выпущенным большой партией нагнетателем с волновым обменником давления. Он, как и механический нагнетатель, приводится в действие от распределительного вала, но использует полученную энергию лишь для синхронизации частоты вращения ротора с частотой вращения распределительного вала двигателя, а сжимает воздух энергия отработавших газов. Ротор имеет каналы параллельные оси его вращения, где поступающий в двигатель воздух сжимается давлением отработавших газов. Торцовые зазоры ротора гарантируют распределение отработавших газов и воздуха по каналам ротора. На внешнем контуре ротора расположены радиальные пластины, имеющие небольшие зазоры с внутренней поверхностью корпуса, благодаря чему образуются каналы, закрытые с обеих сторон торцовыми крышками.

В правой крышке имеются окна: а - для подачи отработавших газов от двигателя в корпус агрегата и г - для отвода отработавших газов из корпуса в выпускной трубопровод и далее - в атмосферу. В левой крышке имеются окна: б - для подачи сжатого воздуха в двигатель и д - для подвода свежего воздуха в корпус из впускного трубопровода е . Перемещение каналов при вращении ротора вызывает их поочередное соединение с выпускным и впускным трубопроводами двигателя.

При открывании окна а возникает ударная волна давления, которая со скоростью звука движется к другому концу выпускного трубопровода и одновременно направляет в канал ротора отработавшие газы, не смешивая их с воздухом. Когда эта волна давления достигнет другого конца выпускного трубопровода, откроется окно б и сжатый отработавшими газами воздух в канале ротора будет вытолкнут из него в трубопровод в к двигателю. Однако еще до того, как отработавшие газы в этом канале ротора приблизятся к его левому концу, закроется сначала окно а , а затем окно б , и этот канал ротора с находящимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон будет закрыт торцовыми стенками корпуса.

При дальнейшем вращении ротора этот канал с отработавшими газами подойдет к окну г в выпускной трубопровод и отработавшие газы выйдут в него из канала. При движении канала мимо окон г выходящие отработавшие газы эжектируют через окна д свежий воздух, который, заполняя весь канал, обдувает и охлаждает ротор. Пройдя окна г и д , канал ротора, заполненный свежим воздухом, вновь закрывается с обеих сторон торцовыми стенками корпуса и, таким образом, готов к следующему циклу .

Описанный цикл весьма упрощен в сравнении с происходящим в действительности и осуществляется лишь в узком диапазоне частоты вращения двигателя. Здесь кроется причина того, что известный уже в течение долгого времени этот способ наддува практически не применяется в автомобилях. «Comprex» был серийно использован в дизельных моделях двух знаменитых марок: «Opel» в 2,3-литровом «Senator» и «Mazda» 626» в 2,0-литровом четырехцилиндровом моторе. Но «Opel» ставил компрекс-нагнетатели на свои модели всего год (до 1986 года), в отличие от компании «Mazda», которая поставляла свои двигатели с компрекс-наддувом до 1996 года, пока в июне 1997 года он окончательно не был снят с программы производства.

Свое преимущество компрекс-нагнетатель проявляет уже на низких оборотах двигателя, так как при этом ему вполне достаточно и малого объема отработавших газов для того, чтобы получить высокую степень сжатия. В этом и заключается важное отличие от турбонагнетателя, количество отработавших газов в котором находится в прямой зависимости от привода компрессора. Также применение агрегата наддува «Компрекс» вместо турбокомпрессора снижает шум двигателя, так как он работает при более низкой частоте вращения.

Система электрического наддува разрабатывалась фирмой «Controlled Power Technologies» (в настоящий момент вошла в состав подразделения силовых агрегатов компании «Valeo») в течение трех лет.

В отличие от турбонаддува, где центробежный нагнетатель приводят в действие выхлопные газы, или механического наддува, где нагнетатель связан с коленчатым валом двигателя, в системах с электрическим наддувом нагнетатель вращается электромотором. Обычно подобные системы являются комбинированными, так как использование электрического и турбонаддува совместно даёт существенный выигрыш, позволяя избежать турбоямы на низких оборотах двигателя.

Компания «Audi» недавно представила систему электрического наддува, работающую по схеме, отличной от схемы «Controlled Power Technologies». Система «Audi» (на рис. ниже) использует двойной наддув: обычная турбина работает на средних и высоких оборотах, а электрическая - на малых, исключая турбояму.

В «Audi» собираются снабдить электрическим наддувом собственные дизельные моторы. На заводе компании уже собран пробный образец трехлитрового V6 TDI с подобным двойным наддувом. В системе задействован компактный электродвигатель, способный быстро раскрутить турбину до высоких скоростей. Возникновение дополнительного потребителя никак не должно отразиться на общем уровне энергопотребления, так как потери на раскрутку турбины перекроются при помощи системы рекуперации.

Внимание к электрическому наддуву в последнее время проявляют также компании «Ricardo», «Ford» и «BMW». Последняя недавно получила патент на электротурбину собственной конструкции, а компания «Ford» работает совместно с «Controlled Powertrain Technologies» и «Valeo» над трёхцилиндровым двигателем «Hyboost» с электронаддувом. «Valeo» станет первым поставщиком комплектующих, который предложит на рынок целый спектр электрических нагнетателей.

На рынке тюнинга существуют и так называемые осевые электрические нагнетатели, которые, как правило, входят в систему динамического наддува (читайте ниже). Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с электромоторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Если такая система преодолевает хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.

Резонансный наддув (инерционный наддув)

Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, - система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что приходы волн сжатия к впускному клапану и волн разрежения к выпускному клапану способствуют продувке и очистке камеры сгорания от отработавших газов.

