В начале XX века стало ясно - наращивать мощность двигателей внутреннего сгорания можно не только дополнительным введением топлива, но и увеличением массы свежего заряда воздуха. С тех пор почти 100 лет применяются системы искусственного повышения плотности атмосферного воздуха — системы наддува.

Наддув начал использоваться на практике, как только конструкторы определили важнейший автомобильный приоритет - соотношение высокой мощности к общей массе при возможно меньших габаритах мотора. Первым нагнетателем на автомобильном двигателе (если не считать самых ранних поршневых компрессоров), стал принудительный или механический нагнетатель типа “Рутс”, хорошо зарекомендовавший себя в промышленности.

Быстрое решение задачи (литровая мощность действительно заметно увеличилась), оказалось однако не таким удачным, как представлялось вначале.Существенно возросший приток тепла, который несли отработавшие газы, преждевременно выводил из строя выпускные клапаны, поршни и системы охлаждения. Несоответствие конструкции и применявшихся материалов задержало развитие наддува до 1917 г. Следующий шаг сделали авиационные двигателисты. 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. Вот 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 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 (промежуточным охлаждением воздуха после компрессора) мощность можно удвоить.

Распространенные в 20— 30-е годы роторно-шестеренчатые компрессоры типа “Рутс” состояли из двух роторов, связанных синхронизирующей шестеренчатой передачей и вращавшихся в противоположных направлениях. Принудительное вращение от коленчатого вала обеспечивала другая передача. Преимущество системы наддува роторами — мгновенное повышение давления воздуха после первых оборотов, а значит — быстрый старт с места. Недостатки — невозможность регулирования давления наддува и увеличенный расход топлива. Отработавшие газы с очень высокой температурой и давлением уносили слишком много энергии и термический КПД двигателя с приводным нагнетателем получался меньше. Кроме того, предварительно сжатая в компрессоре рабочая смесь, сильно разогреваясь, вызывала при дальнейшем сжатии в цилиндрах раннюю детонацию. 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” 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”. (На этой модели, кстати, карбюратор дополняли специальные клапаны, включавшиеся одновременно с компрессором.)

Несмотря на попытки “Lancia”, “Volkswagen”, “General Motors” в 70 — 80-е годы усовершенствовать нагнетатели, о приводных компрессорах постепенно забыли. И, тем не менее...

Далеко ли ушла самая современная система с принудительным нагнетателем, установленная на моделях “Mercedes-Benz” С- и Е-класса от конструкции 1937 года — пусть судят сами читатели.Двигатель рабочим объемом 2,3 л комплектуется механическим компрессором фирмы “Eaton” — усовершенствованной версией старого доброго “Рутс” — винтообразных лопастей уже не две, а три. Привод — поликлиновыми ремнями от коленчатого вала. Особое покрытие лопастей, уменьшив трение, значительно улучшило КПД механизма. Подключается компрессор 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. Пожалуй, комментарии излишни...

У нас в стране опыт применения механических нагнетателей на легковых автомобилях ограничился единичными экземплярами гоночных машин в 40 — 50-е годы.Значительно более широкое применение получил наддув с турбонагнетателем, т.е. компрессором, приводимым турбиной, действующей на отработавших газах.

Турбокомпрессор состоит из газовой и компрессорной турбин, посаженных на один вал. Скорость вращения газовой турбины, благодаря энергии отработавших газов, очень высока (50 — 100 тысяч об/м). 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, как правило, — 1000оС и чем большую температуру раскаленных выхлопных газов выдерживает этот материал, тем эффективнее работа турбонагнетателя. Нагрев газов в дизелях турбины доходит до 600оС.) Именно здесь, с точки зрения экономичности, турбонаддув дает лучшие результаты. 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, экономия топлива 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. 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. 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.

По материалам autonews.whatodo.ru