Принудительный наддув: курс дыхательных техник

Леонид Попов
Визуализация Антона Финицкого и Дарьи Мещеряковой.

Мне давно хотелось написать о том, как атмосферники и турбомоторы борются за место под солнцем — то есть за наше с вами внимание. Но если в случае с атмосферным мотором можно сразу переходить от базовых принципов работы двигателя внутреннего сгорания к нюансам оптимизации, то наддувный представляет собой упряжку из двух сущностей. Непростые отношения ДВС и агрегата принудительного наддува заслуживают отдельной заметки.

Зачем дуть

В начале был, как вы понимаете, атмосферник: воздух в цилиндры поступал под действием разности атмосферного давления и разрежения в цилиндре на такте впуска. Но уже в конце XIX века появилась идея принудительного нагнетания воздуха — так можно сжечь в цилиндре больше топлива за один такт и получить больше мощности с того же рабочего объёма.

Идея эта уже лежала на поверхности. В разгар промышленной революции создавалось множество разных компрессоров для нагнетания свежего воздуха в угольные шахты или доменные печи. В 1878 году шотландский инженер Дугалд Клерк разработал первый нагнетатель, предназначенный для работы в составе двухтактного ДВС. Однако речь шла не столько о добавочном давлении воздуха, сколько о продувке — то есть лучшей очистке рабочего цилиндра от выхлопных газов и вытеснении их свежим зарядом.

Мотор Клерка содержал рабочий цилиндр (на схеме слева) и нагнетательный для заталкивания топливовоздушной смеси в основной. На фото — мотор того же принципа, но с двумя парами цилиндров.

Первая конкретная идея дополнительного наполнения цилиндра принадлежит Готтлибу Даймлеру. В 1885 году он запатентовал одноцилиндровый четырёхтактный двигатель с насосным использованием подпоршневой полости не только для продувки, но и для закачки в камеру сгорания дополнительного воздуха в конце основного впуска, что, по сути, уже является наддувом. Давление создавалось в герметичном картере ДВС при движении поршня вниз, затем через клапан в поршне воздух поступал в цилиндр.

Мотор Даймлера Standuhr («напольные» часы по-немецки) был, к слову, одним из самых ранних ДВС на бензине.

Однако дальнейшего развития эта идея не получила, поскольку возможности подобного насоса ограничивались геометрией самого двигателя. Для подачи заряда логичнее было использовать отдельное устройство — нагнетатель. Меняя его размеры и передаточное отношение привода, можно было регулировать наддув без переделки цилиндров и картера. По этому пути и пошла инженерная мысль в погоне за давлением, тягой и мощностью.

Как дуть

Агрегаты наддува делятся на две основные ветви. Турбокомпрессоры работают под действием выхлопных газов и стоят двигателю сравнительно небольших потерь. Приводные нагнетатели связаны с коленчатым валом ременной или зубчатой передачей и отбирают заметную долю мощности мотора.

Оговорюсь сразу, что все они — компрессоры, сжимающие воздух. Но в просторечии слово «компрессор» прилипло к приводным нагнетателям. Наверное, оттого, что термин пришёл в русский язык раньше автомобилей и уже ассоциировался именно с механическим насосом. А возможно, из-за ранних маркетинговых обозначений вроде мерседесовского Kompressor, ставшего нарицательным. Как бы там ни было, мы в редакции тоже так делаем — и используем кавычки для ясности.

«Компрессоры», в свою очередь, делятся на три основных вида. Самый старый роторно-лопастной нагнетатель типа Roots (по фамилии братьев-изобретателей Рутс) запатентован аж в 1860 году. Изобрели его для нужд металлургии. Он снабжён парой роторов с двумя лопастями или сечением в виде трилистника. Роторы синхронизированы шестернями, обеспечивающими небольшой зазор, и вращаются навстречу друг другу.

