Наддуваем: чем компрессор лучше турбины и почему от него всё-таки отказываются
Атмосферные моторы постепенно уходят в прошлое, а способы добавить в цилиндры воздуха становятся всё более разнообразными. Единства в этом вопросе нет: одни полагаются на старые добрые турбины, другие добавляют в них электромотор, третьи вообще полностью переводят турбину на электричество… Чем хороши разные способы нагнетания воздуха, а в чём их недостатки? И почему производители никак не могут решить однозначно, какой из этих механизмов лучше?
Неэффективно и слишком дорого
Было бы большой ошибкой думать, что наддувный мотор – это что-то более-менее современное. Даже сто лет назад было очевидно, что чем больше топлива сгорит в цилиндрах, тем мощнее будет двигатель при том же объёме. А с низким КПД моторов начала прошлого века тема повышения мощности стояла очень остро. Попытки «дунуть» в мотор предпринимали и такие отцы-основатели автомобильной индустрии, как Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель. И обе эти попытки были по-своему замечательными хотя бы потому, что свой первый патент на систему наддува двигателя с принудительным зажиганием Даймлер получил ещё в 1885 году, а Дизель попытался реализовать наддув уже на втором своём моторе в 1896 году. Однако оба эксперимента провалились: литровая мощность у моторов действительно выросла, но устройства для наддува получались слишком сложными и дорогими.
Поэтому первой действительно рабочей схемой можно назвать изобретение Альфреда Бюши в 1905 году, которое он назвал машиной, состоящей из последовательно расположенных компрессора, поршневого двигателя и турбины. Это был первый турбокомпрессор более-менее привычной нам конструкции, причём позже Бюши запатентовал и систему охлаждения наддувного воздуха. Правда, практического толку от этого турбокомпрессора всё равно было мало: в этот раз подвела надёжность. Даже сейчас, с современными материалами и технологиями, довольно трудно собрать долгоиграющую турбину, крыльчатка которой делает десятки тысяч оборотов в минуту при температуре, близкой к тысяче градусов. А уж сто лет назад… Одним словом, долго эти чудеса техники работать не могли, хотя стоили бешеных денег.
А теперь оторвёмся от земли и устремим ищущий взор в небо. В начале прошлого века выяснилось, что самолётам компрессор необходим гораздо больше, чем автомобилям: на высоте нескольких тысяч метров воздух оказался настолько разреженным, что моторы аэропланов работали вполсилы. С этим надо было что-то делать, и выход был найден: всё решалось с помощью установки механического компрессора. Его было проще сделать, чем турбину, он был компактнее первых турбин, и в самолётах показал себя очень даже хорошо. А так как самолётные двигатели в те времена обычно делали автопроизводители, то они совершенно логично решили попробовать компрессоры на автомобильных моторах. Серийно они появились на Мерседесах и Фиатах в 1923 году, но только на очень дорогих спортивных моделях – например, на Mercedes-Benz 10/40 1923 года.
Так как краткость – сестра таланта, мы пропустим долгую историю совершенствования механических приводных компрессоров и турбин середины и второй половины прошлого века. Это очень интересная история, но в ней можно застрять надолго. Лучше попробуем понять, почему в разное время (в том числе и наше) производители метались и до сих пор мечутся между механическими компрессорами и турбонаддувом (или турбокомпрессорами) и никак не могут выбрать, что в итоге больше подходит автомобилям.
Совершенству нет предела
Если коротко, то ни тот, ни другой механизм далеко не идеальны, но при этом каждый из них имеет свои плюсы. Начнём с простого приводного компрессора – хотя бы потому, что в виде агрегата наддува массово он появился раньше турбины.
Он хорош тем, что намного проще устроен, а значит, обходится дешевле и при установке, и в ходе эксплуатации. Он не страдает от высокой температуры отработавших газов и не имеет слишком быстро вращающихся элементов. Ему не требуется отдельное охлаждение и при его установке нет необходимости серьёзно изменять систему смазки. Да и к качеству масла в моторе он тоже относится равнодушно. Кроме того, он начинает работать сразу с минимальных оборотов коленвала, то есть, обеспечивает прирост тяги с самых «низов». И ещё ему не требуется какой-то сложной системы управления, и это тоже его серьёзное преимущество.