Система резонансного наддува

В первом случае нужно просто поймать волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы поймать волну сжатия, необходимо менять длину впускного коллектора. Поначалу конструкторы пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания «BMW» применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. Давление наддува, создаваемое за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Плюсом системы резонансного наддува является то, что энергия мотора на ее привод практически не затрачивается.

Во втором случае энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления уже в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.

Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы. На кривых мощности двигателя N e и его среднего эффективного давления p e это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. справа, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе его закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.

Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы - равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра - в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются, и организуется их общий ввод в глушитель.

Динамический наддув (скоростной или пассивный наддув)

Система динамического наддува (также называемого скоростным или пассивным наддувом) увеличивает давление на впуске двигателя. Рост давления во впускном коллекторе достигается за счет воздухозаборников особой формы, которые при увеличении скорости движения начинают буквально загонять воздух в двигатель.

Заметный эффект от пассивного наддува начинает проявляться при больших скоростях движения (более 150 км/ч), поэтому на обычных автомобильных двигателях система динамического наддува встречается крайне редко, но иногда применяется на спортивных мотоциклах и автомобилях, а также широко используется для наддува поршневых авиационных двигателей. Нередко пассивный наддув объединяют с другими видами наддува, делая воздухозаборник соответствующей формы.

На «тюнингованных» автомобилях часто выводят впускной тракт на капот или в решетку радиатора, т. е. в зону максимального давления, чем имитируют систему динамического наддува (ниже на рисунке приведена подобная система). Почему имитируют? Потому что пассивный наддув, как уже было написано выше, начинает работать только на высоких скоростях. Также при подобном «тюнинге» ставят «фильтр нулевого сопротивления», который плохо справляется с очисткой поступающего воздуха, что приводит к усиленному износу двигателя.

Преимуществом динамического наддува является то, что это самый дешевый способ относительно остальных.

Наддув - «Искусственное дыхание» для двигателя

Подходит к концу «железный» XX век. Наш любимец автомобиль был свидетелем и участником событий этого столетия, совершенствовался и трансформировался вместе с представлениями человека о массовом транспортном средстве. И в преддверии магической цифры 2000 есть смысл поговорить о важнейших технических принципах и решениях, применяемых в конструкции автомобиля, вспомнить об их истории и заглянуть в будущее. Применение наддува для воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания - одна из таких тем. Помимо исторического аспекта, разговор о наддуве имеет и чисто практический смысл - ведь машин, снабженных подобными устройствами, становится все больше и на наших дорогах.

Устройство и принцип работы роторно-шестирёнчатого компрессора типа Roots

НАДДУВ КАК ЛЕКАРСТВО ОТ ВЯЛОСТИ

О том как работает поршневой двигатель внутреннего сгорания, знали еше в прошлом веке. Смесь воздуха и топлива после сжатия в цилиндре воспламеняется, при сгорании расширяется, толкая поршень и совершая полезную работу, и потом в виде отработавших газов вылетает в выхлопную трубу.

Как только на дорогах мира появились тарахтящие безлошадные экипажи с поршневыми моторами, началась борьба конструкторов за повышение мощности двигателей. Экстенсивный метод - сжечь в цилиндрах больше топлива, увеличивая рабочий объем, - повлек за собой появление десяти- и двенадцатилитровых многоцилиндровых монстров. А мысли о том. как интенсифицировать рабочие процессы и снять с двигателя больше лошадиных сил, привели мотористов к идее наддува.

Дело в том, что количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь при впуске. Соотношение масс - примерно 1 кг топлива на 15 кг воздуха - приходилось выдерживать очень строго, поскольку переобогащенная смесь приводила, наоборот, к падению мощности.

Как преодолеть это ограничение? Идея лежит на поверхности: подать в цилиндры больше воздуха, нагнетая его иод избыточным давлением!

Сначала появились приводные, или, иначе говоря, механические нагнетатели (superchargers) - роторного, винтового, поршневого, спирального типов, приводимые во вращение механической передачей от коленчатого вала двигателя. С подобными устройствами экспериментировал еще Готлиб Даймлер - его первые опыты с наддувом относятся к 1885 году - и, голом позже, Рудольф Дизель. Но орешек оказался крепким - и при реализации довольно простой идеи конструкторам пришлось столкнуться с массой технических трудностей.

Как это часто бывает, первыми механический наддув применили военные - на авиационных моторах, чтобы компенсировать ухудшение наполнения цилиндров при высотных полетах. И только после первой мировой войны полученный опыт позволил оснастить приводными нагнетателями бензиновые двигатели сначала гоночных, а потом спортивных и туристических автомобилей. За океаном в 20-х голах компрессорами занимались фирмы Duesenberg. Auburn и Cord, а среди «европейцев» лидировали Bentley. Lancia, Alfa Romeo, Fiat, Bugaiti и, конечно же, Daimler-Benz - спортивные «компрессорные» SS и SSK с отключаемым приводом роторного нагнетателя типа Roots стали мечтой любого коллекционера. Семилитровый шестицилиндровый мотор гоночного родстера SSKL конца 20-х годов с механическим наддувом развивал 300 л. е.! Кстати, эти машины конструировал сам Фердинанд Порше, бывший в ту пору в Штуттгарте техническим директором.

Идея наддува оказалась весьма плодотворной. Увеличиваем давление воздуха на 30% - получаем адекватный рост мощности двигателя. Прибавляем до 50% - снимаем еще больше «лошадей». И так до тех пор, пока... не развалится мотор - ведь сжатие теперь начинается не при атмосферном давлении внутри цилиндров, а при избыточном, и реальная компрессия при работающем нагнетателе будет выше. При этом растет не только мощность, но и тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя. И, конечно, рост давления наддува бензиновых моторов сдерживает детонационная стойкость топлива - если компрессия будет слишком большой, то процесс сгорания смеси примет характер взрыва, со всеми вытекающими детонационными «прелестями»...

