Способы увеличения мощности двигателя

Одной из основных характеристик двигателя, важных для потребителя, является его мощность. Ведь именно от нее зависит грузоподъемность автомобиля и, следовательно, его назначение. Но кроме практических задач, мощные машины – это еще и удовольствие, к которому неравнодушны почти все водители.

Известно, что мощность зависит от количества сжигаемого топлива за определенный интервал  времени. А значит, создать мощный мотор, на первый взгляд, задача не сложная – чем больше горючего, тем сильнее двигатель. Из предыдущих статей мы помним, что для горения топлива необходим воздух, точнее кислород, являющийся одним из его компонентов.  И соотношение топлива с воздухом должно находиться в строго определенной стехиометрической пропорции (примерно 1 к 15-ти). Так что если увеличение подачи топлива в цилиндры задача простая: достаточно лишь повысить производительность насоса, то с воздухом все гораздо сложнее. На обычном двигателе, который принято называть атмосферным, воздух засасывается при движении поршня вниз. Выходит, что его количество ограничено объемом цилиндра. То есть, для того чтобы сжечь больше топливовоздушной смеси, необходимо увеличивать его объем. Однако с увеличением рабочего объема двигателя, увеличиваются его размеры и масса. В начале прошлого века мощные автомобили можно было определить по огромному моторному отсеку, в котором скрывались 8-12-цилиндровые монстры.

Из школьного курса физики известно, что воздух, как и все остальные газы, под действием давления имеет свойство сжиматься, а, стало быть, в таком состоянии количество кислорода, необходимого для горения топлива, в цилиндры двигателя можно подать больше. В результате топливовоздушная смесь, при одном и том же объеме, может иметь больший энергетический заряд.

Такая идея увеличения мощности, без изменения рабочего объема двигателя, пришла в голову Готтлибу Даймлеру еще в 1885 году. Его устройство представляло собой вентилятор, приводящийся в движение от вала двигателя. Однако тогда конструкция имела множество недостатков, чтобы претендовать на использование.

В 1905 Альфред Бюхи запатентовал еще одну идею. В его разработке турбина, нагнетающая воздух, приводилась в движение за счет энергии выхлопных газов.
Впервые начали использовать нагнетатели воздуха в военной авиации. Их стали устанавливать на авиационные двигатели, чтобы компенсировать худшее наполнение цилиндров воздухом при высотных полетах. Затем в 20-х года годах их можно было встретить на спортивных автомобилях, а десять лет спустя  и на гражданской технике.

Первыми нагнетателями на автомобилях стали механизмы, работа которых была основана на принципе роторно-шестеренчатого нагнетателя братьев Roots, изобретенного еще в 1859 году (первоначальными задачами этого устройства являлась вентиляция шахт). Нагнетатель представляет собой корпус, в котором вращаются в противоположные стороны две прямозубые шестерни. В объеме, который создается полостью между зубьями шестерни и корпусом, воздух не сжимается, а перемещается от впускного к выпускному коллектору. Сжимается он после: в нагнетательном трубопроводе. Такие нагнетатели еще называют компрессорами с внешним сжатием.

Недостатком такой конструкции является то, что с ростом давления в нагнетательном трубопроводе воздух начинает просачиваться обратно. Частично предотвратить это можно применением многоступенчатых нагнетателей.
Эти механизмы можно встретить и сегодня в автомобильной промышленности. Они носят имя своих изобретателей – нагнетатели типа Roots. В 1936 году Альф Лисхольм представил схожую конструкцию с нагнетателем типа Roots. Разница заключалась в том, что воздух двигался вдоль осей роторов.  И главным достоинством перед предыдущей разработкой стало то, что воздух, за счет изменения объема полостей между вращающимися роторами и корпусом, кроме перемещения, еще и стал сжиматься внутри (степень повышения давления может достигать семи).

