Подача воздуха в цилиндры под давлением – действенный способ повышения крутящего момента и мощности двигателя внутреннего сгорания. Жаль только, что приводной нагнетатель отбирает часть прироста мощности на себя – и немалую. При том, что энергия отработанных газов теряется впустую; нельзя ли поставить ее на службу наддува?
Волна за волной
Отчего же нельзя; возьмите «волновой» нагнетатель Comprex от швейцарской ABB (ASEA Brown Boveri). Удивительный агрегат: выхлопные газы прямо и непосредственно сжимают воздух в каналах вращающегося распределительного барабана. В статоре вращается барабан (подобно револьверному) с продольными каналами по окружности – от вала двигателя. Однако мощности он практически не отбирает, поскольку привод только синхронизирует вращение барабана с коленчатым валом. Энергию же для наддува дают горячие отработанные газы: воздух сжимается – и вытесняется в окно нагнетания по торцу барабана. А чтобы туда же не попадали выхлопные газы, как раз и приходится синхронно вращать барабан. Канал вовремя минует окно нагнетания, а тем временем на противоположном торце барабана открывается выпускное окно – к каталитическому нейтрализатору и глушителю.
Отработанные газы уходят на выхлоп, а с другого торца в канал затягивается свежий воздух; все сначала. Каналов по окружности барабана много, и все дело в том, чтобы правильно согласовать чередующиеся «волны» горячих газов и воздуха с соответствующими окнами. Барабан крутится небыстро – примерно с частотой коленвала, нагрузок никаких (кроме термических), износа и потерь мощности нет. Изумительно простое и эффективное устройство – Comprex не страдает даже запаздыванием, характерным для турбоагрегатов, и мгновенно откликается на «газ». Остается дивиться, отчего оно до сих пор так и не получило самого широкого применения.
Comprex привлек к себе внимание в начале 80-х; в «турбоэру» у Ferrari даже экспериментировали с «волновым» наддувом V-образной 1,5-литровой «шестерки» для гоночного болида. Однако в Формуле 1 Comprex так и не прижился; турбонаддув оказался операциональней и практичней. И в легковом автомобилестроении «волновой» наддув применяли только на 2-литровом дизеле (не турбо!) Mazda RF мощностью в 82 л.с. (JIS) – для модели 626. Да еще у Opel в середине 80-х выпустили 150 экземпляров Senator с 2,26-литровой дизельной «четверкой» TD Comprex – вот и все.
При всей простоте Comprex требовал прецизионного исполнения барабана в сборе со статором (зазоры!), что сказывалось на издержках производства и на цене агрегатов. А главное, так и не удавалось полностью отделить отработанные газы, и они неизбежно попадали в нагнетаемый воздух. Да еще и нагревали его, хотя и без того приходилось применять промежуточное охлаждение. Конечно, иной раз рециркуляция выхлопных газов даже полезна, и ее организуют (обычно у дизелей) специально. Однако «волновой» подает какое-то количество отработанных газов на впуск всегда, – и нужно, и не нужно. Так что к концу века о замечательном устройстве забыли; а жаль.
Турбо
Жизнь показала, что довольно-таки противоречивым требованиям лучше других вариантов отвечает турбонаддув. До боли знакомый агрегат: на общем валу радиальная турбина и центробежный компрессор. На турбину подаются горячие отработанные газы, и ротор вращается с огромной частотой. Так, компактный турбонагнетатель новой 1,6-литровой «четверки» BMW/PSA (см. «Турбо», 2005, №1) крутится до 220 тыс. мин-1. То есть, концы лопаток компрессора движутся раза в 2,5 быстрее скорости звука! И ничего – ведь возвратно-поступательного движения нет и радиальных нагрузок никаких. А благодаря огромным оборотам турбоагрегат способен развивать высокое давление наддува, причем «бесплатно» – без отбора полезной мощности от вала д.в.с. [На самом деле, турбонагнетатель слегка «вредит» по мощности – из-за увеличенного противодавления на выпуске. Но поскольку двигатели легковых автомобилей (в отличие от гоночных) все равно оснащаются глушителями, то дополнительных потерь здесь не возникает.].
