Наддуваем: чем компрессор лучше турбины и почему от него всё-таки отказываются
Атмосферные моторы постепенно уходят в прошлое, а способы добавить в цилиндры воздуха становятся всё более разнообразными. Единства в этом вопросе нет: одни полагаются на старые добрые турбины, другие добавляют в них электромотор, третьи вообще полностью переводят турбину на электричество… Чем хороши разные способы нагнетания воздуха, а в чём их недостатки? И почему производители никак не могут решить однозначно, какой из этих механизмов лучше?
Неэффективно и слишком дорого
Было бы большой ошибкой думать, что наддувный мотор – это что-то более-менее современное. Даже сто лет назад было очевидно, что чем больше топлива сгорит в цилиндрах, тем мощнее будет двигатель при том же объёме. А с низким КПД моторов начала прошлого века тема повышения мощности стояла очень остро. Попытки «дунуть» в мотор предпринимали и такие отцы-основатели автомобильной индустрии, как Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель. И обе эти попытки были по-своему замечательными хотя бы потому, что свой первый патент на систему наддува двигателя с принудительным зажиганием Даймлер получил ещё в 1885 году, а Дизель попытался реализовать наддув уже на втором своём моторе в 1896 году. Однако оба эксперимента провалились: литровая мощность у моторов действительно выросла, но устройства для наддува получались слишком сложными и дорогими.
Поэтому первой действительно рабочей схемой можно назвать изобретение Альфреда Бюши в 1905 году, которое он назвал машиной, состоящей из последовательно расположенных компрессора, поршневого двигателя и турбины. Это был первый турбокомпрессор более-менее привычной нам конструкции, причём позже Бюши запатентовал и систему охлаждения наддувного воздуха. Правда, практического толку от этого турбокомпрессора всё равно было мало: в этот раз подвела надёжность. Даже сейчас, с современными материалами и технологиями, довольно трудно собрать долгоиграющую турбину, крыльчатка которой делает десятки тысяч оборотов в минуту при температуре, близкой к тысяче градусов. А уж сто лет назад… Одним словом, долго эти чудеса техники работать не могли, хотя стоили бешеных денег.
А теперь оторвёмся от земли и устремим ищущий взор в небо. В начале прошлого века выяснилось, что самолётам компрессор необходим гораздо больше, чем автомобилям: на высоте нескольких тысяч метров воздух оказался настолько разреженным, что моторы аэропланов работали вполсилы. С этим надо было что-то делать, и выход был найден: всё решалось с помощью установки механического компрессора. Его было проще сделать, чем турбину, он был компактнее первых турбин, и в самолётах показал себя очень даже хорошо. А так как самолётные двигатели в те времена обычно делали автопроизводители, то они совершенно логично решили попробовать компрессоры на автомобильных моторах. Серийно они появились на Мерседесах и Фиатах в 1923 году, но только на очень дорогих спортивных моделях – например, на Mercedes-Benz 10/40 1923 года.
Mercedes Typ 10/40/65 PS Sportzweisitzer '1921–1924
Так как краткость – сестра таланта, мы пропустим долгую историю совершенствования механических приводных компрессоров и турбин середины и второй половины прошлого века. Это очень интересная история, но в ней можно застрять надолго. Лучше попробуем понять, почему в разное время (в том числе и наше) производители метались и до сих пор мечутся между механическими компрессорами и турбонаддувом (или турбокомпрессорами) и никак не могут выбрать, что в итоге больше подходит автомобилям.
Совершенству нет предела
Если коротко, то ни тот, ни другой механизм далеко не идеальны, но при этом каждый из них имеет свои плюсы. Начнём с простого приводного компрессора – хотя бы потому, что в виде агрегата наддува массово он появился раньше турбины.