Компрессор Roots монтировался перед 7-литровой «шестеркой», а его корпус и коллектор были снабжены ребрами -для лучшего охлаждения

Наиболее распространенная в наши дни схема газообмена с турбонаддувом и перепускным клапаном

У механических нагнетателей есть два основных достоинства. Во-первых, это практически безынерционная реакция на изменение подачи топлива и, во-вторых, широкий диапазон оборотов двигателя, при которых такой наддув эффективен. Современные приводные компрессоры славятся тем, что работают с самых «низов», практически с холостых оборотов, поднимая крутящий момент там, где его нехватка ощущается сильнее всего.

Но есть и недостатки. Сравнительная «высокооборотность» приводных нагнетателей (до 20000 об/мин и более) порождает технологические трудности в изготовлении, а довольно большие размеры приводят к компоновочным проблемам: внутри современных моторных отсеков ведь яблоку негде упасть...

А самый главный минус такой схемы в том, что энергия для работы нагнетателя отбирается от коленчатого вала, отнимая пусть небольшую, но все же заметную, около 10%, долю крутящего момента. Конечно, это компенсируется ростом давления наддува, но все же...

ЭНЕРГИЯ ИЗ НИОТКУДА

Приводные компрессоры тех лет были очень сложными и малонадежными. Например, нагнетатель того самого легендарного MercedesBenz SSK.L должен был подключаться только на высоких оборотах (порядка 4000 об/мин) и больших скоростях и только на 20 секунд - чтобы оторваться от соперника или завершить обгон. При этом компрессор издавал душераздирающий визг: его роторы вращались вчетверо быстрее коленчатого вала, быстро сокращая ресурс двигателя и свой собственный. Недаром сэр Бентли, чьи машины были тогда основными соперниками творений Порше на гонках, нагнетатели недолюбливал, но их против его воли ставили на 4,5-литровые моторы по заказам гонщиков.

Таков характер изменения крутящего момента и удельного расхода топлива двигателя ВАЗ-2106 с турбонагнетателем НАМИ (1 - штатный двигатель, 2 - мощностный вариант настройки турбокомпрессора, 3 - экономичный вариант)

Этого недостатка лишен газотурбинный или просто турбонаддув. Его питают энергией выхлопные газы двигателя, которые обычно попросту вылетают в трубу, унося с собой и рассеивая в атмосфере чуть меньше половины всей энергии сгорания топлива.

В отличие от приводных нагнетателей, конструкции которых сильно рознятся в зависимости от типа, все турбокомпрессоры работают по одному принципу и имеют схожее устройство. К выходному фланцу выпускного коллектора мотора вместо приемной трубы крепится корпус турбины - литая «улитка», внутри которой под действием потока выхлопных газов вращается турбинное колесо. Момент передается на соосное колесо компрессора, которое вращается в своей «улитке», засасывая поступающий через фильтр воздух и подавая его под давлением в карбюратор или во впускной коллектор. При этом улучшается наполнение цилиндров и повышается мощность двигателя.

Столь же простая, сколь и гениальная, идея турбонаддува оказалась чрезвычайно сложной в реализации. Температура выхлопных газов, которую должна выдерживать турбина - 900-950 °С, а рабочие обороты турбокомпрессора исчисляются десятками и даже сотнями тысяч оборотов в минуту! Газотурбинным наддувом занимались еще в начале века - швейцарский инженер Альфред Бюхи ставил свои первые опыты до первой мировой войны. Как и приводные компрессоры, турбонаддув сначала появился на авиационных двигателях. Например, француз профессор Рато в 1919 году оснастил мотор аэроплана Breguet турбокомпрессором и промежуточным охладителем (!) - и «наддутый» аэроплан немедленно побил рекорд высоты, прорвавшись за десятикилометровый рубеж

Но основным препятствием широкому применению турбонаддува вплоть до 60-х годов оставалось отсутствие недорогой технологии высокоточного литья из жаропрочных материалов.

Первым серийным автомобилем с бензиновым двигателем, оснащенным турбонадяувом, стал печально знаменитый заднемоторный Chevrolet Corvair - тот самый, «опасный на любой скорости». Оппозитная «шестерка» воздушного охлаждения, которая в безнаддувном варианте отдавала со своих 2300 «кубиков» 95 л. е., в турбоверсии на спайдере Corvair Monza 1961 года развивала 140, а позже 180 л. е.!

Но избыточная поворачиваемость, которая поначалу была свойственна этому неординарному «американцу», погубила Corvair - после нашумевшей книги адвоката Ральфа Найдера «Unsafe at any speed» спрос на машину резко упал, и даже последующие модернизации не смогли реабилитировать Corvair в глазах консервативных янки. Тень дурной славы пала и на ни в чем не повинный турбонаддув...

Ротор турбокомпрессора: вверху - новенький, внизу - загубленный некачественной смазкой

Упорный и осевой подшипники из свинцовистой бронзы, жизнь которых безвременно оборвалась из-за разгильдяйства хозяев...

Моментные кривые трех двигателей Volkswagen: «атмосферного» 1,8-литрового, 1,5-литрового 16клапанного и 1,3-литрового с турбонаддувом (turbo) и механическим нагнетателем (kompr.)