Нагнетатели Roots изначально были двухлопастными с прямыми роторами, а в 1949-м компания Eaton интегрировала привычные нам спиральные с двумя или тремя лепестками.

В 1890 годах Даймлер проводил опыты по приводу компрессора типа Roots от коленвала ДВС. Но ждать его применения на серийных автомобилях пришлось до начала 1920-х, когда появились сразу два Мерседеса: 6/25/40 PS и 10/40/65 PS. Впоследствии только ленивый не использовал это решение.

Синим показан приток свежего воздуха, красным — выход сжатого. Числа в индексе Мерседесов — мощность в лошадиных силах: налоговая/атмосферная/максимальная с использованием наддува.

В силу внешнего сходства с турбокомпрессором, о котором скажу ниже, современному глазу ближе всего центробежный нагнетатель, внутри которого прячется колесо с лопатками — импеллер. Луи Рено получил на него патент для использования совместно с ДВС ещё в 1902-м и экспериментировал на ранних спортивных машинах. Однако в мелкую серию центробежники попали только в 1930-х в США на шикарных автомобилях Duesenberg и Cord, а мы их знаем прежде всего по авиационным моторам.

Duesenberg SJ 1933 года. Нагнетатель разместили плашмя над впускным коллектором. Выхлоп пришлось вывести через стенку капота, что стало визитной карточкой «компрессорных» моделей марки.

Совершенствование технологий металлообработки привело к появлению в 1930-х третьей разновидности — винтового нагнетателя Lysholm, напоминающего внутри мясорубку. Шведский инженер Лисхольм делал его не под автопром, и до появления Мазды Xedos 9 (она продавалась под именем Eunos 800 дома, Millenia — в США) в 1993 году никто не пытался его адаптировать для нужд серийного автомобиля. «Компрессорные» Мерседесы AMG в 2000-х оснащались именно Лисхольмами, популярны они и в американском тюнинге. Хотя наиболее востребованной среди «приводников» сегодня остаётся старая добрая схема Roots.

Лисхольм и Мазда — механический компрессор ставился на 211-сильный мотор V6 2.3 с циклом Миллера.

Турбонаддув, в котором работу по приводу компрессора берут на себя выхлопные газы, — чуть более молодая, но и самая динамично развивающаяся технология наддува. Первым запатентовал такое устройство швейцарский инженер Альфред Бюхи в 1905 году. Правда, его конструкция отличалась от той, что мы видим сегодня. Замысел Бюхи подразумевал расположение на одном валу осевого лопастного компрессора (подобного тем, что используют современные турбореактивные двигатели), радиального поршневого ДВС и опять же осевой турбины.

Патент Бюхи.

Но революционный принцип — использовать пропадающую почём зря энергию выхлопных газов — Бюхи сформулировал точно. Увы, схема с осевыми лопаточными колёсами была громоздкой, и наиболее эффективной реализации этой идеи пришлось подождать до сороковых. «Золотой стандарт» родился в 1944 году: немецкий инженер Вернер фон дер Нюлль догадался соединить центробежный нагнетатель — тот самый, известный ещё со времён Рено, — и радиальную турбину. Получился компактный узел, удобный для установки даже на моторы легковушек, не говоря уж о более крупных двигателях.

У турбокомпрессора красным мы показываем выхлопные газы, которые вращают турбинное колесо, закреплённое на одном валу с компрессорным. Оно нагнетает свежий воздух (синяя стрелка) в цилиндры. Любому агрегату наддува нужны ещё системы смазки, охлаждения и регулировки давления.

Несмотря на то, что попытки использовать турбонаддув в автопроме без особого успеха предпринимались с середины 1920-х, а первый грузовой турбодизель Saurer датируется 1938 годом, серийное применение турбонаддува в автопроме началось после войны — с дизельных грузовиков Volvo L395 Titan Turbo. Первыми же ласточками в легковом сегменте стала пара моделей концерна General Motors — в 1962-м появились сначала Oldsmobile F-85 Jetfire с наддувным двигателем V8 3.5, а затем Chevrolet Corvair Monza Spyder.

