Лайфхаки
14 декабря, 00:01

Воздушный “компресс”. Что нужно знать о современных видах наддува

Рассматриваем основные виды наддува, которые применяют на современенных ДВС: турбина, компрессор, электронагнетатель...

За долгие годы такие термины, как турбина, наддув, компрессор, нагнетатель, успели плотно войти в обиход практически любого автолюбителя. Давайте разберемся, для чего в цилиндры нужно “вдувать” воздух под давлением и какие устройства для этого вообще используют.

Не секрет, что для работы ДВС нужно закачать смесь из топлива и воздуха в каждый цилиндр, а затем воспламенить ее, чтобы произошел микровзрыв, который, в свою очередь, толкнет поршень и запустит циклический процесс. Как же увеличить отдачу? Да просто устроить взрыв помощней. А вот тут нюанс: если топлива мы можем подать сколько угодно, то вот закачать больше воздуха можно только при помощи специального нагнетателя наддува.

Турбонаддув

Самым популярным и простым таким устройством является классический турбонагнетатель, работающий за счет энергии выхлопных газов. Он состоит из двух частей (“улиток”), внутри которых на одном валу стоят две крыльчатки: турбинная в “горячей” части (контактирует с отработавшими газами) и компрессорная в отдельном “холодном” корпусе. Турбинное колесо вращается за счет энергии выхлопных газов двигателя, раскручивая тем самым крыльчатку компрессорного колеса. Вот оно, в свою очередь, всасывает в “холодный” корпус разреженный воздух, сжимает его и направляет прямиком в цилиндры: чем больше обороты мотора, тем выше давление на впуске. Если же воздуха образуется в избытке, то специальный клапан стравливает лишнюю порцию в атмосферу (“блоу-офф“) или направляет его обратно на впуск (“байпас“).

Вроде бы получается, что увеличивать давление наддува с турбиной на выхлопных газах можно до бесконечности: поставил здоровенный нагнетатель и получил большую порцию сжатого воздуха. Но не так все просто... Ведь большая турбина имеет широкие каналы и крыльчатку, которую можно раскрутить только на высоких оборотах мотора. А маленький нагнетатель, наоборот, на низких оборотах работает отменно, но на высоких просто не успевает прокачивать через себя большую порцию воздуха. Именно поэтому автомобильные инженеры “играют” с размерами улиток, устанавливают сразу несколько турбин (большую и маленькую) и используют разные хитрые конструкции, чтобы обеспечить компромисс - хорошую тягу турбомотора во всем диапазоне оборотов без задержек и турбоямы. К слову, последним именуют так называемый провал в работе наддувного двигателя на низких оборотах, когда турбина еще не получает достаточно отработавших газов, чтобы раскрутиться и добавить двигателю дополнительных “лошадок”.

Твинскрольная турбина

Так выглядит турбонагнетатель твинскрольного типа. Красный канал - помогает турбине “раздуваться” с низких оборотов, а желтый - эффективен на "верхах".

Одним из видов компромиссного наддува можно назвать турбину типа Twin Scroll. Она имеет двойную “горячую” часть, внутри которой есть пара параллельных каналов разного диаметра. Каждый из них соединен со своей половиной цилиндров и воспринимает от них персональную порцию выхлопных газов для раскрутки единой крыльчатки турбинного колеса: одна доза выхлопов вращает турбинное колесо на низких оборотах (за счет узкого сечения канала первого “горячего” контура), а другая - подает выхлоп в более крупную улитку, которая эффективно работает на повышенных оборотах. В основном твинскрольные нагнетатели нашли применение на малообъемных современных двигателях, где важно получать оптимальный подхват при любой частоте вращения мотора, а также экономить вес и место под капотом. Из недостатков твинскрольной турбины можно отметить сложность конструкции, дороговизну и низкую эффективность работы на высоких оборотах из-за ограничений размера горячей части.

Турбина с изменяемой геометрией

Специальные активные лопатки вокруг крыльчатки "горячей" части турбины, позволяют нагнетателю эффективно работать практически во всем диапазоне оборотов двигателя. В народе такое устройство наддува называют "супертурбиной".