Различия в задержке отклика на увеличение подачи топлива (обороты двигателя - 2300 об/мин, IV передача). Турбокомпрессор «думает» на секунду дольше, чем приводной нагнетатель!

Следующее появление турбокомпрессора на легковых машинах произошло только спустя десятилетие в матушке Европе - 1600 резвых BMW 2002 turbo, выпущенных фирмой с 1973 по 1974 год, особой погоды не сделали, но показали путь другим. Эру массовых турбомоторов огкрыли автомобили Porsche (911 turbo, 1974 год) и SAAB 99 turbo, 1978). Ну а после 980 гола технологические преграды рухнули, и турбоверсии появились в модельном ряду почти у всех ведущих производителей.

На дизельных моторах турбонаддув обосновался раньше, но не на легковых, а на тяжелых транспортных - судовых, танковых, грузовых... Дело в том, что адаптировать турбоагрегат под дизельный двигатель проще, чем под бензиновый: в дизелях энергия выхлопных газов на малых оборотах больше. И турбине работать проще - температура выхлопных газов дизеля не поднимается выше 650-700"С. Инициатором массового применения турбодизелей на гражданских грузовиках выступила в 1958 году фирма DAF. А на легковых автомобилях турбодизели стали появляться только в начале 80-х годов, когда между ведущими автопроизводителями уже вовсю шла ожесточенная топливными кризисами и протестами «зеленых» борьба за снижение расхода топлива и загрязнения воздуха.

ЧТО СКРЫТО в «УЛИТКАХ»

Как уже упоминалось, несмотря на простоту идеи, турбокомпрессор очень сложен в проектировании и изготовлении. А для легкового автомобиля - в особенности.

Поскольку требования компактности удорожают процесс литья деталей. Именно поэтому за изготовление турбокомпрессоров берутся только специализированные ирмы - Garrett (США), КК (Германия), Holset (Англия), IHI (Япония), - и автомобильным фирмам дешевле покупать агрегаты у них. Исключение составляют Mitsubishi и Nissan, которые осилили выпуск турбокомпрессоров самостоятельно и даже продают их «на сторону» (например, агрегатами Mitsubishi комплектовал свои двигатели SAAB).

Корпус турбокомпрессора и «улитку» турбины отливают из специального ковкого чугуна, обладающего высокой жаропрочностью, но, увы, способного дать трещину при резком перепаде температур - например, при попадании воды. Внутри корпуса в подшипниках скольжения из свинцовистой бронзы вращается ось, с одной стороны которой находится приваренное турбинное колесо из жаростойкого сплава, а к другому концу крепится крыльчатка компрессора - она, как и ее «улитка», не столь теплона гружена, что позволяет отливать эти детали из алюминиевых сплавов.

От осевых перемещений вал удерживает упорный подшипник, выполненный в виде широкой шайбы с прорезью. Все подшипники смазываются моторным маслом, которое поступает под давлением из системы смазки двигателя - к корпусу турбокомпрессора подходят подводящая и сливная масляные магистрали. Встречаются и агрегаты с водяным охлаждением, но редко

Вал с крыльчатками после сборки тщательно балансируется - малейший дисбаланс вызовет вибрацию ротора и неизбежно выведет турбокомпрессор из строя. Ведь рабочие обороты вала могут превышать 200000 об/мин!

Поначалу турбокомпрессорам были свойственны очень большие задержки «в отклике»: вы уже нажали на педаль газа, а мотор все ждет, ждет... Это - так называемое турбозапаздывание - turbolag. А еще - отказывались работать при малых и средних оборотах, когда невелико давление выхлопных газов («турбояма» - провал моментной характеристики двигателя до 2500-3500 об/мин). Например, турбокомпрессор на Chevrolet Corvair начинал работать только после того, как «оппозитник» раскручивался до 5000 об/мин - практически до максимальных оборотов. С этим боролись, уменьшая массу и момент инерции ротора. При этом возрастало давление наддува в зоне малых оборотов, но по мере их набора образовывались излишки, которые необходимо «стравливать», чтобы у мотора не случился «гипертонический криз».

Кривые, иллюстрирующие «тепловой удар» подшипников турбокомпрессора при остановке двигателя. Температура выхлопных газов -950 °С

Поэтому все турбокомпрессоры бензиновых, а позже и дизельных, двигателей стали снабжать регулятором давления наддува. Как правило, он срабатывает при определенном пороговом значении давления наддувочного воздуха в компрессоре - воздух давит на мембрану, преодолевая сопротивление тарированной пружины, и посредством механической тяги приоткрывает перепускной клапан в корпусе турбины, отводя часть выхлопных газов мимо турбинного колеса. Раньше встречались другие схемы регулирования - например, по давлению самих выхлопных газов. А теперь на современных моторах этим заведует электроника.

Конечно, при перепуске падает КПД афегата, но избежать этого, регулируя производительность турбокомпрессора другим способом - например, изменяя в зависимости от оборотов ротора угол воздействия потока выхлопных газов на лопатки турбины, - удается пока немногим. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата, в которых пневмомеханическим приводом регулируется угол наклона лопаток сопла, выпускают лишь Garrett и несколько других ведущих фирм.

БОЛЕЗНИ И УХОД

Агрегат турбонаддува выполнен как необслуживаемый, то есть никакого специфического ухода и регулировки он не требует и после выработки ресурса, как правило, равного или превышающего ресурс самого мотора, подлежит замене. Однако можно сформулировать несколько простых рекомендаций, которые вооружат владельца автомобиля с турбодвигателем знанием ситуаций, в которые попадать нежелательно.