К сожалению, недостатков у него тоже много. Самый очевидный – это необходимость отбирать мощность у двигателя для обеспечения собственной работы. А это приводит ещё и к росту расхода топлива. Понятно, что для спортивных автомобилей и автомобилей с объёмными моторами, претендующими на звание люксовых, достаточно высокий расход топлива не критичен. Поэтому нет ничего странного в том, что компрессоры стали популярными, например, в моделях Mercedes-Benz, Aston Martin, Jaguar, Alfa Romeo. Этим автомобилях до недавнего времени нужно было обеспечивать комфорт их владельцу, а не экономить топливо. Так что там они пришлись ко двору.
Второй существенный недостаток приводного компрессора – это его низкий КПД. Да, он обеспечивает прибавку тяги с самого низа, позволяя разгоняться быстро и плавно, но взрывной динамики при росте оборотов такой компрессор не даст, а прибавка мощности в итоге получается не слишком впечатляющей.
Турбина в некоторых моментах заметно превосходит приводной компрессор. Во-первых, она приводится в действие практически «бесплатно» – давлением отработавших газов, а значит, не отбирает мощность у двигателя и не делает его более прожорливым, а зачастую даже наоборот. Во-вторых, у неё намного выше КПД, и прирост литровой мощности с ней более существенный.
Однако и минусы у турбокомпрессора тоже есть. Его себестоимость выше, чем приводного компрессора: он сложнее технологически, требует более высокой точности сборки и применения дорогостоящих материалов. А кроме того, внедрение турбины в мотор обходится дороже, чем установка приводного нагнетателя. Основная проблема заключается в том, что турбина требует качественного охлаждения воздуха и эффективной смазки, а установка интеркулера для воздуха и изменение системы смазки ощутимо усложняют общую конструкцию. Вдобавок турбина получается чувствительной к качеству масла, что тоже не красит её по сравнению с компрессором.
К тому же не надо забывать о том, что чем выше обороты коленвала, тем больше добавочного воздуха даст турбина. С одной стороны, это хорошо: такая зависимость обеспечивает существенный прирост динамики именно тогда, когда это требуется особенно сильно. Но с другой, это может привести к очень тяжёлому режиму работы двигателя, граничащему с детонацией и перегревом. Приходится очень тщательно оберегать мотор от передува с помощью вестгейта (клапана, который выпускает излишки отработавших газов в горячей части турбины), а саму турбину спасать от помпажа с помощью байпасного клапана, который выпускает избыточный воздух обратно во впуск, или клапана блоу-офф, который этот воздух отправляет просто наружу, в атмосферу. И вдобавок в программном механизме защиты двигателя предусматривают защиту от передува с помощью ограничения подачи топлива в критическом режиме. В итоге всё это получается сложнее и дороже, чем немудрёный приводной нагнетатель.
Ну и, наконец, пресловутая турбояма. На низких оборотах давления отработавших газов не хватает для того, чтобы заставить турбину раскрутиться до рабочих оборотов и создать какое-либо существенное давление наддува, и этот диапазон оборотов – это и есть турбояма. То есть, на низких оборотах турбина оказалась не слишком эффективной и в этом отношении заметно уступала приводному компрессору.
Очевидно, что ни тот, ни другой вариант нельзя назвать идеальным. Что можно придумать, чтобы хотя бы немного приблизить механизм наддува к образцовому? Можно совершенствовать компрессоры, а можно попытаться их объединить, использовав их сильные стороны. И тот, и другой путь иногда приводят к появлению чудесных агрегатов, поражающих воображение одновременно и своей гениальностью, и сложностью.
А теперь – и с электричеством
До конца прошлого века в мире наддува правили бал приводные компрессоры: наддувные моторы в дешёвых машинах практически не использовались, и двигатель с более надёжным и менее капризным приводным компрессором доставался тем, кто мог себе позволить достаточно дорогой и не слишком экономичный автомобиль с хорошей тягой во всём диапазоне оборотов. Как правило, такой двигатель был большого объёма, и всем на это было плевать – статусная вещь не обязана экономить бюджет владельца на топливе или чём-то ещё. Но во временем многое менялось, и турбокомпрессор стал отбирать популярность у приводного. Факторов много: это и развитие технологий, которые позволяли сделать турбину более долговечной, и экологические требования, направляющие развитие моторов в сторону сокращения объёма и топливной экономичности. Всё острее появлялась необходимость делать мотор легче, меньше, но с высокой удельной мощностью. А для этого больше подходит турбина. Вот только что делать с основным её недостатком в виде турбоямы?