Впервые турбонаддув на серийных легковушках применили… консервативные американские автомобилестроители. К 1962 модельному году General Motors выставил сразу 2 модели, двигатели которых оснащались турбонагнетателями: «компактные» Chevrolet Corvair и Oldsmobile F85. Совершенно разные конструкции – 6-цилиндровый «оппозитник» воздушного охлаждения и цельноалюминиевая V-образная «восьмерка» BOP215. «Вечный» двигатель и сейчас еще выпускают и ставят на шасси (см. «Вечные двигатели», «Турбо», 2003, №6, стр.32-33); а тогда его укомплектовали турбонагнетателем и впрыском особой антидетонационной жидкости («интеркулеров» тогда не знали). Карбюраторный 3,53-литровый Turbo-Rocket развивал аж 215 л.с. (SAE-брутто); в наши дни он без наддува выдает больше – причем ECE-нетто.
В Европе же первой в серию пошла модель BMW 2002 turbo – только в 1973-м. С турбокомпрессором ККК (без никакого промежуточного охлаждения нагнетаемого воздуха) и впрыском бензина Kugelfischer 2-литровая «четверка» развивала 170 л.с. при 5800 мин-1! Теперь такую мощность (при 6500-6750 оборотах) показывает бескомпрессорный 2-литровый 16-клапанник.
Так или иначе, прецеденты созданы давно, и в 70-е годы началось победное шествие турбонаддува – не только в легковом, но и в гоночном моторостроении. С 1966 года технический регламент Формулы 1 допускал двигатели с наддувом – рабочим объемом до 1,5 л. Применение турбонаддува в «больших гонках» стало вопросом времени, и в 1977 году на трассах Grand Prix появились болиды Renault RS01 c V-образной «шестеркой» EF1. Мощность небывалого мотора осторожно объявили в 510 л.с. – на уровне лучших тогда бескомпрессорных 3-литровых двигателей. Первые 2 года успехи команды Renault оставались скромными, и машины прозвали «желтыми чайниками» – за характерный звук газа, сбрасываемого клапаном waste gate.
Однако в 1979-м к Renault пришли победы, и насмешникам пришлось срочно пересматривать свою точку зрения, – чтобы не остаться в «чайниках». Началась отчаянная эскалация турбомоторов: простенькая 16-клапанная «четверка» BMW 12/13 tc с одним-единственным турбоагрегатом к середине 80-х развивала до 850 л.с. при 10500 мин-1. Говорят, для квалификационных заездов мотор настраивали на все 1100 сил… Прикиньте: максимальный крутящий момент заведомо превосходил 725 Нм, а значит, давление наддува (избыточное!) поднимали выше 3,25 бара. Долго в таком режиме двигатель не выдерживал – из-за колоссальных термических нагрузок. Зенит «турбоэры» в Формуле 1; уже с 1987-го FIA ограничила давление наддува, а затем и вовсе запретила нагнетатели.
Под контролем
Вал турбокомпрессора никак не связан с коленчатым валом двигателя, а турбина свободно «плавает» в потоке горячих выхлопных газов. Поэтому – в отличие от приводных центробежных нагнетателей – радиальный компрессор турбоагрегата вполне способен на высокую подачу и давление наддува и при низких оборотах вала д.в.с. Однако турбонагнетатель нуждается в постоянном регулировании – иначе либо недодача наддува «на низах», либо перегрузка двигателя «на верхах».
Поначалу (Olds Turbo-Rocket) регулировали просто: клапан на выходе из компрессора стравливал лишний воздух. Однако такой способ – не самый выгодный с термодинамической точки зрения, да и реакция турбоагрегата на придание «газа» оставляла желать много лучшего. И уже мотор BMW 2002 turbo оснащался знаменитым устройством waste gate: сброс лишних горячих газов – в зависимости от давления воздуха на выходе. Все стало на свои места; вдобавок waste gate стали регулировать от ЦПУ двигателя – по условиям детонации, по высоте над уровнем моря (атмосферное давление). Появилась возможность кратковременного повышения давления наддува (power boost) – для обгона и пр. Турбонаддув достиг зрелости.
Из турбоямы
Если угодно, турбокомпрессор дает приличное давление наддува уже «на низах» – вопрос подбора агрегата и его настройки. Однако, как и всякая турбина – гидравлическая, газовая или паровая, – он не любит быстро менять обороты. Инерция; когда вал турбонагнетателя крутится на 22 тыс. мин-1, то для набора полных 220 тыс. ему нужно время. Иначе говоря, в отличие от приводных компрессоров и Comprex’а, турбина откликается на «газ» не мгновенно, а с заметным отставанием. Как говорят, турбозапаздывание – или «турбояма».