Jetfire оснащался карбюраторной «восьмёркой» мощностью 215 «американских» сил (218 л.с., 406 Н•м). В отличие от современных систем нагнетатель находился после дросселя.

При разработке Олдсмобиля F-85 инженеры GM думали не столько об экономичности, сколько о повышении мощности и тяги в компактной (по представлениям американцев) модели. Помимо того, уровень форсировки в одну «лошадку» на кубический дюйм рабочего объёма (или 61,9 метрических л.с./л и выше) считался признаком продвинутой техники. Столько в ту эпоху выдавали топовые версии атмосферных V8, адресованных маслкарам, а также машинам для участия в гонках.

Главным вызовом для наддувных ДВС на первых порах стала детонация — неконтролируемый процесс взрывного самовоспламенения смеси в камере сгорания (про эту напасть у меня есть глава в очерке про бензин). Там целый букет факторов риска: от температуры и давления воздуха в цилиндре в конце такта сжатия до применяемого топлива. У наддувных моторов и степень сжатия обычно ниже, чем в атмосфернике, и давление наддува подбирается так, чтобы не допускать перегрева нагнетаемого воздуха и минимизировать риск детонации.

Volvo Titan вышел в 1951 году с атмосферными дизелями, а в 1954-м получил турбодизель Volvo TD96.

Кстати, о давлении. Мы в редакции обычно указываем значение избыточного давления во впускной системе без учёта атмосферного. Но некоторые производители их суммируют и бравируют показателями давления абсолютного — безо всяких на то сносок. Поэтому слишком уж борзые числа из ТХ свыше двух атмосфер заслуживают фактчека на «абсолют» или «избыток».

Стандартных границ для классификации избыточного давления не существует. Обычно в индустрии к так называемому наддуву низкого давления относят «избыток» в диапазоне 0,2–0,6 бара. Высокое начинается с 0,8 бара (по некоторым источникам, от 1,2). Между ними лежит небольшая пограничная зона в виде давления среднего.

Так вот, в Олдсмобиле F-85 наддув был не особо производительным: 0,34 бара в пике. Но у мотора была сравнительно высокая степень сжатия (10.25:1), что создавало риск детонации. И хотя в авиации уже лет двадцать для охлаждения наддувочного воздуха применялись промежуточные теплообменники-интеркулеры, автопром обходился без них. Инженеры концерна GM подавляли детонацию впрыском жидкости Turbo Rocket Fluid — смеси дистиллированной воды, метанола и ингибитора коррозии — во впускной коллектор, перед компрессором. В нагретом после сжатия воздухе жидкость испарялась, снижая температуру воздуха, идущего в цилиндры.

Установить интеркулер на серийную машину первым позволил себе производитель дорогих спорткаров Porsche в 1977 году. Благодаря внедрению теплообменника и невысокой степени сжатия 6,5:1, двигатель 3.3 на купе 911 turbo серии 930 развивал 300 л.с. при давлении наддува до 0,8 бара. Эта прорывная для марки модель стала предтечей турбоэры в массовом автопроме.

Волна глобального интереса к турбонаддуву в 1970-х была вызвана топливным кризисом. Ответом на новые вызовы стала и двухлитровая турбочетвёрка на Saab 99 Turbo 1977 года (145 сил). Не то чтобы у шведов были ресурсы для создания мощных двигателей V8, но их моторчик с избыточным давлением до 0,7 бара пришёлся очень кстати в то время, когда от прожорливых «восьмёрок» стали отказываться их главные апологеты и автопром взял курс на даунсайзинг. Можно сказать, что с подачи Сааба наддув стал мейнстримом. А в начале 1990-х годов Saab начал применять и иной подход: турбонаддув низкого давления, 0,25–0,4 бара. Первоочередными целями были экономичность (выбросы) и эластичность.

