«ТУРБО», «КОМПРЕКС» И МОЩНОСТЬ
Повысить мощность двигателя, не увеличивая его рабочий объем, габарит и массу, — одна из основных инженерных задач, которые приходится решать, идет ли речь о модернизации или разработке новой конструкции. Мощность пропорциональна давлению газов в цилиндре, а оно, в свою очередь, прямо зависит от массы сгоревшего топлива. Окисление горючего требует определенного количества воздуха (теоретическое соотношение масс 1:15). Значит, чтобы сжечь больше топлива, надо соответственно увеличить массу воздушного заряда, а для этого — повысить его плотность сжатием и подать в цилиндр под давлением выше атмосферного.
Наполнение цилиндров воздухом или горючей смесью под избыточным давлением называют наддувом. Для сжатия воздуха применяют нагнетатели, приводимые механически от коленчатого вала, или турбокомпрессоры, движение которым придает энергия отработавших газов.
Нагнетатель с механическим приводом типа «Рутс»
Рис. 1. Нагнетатель с механическим приводом типа «Рутс»: 1 — окно для подачи сжатой смеси а цилиндры; 2 — корпус привода; 3 — лопасти; 4 — фланец трубопровода от карбюратора.
Моторы с наддувом — хороший пример того, как автомобильный спорт служит ускорителем технического прогресса: получив боевое крещение в гонках, они нашли себе место на дорожных машинах. Первые гоночные двигатели с механическим приводом компрессора появились в начале 20-х годов: в 1921-м — на «Мерседесе» фирмы «Даймлер» (Германия), вслед за ним — у ФИАТа и английского «Санбима». Расчет был прост: чем больше давление наддува, тем выше литровая мощность. И к концу 30-х годов она достигла 150—160 л. с./л — втрое-вчетверо больше, чем без наддува! Трехлитровый «Ауто-Укион» 1939 года развивал 450, а «Мерседес-Венц» того же объема — 483 л. с. при давлении наддува 1,6 и 1,97 кгс/см2 соответственно. Наиболее распространены были объемные нагнетатели типа «Рутс» (рис. 1). Нередко их устанавливали после карбюратора и сжимали уже готовую смесь.
Турбокомпрессор
$IMAGE2$
Рис. 2. Турбокомпрессор: 1 — выпускной коллектор; 2 — турбин»; 3 — патрубок приемной трубы глушителя; 4 — компрессор; 5 — выход воздуха во впускной трубопровод; 6 — перепускной клапан.
Эффект давался, однако, высокой ценой. С повышением давления наддува растут температура и давление смеси в конце сжатия — это чревато детонацией. Чтобы избежать ее, снижают степень сжатия — тогда ухудшается использование тепла, а значит, повышается расход топлива. Двигатель становится более теплонапряженным — меньше его долговечность, выше вероятность поломок. Да и затраты мощности для привода нагнетателя с увеличением давления наддува оказываются непомерными: довоенный мотор «Мерседес-Венц» из 425л. с. на это расходовал 160.
Из-за своих недостатков моторы с механическим приводом компрессора получили ограниченное применение на машинах, для которых расход топлива имел второстепенное значение (чаще всего спортивных и гоночных). Более практичен турбонаддув, который широко распространился в последние годы. Здесь агрегат наддува состоит из центробежной газовой турбины и воздушного компрессора, роторы которых укреплены на одном валу (рис. 2). Отработавшие газы с высокой кинетической энергией подаются из выпускного коллектора на лопатки колеса турбины и заставляют вращаться жестко связанное с ним колесо компрессора, который сжимает воздух, поступающий в цилиндры.
Важнейшее преимущество турбонаддува — использование энергии отработавших газов и увеличение литровой мощности. Наиболее крупный недостаток — инерционность турбокомпрессора. При резком нажатии на педаль газа его обороты не могут возрасти мгновенно — значит, и требуемая мощность достигается с некоторой задержкой. Это нежелательно, когда надо, скажем, притормозить, а потом быстро разогнать автомобиль, при обгоне. В дизеле, кроме того, при запаздывании подачи воздуха происходит обогащение смеси, и не успевшие окислиться частицы углерода образуют облако дыма. Чтобы сделать инерцию минимальной, колеса турбины и компрессора делают малого диаметра, зато рабочую частоту вращения доводят до 100 000 об/ мин (порой и выше).
Важно всемерно сократить теплопередачу от корпуса турбины к корпусу компрессора, чтобы избежать подогрева, а значит, уменьшения плотности воздушного заряда. Все же в процессе сжатия температура воздуха повышается, поэтому при высоком давлении наддува его дополнительно охлаждают в специальном радиаторе: например, в гоночном моторе «Рено» — со 150—170° С до 60° С.
Схема турбонаддува двигателя «СААБ»-9000-турбо-16»
$IMAGE3$
Рис. 3. Схема турбонаддува двигателя «СААБ»-9000-турбо-16»: 1 — датчик разрежения; 2 — впускной коллектор; 3 — датчик детонации; 4 — датчик-распределитель эажигания; 5 — перепускной клапан; б — выпускной коллектор; 7 — турбокомпрессор; — микропроцессор; 9 — электромагнитный клапан; 10 — радиатор охлаждения наддувочного воздуха.