Подшипники ротора - это главный узел турбокомпрессора, от которого в основном зависит работоспособность всего агрегата. И нуждаются они главным образом в обильной и высококачественной смазке. Поэтому простейший совет - регулярно, по инструкции, менять фильтр и масло в двигателе и следить за его уровнем - для хозяина турбомотора должен стать железной заповедью. Масло может быть как на синтетической, так и на минеральной основе - это не столь существенно. Вообще, при выбор» типа смазки лучше руководствоваться заводскими указаниями и ни в коем случае не смешивать масла, даже одного типа, но разных сортов. Главное - класс качества масла по API должен быть не ниже SG/CD. Именно этот индекс свидетельствует о качестве пакета присадок, которые должны быть рассчитаны на работу в напряженнейшей зоне подшипникового узла турбокомпрессора, где и условия трения, и температура масла могут достигать экстремальных значений.

Но масло не только смазывает подшипники, но и охлаждает узел, поддерживая температуру на допустимом уровне. Если условия смазки ухудшаются - например, долго не меняли масло, и отложения снизили пропускную способность магистралей, - то масло начинает застаиваться в подшипниковом узле, что увеличивает теплонапряженность, и это вызывает закоксовывание и еще большее засорение магистрали. В итоге подшипники рано или поздно остаются сухими, а за этим следует их задир и поломка всего агрегата.

Еще один узел турбокомпрессора, исправность которого отражается и на состоянии «здоровья» двигателя - газомасляные уплотнения оси ротора, обычно выполнение в виде упругих стальных колец типа поршневых. Они изолируют систему смазки от впускной и выпускной полостей турбонагнетателя, и при их износе - а это обычно следует за радиальным биением ротора или люфтом его оси - масло начинает выдавливаться в полость компрессора, попадает в цилиндры и сгорает с характерным сизым дымком. Владелец грешит на «поршневую», а дело-то в турбокомпрессоре!

Поначалу этот эффект проявляется при запуске остывшего двигателя - клуб сизого дыма из выхлопной трубы может свидетельствовать о начавшемся износе подшипникового узла и уплотнений. Но точно так же проявляется и износ, например, маслосъемных колпачков или направляющих втулок клапанов самого двигателя...

Кстати, похожую картину может вызвать... засоренный воздушных фильтр! Когда он оказывает значительное сопротивление впуску, в коллекторе, особенно на холостых оборотах в бензиновых двигателях, возникает повышенное разрежение, на которое уплотнения просто не рассчитаны.

Влияет на работоспособность турбокомпрессора и состояние самого двигателя. Например, при износе поршневых колец возникающее избыточное давление картерных газов может препятствовать сливу масла из турбоагрегата - с соответствующими последствиями. Тот же самый эффект наблюдается и при ухудшении вентиляции картера. А нарушение топливных регулировок - неисправность системы впрыска - может привести к тому, что образующийся при неполном сгорании топлива нагар будет откладываться на колесе турбины и перепускном клапане, вызывая дисбаланс ротора и мешая нормальной работе регулятора давления.

Об исправности турбонагнетателя можно судить как по динамике разгона, так и по давлению наддувочного воздуха. Как правило, все автомобили с бензиновыми турбомоторами снабжены стрелочными указателями давления наддува в комбинации приборов. На холостом ходу стрелка прибора демонстрирует разрежение во впускном коллекторе и на «прогазовки» без нагрузки реагирует слабым отклонением. А вот при разгоне, скажем, на третьей передаче с небольших оборотов хорошо видно, как после открытия дроссельной заслонки "в пол" да вление наддува (и ускорение автомобиля) нарастает сначала медленно, а потом - в районе 2000-2500 об/мин на современных машинах - стрелка резко уходит вправо до упора, из-под капота доносится приглушенный свистящий звук турбины, и автомобиль мощно устремляется вперед. Кому-то этот «турбокайф» нравится, кому-то мешает прогнозировать реакцию машины на изменение подачи топлива - это дело вкуса. В конце концов, некоторые фирмы (Opel, Citroen, SAAB) предлагают самые «заряженные» версии или с «взрывными» четырехцилиндровыми турбомоторами, или с «ровными» и более тяговитыми на малых оборотах «шестерками»...

И наконец, немного «ездовых» рекомендаций. Особенных требований к прогреву турбодвигателей нет - исправная система смазки с нормальным фильтром обеспечивает мгновенную подачу масла к подшипникам нагнетателя. А вот при выключении двигателя после напряженной езды, когда мотор длительное время работал под большой нагрузкой на высоких оборотах, лучше дать ему поработать минутудругую на холостом ходу. Дело в том, что прекращение циркуляции масла после интенсивной работы вызывает «тепловой удар» - охлаждение резко прекращается, и масло в корпусе подшипников турбоагрегата нагревается до трехсот градусов, закоксовываясь и образуя отложения. А в крайнем случае - например, при остановке после долгой пробуксовки в грязи, когда «улитка» турбины раскаляется докрасна,- могут подклинить и даже расплавиться подшипники ротора...

Турбокомпрессор Garrett VNT25 с изменяемой геометрией соплового аппарата. С 1991 года он устанавливается на дизельный автомобиль Fiat Croma 2,5 TD

В лаборатории турбонаддува НАМИ полным ходом идет адаптация турбокомпрессора к «восьмерочному» мотору. Результаты не за горами...

А перед преодолением водных преград нужно оценить глубину брода - чугунный корпус турбины после «водных процедур» может треснуть, особенно на бензиновых моторах, где он сильнее нагрет.

