Компрессор под капотом: особенности и история

С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания конструкторы искали все новые способы повышения его коэффициента полезного действия: увеличения мощности и снижения расхода топлива. Одним из наиболее удачных способов является установка механического нагнетателя.
Как известно, в цилиндрах двигателя топливо в сочетании с воздухом образует рабочую смесь, которая сгорает, что освобождает энергию для вращения коленчатого вала. Но как улучшить этот процесс сгорания? Физика подсказывает, что сгорание – процесс окисления, соответственно, оно будет более эффективным при большем количестве кислорода. Если двигателю его не хватает, значит нужно принудительно нагнетать воздух в камеру сгорания. Для этого используют компрессоры. Они схожи по конструкции, но если турбину вращают отработанные газы, то механический нагнетатель приводится ремнем непосредственно от шкива коленчатого вала мотора.
Интересно, что первые компрессоры были изобретены еще до появления двигателя внутреннего сгорания. Роторный нагнетатель запатентовали в 1859 году в США братья Филандер и Фрэнсис Рутс, а предназначен он был для вентиляционных систем в шахтах. В 1878 году Дугальд Клерк установил компрессор на двухтактный двигатель внутреннего сгорания, а в 1885 году «отец автомобиля» Готлиб Даймлер запатентовал нагнетатель собственной конструкции. В 1902 году Луи Рено изобрел центробежный нагнетатель, а шесть лет спустя в США представили первый гоночный болид с компрессорным двигателем. На испытаниях он разогнался до 160 км/ч. В 1937 году шведский инженер Альф Лисхолм запатентовал винтовой компрессор.
Развитие двигателей с механическими нагнетателями началось после Первой мировой войны. Поначалу, наибольшее распространение они получили в авиации, ведь позволяли не только нарастить мощность двигателя, но и давали ему возможность работать на больших высотах, где ощущался недостаток кислорода. Компрессорные моторы получили известные истребители Як-3 и Supermarine Spitfire.
Преимущества технологии быстро оценили и автопроизводители. В 1921 году увидели мир серийные Mercedes-Benz 6/25/40 и 10/40/65 с нагнетателями братьев Рутс. Вскоре компрессорные моторы стали популярными в автогонках. Благодаря им мощность болидов Alfa Romeo, Auto Union, Bentley, Bugatti, Maserati и Mercedes-Benz увеличилась в несколько раз. Так, Mercedes-Benz W125 1937 года получил 5,7-литровую «восьмерку» с двумя нагнетателями, которая развивала невероятные 592 л. с. Но на серийных моделях компрессоры поначалу были не очень надежными и «убивали» ресурс мотора. Так, на Mercedes-Benz 500К и 540К нагнетатель включался вручную, причем рекомендовалось не использовать его больше, чем одну минуту.
Хотя в общих чертах схема работы различных типов механических компрессоров схожая, в их конструкции есть существенные различия. Нагнетатели разделяют на две больших группы – динамичные и объемные. В динамичных компрессорах упор делается на разгон воздуха до большой скорости. К ним относят центробежный нагнетатель, который по конструкции очень напоминает турбину. Главная его деталь – рабочее колесо, установленное на валу, который приводится в движение от колен вала. Вращаясь со скоростью до 200 000 об/мин, оно засасывает воздух, сжимает его и разгоняет, используя центробежную силу. Затем через воздухосборник, напоминающий по форме улитку, воздух направляется во впускной коллектор. Производительность нагнетателя зависит от его скорости вращения и, соответственно, от оборотов двигателя. Поэтому такие компрессоры устанавливают в высокооборотистых моторах – например, в V8 шведского спорткупе Koenigsegg CCX.
Объемные нагнетатели направляют воздух в цилиндры порционно. Их существует несколько видов, они названы по имени разработчиков. Самым распространенным является роторный компрессор Roots. В его корпусе размещены два ротора на валах, соединенных между собой шестернями. Они вращающиеся в разные стороны со скоростью 2000 об/мин. За счет разрежения воздух засасывается и сжимается в нагнетательном трубопроводе, а затем направляется во впускной коллектор. В 1949 году конструкцию Roots усовершенствовали в британской компании Eaton, применив специальные косозубые роторы. В наши дни нагнетатели типа Roots – самые распространенные, их можно встретить на таких автомобилях как Audi S4, Chevrolet Corvette ZR1, Ford Mustang Shelby GT500.
К объемным нагнетателям также относят винтовые компрессоры Lysholm. Внутри они похожи на агрегаты Roots, но их роторы имеют спиральную форму – напоминают сверла. При вращении они контактируют друг с другом, как две шестерни. Поэтому при их вращении воздух сжимается в самом корпусе компрессора. Нагнетатели Lysholm ? эффективнее и значительно тише компрессоров Roots, но и сложнее в производстве. Поэтому их, как правило, устанавливают на дорогие модели вроде Ford GT или Mercedes-Benz SLR McLaren.
Наконец, последний тип объемного компрессора – спиральный нагнетатель. Он состоит из спирального ротора, который вращается в спиральном корпусе. Спиральные компрессоры обладают более высоким коэффициентом полезного действия, но при этом очень трудоемки в производстве и ненадежны. Их использовали в конце 80-х и начале 90-х годов в двигателях Volkswagen Corrado, Golf, Passat.
Независимо от типа, все компрессоры имеют одно неоспоримое преимущество – они обеспечивают прибавку в мощности и крутящем моменте, причем уже с низких оборотов. В этом их преимущество над турбинами, которым требуется время, чтобы раскрутиться. Кроме того, механические нагнетатели Roots и Lysholm весьма надежны и неприхотливы. Но поскольку компрессор приводится от коленчатого вала, то отбирает для своей работы часть мощности у двигателя – порой до 20%, если он слишком большой. Кроме того, всасываемый воздух при сжатии нагревается, поэтому устанавливают промежуточный охладитель – интеркулер. Это радиатор, в который попадает воздух по пути из компрессора во впускной коллектор.
Хотя в последние годы многие автопроизводители стали все чаще использовать турбонаддув, механические компрессоры по-прежнему популярны и останутся в строю в ближайшем будущем.