Журнальная статья 1989-ого Компрессор возвращается из прошлого, чтобы оспорить будущее у турбонаддува (Auto Motor und Sport)

Перевод статьи "Компрессор возвращается из прошлого, чтобы оспорить будущее у турбонаддува" от немецкого автомобильного журнального издания Auto Motor und Sport, № 8, 1989.

POWER TO THE PEOPLE

Компрессор возвращается из прошлого, чтобы оспорить будущее у турбонаддува.

Эпоха компрессоров, которую историки двигателестроения трактуют как своего рода средневековье — период между концом двадцатых и началом пятидесятых годов, — судя по всему, готова вспыхнуть с новой силой. Став исключением из нынешнего правила повсеместной турбинизации, механический нагнетатель снова заставил о себе говорить. В борьбе за свое будущее этот тип привода заявляет о ряде преимуществ перед турбо-конкурентами.

Больше тяги, меньше расход

Доказать это на практике уже призваны Polo G 40, Golf G 60 и Corrado от Volkswagen, оснащенные нагнетателями типа G-Lader. Однако, помимо них, своего часа ждет целое поколение инновационных механических нагнетателей. Цель этих новых конструкций — превзойти традиционные компрессоры (типа Рутс и винтовые) по производительности и коэффициенту полезного действия. О том, насколько это удалось, позволяют судить результаты испытаний. Исследование старых и новых систем наддува, проведенное группой перспективных разработок под руководством Фрица Индры в компании Opel, демонстрирует их потенциал в плане увеличения мощности, улучшения её характеристик, повышения КПД и, следовательно, экономичности бензиновых двигателей.

В целом результаты экспериментов однозначно подтверждают: преимущества, на которые претендуют механические нагнетатели, вполне реальны. Набор давления наддува во всех системах с механическим приводом происходит активнее. Отклик двигателей на нажатие педали газа быстрее и четче, чем при турбонаддуве. Кривая крутящего момента меняется в пользу более высоких значений на низких оборотах. Двигатель прибавляет в тяговитости именно в том диапазоне, который наиболее важен для повседневной эксплуатации. Доказуемые благоприятные показатели расхода топлива являются следствием более высокого КПД двигателя с механическим нагнетателем. Данный вывод вносит ясность в один часто дискутируемый вопрос. 

Предположение о том, что турбонагнетатель не обременяет баланс двигателя, так как не отбирает мощность напрямую, опровергнуто: создаваемое турбиной противодавление на выпуске, очевидно, увеличивает насосные потери при газообмене несколько сильнее, чем механическая передача через клиновой ремень на привод компрессора. Однако испытания Opel столь же наглядно демонстрируют и границы компрессорного принципа. Как только речь заходит о достижении пиковых значений мощности и момента при равном рабочем объеме, современный и высокотехнологичный турбонаддув оказывается вне конкуренции.

Сравнение литровой мощности серийных моторов лишь подчеркивает это. На модели Corrado при объеме 1,8 литра Volkswagen достигает 160 л. с., что дает удельную мощность 88,8 л. с./л. Таким образом, мотор с механическим наддувом находится на уровне очень хороших атмосферных многоклапанников. Пример: BMW M 5 с её 87,8 л. с./л. При этом показатели достойных турбомоторов не были даже близко достигнуты — взять хотя бы Ford Sierra Cosworth со 102,5 л. с./л.

Испытания Opel проводились на малокубатурной «четверке» объемом 1,4 литра в кузове серийного Kadett. Доктор Индра поясняет: «Мы рассчитывали в то время, что класс 1,4 литра приобретет большее значение из-за европейских норм токсичности выхлопа». С механическим наддувом, но без интеркулера 1,4-литровый мотор выдал 100 л. с. при 5500 об/мин и крутящий момент 137 Нм при 3500 об/мин. Удельная мощность здесь составляет 71 л. с./л, что ниже показателей VW. Турбоверсия показала результаты чуть лучше, но далеко не рекордные: как по мощности — 105 л. с. при 6000 об/мин, так и по моменту — 144 Нм при 3400 об/мин.

Преимущества мотора с механическим наддувом в виде лучшей приемистости и более высокого момента на самых низах позволили выбрать более «растянутую» главную передачу, способствующую экономии топлива. На основании имеющегося опыта почти все мотористы — вне зависимости от того, какой принцип наддува они предпочитают в основе, — сходятся во мнении, что механический привод нагнетателя особенно выгоден для малых двигателей, так как здесь он может работать с высоким КПД и давать соответствующие положительные результаты.