Самым совершенным видом традиционного наддува, который применяется на автомобилях, можно назвать турбокомпрессор с изменяемой геометрией рабочей части (Variable Geometry Turbocharger). Называется он так, поскольку имеет подвижные лопатки вокруг крыльчатки “горячей улитки”. В зависимости от оборотов двигателя специальный электропривод меняет их угол атаки, имитируя маленькую и большую турбины: на низких оборотах лопатки делают впускной канал “горячки” узким, помогая турбинному колесу быстрее раскрутиться, а по мере увеличения оборотов двигателя тракт приоткрывается, чтобы турбина могла получать необходимую для эффективного наддува порцию выхлопных газов. В отличие от твинскрольного нагнетателя турбокомпрессор с изменяемой геометрией может одинаково эффективно работать на всех уровнях оборотов. Поначалу такой тип наддува устанавливали только на турбодизели, поскольку те выделяют меньше тепла, которое компрессор с изменяемой геометрией не любит. Сейчас же турбину VNT научились использовать и на бензиновых двигателях, в частности, на моторе высокофорсированного спорткара Porsche 911 Turbo.

Механический нагнетатель

Еще до того, как начали применять энергию отработавших газов, для наддува использовали механический нагнетатель (чаще всего его называют просто компрессором или “суперчарджером”). В классическом виде это устройство представляет собой корпус, в котором продолговатые роторы-лопасти расположены параллельно друг другу и соединены ременным приводом с коленчатым валом двигателя. Воздух, проходящий между этими винтообразными роторами, сжимается и направляется в цилиндры.

Основное преимущество механического нагнетателя над традиционной турбиной - давление наддува присутствует даже на холостых оборотах двигателя и растет прямо пропорционально частоте вращения коленвала. Вот поэтому турбоямы у двигателей с компрессором попросту не бывает. Плюс стоит отметить звук: так как отработавшие газы в процессе наддува не участвуют, звучание двигателя не искажается и сохраняет свой первозданный вид.

Впрочем, не так все прекрасно, поскольку механический нагнетатель отбирает львиную долю мощности у двигателя (порой до 30%) и гораздо тяжелее турбины, а сам наддув с ростом оборотов получается неравномерным (высокая эффективность достигается только на высоких частотах). Именно поэтому в наше время компрессоры наддува - вещь немного устаревшая и на серийных автомобилях встречается редко. Сейчас моторы c механическими нагнетателями можно встретить на некоторых моделях Toyota, Land Rover, Cadillac и Audi, которые имеют под капотом объемные двигатели (более двух литров).

Различают три вида механических нагнетателей: кулачковый (типа Roots), винтовой (Lysholm) и центробежный. В первых двух для сжатия всасываемого воздуха используются специальные продолговатые роторы-лопасти (у кулачкового их два, у винтового - один), а в последнем типе за это отвечает холодная часть традиционного турбокомпрессора.

Электрический наддув

В эпоху развития электрокаров и различных электронных систем грех не использовать электрическую тягу и для наддува. Конструкция электрического нагнетателя проста: электромотор, который питается от аккумулятора, соединен с валом “холодной” компрессорной части классической турбины. По сути, такая конструкция - идеальный источник нагнетаемого воздуха, поскольку в любой момент может обеспечить максимальное давление на впуске.

Электрокомпрессор Valeo, который устанавливается на двигатель от Audi SQ7, питается от 48 вольтовой батареи, а крыльчатка раскручивается до 70 000 об/мин всего за 250 миллисекунд (глазом моргнуть не успеешь).

Из-за многочисленных трудностей по части бесперебойного питания устройства, на серийные автомобили электротурбину начали ставить только с недавнего времени. В частности, впервые она появилась на “заряженном” кроссовере Audi SQ7, который оснащен 435-сильным четырехлитовым турбодизелем. Электронагнетатель на этом моторе “надувает” воздух в цилиндры только на низких оборотах, а дальше подключаются в работу две классические турбины. Такая схема позволяет получить 900 Нм крутящего момента уже в диапазоне от 1000 (!) до 3 250 об/мин.

Кстати, в автоспорте тоже используют электрическую турбину, но немного для других нужд. Система MGU-H (устаравливается на силовые установки современных болидов Формулы-1) представляет собой электрическое устройство на валу классического турбокомпрессора, которое при необходимости помогает держать турбокомпрессор раскрученным, чтобы в первую очередь избавится от турболага (не путать с турбоямой) - так называемой задержки между нажатием педали газа и попаданием наддувного воздуха в двигатель.

Составные схемы наддува

В погоне за максимальной эффективностью турбодвигателей автомобильные инженеры применяют схемы с несколькими турбинами, а порой даже смешивают вместе разные системы наддува. И все это ради одной цели - получить в одном “коктейле” как можно больше преимуществ и избавится от недостатков.

Отдельного обсуждения заслуживает система Twin turbo или просто - двойной турбонаддув. Все его разновидности можно разбить на три типа (двухступенчатый, параллельный и последовательный), каждый из которых подбирается инженерами для конкретного мотора с учетом его конструкции, характеристик и режимов работы.