Он хорош тем, что намного проще устроен, а значит, обходится дешевле и при установке, и в ходе эксплуатации. Он не страдает от высокой температуры отработавших газов и не имеет слишком быстро вращающихся элементов. Ему не требуется отдельное охлаждение и при его установке нет необходимости серьёзно изменять систему смазки. Да и к качеству масла в моторе он тоже относится равнодушно. Кроме того, он начинает работать сразу с минимальных оборотов коленвала, то есть, обеспечивает прирост тяги с самых «низов». И ещё ему не требуется какой-то сложной системы управления, и это тоже его серьёзное преимущество.
Приводной компрессор Eaton
К сожалению, недостатков у него тоже много. Самый очевидный – это необходимость отбирать мощность у двигателя для обеспечения собственной работы. А это приводит ещё и к росту расхода топлива. Понятно, что для спортивных автомобилей и автомобилей с объёмными моторами, претендующими на звание люксовых, достаточно высокий расход топлива не критичен. Поэтому нет ничего странного в том, что компрессоры стали популярными, например, в моделях Mercedes-Benz, Aston Martin, Jaguar, Alfa Romeo. Этим автомобилей до недавнего времени нужно было обеспечивать комфорт их владельцу, а не экономить топливо. Так что там они пришлись ко двору.
Двигатель Mercedes-Benz M271 с компрессором
Второй существенный недостаток приводного компрессора – это его низкий КПД. Да, он обеспечивает прибавку тяги с самого низа, позволяя разгоняться быстро и плавно, но взрывной динамики при росте оборотов такой компрессор не даст, а прибавка мощности в итоге получается не слишком впечатляющей.
Турбина в некоторых моментах заметно превосходит приводной компрессор. Во-первых, она приводится в действие практически «бесплатно» – давлением отработавших газов, а значит, не отбирает мощность у двигателя и не делает его более прожорливым, а зачастую даже наоборот. Во-вторых, у неё намного выше КПД, и прирост литровой мощности с ней более существенный.
Турбокомпрессор в разрезе
Однако и минусы у турбокомпрессора тоже есть. Его себестоимость выше, чем приводного компрессора: он сложнее технологически, требует более высокой точности сборки и применения дорогостоящих материалов. А кроме того, внедрение турбины в мотор обходится дороже, чем установка приводного нагнетателя. Основная проблема заключается в том, что турбина требует качественного охлаждения воздуха и эффективной смазки, а установка интеркулера для воздуха и изменение системы смазки ощутимо усложняют общую конструкцию. Вдобавок турбина получается чувствительной к качеству масла, что тоже не красит её по сравнению с компрессором.
Внешний регулировочный клапан (вестгейт)
Ну и, наконец, пресловутая турбояма. На низких оборотах давления отработавших газов не хватает для того, чтобы заставить турбину раскрутиться до рабочих оборотов и создать какое-либо существенное давление наддува, и этот диапазон оборотов – это и есть турбояма. То есть, на низких оборотах турбина оказалась не слишком эффективной и в этом отношении заметно уступала приводному компрессору.
Очевидно, что ни тот, ни другой вариант нельзя назвать идеальным. Что можно придумать, чтобы хотя бы немного приблизить механизм наддува к образцовому? Можно совершенствовать компрессоры, а можно попытаться их объединить, использовав их сильные стороны. И тот, и другой путь иногда приводят к появлению чудесных агрегатов, поражающих воображение одновременно и своей гениальностью, и сложностью.
А теперь – и с электричеством
До конца прошлого века в мире наддува правили бал приводные компрессоры: наддувные моторы в дешёвых машинах практически не использовались, и двигатель с более надёжным и менее капризным приводным компрессором доставался тем, кто мог себе позволить достаточно дорогой и не слишком экономичный автомобиль с хорошей тягой во всём диапазоне оборотов. Как правило, такой двигатель был большого объёма, и всем на это было плевать – статусная вещь не обязана экономить бюджет владельца на топливе или чём-то ещё. Но во временем многое менялось, и турбокомпрессор стал отбирать популярность у приводного. Факторов много: это и развитие технологий, которые позволяли сделать турбину более долговечной, и экологические требования, направляющие развитие моторов в сторону сокращения