Плюсы

Одним из основных преимуществ наддувных ДВС является широкий диапазон крутящего момента. Если у атмосферника кривая момента на графике внешней скоростной характеристики обычно выглядит как горб, то у многих наддувных агрегатов на значительной части рабочей зоны момент оказывается постоянным или почти одинаковым — максимальным либо близким к максимальному.

«Горб vs полка»: крутящий момент атмосферных агрегатов VW EA111 1.6 CFNA и CFNB против наддувного EA211 1.5 TSI evo.

Полка момента получается за счёт того, что давление наддува искусственно ограничивают. Без контроля турбокомпрессор способен выдуть и больше, но тогда это, повторюсь, приводило бы к детонации и чрезмерным нагрузкам на детали. Поэтому при достижении мотором нужного крутящего момента специальный клапан сброса, вестгейт (от англ. wastegate), открывается на горячей стороне и переправляет часть выхлопных газов в трубу в обход турбины.

По мере того как фокус индустрии смещался в сторону более точного контроля за давлением, появлялись дополнительные клапаны на холодной стороне компрессора. Клапан блоу-офф (от blow-off) ставится перед дросселем и сбрасывает избыточное давление в атмосферу в ситуации, когда резко закрывается дроссельная заслонка и может возникнуть ударная волна на впуске, разрушающая компрессорное колесо.

Байпасный клапан в той же ситуации перенаправляет воздух внутри системы и часто используется при комбинированном наддуве, состоящем из нескольких узлов. В зависимости от режима работы ДВС, нагрузки и оборотов воздух может двигаться разными путями, как показано на схеме выше.

Проблемы и решения

В отличие от связанного с коленвалом «компрессора», турбокомпрессор — самостоятельная вращающаяся система. Эта особенность сильно влияет на отклик наддувного двигателя. Чтобы создать нужное давление на впуске, турбокомпрессор должен набрать соответствующие обороты — частота вращения его вала может превышать 100 000 в минуту. Для этого необходима достаточная энергия выхлопных газов, а сама раскрутка требует времени.

Про турбояму знают все — так обычно называют провал тяги перед выходом двигателя на наддув. Но за этим ощущением могут стоять две разные проблемы: высокий порог наддува и турболаг. Порог наддува — это обороты коленвала, ниже которых энергии выхлопных газов недостаточно для создания требуемого давления на впуске. А турболаг — задержка нарастания наддува после открытия дросселя, когда двигатель уже способен обеспечить нужное давление, но турбокомпрессору ещё требуется раскрутиться.

В двухпоточной системе Twin-Scroll — одна турбина с раздельными каналами для потока газов от разных цилиндров. Так они меньше мешают друг другу и быстрее раскручивают крыльчатку.

Условный пример: на 1200 об/мин двигатель не способен обеспечить запрошенное давление даже при полностью открытом дросселе. Это ограничение по порогу наддува. На 2500 об/мин такое давление достижимо, однако после резкого открытия дросселя устанавливается лишь спустя некоторое время. Это турболаг.

Конструкторы ответили на этот вызов целым арсеналом уловок. Одна из самых эффектных — система антилага (ALS, Anti-Lag System), поддерживающая вращение турбины при сбросе газа. В 1981 году подобное устройство применяли в Формуле-1 на Ferrari 126CK. Когда водитель закрывал дроссели, специальный клапан направлял сжатый воздух из впускного тракта в выпуск, перед турбиной. Подача топлива при этом продолжалась, и несгоревший бензин догорал в горячей выпускной части. Энергия этого горения не давала турбокомпрессору сильно замедлиться, сокращая задержку при повторном нажатии на газ.

Мотор V6 1.5 на болиде Ferrari 126CK за счёт пары турбокомпрессоров KKK выдавал 560 сил при 11 000 об/мин.

