ГлавнаяТюнингВиды наддува двигателя

Задача повышения мощностных характеристик силового агрегата была актуальна всегда. Методов улучшения мощности мотора есть довольно много, к примеру, возможно увеличить габаритные размеры цилиндров, численность и количество оборотов мотора. Однако все вышеприведенные методы приводят к существенному увеличению габаритных размеров и веса силового агрегата, а также повышению нагрузки на его конструктивные элементы.

Существует гораздо эффективнее метод улучшения мощностных характеристик мотора. Сама идея довольно проста: чем больше удастся «затолкать» воздуха в цилиндр силового агрегата, тем больше возможно сжечь горючего и как следствие получить повышение мощности мотора. Данный метод именуется – наддув двигателя. Главным его преимуществом выступает тот факт, что габаритные размеры и вес мотора остается прежними, но его мощностные характеристики будут более высокими.

В обычном силовом агрегате горючая смесь подается в цилиндры, при давлении, которое значительно меньше атмосферного. При этом нужно учитывать наличие «препятствий» для прохождения горючей смеси в виде дроссельной заслонки, воздушного фильтрующего элемента, поворотов и шероховатой поверхности стенок каналов. Выполняя наддув двигателя давление, под которым подается горючее значительно повышается, что позволяет получить высокую мощность мотора.

Резонансный наддув

Настраиваемый впускной коллектор
Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно – достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент.

Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха.

Эффекты наддува, создаваемые 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. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Особенности компрессора

Это механический нагнетатель, который бывает нескольких типов:

• Винтовой.
• Роторный.
• Центробежный.

Компрессоры стали устанавливать на автомобили задолго до появления турбин – примерно в 50-60-х годах прошлого века. Сейчас же подобные агрегаты практически не используются. Последними производителями, которые устанавливают компрессоры, является «Мерседес» и «Ренж Ровер».

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.

Механические нагнетатели

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.

Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.

Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.

Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку. Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам. Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.

Механический наддув

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса.

Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.

Интеркулер

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува.

При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Что лучше выбрать?

Итак, давайте подведем итоги. Что лучше – механический компрессор или турбина? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Каждый выбирает, исходя из требований и предпочтений. Если в приоритете ресурс, стоит ограничиться компрессором и довольствоваться 10 процентами дополнительной мощности. Но если хочется максимальной отдачи, здесь выбор будет очевидным – только турбина. Однако всегда нужно помнить, что такой двигатель внезапно может «закончиться» – потребует ремонта турбины либо деталей КШМ.

Рассмотрим выбор с точки зрения тюнинга. Что лучше на ВАЗ – компрессор или турбина? Многие выбирают второй вариант, поскольку ресурс вазовских движков и так незначительный.

Газотурбинный наддув

Турбокомпрессор
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от “турбо”. Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.

К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува.

Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения “атмосферного” двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи.

Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.

VNT турбокомпрессор

При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски “turbo-lag”) — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя – и наконец, “пойдет” воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони.

Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики – подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен!

Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками , параметры которой можно менять в широких пределах.

Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.

Принципиально новое решение

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

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

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

Комбинированные системы

Двухступенчатый наддув
Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень — приводной компрессор — обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая — турбонагнетатель — утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.

Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат».

Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.

Немного о китайских электротурбинах

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

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

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

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

Рекомендации

Во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув — не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.

И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы турбонаддува. В жизни турбины есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей компрессора, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю прогреться.

Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобную функцию имеют и многие охранные сигнализации.

Вывод

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