Причем у турбодизелей запаздывание не так ощутимо; двигатели с воспламенением от сжатия работают без дросселирования на впуске, поэтому потоки свежего воздуха и выхлопных газов у них и при низкой нагрузке не так малы, как у Отто. А вот что касается турбонаддува моторов с искровым зажиганием (ведь не только бензиновые), то с запаздыванием пришлось побороться. Тут главное – уменьшить момент инерции турбокомпрессора. Например, поставить 2 малых агрегата вместо одного; так появился bi-турбонаддув [Еще лучше квадроагрегат…]. Или применить 2-ступенчатый турбонаддув (агрегат BorgWarner Turbo Systems; см. «С воспламенением от сжатия», «Турбо», 2004, №5; «Баварские моторы», «Турбо», 2004, №8): пара неодинаковых компрессоров работает не в параллель, как обычно, а последовательно. Тот что поменьше, раньше включается в работу и живее откликается на «газ». Другой турбоагрегат присоединяется позже, зато подача у него высокая; на турбодизеле BMW 535d вместе они дают (избыточное) давление до 1,85 бар – практически без запаздывания.
Для уменьшения момента инерции крыльчатку компрессора делают не из алюминиевого сплава, а из углепластика; он легче. А турбину, которая работает в суровых температурных условиях, – из керамики (вместо спец«нержавейки»). У нового двигателя BMW/PSA корпус турбины исполнен с 2-я раздельными входными «улитками» (twin scroll), так что потоки горячих газов от каждой пары цилиндров не пересекаются. Газовые импульсы не гасят друг друга, и, по утверждениям конструкторов, «турбояма» практически неощутима. Наконец, конструкция VNT (variable nozzle turbine): поворотные лопатки – не самой турбины, разумеется, а ее соплового аппарата. На входе; для каждого режима работы выбирается наивыгоднейший угол подачи горячих газов на турбину. Турбокомпрессор живее отзывается на «газ», да и другие его характеристики улучшаются.
Холодный душ
Сжатие нагнетаемого воздуха неизбежно приводит к его (адиабатическому) нагреву. Плотность горячего воздуха меньше, чем холодного, так что фактически (по весу) в цилиндры его попадает не так много, как кажется. Скажем, температура за бортом – 22°C, а воздух, нагнетаемый под (избыточным) давлением 1,5 бара, нагревается до 162°. Значит, двигатель получает его (по массе) не в 2,5 раза больше, а только на 70% [Известное уравнение Бенуа Клапейрона.]. Недобор прироста крутящего момента; кроме того, у двигателей с искровым зажиганием высокая температура воздуха, поступающего в цилиндры, увеличивает угрозу детонации, и степень сжатия (и так невысокую из-за компрессии) приходится понижать еще.
Поэтому применение наддува (что с приводным компрессором, что с турбо) требует промежуточного охлаждения нагнетаемого воздуха. Между нагнетателем и д.в.с. ставят «интеркулер»: водо-воздушный или воздухо-воздушный теплообменник. Действенный прием; допустим, в нашем примере «интеркулер» понижает температуру нагнетаемого воздуха на 95° – от 162 до 67. Тогда, по Клапейрону, воздуха (по массе) в цилиндры подается не на 70, а уже на 117% больше. Соответственно крутящий момент и – при прочих равных – мощность; есть разница, не правда ли?
А в экстремальных случаях применяли впрыск… воды во впускные каналы. Так сказать, холодный душ: бодрит, дает заряд энергии. То есть, вода моментально испаряется [Как известно, теплоемкость испарения воды исключительно высока, чем и объясняется эффективность такого приема.] в горячем воздухе – и тем самым сильно охлаждает его. Что и требовалось доказать, а сгоранию топливовоздушной смеси водяной пар нисколько не вредит.
Да, наддув творит чудеса – в том, что касается крутящего момента и мощности. И все же, как говорят немецкие специалисты, Nein nicht als Hubraum (ничто кроме рабочего объема), а они знают толк в применении нагнетателей. Так что подумайте: громоздить ли на ВАЗовскую «четверку» дорогое и сложное оснащение для наддува? Или же довести «до ума» цельноалюминиевую «восьмерку» ЗМЗ-5234.10 (от ПАЗика) – безо всяких нагнетателей? А что, даже без «расточки» грамотный тюнинг даст с 4,67 л рабочего объема верные 360 л.с. где-то при 6250 мин-1 – и море крутящего момента. Вот только разместить 8-цилиндровый мотор – даже V-образный – под капотом «десятки» затруднительно; может, лучше на ИЖевскую «оду»?