Но одно дело — двигатель формульного болида, спрятанный под обтекателями, и совсем другое — когда подобная система появляется на раллийной Audi, которая несётся с грохотом и вспышками пламени из выхлопа по дорогам общего пользования. В середине 1980-х антилаг дебютировал на Audi Sport quattro S1 E2 из раллийной Группы B. Её внешнее сходство с серийной машиной делало происходящее особенно впечатляющим.

Система Audi, известная как Umluft, использовала тот же принцип: при сбросе газа воздух после компрессора направлялся в обход цилиндров в выпускной коллектор, где поддерживал догорание топлива и вращение турбины. На извилистых спецучастках с постоянными разгонами и торможениями быстрый возврат тяги был особенно ценен. Антилаг не давал Audi свалиться в турбояму, но расплачиваться приходилось дополнительным расходом топлива и огромной тепловой нагрузкой на выпуск и турбину.

Огонь из выхлопной трубы и громкие хлопки сопровождали эффектное выступление этой Audi в ралли, а тем временем выпускной коллектор под капотом раскалялся до оранжевого свечения.

Такая «огнедышащая технология» не годилась для повседневной техники. Для неё решением проблемы турболага стал электрический наддув. Работа над такими системами началась не один десяток лет назад, хотя на серийных легковушках эта техника внедрена была в середине 2010-х годов.

К обычному турбонаддуву добавили компрессор, раскручиваемый мощным электромотором. На малых оборотах, когда водитель резко нажимает на педаль акселератора, первым в дело вступает именно электрический наддув. Компрессорное колесо выходит на высокие обороты за доли секунды и создаёт достаточное давление наддува. А уже потом эстафету принимает обычный турбокомпрессор, электрическая же помощь снижается или сходит на нет.

Автопроизводители внедряли такие системы и в виде отдельного компрессора, и в виде электромотора, интегрированного непосредственно в турбокомпрессор.

Сверх того, инженеры придумали наддув комбинированный — микс из приводных нагнетателей и турбонаддува, а также сочетание в одном двигателе нескольких турбин разного размера. Большие эффективны при высоком потоке выхлопных газов, но у них ощутимая инерция. Крохотные раскручиваются быстрее и создают приличное давление с минимальной задержкой отклика.

После одиночного наддува появились системы с двумя и более турбонагнетателями, работающими параллельно или последовательно (иногда это узлы разного размера, оптимизированные для работы на разных оборотах ДВС).

Важным шагом стало внедрение турбин с изменяемой геометрией. Это когда при небольшом потоке выхлопа подвижные направляющие лопатки сужают проходные каналы, ускоряя газы перед турбинным колесом, а с ростом расхода открываются — хороший отклик на низах удаётся совместить с высокой мощностью. Уже в 1985 году компания IHI внедрила поворотные лопатки на грузовых дизелях. Попытки бензинового применения последовали почти сразу, но более горячий (около тысячи градусов против 700 ºC у дизелей) выхлоп предъявлял особые требования к жаростойкости деталей и тепловым зазорам подвижного механизма. Технология долго не приживалась.

Турбина с изменяемой геометрией соплового аппарата (VTG) умеет притворяться то маленькой и отзывчивой, то большой, способной пропустить много газов.

Только к 2006 году компаниям Porsche и BorgWarner удалось внедрить поворотные лопатки на оппозитной «шестёрке» 3.6 у 911 Turbo серии 997. Передовые жаропрочные материалы, тщательно рассчитанные тепловые зазоры и электрический привод позволили двум регулируемым турбинам надёжно работать при требуемых 1000 ºC. Даже вестгейты не понадобились — их роль выполняли лопатки. Пиарщики провозгласили Porsche пионером на бензиновом поприще, хотя первопроходцами были Honda и Chrysler.

Двухлитровый V6 с системой Wing Turbo дебютировал на седане Honda Legend в 1988 году. Крайслеровская «четвёрка» 2.2 Turbo IV с турбокомпрессором Garrett VNT появилась на мелкосерийном хэтчбеке Shelby CSX-VNT в 1989-м.