Главным недостатком, из-за которого компрессоры Lysholm не нашли массового применения, была сложная форма роторов, производство которых требует высокой точности, что, естественно, отражается на их стоимости и надежности. Кроме того, такие компрессоры обладают высокой шумностью. Положительная черта механических нагнетателей типа Roots и Lysholm заключается в том, что они создают незамедлительное повышение давления, обеспечивая ровную работу мотора. Очень часто такие механические компрессоры используются тюнинговыми ателье, так как при установке требуют незначительных изменений в существующей конструкции. 

Центробежный компрессор стал следующим этапом в развитии наддува. Из-за своего внешнего вида его прозвали улиткой. В корпусе такого устройства вращается крыльчатка. Воздух всасывается по центру и отбрасывается по периферии. Благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. В отличие от предыдущих компрессоров, его обороты значительно выше оборотов двигателя  (до 100 000 об/мин), поэтому для их увеличения используется дополнительный мультипликатор.

Производительность такого мотора нелинейная, так как количество воздуха растет с увеличением скорости вращения мотора. А это значит – ожидаемый прирост мощности заметен исключительно на высоких оборотах двигателя.
Минусом механических нагнетателей, приводящихся в движение с помощью  соединения их с коленчатым валом двигателя при помощи ременной передачи, является отбор мощности (около 20%) у двигателя.

Турбокомпрессор – это наиболее часто встречаемая на автомобилях конструкция, увеличивающая количество подаваемого в цилиндры воздуха. Конструктивно он почти идентичен центробежному компрессору. Основное отличие заключается в типе привода. Вращается его крыльчатка за счет энергии выхлопных газов. Подобная схема позволяет меньше отбирать мощность у двигателя: всего 1,5 %. Однако и он обладает своими минусами, главным из которых является инерционность. После увеличения оборотов необходимо время, чтобы раскрутить турбокомпрессор, обладающий определенной массой. Такая запоздалая реакция на педаль акселератора среди автолюбителей называется турбояма. Связано это явление с тем, что турбина не успевает так быстро раскручиваться вместе с двигателем, а крыльчатка турбины в тоже время создает сопротивление выхлопным газам. Частично бороться с этим явлением научились установкой двух турбин. Часто моторы с такой конструкцией имеют приставку  biturbo. Одна из турбин  предназначается для работы на небольших оборотах двигателя, другая на "верхах". Преимущества такой схемы заключаются в том, что каждый ротор получается меньше, а значит легче и менее инерционный.

Одним из последствий работы компрессоров является то, что при сжатии воздух нагревается и расширяется в объеме, что влечет уменьшение его плотности и, соответственно, содержания кислорода. Поэтому воздух перед турбиной стали дополнительно охлаждать. Устройства, при помощи которых понижается температура воздуха, называются интеркулерами (промежуточный радиатор для воздуха). Перед тем  как попасть в цилиндры, воздух проходит через них и дополнительно охлаждается.  Для тех, кто решится на доукомплектацию своего автомобиля таким приспособлением, необходимо учитывать, что нагрузки на кривошипно-шатунный механизм возрастают. И на таких моторах, как правило, изготавливаются более прочные: коленчатый вал, шатуны и поршневые пальцы.

Кроме того, автомобиль укомплектованный такими устройствами становится дороже. В связи с высокой скоростью вращения, турбины очень требовательны к смазочным материалам и обладают невысоким сроком службы (около 150-200 тыс. км). Для того чтобы продлить их жизнь, необходимо помнить основное правило – не глушить мотор сразу же после его работы на высоких оборотах, а дать ему пару минут поработать на холостом ходу.  В противном случае, давление масла падает быстрее, чем останавливается турбина, тем самым механизм работает некоторое время без смазки. Кроме того, резкое падение температуры масла приводит к его коксованию, что также отражается на его характеристиках.
И все же, кроме притока мощности, такие моторы экономичнее, а значит, меньше загрязняют окружающую среду. Именно поэтому их все чаще и чаще можно встретить на современных автомобилях.