«ЗА» И «ПРОТИВ» ТУРБОНАДДУВА

Начнем с минусов. Двигатель с турбонаддувом (да и с наддувом вообще) сложнее и дороже и в производстве, и в эксплуатации - ему требуется самое лучшее масло, да и менять смазку нужно почаще. До сих пор не удается избежать «турбоямы» и запаздываний, свойственных газотурбинному наддуву. Уменьшить эти явления может применение двух последовательно включенных турбокомпрессоров, «настроенных» по-разному - такая схема называется biturbo и широко применялась в автоспорте, а на легковых автомобилях ее впервые установила на одноименный автомобиль фирма Maserati. Но, увы, «битурбированный» мотор обходится еще дороже.

И, конечно, большие нагрузки испытывает сам двигатель, причем рост теплонапряженности и механических нагрузок пропорционален увеличению давления наддува (а значит, и мощности). Поэтому на серийных турбомоторах ограничивают давление до 0,3-0,8 кг/кв.см, обходясь весьма скромной по спортивным меркам форсировкой на 30-50%. Зато это позволяет, усилив детали двигателя (поршень, шатун и т. д.), сохранить ресурс мотора на «атмосферном» уровне.

Безболезненно повысить давление еще процентов на 10-20 позволяет промежуточный охладитель наддувочного воздуха (intercooler), который представляет из себя алюминиевый радиатор-теплообменник, включенный во впускной тракт между компрессором и коллектором. Он довольно эффективно снижает температуру сжатого воздуха и теплопоток через двигатель, позволяя сжечь в цилиндрах больше топлива без риска возникновения детонации. Но - опять же недешев...

Ну а плюсы турбонаддува - повышение литровой мощности, КПД двигателя, улучшение разгонной динамики, эластичности и (по сравнению с «атмосферным» мотором одинаковой мощности) топливной экономичности, - очевидны. К тому же, применение наддува позволяет уменьшить количество токсичных выбросов - СО и СН, а при промежуточном охлаждении воздуха еще и окислов азота NOx. А в последнее время появляются новые аргументы в пользу наддува.

XXI ВЕК - С НАДДУВОМ ИЛИ БЕЗ?

Начиная со второй половины 80-х годов, ведущие автомобилестроительные фирмы мира вкладывают миллионы долларов в научно-исследовательсие работы по уменьшению токсичности, снижению расхода топлива, одновременно стремясь повысить литровую мощность. Постепенно внедряя такие решения, как замена карбюратора впрыском, электронная оптимизация режимов работы, каталитическая нейтрализация, резонансный впуск и выпуск, регулируемые фазы, инженеры довели четырехтактный двигатель Отто почти до совершенства. Осталось применить на бензиновых моторах непосредственный впрыск, что и делают сейчас одними из первых Mitsubishi и Subaru. А что дальше?

Похоже, что в начале следующего столетия двигатель внутреннего сгорания все же будет преобладать над другими альтернативными силовыми установками. И, чтобы обеспечить очень жесткие нормы по токсичности, известные как Euro 3, конструкторам придется искать новые пути кардинальной модернизации поршневых моторов. И скорее всего, при этом забыть про наддув не удастся.

Один из путей - создание двигателей, реализующих циклы с внутренним охлаждением (циклы Миллера-Аткинсона) с обязательным применением наддува или механического, или комбинированного.

Второй путь - переход на... двухтактный цикл! Теоретически он может обеспечить лучшие показатели, и поэтому наследники смешных моторчиков DKW крутятся теперь на испытательных стендах Ford и Jaguar. Опять-таки вооруженные наддувом...

Третье направление - применение наряду с непосредственным впрыском различных схем наддува для обеспечения работы бензиновых двигателей на сверхобедненных смесях. Одни предлагают для этого комбинацию отключаемого приводного нагнетателя для малых оборотов и турбонаддува для средних и высоких. Ну а некоторые продолжают работать над еше одним типом агрегата наддува - волновым обменником давления

Сотргех, сочетающим достоинства всех традиционных видов нагнетателей, но исключительно сложным в разработке и производстве.

Идет совершенствование и старого доброго турбонаддува. Благодаря применению керамики и спецпластмасс снижается масса и момент инерции ротора, подшипники на газовой смазке и новые уплотнения позволят снизить потери на трение...

Так что мы стоим на пороге новых значительных изменений в конструкции двигателей - и Авторевю, несомненно. будет уделять внимание любым интересным новшествам. Жаль, что Россия в этой гонке - безнадежный аутсайдер.

Хотя наши отечественные разработки, пожалуй, могли бы составить конкуренцию «потрохам» концепт-каров именитых фирм. Приятно, что лаборатория турбонаддува НАМИ на голом энтузиазме продолжает научный поиск и практические разработки. Например, сделан и «обкатан» агрегат турбонаддува для «классических» двигателей ВАЗ, готовится турбонагнетатель для «восьмых» моторов. Позже мы о них расскажем подробнее. Кстати, тем бедолагам, кто мучается с неисправным турбонаддувом иномарок, здесь постараются помочь...

А. АЗБЕЛЬ Л. ГОЛОВАНОВ

С момента появления двигателя внутреннего сгорания перед конструкторами появилась задача повышения его мощности. А это возможно только одним путем – увеличением количества сгораемого топлива.

Способы повышения мощности двигателя

Для решения этой проблемы использовалось два метода, один из которых – повышение объема камер сгорания. Но в условиях постоянно ужесточающийся экологических требований к силовым агрегатам автомобилей этот метод повышения мощности сейчас практически не используется, хотя раннее он был приоритетным.

Второй метод повышения мощности сводится к принудительному увеличению количества горючей смеси. В результате этого даже на малообъемных силовых установках удается существенно повысить эксплуатационные показатели.

