Знакомство с технологией наддува

Знакомство с технологией наддува

Раньше, если мы хотели улучшить технические характеристики автомобиля, у нас было два сравнительно простых варианта: мы обращались либо к дилеру в поисках автомобиля с большим объемом двигателя, либо в мастерскую по тюнингу, чтобы расточить двигатель, модифицировать головку блока цилиндров и распредвалы или установить прямоточные впускные и выпускные каналы.

В обоих случаях мы хотели, иногда даже и не догадываясь об этом, чтобы в двигатель попадало больше воздуха.

Все двигатели на самом деле можно сравнить со сложными компрессорами с большим количеством дополнительных аксессуаров. Мощность двигателя определяется количеством топлива, которое он сжигает. Максимальная мощность достигается при сжигании 1 л топлива и 14,9 л воздуха. Следовательно, когда мы увеличиваем количество воздуха в двигателе, мы можем увеличить и количество топлива в цилиндрах, что приведет к увеличению мощности двигателя.

Решившие приобрести двигатель большего объема на самом деле просто тратят значительные суммы на больший объем цилиндров, легкие большего объема, если хотите. Но при увеличении мощности в этом случае проявится и обратная сторона медали. Часто больший объем цилиндров приводит к тому, что масса двигателя и, следовательно, всего автомобиля также увеличивается. И не стоит забывать об увеличении внутреннего трения, что негативно отразится на технических характеристиках и расходе топлива. В действительности увеличение объема двигателя на 50% приведет к улучшению технических характеристик в лучшем случае на 40%.

В случае модификации двигателя мощность также возрастет, однако не в результате увеличения объема цилиндров. Скорее, этот метод поможет сделать работу двигателя эффективнее, позволяя втягивать больше воздуха при меньшем объеме. Но, как известно, за все нужно платить. Часто технические характеристики двигателя на низких оборотах ухудшаются, а мощность увеличивается только в верхнем диапазоне.

Наддув является одним из способов подачи большего количества воздуха в двигатель. Это достигается с помощью механических или химических средств. Компрессор может приводиться в действие от ремня или шестерни (его обычно называют нагнетателем). В следующей главе вы увидите, что существует большое количество разнообразных конструкций. Другой тип нагнетателя приводится в действие горячими выхлопными газами. Вэтом случае его называют турбокомпрессором. Независимо от типа конструкции основной задачей компрессора является нагнетание большего количества воздуха в двигатель.

У многих большая мощность ассоциируется с большим объемом двигателя, и даже 5,7 л не предел!

Другие считают, что важно увеличить эффективность работы, и прибегают к модификации двигателя, устанавливая магистральные трубопроводы выхлопной системы и несколько карбюраторов. В данном случае стандартная головка блока цилиндров с пятью каналами из чугуна была к тому же заменена головкой блока цилиндров из сплавов с семью пересекающимися каналами.

Альтернативой может быть использование наддува.

На уровне моря давление воздуха составляет 101,4 кПа. Следовательно, в двигателе, когда поршень движется вниз в цилиндре, создается разрежение. Так как впускной клапан в это время открыт, воздух под давлением 101,4кПа попадает в полость, созданную при опускании поршня. В некоторых двигателях с высокими техническими характеристиками цилиндр будет полностью заполняться воздухом. Это называется стопроцентной объемной производительностью, так как плотность воздуха (или уровень концентрации) будет такой же, как и вне двигателя, то есть давление в двигателе будет равным давлению окружающей среды (см.рис.1.1).

Рис. 1.1. Четырехтактный двигатель.

Такт впуска: когда поршень опускается, впускной клапан полностью открывается, и цилиндр заполняется топливовоздушной смесью. Такт сжатия: поршень поднимается, и на полпути вверх впускной клапан начинает закрываться, позволяя поднимающемуся поршню сжимать топливовоздушную смесь. Когда поршень приближается к верхней мертвой точке, свеча зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь. Рабочий ход: быстрое увеличение объема горящей топливовоздушной смеси создает давление, которое опускает поршень вниз. Когда поршень опускается на пути вниз, выпускной клапан начинает открываться. Такт выпуска: когда поршень поднимается до верхней мертвой точки, сгоревшие газы проходят через открытый выпускной клапан. Прежде чем поршень действительно достигнет верхней мертвой точки, впускной клапан снова начинает подниматься с седла, чтобы новая порция топливовоздушной смеси попала в цилиндр, когда поршень опустится до нового такта сжатия.