Напротив, значительно более высокую потребность в воздухе для крупных агрегатов гораздо лучше покрывает турбопринцип, использующий энергию отработавших газов. Здесь турбина может реализовать свое преимущество в высокой плотности заряда, которым она обязана тому факту, что её лопастные колеса вращаются со скоростью значительно выше 100 000 об/мин — более чем в десять раз быстрее, чем нагнетающие элементы механического компрессора.

Поскольку разработка новых механических нагнетателей находится в начальной фазе, границу рабочего объема, которая действительно разделяет компрессор и турбо, пока невозможно определить окончательно. На данный момент эксперты ориентируются на диапазон между 1,6 и 2,0 литрами. Для успеха механического привода смещение этой границы вверх будет иметь экзистенциальное значение. Исходя из того, что любая форма наддува — это самый дорогой способ форсировки, с экономической точки зрения она остается крайней мерой. Поэтому на относительно небольших моторах предпосылки для разумного применения нагнетателей неизбежно ограничены.

Высокие затраты оправданы прежде всего при лимитированном потенциале рабочего объема. Именно такой случай мы видим у Volkswagen. В Polo G 40 применение G-Lader оправдано, так как в моторном отсеке просто нет места для более объемного двигателя. В случае с Corrado и Golf G 60 моторы приближаются к своему верхнему пределу по объему. Наддув здесь позволяет расширить мощностной диапазон вверх.

Кроме того, законодательные ограничения могут сделать наддув целесообразной альтернативой увеличению объема. Налоговая система Италии с её «границей роскоши» на отметке в 2 литра неизбежно стимулирует использование нагнетателей. Наряду с уже широко распространенным здесь турбонаддувом, свои шансы имеет и компрессор благодаря своим специфическим характеристикам. Технически и экономически более выгодные условия для нагнетателей обоих типов лежат скорее в области двух и более литров объема. Если компрессор сможет закрепиться здесь, его можно будет только приветствовать как тяговитую альтернативу турбонаддуву. Новые системы механического наддува с высокой производительностью считаются сегодня реализуемыми в краткосрочной перспективе. Что может способствовать их успеху, так это маркетинговая привлекательность новой технологии. Ведь при всей научности современного двигателестроения нельзя отрицать, что прогресс порой бывает и вопросом моды.

Турбо против компрессора: почти как Давид и Голиаф

Сравнение габаритов наглядно подтверждает: турбонагнетатель гораздо меньше компрессора. Соответственно велика и разница в весе. Примерно пяти килограммам турбины противостоят десять-двенадцать килограммов механического нагнетателя. Но и это еще не всё. В случае с компрессором добавляется еще и привод. Эта передача усилия — предпочтительно поликлиновым ремнем — неизбежно требует привязки к коленчатому валу, из-за чего у механического нагнетателя возникают компоновочные конфликты с генератором, которые, впрочем, решаются путем объединения обоих агрегатов. Тем не менее, размещение турбонагнетателя, который сравнительно свободно «висит» на выпускном тракте, проще.

С точки зрения затрат за компрессором уже почти не признают преимуществ. Современные нагнетатели дороги из-за сложных производственных процессов. К этому добавляются привод и необходимые регулирующие элементы, с помощью которых можно снизить отбор мощности нагнетателем в режиме частичных нагрузок. В настоящее время чаще всего используются перепускные клапаны (байпасы), которые при закрытой дроссельной заслонке заставляют нагнетатель качать воздух по кругу без давления.

Более предпочтительной некоторые техники считают электромагнитную муфту, которая разрывает поток мощности на нагнетатель. Однако она должна быть очень износостойкой и, следовательно, дорогой, так как в городском цикле она находилась бы в состоянии перманентного стресса. Кроме того, такая муфта потребовала бы интеллектуального электронного управления. Акустически автомобиль с компрессором несколько критичнее турбированного конкурента, так как последний в виде двух лопастных колес в нагнетателе имеет элементы, работающие как глушители как на стороне впуска, так и на выпуске.

Несмотря на всё это, относительно хорошие перспективы у механического нагнетателя в последнее время появились в царстве дизелей. Ведь если будет введен сажевый фильтр, он вступит в конфликт с турбонагнетателем. Здесь компрессор, который никак не беспокоит выпускной тракт, является почти безальтернативным решением.