Подача воздуха пропорциональна частоте вращения компрессора. Когда она близка к максимальной, подачу и, соответственно, давление наддува ограничивают величиной, которая зависит от детонационной стойкости двигателя, прочности его деталей и, конечно, области применения. Практически это делают двумя путями: перепускают отработавшие газы мимо турбины, тем самым снижая обороты компрессора, либо стравливают избыток сжатого воздуха. Последний способ предпочтителен, поскольку при быстром сбрасывании и прибавлении газа задержка в срабатывании турбокомпрессора меньше. В серийных моторах легковых машин давление наддува редко превышает 0,8 кгс/см2, в гоночных — достигает 4—4,5 кгс/см2.
В двигателе СААВ клапаном перепуска управляет микропроцессор по сигналам от датчиков наддува, детонации и частоты вращения (рис. 3). Для обгона можно быстро достигнуть максимального давления наддува, поскольку в двигателе, работавшем с частичной нагрузкой, детонация не возникает мгновенно. Через несколько секунд, когда она появится, компьютер по сигналу датчика снизит давление воздуха.
Турбонаддув позволяет, не увеличивая объема двигателя и расхода топлива, получить существенную прибавку мощности и крутящего момента, приспособить один и тот же базовый мотор к особенностям различных модификаций автомобиля. Причем диапазон изменения параметров весьма широк.
Хотя влияние инерционности турбонагнетателя можно, как видим, уменьшить, все же инженеров не оставляет мысль о приводных компрессорах. Ведь они лишены этого недостатка и, кроме того, помогают увеличить мощность и крутящий момент на средних оборотах, когда подача турбокомпрессора относительно невелика. Оригинальный компрессор со спиралевидным ротором опробовала фирма «Фольксваген» (рис. 4). Он весьма компактен, не отбирает много мощности.
Приводится он клиновым ремнем от носка коленчатого вала, а эксцентричное движение ротору придает кривошип, вращаемый коротким зубчатым ремнем. С таким нагнетателем и охладителем наддувочного воздуха мощность 1300-кубового мотора увеличили с 75 до 115 л. с. — на 53%. Отмечают равномерность работы компрессора и умеренный расход топлива.
Нагнетатель со спиралевидным ротором
$IMAGE4$
Рис. 4. Нагнетатель со спиралевидным ротором: 1 — окно для иода атмосферного воздуха; 2 — неподвижна стоика корпуса; 3 — ротор; 4 -камера сжатия; 5 — окно для выхода сжатого воздуха.
Более сложна и дорога система «Компрекс» (рис. 5). Ее основа — лопастной ротор, который получает движение от коленчатого вала и вращается втрое быстрее его. На привод расходуется около 2% мощности. Воздух сжимается давлением отработавших газов в каналах ротора, образованных его лопастями и корпусом.
Происходит это следующим образом. При вращении ротора его каналы поочередно соединяются с выпускным и впускным трубопроводами. Когда откроется окно 2, волна давления двинется по выпускному трубопроводу 1 и направит в канал ротора отработавшие газы. Волна достигла конца трубопровода — открывается окно 4, и воздух из канала, сжатый отработавшими газами, выталкивается в трубопровод. Но еще до того, как отработавшие газы придут к левому концу ротора, закроется сначала окно 2, затем окно 4. Канал с находящимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон замкнут стенками корпуса.
В процессе дальнейшего вращения ротора этот канал подойдет к окну 3, через которое газы уйдут в выпускной трубопровод. Одновременно они подсасывают в окно 5 свежий воздух. Заполняя канал, он охлаждает ротор. Миновав окна 3 и 5, канал со свежим воздухом вновь оказывается закрыт стенками и готов к следующему циклу.
«Компрекс» известен более 40 лет, но не применялся на автомобилях, поскольку такой наддув возможен в узком диапазоне оборотов двигателя. Однако он лишен недостатка турбонаддува — инерционности, обеспечивает большой крутящий момент на низких частотах вращения. Поэтому к идее «Компрекса» вернулась недавно швейцарская фирма «Броун и Бовери», во многом ее усовершенствовав. «Феррари» не без успеха испытывал такой наддув на гоночных моторах формулы 1.
Нагнетатель «Компрекс»
$IMAGE5$
Рис. 5. Нагнетатель «Компрекс»: 1 — выпускной трубопровод; 2, 3 — окна дня отработавших газов; 4 — окна для подачи сжатого воздуха; 5 — окна для свежего воздуха; б — патрубок подачи атмосферного воздуха; 7 — впускной трубопровод; 8 — коленчатый вал.
Стремясь использовать преимущества наддува во всем диапазоне работы двигателя, фирма «Лянча» (Италия) оснастила мотор специальной спортивной модификации «Дельта-С4» приводным нагнетателем «Рутс», действие которого сказывается на малых и средних оборотах, и турбокомпрессором, который играет основную роль на оборотах, близких к максимальной мощности.
В нашем автомобилестроении пока используется только турбонаддув на двигателях грузовых и внедорожных машин МАЗ, КрАЗ, БелАЗ. Двигатели с наддувом для легковых машин все еще остаются экспериментальными. Между тем за рубежом уже накоплен богатый опыт в этой области. Так, используя турбонаддув для малолитражных дизелей, делают модификации легковых автомобилей, по динамическим качествам не уступающие машинам с бензиновыми моторами.