Популярна Механіка У гонитві за потужністю Нагнітачі
Нагнітач як радикальний засіб дати стусан під зад своєму автомобілю
Як ми писали в попередньому номері, збільшити потужність двигуна можна єдиним способом - спалюючи більше паливної суміші. Цього можна досягти різними способами, але найбільш поширені - збільшення робочого об'єму двигуна або збільшення подачі горючої суміші в циліндри за допомогою наддуву. Перша схема добре відома за американськими багатолітровими машинами. Очевидний плюс – простота конструкції такого двигуна і, отже, вищий ресурс. Мінус – велика маса, що веде за собою збільшення габаритів та ваги автомобіля та, як наслідок, погіршення керованості.
Наддув обов'язково веде до ускладнення конструкції двигуна, що не може не позначатися на надійності, але дозволяє досягти більшої потужності при менших розмірах та габаритах. Якщо на Porsche поставити 12-циліндровий двигун, ми отримаємо класичний американський автомобіль, нехай і з чудовою динамічною розгінною. Напрочуд маневреними німецькі машини роблять компактні 6-циліндрові двигуни, в яких вони примудряються знімати з 3,5 л об'єму потужність 456 к.с.
Найпростішим є інерційний наддув. Принцип його дії дійсно простий: на капоті, якщо двигун знаходиться попереду, або з боків або на даху, якщо мотор ззаду, ставляться додаткові повітрозабірники, від яких повітропроводу підводиться додаткове повітря до впускного колектора. Зауважимо відразу, що повітрозабірники «вухатого» «Запорожця» жодного відношення до наддуву не мали – вони служили для охолодження двигуна. Так само помилялися власники «тюнінгових» «Жигулів», яким умільці встановлювали такіповітрозабірники на капоті. Справа в тому, що інерційний наддув починає працювати тільки на швидкості вище 180 км/год, яку продукт вітчизняного автопрому розвинути не міг за жодних обставин. А побачити діючу систему у Москві можна на кількох Pontiac Firebird Trans Am, на які інерційний наддув ставився на заводі.
Реальну ж збільшення потужності можна отримати, тільки встановивши компресор. Якщо він наводиться механічною передачею від коленвала, то такий пристрій найчастіше називають механічним нагнітачем в Україні, compressor – у Німеччині, supercharger – в Америці та blower – в Англії. Якщо компресор обертається турбіною, розміщеної у випускному тракті двигуна, його найчастіше називають турбонагнетателем (turbocharger).
З німецьким акцентом
Вперше наддув застосував у своїх автомобілях легендарний француз Луїс Рено. За іронією долі сьогодні Renault – одна з небагатьох компаній, яка не застосовує наддуви у своїх двигунах для легкових автомобілів. Світову популярність механічним нагнітачам принесла компанія Mercedes-Benz, яка встановлює наддувальні компресори в кінці 20-х спочатку на гоночні, а починаючи з 30-х - і на серійні машини. Після того, як компресорні "Мерседеси" полюбили Адольф Гітлер та німецькі кінодіви, мода на наддувні машини перекинулася на Голлівуд і звідти – на весь світ. Золоте століття німецьких «компресорів» закінчилося одночасно з початком Другої світової війни. Основне застосування компресорів у воєнний час припало на авіацію: наддув використовувався для компенсації нестачі кисню на висотах. Особливо в цьому досягли успіху американці. Тому невипадково післявоєнний час центр виробництва механічних нагнітачів перемістився за океан. Навіть знову з'явилися на «Мерседесах» післяпівстолітньої перерви механічні нагнітачі для німецького гіганта постачає американська компанія Eaton, що, втім, не дуже афішується.
Але це не означає, що європейці попрощалися з ідеєю наддуву. Ні для кого не секрет, що до мерседесівських нагнітачів у 30-ті роки доклав руку відомий архітектор Фердинанд Порше. Але на власних двигунах він вирішив ставити турбонагнітач. Проблема полягала в тому, що вони наводяться в дію відпрацьованими газами і повинні витримувати досить високі температури. Довгий час не існувало жароміцних та міцних матеріалів і турбокомпресори залишалися примхливими та ненадійними агрегатами. І лише сильний прогрес німецької оборонної промисловості 40-х років у галузі авіаційних турбореактивних двигунів нарешті дав технології та матеріали для виробництва надійних автомобільних турбін. З того часу найкращі турбомотори в Європі – у Porsche.
Сучасний турбокомпресор конструктивно простіше механічного нагнітача, але має власні проблеми – високу вимогливість до якості олії та, найголовніше, повільний відгук на натискання педалі газу, що обумовлюється інерцією турбіни. З недоліком борються, встановлюючи замість однієї великої дві маленькі турбіни (менша маса – менша за інерцію), по одній на свій бік двигуна. Така схема часто називається "бітурбо".