При использовании любого из типов наддува основной задачей является увеличение давления воздуха во впускном коллекторе, доведение его до значения, превышающего значение атмосферного давления. Если мы собираемся увеличить давление на 101,4 кПа, это означает, что в цилиндр будет нагнетаться в два раза больше воздуха, пока впускной клапан не закроется. В таком случае мощность двигателя будет в два раза выше. Именно поэтому в 1987 году, непосредственно до завершения эры турбированных двигателей в «Формуле-1», малолитражные четырехцилиндровые двигатели BMW и шестицилиндровые двигатели Honda вырабатывали мощность до 1200 л.с. при давлении наддува 413,7 кПа во время квалификационных заездов. Хотя «свои» люди утверждают, что ближе к реальности были цифры 1500 л.с. для автомобилей BMW, однако это всего лишь догадки, так как их динамометрические стенды не регистрировали мощность выше 1280 л.с. Несомненно одно: показатели некоторых настроенных двигателей значительно превышали эти цифры. К 1988 году правилами гонок давление наддува было ограничено до 2,5 бар, а запас топлива не должен был превышать 150 л. Это означало, что в условиях гонок мощность никогда не превышала 700 л.с.

Кроме того, количество воздуха можно значительно увеличить, используя химические соединения. Многие соединения в жидком или газообразном состоянии содержат кислород. Так, нитрометан содержит 53% кислорода. Подобное топливо помогает малоэффективным восьмилитровым драгстерам вырабатывать мощность более 1500 л.с. без использования наддува. Если же добавить компрессор, мощность может возрасти до 6000 л.с.

К менее известным соединениям, содержащим кислород, можно отнести нитропропан, перекись водорода и ангидрид азотноватый. Использование нитропропана ограничено, так как в гоночном спорте его считают «допингом». Перекись водорода может получить широкое использование в будущем, однако потенциально слишком высокая температура испарения не позволяет использовать это соединение в настоящее время. Ангидрид азотноватый является достаточно нестабильным соединением, поэтому использование его вне лаборатории ограничено.

Стоит также отметить веселящий газ, или, точнее, закись азота. Он хранится в баллонах для сжатого газа в жидком состоянии под давлением около 55,16 бар при нормальной температуре окружающей среды (см.главу 15). На выходе из баллона жидкость преобразуется в пар с содержанием кислорода более 36%. При использовании закиси азота можно ожидать увеличения мощности примерно на треть. При небольшом его количестве Знакомство с технологией наддува будет минимальным. Однако при самой высокой концентрации мощность может возрасти более чем в два раза. На практике автомобили с двигателями объемом 2,0 л будут иметь мощность около 500 л.с., а мощность драгстеров для уличных гонок может возрасти до 2000 л.с.

Но я ни в коем случае не хотел бы, чтобы вы подумали, что я считаю наддув самым действенным и надежным методом оптимизации технических характеристик двигателя. Наддув – это просто еще один из способов увеличения мощности, и после прочтения всей книги вы поймете, что при несоответствующей настройке результаты могут быть плачевными. На самом деле хороших специалистов по наддуву в мире очень мало, а если вы доверите эту задачу любителям, не способными создать эффективную систему наддува, вы можете быть сильно разочарованы. Однако эта и другие хорошие книги, посвященные данной теме, а также знание основных принципов работы и настройки двигателя помогут вам четко представлять, чего ждать от выполняемых модификаций. Запомните: сила – это знание. Не тратьте слишком много времени на обучение теории. Начните с простых проектов. Извлекайте все необходимые уроки и знания из собственного опыта, прежде чем приступать к более серьезным проектам. Очень часто я вижу молодых людей, не стесненных средствами, у которых есть множество идей, но которые при этом не до конца осознают, что они в действительности хотят получить и как они будут использовать свой автомобиль после подобных модификаций в повседневной жизни. А это, между прочим, может быть не только непрактично, но и опасно.

Конечно же, я не смог рассказать в этой книге все, что вам необходимо знать о двигателях. Более того, я и сам не знаю всего, именно поэтому никогда не прекращаю учиться. И вам желаю того же!