Если просто закачивать в цилиндры больше топлива, оно не будет сгорать. Для сгорания нужен воздух, и доставить его к мотору помогает нагнетатель

Любой настоящий автомобилист мечтает ездить хоть немного быстрее и динамичнее других. У нас главным средством придания автомобилю «спортивности» считается навешивание на него различных спойлеров — дешево и красиво, но вряд ли эффективно. Американцы, не мудрствуя лукаво, делают ставку на большой рабочий объем атмосферного мотора, увеличивая объем цилиндров и их количество. Приятно слышать звук мощной «шестерки» или «восьмерки» под капотом — если бы еще бензин был подешевле… Европейцы и японцы предпочитают интеллигентный инженерный подход, не увеличивающий размеры и вес двигателя. В числе прочих используемых мер наиболее популярно принудительное нагнетание топливной смеси в цилиндры.

Дело в том, что в обычных условиях двигатель может засосать ограниченное количество топливо-воздушной смеси. Зато при помощи нагнетателя ее можно затолкать в цилиндры гораздо больше, при этом надо обязательно позаботиться о том, чтобы обеспечить оптимальные условия ее сгорания. Соответственно, сжигая в единицу времени больше топлива, двигатель будет более мощным.

Анатомия

Существует два основных типа нагнетателей — механический (объемный) компрессор и турбокомпрессор.

Механический компрессор был изобретен братьями Рутс еще на заре автомобилестроения, ранее широко применялся на спортивных и престижных автомобилях, дожил до наших дней, хотя и сильно уступил позицию турбокомпрессору. Расцвет механических нагнетателей пришелся на середину XX века. В качестве хрестоматийного примера можно вспомнить фашистские Mercedes 540К и 770, любимые машины верхушки Третьего рейха.

В корпусе объемного нагнетателя, снабженном ребрами охлаждения, с минимальными зазорами вращались в противоположные стороны два ротора. В сечении они напоминали цифру 8. Перетекание воздуха происходило за счет его объемного вытеснения. Упомянутые механические компрессоры были связаны с валом двигателя через муфту сцепления, расположенную на торце коленвала, и шестеренчатую передачу. Сцепление срабатывало при нажатии до отказа на педаль акселератора — и механический наддув включался. Однако топливная смесь, то есть смесь воздуха с топливом, обязана иметь строго определенные пропорции. Нарушение рецепта ухудшает или даже делает невозможным процесс сгорания, поэтому увеличение количества нагнетаемого воздуха требует пропорционального увеличения подачи топлива. Для этого карбюратор Mercedes снабжался дополнительными жиклерами, включавшимися в работу при действии компрессора. Результат соответствовал ожиданиям, хотя не проходил для автомобиля бесследно. Прирост мощности со 115 л.с. до 180 л.с. был вреден мотору и использовался кратковременно — к примеру, когда нужно от кого-нибудь удрать или, наоборот, догнать.

Механический компрессор хорош своей нетребовательностью к качеству масла, надежностью и способностью не отставать от скорости вращения коленвала.

Турбокомпрессор изобретен швейцарцем Бюши в 1905 году, но ввиду технологических трудностей нашел применение на автомобилях сравнительно недавно. А вот идущая в авангарде авиация взяла это изобретение на вооружение еще в 20-е годы. Правда, задача турбокомпрессора на самолете несколько иная — с его помощью компенсируют разреженность воздуха (а значит, и недостаток необходимого для сгорания топлива кислорода) на большой высоте. В автомобиле турбокомпрессор выполняет ту же функцию, что и механический нагнетатель — позволяет двигателю «перерабатывать» в единицу времени больше воздуха и бензина. Турбокомпрессор состоит из компрессора и турбины, роторы которых вращаются на общей оси.

Теоретически скорость вращения турбины зависит от энергии выхлопных газов, которые ее вращают. Агрегат легок и компактен, не в пример механическому компрессору, что объясняет его лидерство на рынке. Кроме того, турбокомпрессор не отбирает мощность с вала двигателя.

Оснащенный турбокомпрессором двигатель мощнее, «эластичнее» и экономичнее своего атмосферного собрата аналогичной мощности. Особо популярны турбокомпрессоры на дизельных грузовиках. А уж на спортивных машинах и «заряженных» версиях обычных легковушек без турбо не обойтись никак.

Однако турбокомпрессор обладает и серьезным недостатком. Это большая инерционность, не позволяющая ему чутко откликаться на движение педали акселератора. Ротор не способен мгновенно набрать высокие обороты, поэтому говорят о существовании так называемой «турбоямы» — мотор «просыпается» только тогда, когда наберет высокие обороты. Поэтому иногда вместо одного турбокомпрессора ставят два, меньших размеров, с более легкими роторами. Турбокомпрессор — вещица высокотехнологичная и не терпит пэтэушного подхода. Объясняется это тем, что ротору приходится раскручиваться до 150 тысяч об./мин. На таких скоростях (а скорость лопаток турбины близка к скорости звука!) малейший дисбаланс, перекос или неточность приведут к неминуемому разрушению узла. Ось вращается во втулках. Неподвижные втулки обязательно сгорят из-за нежелания масляной пленки терпеть издевательства над собой. Поэтому втулки научили вращаться в корпусе, что вдвое снизило соотношение угловых скоростей в узле. Сама турбина, вращающаяся в потоке раскаленных выхлопных газов, обязательно должна быть изготовлена из дорогих и термостойких сплавов. Вероятно, в будущем производители перейдут на керамические турбины. Так как турбокомпрессор включен в систему смазки двигателя, масло постарается пролезть в выхлопной и всасывающий коллекторы. Чтобы не допустить этого, были придуманы специальные уплотнения — обычные сальники в таких экстремальных условиях работать не умеют.

Питание

В соответствии с законами физики воздух, сжимаемый компрессором, нагревается, и плотность его падает, ухудшая наполнение цилиндров. Иногда, чтобы охладить воздух, его пропускают через радиатор или, по‑научному, интеркулер. Турбонаддув с промежуточным охлаждением работает более эффективно. Чтобы избежать чрезмерного увеличения давления наддува на высоких оборотах, способного повредить двигатель, существуют регулировочные клапаны. При повышении давления на впуске срабатывает мембрана, связанная с тарельчатым клапаном, встроенным в выпускную систему. Часть выхлопных газов пускается в обход турбины, и производительность турбокомпрессора падает. Конечно, наддув удорожает стоимость двигателя (и, соответственно, автомобиля), снижает его ресурс. Как и любой продукт высоких технологий, турбокомпрессор нуждается в квалифицированном техническом обслуживании и может в самый неподходящий момент выйти из строя. Так что водителям, спокойно следующим из пункта А в пункт Б, наддув совершенно не нужен. Но когда на ровной магистрали перед капотом асфальтовая лента до горизонта — и, повинуясь акселератору, «просыпается» и подает свой голос турбина… Вот тогда, чувствуя, как машина обретает новый импульс движения, настоящий любитель скорости в очередной раз ощущает, что наддув — это вещь!

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2004).