Інша проблема, пов'язана з аеродинамікою турбіни, так звана "турбояма" - практично повна відсутність наддуву до 2500-2800 об./хв. Проблему вирішують у різний спосіб, включаючи таку екзотику, як підкрутка турбіни високошвидкісним електродвигуном.
Механічний нагнітач, який жорстко пов'язаний із валом двигуна, має лінійну залежність наддуву від оборотів: автомобіль практично миттєво реагує нанатискання педалі акселератора, що є особливо цінним при розгоні. Недолік ж даної схеми полягає в меншому ККД у порівнянні з турбонагнітачами: механічний нагнітач відбирає потужність з валу двигуна, а турбіна наводиться в рух практично дармовими вихлопними газами.
Недокрутити – прірва, перекрутити – прірва
Незалежно від схеми приводу, що повітря нагнітає компресор. Найбільшого поширення набули дві схеми - роторнозубчаста схема Roots, запатентована в 1866 братами Філандером і Френсісом Рутсами, і відцентрові нагнітач.
Гідність нагнітачів Roots у їхній простоті. Спочатку розраховані для двотактних двигунів, подібні нагнітач по суті є імпульсними, що не найкращим чином позначається на характеристиках двигунів. За такої схеми частота обертання компресора зазвичай становить 0,5-2 частоти обертів колінвала двигуна. На великих оборотах компресор може вийти з ладу, тому на сучасних нагнітачах застосовують спеціальні відцентрові муфти, що обмежують обороти.
Робоча частота обертання відцентрових нагнітачів становить 40-90 тис. об./хв (на деяких моделях – 90-130). Якщо перекрутити такий компресор, потік повітря, що нагнітається, перестає бути ламінарним і турбулентність, що виникає, починає гальмувати потік - тиск падає. Якщо ж недокрутити, то відцентрова сила стає недостатньою для створення тиску і наддув практично сходить нанівець. У результаті виходить, що частоту обертання відцентрового нагнітач треба підтримувати в межах +/- 50%, тоді як під час руху частота роботи двигуна змінюється в середньому в 7 разів. Все це призводить до встановлення різноманітних варіаторів та ускладнення конструкції.
Інша проблема – у граничному максимальномутиск, який можуть витримати автомобільні двигуни. Хороші мотори дозволяють піднімати тиск у впускному колекторі в 1,6-1,7 рази, а компресори легко посилюють тиск в 2,7 рази. Щоб уникнути підвищеного тиску, доводиться ставити перепускний клапан для обмеження максимального тиску.
Зрозуміло, підвищення тиску на вході веде до підвищення тиску в циліндрах. Але сучасні автомобільні двигуни вже підійшли до краю. Ступінь стиску в останніх моторах Mercedes досягла 10-10,5 разів, а в Porsche - 11-11,5 разів. При більшому стисканні навіть високооктановий бензин перестає горіти і починає детонувати вибухати. Вихід - або застосовувати спеціальні гіпероктанові палива, що мають ступінь стиснення 17-18, на основі метанолу або нітрометану, або ставити мотори, що спочатку мають низький ступінь стиснення - 8-8,5. Це, до речі, пояснює, чому ставити нагнітач на ультрасучасні двигуни безглуздо.
Механіка ручного складання
У заводських умовах найпростіше ставити саме турбонаддув – більше виграш у потужності, менш складна конструкція, просте регулювання. У механічних нагнітачах додаються проблеми з розмикачами на неодружених оборотах, системами управління компресора, варіатором і т. д. Хоча деяких це не лякає - за можливість мати рівну тягу у всіх діапазонах деякі компанії йдуть на ускладнення конструкції і ставлять механічні нагнітач - наприклад, Mercedes, Ягуар, Land Rover. Але це, скоріше, виняток. Набагато частіше на потужних машинах можна побачити слово Turbo.
Інша річ – тюнінг. Тут бік підвищена витрата палива, підвищена токсичність і холостий хід, головне – додаткова потужність. Тюнінговий наддув двигунів - це царство механічних нагнітачів ізастарілих багатолітрових моторів. І те й інше, зрозуміло, американське.
З кращих сучасних двигунів, наприклад, з 2,2-літрового турбодвигуна Porsche, конструктори примудряються знімати по 160 к.с. з літра. Класичний 5,4-літровий двигун GM видає 70 л. з літра. Додавання додаткових 50-100 к.с. на літр не призведе до летальних наслідків для такого двигуна, на відміну від «європейця». Залишилася справжня дрібничка – знайти вільне місце під капотом і купити за $45 тис. готовий набір для встановлення нагнітача.