Если с увеличением количества подаваемого в цилиндры топлива проблем не возникает (система его подачи легко регулируется под требуемые условия), то с воздухом не все так просто. Силовая установка самостоятельно его закачивает за счет разрежения в цилиндрах и повлиять на объем закачки невозможно. А поскольку для максимально эффективного сгорания в цилиндрах должна создаваться топливовоздушная смесь с определенным соотношением, то увеличение только одного количества топлива никакого прироста мощности не дает, а наоборот – повышается расход, а мощность падает.

Выходом из ситуации является принудительная накачка воздуха в цилиндры, так называемый наддув двигателя. Отметим, что первые устройства, нагнетающие воздух в камеры сгорания, появились практически с момента появления самого , но долгое время их на автотранспорте не использовали. Зато наддувы достаточно широко использовались в авиации и на кораблях.

Виды по способу создания давления

Наддув двигателя – задумка теоретически простая. Суть ее сводится к тому, что принудительная закачка позволяет существенно увеличить количество воздуха в цилиндрах по сравнению с объемом, который засасывает сам мотор, соответственно, и топлива подать можно больше. В результате удается повысить мощность силовой установки без изменения объема камер сгорания

Но это в теории все просто, на практике же возникает множество трудностей. Основная проблема сводится к определению, какая конструкция наддува является самой эффективной и надежной.

В целом разработано три типа нагнетателей, различающихся по способу нагнетания воздуха:

1. Roots
2. Lysholm (механический нагнетатель)
3. Центробежный (турбина)

Каждый из них имеет свои конструктивные особенности, достоинства и недостатки.

Roots

Нагнетатель типа Roots изначально был представлен в виде обычного шестеренчатого насоса (что-то схожее с масляным насосом), но со временем конструкция этого наддува сильно изменилась. В современном нагнетателе Roots шестеренки заменены на два ротора, вращающихся разнонаправлено, и установленных в корпусе. Вместо зубьев на роторах сделаны лопастные кулачки, которыми происходит зацепление роторов между собой.

Главной особенностью наддува Roots является способ нагнетания. Давление воздуха создается не в корпусе, а на выходе из него. По сути, лопасти роторов просто захватывают воздух и выталкивают его в выходной канал, ведущий к впускному коллектору.

Устройство и работа нагнетателя Roots

Но у такого нагнетателя есть несколько существенных недостатков – создаваемое им давление ограничено, при этом еще присутствует пульсация воздуха. Но если второй недостаток конструкторы смогли преодолеть (путем придания роторам и выходным каналам особой формы), то проблема ограничения создаваемого давления более серьезна – либо приходится увеличивать скорость вращения роторов, что негативно сказывается на ресурсе нагнетателя, либо создавать несколько ступеней нагнетания, из-за чего устройство становится очень сложным по конструкции.

Lysholm

Наддув двигателя типа Lysholm конструктивно схож с Roots, но у него вместо роторов используются спиралевидные шнеки (как в мясорубке). В такой конструкции создание давления происходит уже в самом нагнетателе, а не на выходе. Суть проста – воздух захватывается шнеками, сжимается в процессе транспортировки шнеками от входного канала на выходной и затем выталкивается. За счет спиралевидной формы процесс подачи воздуха идет непрерывно, поэтому никакой пульсации нет. Такой нагнетатель обеспечивает создание большего давления, чем конструкция Roots, работает бесшумно и на всех режимах мотора.

Нагнетатель типа Lysholm, другое название - винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

Центробежные нагнетатели – самый сейчас распространенный тип устройства. Он конструктивно проще, чем первые два типа, поскольку рабочий элемент у него один – компрессионное колесо (обычная крыльчатка). Установленная в корпусе эта крыльчатка захватывает воздух входного канала и выталкивает его в выходной.

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

Особенность работы этого нагнетателя сводится к тому, что для создания требуемого давления необходимо, чтобы турбинное колесо вращалось с очень большой скоростью. А это в свою очередь сказывается на ресурсе.

Типы привода, их достоинства и недостатки

Вторая проблема – привод нагнетателя, а он может быть:

1. Механическим
2. Газотурбинным
3. Электрическим

В механическом приводе в действие нагнетатель приводится от коленчатого вала посредством ременной, реже – цепной, передачи. Такой тип привода хорош тем, что наддув начинает работать сразу после запуска силовой установки.

Но у него есть существенный недостаток – этот тип привода «забирает» часть мощности мотора. В результате получается замкнутый круг – нагнетатель повышает мощность, но сразу же ее и отбирает. Использоваться механический привод может со всеми типами наддувов.

Газотурбинный привод сейчас пока является самым оптимальным. В нем нагнетатель приводится в действие за счет энергии сгоревших газов. Этот тип привода используется только с центробежным наддувом. Нагнетатель с таким типом привода получил название турбонаддува.

Чтобы использовать энергию отработанных газов конструкторы, по сути, просто взяли два центробежных нагнетателя и соединили их крыльчатки одной осью. Далее один нагнетатель подсоединили к выпускному коллектору. Выхлопные газы, на выходе из цилиндров двигаются с высокой скоростью, попадают в нагнетатель и раскручивают крыльчатку (она получила название турбинное колесо). А поскольку она соединена с крыльчаткой (компрессорным колесом) второго нагнетателя, то он начинает выполнять требуемую задачу – нагнетать воздух.

Турбонаддув хорош тем, что не оказывает влияние на мощность двигателя. Но у него есть недостаток, причем существенный – на малых оборотах двигателя он из-за небольшого количества выхлопных газов не способен эффективно нагнетать воздух, он эффективен только на высоких оборотах. К тому же в турбонаддуве присутствует такой эффект как «турбояма».