КАК СОЗДАЕТСЯ ДАВЛЕНИЕ: СРАВНЕНИЕ СЕМИ СИСТЕМ НАДДУВА

Нагнетатель Рутса Eaton 1 Британский специалист в области насосного оборудования, фирма Eaton, производит классические нагнетатели типа Рутс. Это чисто нагнетательные машины, в которых воздух внутри не сжимается. Эффективное давление наддува здесь создается только в ресивере. Простая конструкция с двухлопастными роторами обеспечивает сравнительно низкое давление наддува и наращивает его с ростом оборотов лишь постепенно. Потребляемая мощность при давлении наддува 0,6 бар и максимальном расходе воздуха достигает 12,2 л. с. КПД нагнетателя Рутса не слишком высок, он ухудшается с ростом оборотов и производительности, и лишь в узком диапазоне превышает 50 процентов. Сжатый воздух при этом нагревается сильнее среднего.

Нагнетатель Рутса Eaton 2 Исполнение нагнетателя Рутса с трехлопастными роторами также перемещает воздух без внутреннего сжатия. Однако более сложная конструкция приводит к гораздо лучшим результатам. Кривая производительности растет значительно круче. Давление наддува при тех же условиях достигает более высокого максимума. Мощность привода, необходимая для максимального расхода воздуха и давления 0,6 бар, составляет всего 8 л. с. Температура наддувочного воздуха растет относительно слабо. КПД нагнетателя в широком диапазоне превышает 50 процентов.

Роторно-поршневой нагнетатель Ванкеля Инженерное бюро Ванкеля в Линдау на Боденском озере выбрало для темы наддува не традиционный для марки принцип с вращающимся поршнем. За основу была взята простая конструкция нагнетателя Рутса, геометрия роторов которой, однако, была значительно изменена. Это позволило существенно улучшить характеристики. Кривые производительности демонстрируют крутой подъем. Максимально достижимое давление наддува велико. Потребляемая мощность при давлении 0,6 бар и максимальном расходе воздуха достигает 8,2 л. с. Температура наддувочного воздуха растет незначительно. КПД при средней производительности превышает 50 процентов, а в узкой зоне перешагивает отметку в 60 процентов.

Винтовой компрессор Sprintex Этот производимый в Шотландии компрессор со своими шнекообразными и входящими в зацепление роторами вызывает ассоциации с мясорубкой. В работе с воздухом винтовой компрессор отличается адекватной, круто растущей кривой производительности. Менее идеальным представляется довольно высокий отбор мощности при низкой производительности и его рост в точке оцениваемого максимума почти до 11 л. с. Причиной этого, судя по всему, являются подшипники скольжения нагнетателя Sprintex с очень тяжелым ходом, который, вероятно, за счет внутреннего трения сильно нагревает нагнетаемый воздух. КПД здесь не особо хорош и достигает 50 процентов только при высоких значениях давления и расхода.

Роторно-поршневой компрессор Pierburg Расположенная в Нойсе фирма Pierburg (бывшая Solex), известная скорее как специалист по карбюраторам, с недавних пор стремится занять нишу в бизнесе нагнетателей. Разработанный там роторный нагнетатель находится в кинематическом родстве с двигателем Ванкеля. Трехлопастной ротор здесь описывает круговую траекторию внутри вращающегося барабана с четырьмя выемками. Поскольку отдельные камеры в процессе вращения меняют свой объем, сжатие воздуха происходит внутри нагнетателя. Кривая производительности здесь растет круто. Потребляемая мощность даже в нагрузочных режимах очень мала — от 2,7 до 8,2 л. с. Повышение температуры воздуха остается незначительным. КПД нагнетателя Pierburg превышает 50 процентов в широкой зоне средней производительности.

Роторный нагнетатель KKK Специалист по турбинам, компания Kühnle, Kopp & Kausch, очевидно, желает на всякий случай закрепиться на рынке компрессоров. Выбранная здесь концепция представляет собой модификацию нагнетателя Рутса. Ротор вращается внутри охватывающего его барабана, который, в свою очередь, тоже вращается. Набор давления наддува и расход воздуха у KKK происходят очень быстро. Мощность, необходимая для высокого давления и большого объема нагнетания, невелика и составляет около 8 л. с. Наддувочный воздух под давлением нагревается лишь слегка. КПД нагнетателя KKK очень хорош прежде всего под нагрузкой: в широком диапазоне он составляет 50 процентов, а в небольшой зоне — выше 60 процентов.

G-Lader от Volkswagen Спиральный компрессор отличается от всех остальных нагнетателей тем, что в нем нет вращающихся нагнетательных элементов. Сжатие воздуха в шнековом канале является следствием описывающего окружности колебательного движения внутреннего вытеснителя. Характеристика подачи G-нагнетателя отвечает современным канонам быстрого набора давления. Высокая производительность здесь также достигается с малым отбором мощности, тем более что потери на трение в подшипниках G-Lader очень незначительны. КПД здесь достигает пиковых значений около 60 процентов в определенных диапазонах нагрузки.