Двойной параллельный турбонаддув

Самая простая и популярная схема Twin Turbo представляет собой пару одинаковых турбин, каждая из которых подключена к своей половине цилиндров. Оба турбокомпрессора работают параллельно и отдельно друг от друга, но надувают воздух в единый впускной коллектор.

Бензиновый V-образный двигатель с двойным параллельным наддувом. Оба нагнетателя расположены в развале блока цилиндров для улучшения отклика на нажатие педали акселератора.

За счет того, что каждая турбина раскручивается от “своих” цилиндров, параллельная схема наддува работает линейно практически во всем диапазоне оборотов, создавая эффект атмосферного двигателя большего объема. Данный вид турбонаддува можно встретить на большинстве V-образных двигателях (BMW N74 V12 TwinPower Turbo или Mercedes-Benz M278 V8 Biturbo), где нагнетатели чаще всего устанавливаются в развале блока цилиндров для более быстрого отклика турбомотора на нажатие педали газа. Причем на более современных моторах (например, BMW S63TU от X5 M) обе турбины могут быть твинскрольного типа.

Последовательный Twin turbo

Следующая система также имеет два идентичных турбонагнетателя, но подключены они к одному каналу и включаются по очереди, друг за другом. Одна турбина работает постоянно, а вторая активируется электроникой при определенных условиях (нагрузка на двигатель, частота вращения коленвала, положение педали газа и т.д.). Когда блок управления дает команду включить вторую турбину, специальная заслонка открывается и два нагнетателя работают вместе.

При двойном последовательном наддуве сначала работает только один нагнетатель, а потом к нему присоединяется второй по команде электронных "мозгов". Также стоит обратить внимание на промежуточный охладитель (интеркулер), который применяется на моторах с турбонаддувом и необходим для охлаждения воздуха после его сжатия (холодный воздух имеет более высокую плотность и эффективность)

Правда, бывает, что двумя турбонагнетателями некоторые автопроизводители не ограничиваются. В частности, компания BMW несколько лет назад установила на свой дизельный мотор сразу три турбины, а двигатели Bugatti Veyron (W16 на восемь литров) и вовсе имеют целый квартет из турбонагнетателей.

Двухступенчатый турбонаддув

Данный схема агрегатного наддува является наиболее сложной и в то же время самой эффективной. Тут две турбины разного размера установлены последовательно (большая идет следом за маленькой), а процессом наддува руководят специальные перепускные клапана. Сначала отработавшими газами раскручивается малая турбина, обеспечивающая тягу двигателя на “низах”, а большой нагнетатель параллельно просто пропускает через себя газы и сжатый воздух, находясь в “боевой” готовности.

Так вот, когда обороты повышаются, крупная турбина начинает работать совместно с маленькой. А когда мотор крутится на высоких оборотах, то открываются дополнительные каналы, позволяющие большому нагнетателю во всю силу выдувать воздух на впуск уже без участия малой турбины. Таким образом, получается что-то вроде адаптивного “живого” наддува, для которого не свойственна турбояма и эффект турболага. Встретить двухступенчатый (или последовательно-параллельный) наддув можно на многих турбодизельных двигателях (Opel 2,0 BiTurbo CDTi или Mercedes-Benz OM651). Почему только агрегаты на солярке? Потому что давление наддува в вышеупомянутой схеме достигает весьма высоких значений, на которые большинство серийных бензиновых турбомоторов не рассчитаны.

Так работает система регулируемого двухступенчатого турбонаддува при разных оборотах двигателя

Также к данному типу наддува нужно добавить некую комбинированную схему, которую Volkswagen применяет на одной из модификаций своего 1,4-литрового мотора TSI. Такой мотор имеет и классическую турбину, и приводной компрессор. Работают эти устройства следующим образом: до 3.500 об/мин трудится только механический нагнетатель, прикрывая турбояму. А с ростом оборотов электроника открывает специальный клапан и в двигатель уже поступает наддув от основной газовой турбины, которая уже успела раскрутиться.

Схема работы 1,4-литрового двигателя TSI с двойным наддувом (компрессор+турбина).

Вывод

В наше время трудно переоценить пользу, которую наддув привносит в автомобильный мир. Ведь он помогает не только получать практически любую отдачу от мотора, но даже делает мир “зеленее”: применение нагнетателей позволяет уменьшать размеры серийных моторов и тем самым облегчать автомобили, чтобы в конечном счете сократить расходы топлива и количество вредных выбросов в атмосферу. Впрочем, вышеупомянутые возможности - это только начало, поскольку потенциал наддува до конца так еще и не раскрыт…

Алексей Дергачев

Материалы по теме

Group
Group
Group