Винтовые компрессоры или объемные нагнетатели типа Лисхольм
По имени отца-основателя эти компрессоры иногда называют объемными нагнетателями типа Лисхольм. Они несколько напоминают рутс-компрессоры с роторами спиральной формы, но более всего эта конструкция похожа на мясорубку. С одним лишь отличием: шнек не один, их два, и они особым образом входят в зацепление, имея взаимодополняющие профили. Два ротора («папа» и «мама»), захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед, как мясо вдоль шнека мясорубки. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в рутс-компрессорах.
Еще плюсы: высокая эффективность, надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие. Работают они почти «шепотом» (разумеется, при правильном, точном проектировании и изготовлении). Вот тут-то и кроется, возможно, единственный их минус. Дело в том, что такие компрессоры довольно сложны в производстве и, как следствие, дороги. По этой причине они практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много. Мне удалось найти из серьезных производителей лишь два бренда: Comptech Sport и Whipple Superchargers. Подобные устройства выпускают также некоторые западные тюнинговые ателье – например, Kleemann, AMG. Самое интересное то, что такие совсем недешевые нагнетатели можно найти и у нас.
Шиберные или лопастные нагнетатели
Я просто обязан упомянуть, на мой взгляд, незаслуженно забытые шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это были довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Представьте себе цилиндрический корпус с двумя отверстиями, как правило, растянутыми во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.
Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Более того, при правильном конструктиве шиберный нагнетатель может быть практически на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотистыми, но довольно габаритными. Странно, но на то время это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. Правда, мне удалось найти патенты на ряд конструктивных решений, которые могут возродить шиберные насосы, и, если это произойдет, они по сумме характеристик способны не просто потеснить, но и практически монополизировать рынок компрессоров. Автомобильных в том числе.
Прочие типы
В 80-х годах прошлого столетия компания Volkswagen экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как G-Lader. Сейчас это направление компанией VW свернуто. Однако еще можно встретить автомобили Golf, Passat и Corrado с такими нагнетающими устройствами, и, кроме того, ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры. Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко.
Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух. Интересен тот факт, что изначально знаменитый роторный двигатель Ванкеля был спроектирован как нагнетатель. И, между прочим, некоторое время с успехом использовался в данном качестве. Существуют и так называемые осевые компрессоры. Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении.
Сейчас можно встретить электрические «воздуходувки», построенные по этому принципу. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с моторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Некоторые производители подобных изделий заявляют о 20 л. с. и более прибавки мощности. Не буду утверждать обратного, но, если эти устройства преодолевают хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.
Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, – система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что для лучшего наполнения цилиндров необходимо обеспечить избыточное давление перед впускным клапаном непосредственно в момент его открытия. А стало быть, нужно просто «оседлать» волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы «поймать» волну, нужно менять длину впускного коллектора. Поначалу пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания BMW применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. И энергии мотора на такой «нагнетатель» практически не тратится.
Выводы
Многие считают, что использование нагнетателей может негативно сказаться на ресурсе двигателя. Это и так, и не так. Во всем нужна мера. Начать с того, что, как правило, поломку мотора вызывают повышенные обороты. Стало быть, использование нагнетателя, повышающего крутящий момент на низких и средних оборотах, может, наоборот, благоприятно сказаться на ресурсе двигателя. С другой стороны, если добиваться действительно большого роста мощности, многие штатные детали придется заменить на более прочные. Так, например, кованые поршни и шатуны будут совсем нелишними. В особенности, учитывая более серьезные тепловые нагрузки в камере сгорания, проявляющиеся у наддувных моторов.
При использовании нагнетателей температура оказывает и вполне фундаментальное воздействие. Физику не обманешь. Так уж выходит, что сжатие воздуха всегда сопряжено с повышением его температуры. В некоторых компрессорах это повышение не столь существенно, но в любом случае для увеличения воздушного заряда и снижения потери мощности на привод нагнетателя (за счет снижения противодавления) воздух необходимо охлаждать.
Но еще более важна другая проблема, о которой мало кто задумывается, – детонация. Дело в том, что высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию, т. е. взрыв. Дабы избежать подобных проблем (а детонация может «убить» мотор довольно быстро), можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т. е. снижать степень сжатия. Кроме того, следует внимательно подойти к регулировке угла опережения зажигания. При использовании нагнетателей рекомендуется изменить настройку по зажиганию. Правильный подбор свечей зажигания также немаловажен. На самом деле при установке наддува вопросов возникает куда больше. Установка компрессора на серийный двигатель может привести к различным результатам. И даже готовые комплекты от известных фирм не могут предусмотреть всех нюансов вашего автомобиля. В любом случае установка наддува требует высокого профессионализма инсталляторов, которые могут правильно подобрать компрессор и грамотно настроить двигатель. Тогда есть уверенность в том, что результат не приведет к нежелательным последствиям.