А по-настоящему большой рынок изменяемой геометрии обеспечил европейский бум турбодизельных легковушек, начавшийся в 1990-х. Более щадящий температурный режим облегчал жизнь механизму, а улучшение отклика и расширение диапазона хорошей тяги оправдывали усложнение конструкции. Лопаточный аппарат, приводы и управление совершенствовались вместе с материалами.

В 1991 году дизель 1.9 с турбокомпрессором Garrett VNT появился на лифтбеке Fiat Croma, затем технология стала распространяться среди других легковых моделей.

К слову, существовал и механически более простой путь: менять проходное сечение одной заслонкой. Инженеры компании Nissan описывали такую конструкцию ещё в 1986 году. А в 1993-м седан Peugeot 405 T16 получил двухлитровый турбомотор, оснащённый турбокомпрессором Garrett VAT25 с вестгейтом и регулируемым подводом газов к турбинному колесу при помощи единственной заслонки. Подвижных деталей стало меньше, но такой наддув не взлетел — после смены поколений в Peugeot к этой теме не возвращались.

Peugeot 405 T16 и её нагнетатель. Машина была сложной и дорогой: полный привод, жидкостное охлаждение наддувочного воздуха… И всё это — под занавес производственного цикла.

Ещё более редкая технология устранения турболага потребовала очередного усложнения конструкции. При спокойном движении маленький компрессор накачивает воздух в баллон под высоким давлением (10–25 бар). При резком нажатии на педаль этот воздух подаётся в выпускной коллектор и быстро раскручивает турбину. Volvo создала такую установку PowerPulse в 2015 году. Похожую систему под названием Air Injection получил гиперкар Koenigsegg Jesko в 2019-м. Но там порция сжатого воздуха направляется прямо в корпуса турбин, выполненные при помощи 3D-печати.

Система PowerPulse применялась на некоторых легковых дизелях Volvo.

Сложность агрегатов ограничивается бюджетами компаний и фантазией разработчиков. Чего только стоит шестицилиндровый квадротурбодизель BMW, выпускавшийся в конце 2010-х. Ради выдающейся для серийных дизелей форсировки в 133,6 л.с./л (400 сил при объёме 2993 см³) инженеры поставили на рядный шестицилиндровый агрегат два турбокомпрессора низкого давления и два турбонагнетателя высокого давления с изменяемой геометрией.

Позалипайте в закольцованное видео ниже: в зависимости от оборотов ДВС и нагрузки они соединяются между собой в разных сочетаниях благодаря целой системе каналов и заслонок. Так удалось совместить форсировку и хороший отклик на нажатие педали газа с низкими выбросами. А вот, кстати, местный пример тюнинга этого движка до 525 сил.

Интересно, что в автоспорте один из главных аргументов в пользу применения турбокомпрессоров — практически тот же, что и на гражданских моделях. Это высокий КПД всей установки, конвертируемый в сниженный расход топлива и уменьшенные выбросы вредных веществ. Казалось бы, где расход и где спорт? Но вспомните, что во многих чемпионатах регламентируется максимальный расход горючего или объём бака на гонку. Это и Формула-1, и различные ралли, и гонки на выносливость.

Приводные компрессоры тут проигрывают хотя бы потому, что отнимают слишком много мощности у мотора для своей работы, что чревато лишним расходом горючего. А ещё приводные компрессоры хуже работают в разреженном воздухе. В горах (гонках на большой высоте над уровнем моря или соревнованиях по подъёму на холм) компрессорам с приводом от коленвала не хватает производительности. Зато турбокомпрессоры спокойно компенсируют разреженность атмосферы. Правда, приводные компрессоры прочно обосновались в драг-рейсинге, где на расход всем плевать, но это уже совсем другая история.

5