Любому автовладельцу - будь то хозяин "Жигулей", BMW, Lamborghini или Mercedes - присуще совершенно естественное желание увеличить лошадиное поголовье под капотом (если кто-то заявит, что он не из таких, то наверняка слукавит). Так в чем проблема? Есть же многочисленные тюнинговые ателье, которые берутся сделать с вашим любимцем все что угодно. Правда, не все они способны выполнить свои обещания, и не все обещания выполнимы в принципе.
В русский язык с давних пор вошел термин "форсировка" (от английского force - сила), который означает увеличение мощности. Отвлекшись от иностранных языковых заимствований (ну, не "умощнялка" же), в самый раз вспомнить, что мощность двигателя напрямую связана со следующими его основными параметрами - рабочим объемом цилиндров, количеством подаваемой топливовоздушной смеси, эффективностью ее сжигания, а также энергетической "заряженностью" топлива.
Если решено добавлять лошадиных сил, не прибегая к радикальным переделкам мотора, то можно сразу забыть о расточке цилиндров, повышении оборотов или переходе с бензина на "нитру" (закись азота). Об эффективности сжигания - тоже:ее можно, конечно, повысить увеличением степени сжатия, тщательной настройкой всего и вся, полировкой впускного-выпускного трактов, заменой микрочипа в системе управления двигателем (если такая есть) и т. д. и т. п., но только слегка.
Кардинальное решение одно - увеличение подачи топливовоздушной смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит "просто так", для этого нужен воздух (кислород) во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом увеличить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится - его возможности по всасыванию воздуха ограничены. Поэтому и появились те самые "турбо", "компрессоры" и "нагнетатели". Они разные и дают разные результаты. Почему? Давайте разбираться.
Первым устройство для "наддува" двигателя внутреннего сгорания запатентовал Готтлиб Даймлер еще в самом начале прошлого века (тот самый Daimler, имя которого вошло в названия марок Daimler-Benz и DaimlerChrysler). Однако все современные конструкции автомобильных нагнетателей базируются на еще более ранних разработках.
Роторный нагнетатель Roots. Создан Фрэнсисом Рутсом еще в 1860 г. Первоначально использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть конструкции: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые "шестерни", помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель - Итон - усовершенствовал конструкцию: прямозубые "шестерни" превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился: воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель, а не компрессор.
Спиральный компрессор Lysholm. Автор идеи - немецкий инженер Кригар, время рождения - конец позапрошлого века, первоначальное назначение - промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Алфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне - если не снимать кожух - очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вращающиеся навстречу друг другу, и они тоже перекачивают объемы воздуха вдоль осей. Но уж больно лихо закручены. Да и сечения роторов намного сложнее, к тому же они разные, тесно взаимодействующие (как "папа с мамой", если позаимствовать терминологию у электронщиков). Самое главное: шаг роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается - воздух сжимается. Поэтому Lysholm - не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор.
Центробежный компрессор (устоявшегося названия не имеет). По сравнению с Roots/Eaton и Lysholm - сама простота. В корпусе-улитке вращается крыльчатка сложной формы, воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие, то есть это не просто вентилятор, а тоже компрессор.
И, наконец, мы добрались до "турбо" (оно же турбокомпрессор, оно же турбонагнетатель). По сути - тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо", пусть даже и "би-", и "твин-". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций.
Как следует из определения, механический нагнетатель/компрессор - будь то роторный, спиральный или центробежный - имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное в том, что обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала.
С турбокомпрессором ситуация иная. Его крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя, и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется, так сказать, по второй производной (иначе говоря - с замедленной реакцией). Еще одно важное обстоятельство: и нагнетатель Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики, то есть за оборот подается одно и то же количество воздуха независимо от частоты вращения. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные - их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя. Обороты компрессора увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя своей формы, равномерно перемещается вверх.
Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение "габариты/масса", к тому же он меньше нагревается при работе. (Кстати, именно компрессором Lysholm будет оснащен мотор нового суперкара Mercedes SLR McLaren.) Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин.
Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления - недаром компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители - шведские компании Lysholm и Autorotor. Более известные потребителю фирмы Kleemann, Whipple в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочовку.
Раз уж мы помянули интеркулер... Сжимаемый компрессором воздух неизбежно нагревается. При этом уменьшается его плотность и содержание в нем кислорода, ради которого, собственно, все и затевалось. Посему перед подачей в двигатель сжатый воздух стоит охладить в дополнительном радиаторе, который и именуется интеркулером. При умеренной форсировке мотора без интеркулера можно обойтись, но если делать все "по-настоящему", его применение неизбежно.
Механический центробежный компрессор конструктивно наиболее прост и компактен, из-за чего весьма популярен… у американских самодельщиков. Правда, тут требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон - до 100 000 об./мин.). Производительность нелинейная - чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь повыше можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, но лишь в довольно узком диапазоне оборотов. Следовательно, понадобится коробка со сближенным рядом и постоянная активно-утомительная работа ее рычагом...
И наконец, это "сладкое слово" - турбокомпрессор. По большому счету - тот же центробежный компрессор, но с принципиально иным приводом. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Явное достоинство - повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус - инерционность: "притопил" резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя - и наконец, пойдет воздух. Но с этим явлением, именуемым "турбо-яма" (по-английски turbo-lag, что правильнее было бы перевести как "турбо-задержка" или "турбо-пауза"), научились бороться.
По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор вроде бы схож с механическим центробежным. Но опосредствованная система привода позволяет подстраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно "маломерных" двигателях Volvo, Volkswagen или Saab - это ли не примеры.
А что касается магических битурбо и твинтурбо - так это одно и то же, разница чисто брэндовая (подобно "Аспирину" и "Упсарину": суть одна - ацетилсалициловая кислота). Вместо одной турбокомпрессорной установки используются две параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном наддуве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристики.
Как ни странно, при всей технологической сложности изготовления роторов Lysholm, конструктивной простоте центробежного компрессора и высокотехнологичности материалов, применяемых в турбокомпрессорах, все конструкции стоят примерно одинаково, а турбо - даже чуть дешевле...
Все это теория вопроса. А что делать человеку, который ею не слишком владеет? Во-первых, перечитать статейку с начала. Во-вторых, не сдавать свою машину куда попало.
Михаил Васильев, "Moтoр"