Суть этого эффекта сводится к тому, что турбонаддув не обеспечивает мгновенную реакцию на действия водителя. При резком изменении режима работы двигателя, к примеру, при разгоне, на первом этапе энергии выхлопных газов недостаточно, чтобы наддув закачал требуемое количество воздуха, нужно время, чтобы в цилиндрах прошли процессы и повысилось количество отработанных газов. В результате при резком нажатии на педаль, машина «тупит» и не разгоняется, но как только наддув наберет обороты, авто начинает активно ускоряться – «выстреливает».

Есть и еще один не очень приятный эффект – «турболаг». У него суть примерно та же, что и у «турбоямы», но природа у него несколько другая. Сводится она к тому, что наддув обладает запоздалой реакцией на действия водителя. Обусловлена она тем, что нагнетателю требуется время захватить, закачать воздух и подать его в цилиндры.

Показательные графики эффектов «турбояма» и «турболаг» в зависимости от мощности

«Турбояма» появляется только в нагнетателях, работающих от энергии выхлопных газов, в устройствах же с механических приводом ее нет, поскольку производительность наддува пропорциональна оборотам двигателя. А вот «турболаг» присутствует во всех типах нагнетателей.

В современных автомобилях начинают внедрять электрические приводы наддува, но они только зарождаются. Пока их используют, как дополнительный механизм, для исключения «турбоямы» в работе турбонаддува. Не исключено что вскоре и появится разработка которая заменит привычные нам нагнетатели.

Электронагнетатель от фирмы Valeo

Для их эффективной работы необходимо более высокое напряжение, поэтому используется вторая сеть со своим аккумулятором на 48 вольт. Концерн Audi вообще планирует перевести все оборудование на повышенное напряжение – 48 вольт, так как увеличивается количество электронных систем и соответственно нагрузка на сеть автомобиля. Возможно в будущем все автопроизводители перейдут на повышенное напряжение бортовой сети.

Иные проблемы

Помимо способа нагнетания и типа привода существует еще немало вопросов, которые успешно решились или решаются конструкторами.

К ним относится:

• нагрев воздуха при сжатии;
• «турбояма»;
• эффективная работа нагнетателя на всех режимах.

Во время нагнетания воздух сильно нагревается, что приводит к снижению его плотности, а это в свою очередь сказывается на детонационном пороге топливовоздушной смеси. Устранить эту проблему удалось путем установки интеркулера – радиатора охлаждения воздуха. Причем осуществлять охлаждение этот узел может разными способами – потоком встречного воздуха или за счет жидкостной системы охлаждения.

Варианты исполнения систем наддува

Но установка интеркулера породила другую проблему – увеличение «турболага». Из-за радиатора общая длина воздуховода от нагнетателя к впускному коллектору существенно увеличилась, а это повлияло на время нагнетания.

Проблема с «турбоямой» автопроизводителями решается по-разному. Одни снижают массу составных элементов, другие используют технологию изменяемой геометрии турбопривода. При первом варианте решения проблемы, снижение массы крыльчаток приводит к тому, что для раскручивания наддува требуется меньше энергии. Это позволяет нагнетателю раньше вступить в работу и обеспечить давление воздуха даже при незначительных оборотах двигателя.

Что касается геометрии, то за счет использования специальных крыльчаток с приводом от актуатора, установленных в корпусе турбинного колеса удается осуществлять перенаправление потока отработанных газов в зависимости от режима работы мотора.

Повышение эффективности работы нагнетателя на всех режимах работы некоторые производители решают путем установки двух, а то и трех нагнетателей. И здесь уже каждая автокомпания поступает по-разному. Одни устанавливают два турбонаддува, но разных размеров. «Малый» нагнетатель отрабатывает на небольших оборотах мотора, снижая эффект «турбоямы», а при увеличении оборотов в работу включается «большой» наддув. Другие же автопроизводители применяют комбинированную схему, в которой за малые обороты «отвечает» нагнетатель с механическим приводом, что вовсе устраняет «турбояму», а на высоких оборотах задействуется уже турбонаддув.

Напоследок отметим, что выше указаны только одни из основных проблем, связанных с принудительной подачей воздуха в цилиндры, в действительности их больше. К ним можно отнести передув и помпаж.

Увеличение мощности нагнетателем, по сути, ограничено только одним фактором - прочнотью составных элементов силовой установки. То есть, мощностные характеристики можно увеличивать только до определенного уровня, превышение которого приведет к разрушению узлов мотора. Это превышение и называется передувом. Чтобы он не произошел, система принудительного нагнетания воздуха оснащается клапанами и каналами, которые предотвращают раскручивание крыльчатки выше установленных оборотов, получается, что производительность наддува имеет граничную отметку. Дополнительно при достижении определенных условий ЭБУ системы питания корректирует количество подаваемого в цилиндры топлива.

Помпаж можно охарактеризовать как «обратное движение воздуха». Возникает эффект при резком переходе с высоких оборотов на низкие. В итоге, нагненататель уже накачал воздух в большом количестве, но из-за снижения оборотов он становиться невостребованным, поэтому он начинает возвращаться к наддуву, что может стать причиной его поломки.

Клапан blow-off

Проблема помпажа решена использованием обходных каналов (байпас), по которым сжатый не расходованный воздух перекачивается на входной канал перед нагнетателем, тем самым он смягчает, но не устраняет, нагрузки при помпаже. Второй системой которая полностью решает проблему помпажа, является установка перепускного клапана или blow-off, который при необходимости сбрасывает воздух в атмосферу.

Установка нагнетателей воздуха на силовые установки пока является самым оптимальным способом повышения мощности.

Autoleek