Как мы уже говорили, причина появления турбоямы – низкое давление отработавших газов, которое не раскручивает крыльчатку турбины достаточно быстро. Повысить это давление невозможно, поэтому первым делом принялись за «улучшайзинг» крыльчатки. Так появились крыльчатки с изменяемой геометрией и технология TwinScroll. Изменяемая геометрия и TwinScroll помогли достаточно эффективно устранить два недостатка турбокомпрессора: турбояму и избыточное давление наддувного воздуха на высоких оборотах. В первом случае изменяемое актуатором положение лопаток регулирует давление отработавших газов, позволяя одной турбине работать за две: большую в диапазоне низких оборотов и маленькую – при высоких. Ну а TwinScroll предполагает наличие двух газовых каналов для одной крыльчатки, которые включаются в работу в зависимости от оборотов коленвала. Для недорогих массовых наддувных моторов этих технологий вполне достаточно, чтобы свести к минимуму турбояму и сделать мотор небольшого объёма тяговитым и экономичным. Большего от этих турбин и не требуется.
Второй интересный ход – совместить в одном моторе и турбину, и компрессор. Значительную отдачу на высоких оборотах в этом случае обеспечивает турбонаддув, а приводной компрессор добавляет тягу на низах. Изначально это было чисто спортивное решение и применялось, например, на Lancia Delta S4 Stradale. Позднее популярность совмещения обоих типов наддува обеспечил, например, двигатель 1,4 TSI семейства ЕА111 от Volkswagen с турбиной KKK K03 и компрессором Eaton TVS. Его устанавливали на многие автомобили этого производителя: Golf, Beetle, Jetta, Scirocco, Eos, Tiguan… Правда, он всё равно получился не слишком дешёвым и довольно сложным, поэтому в 2018 году от него отказались. Но сама идея каким-то образом «дунуть» в цилиндры в неудобном для турбокомпрессора диапазоне оказалась удачной, и её стали развивать дальше. Но теперь – с помощью электричества.
Ярким примером стала Audi SQ7, в которой к привычным турбокомпрессорам добавили электронаддув. Принцип работы простой: на низких оборотах компрессорное колесо приводится в действие электромотором, на высоких – отработавшими газами, причём электропривод в этот момент отключается (он становится избыточным). Подобное решение применяется не только Audi, но и, например, Mercedes: из свежих примеров можно вспомнить недавний Mercedes-AMG GT 43.
При этом возникает вопрос: а почему бы не сделать турбину с чисто электрическим приводом? А потому, что основное преимущество классической турбины – возможность вращать её отработавшими газами без дополнительных затрат. Любое усложнение конструкции приведёт к её удорожанию и потенциальному снижению ресурса. В массовых автомобилях этого всегда стараются избежать. Другое дело – автоспорт, но там используются гораздо более серьёзные решения.
Вспомним, например, технологию MGU-H из Формулы-1, которая применяется уже около десяти лет. MGU-H (Motor-Generator Unit-Heat) предполагает наличие мотор-генератора в составе турбокомпрессора. Такой мотор-генератор может при необходимости раскрутить турбину в условиях недостатка давления отработавших газов, а при его избытке – рекуперировать энергию для гибридной установки. Очевидно, что в гражданской массовой машине ничего подобного устанавливать не имеет никакого смысла: это дорого и избыточно.
Впрочем, есть производители, для которых «дорого» – синоним «хорошо». Яркий пример – Ferrari, которая в прошлом году запатентовала мотор с компрессорной установкой, состоящей из двух одинаковых турбин и одного электродвигателя, который установлен соосно турбинам ровно между ними и в случае необходимости мгновенно приводит их в действие даже в отсутствие достаточного давления отработавших газов. И, судя по всему, это не просто мотор, а мотор-генератор, и всё это похоже как раз на формульную технологию MGU-H, потому что в описании патента сказано, что колёса задней оси приводятся в движение двигателем внутреннего сгорания, а передние – электротягой. В отношении Ferrari такое заимствование из автоспорта кажется совершенно естественным.
Есть ли будущее?
Сейчас существует не так уж много сейчас моторов, в которых используется приводной нагнетатель. И все они большого объёма и с порядочным топливным аппетитом. А тенденции сейчас таковы, что моторам приходится становиться маленькими и экономичными. И, что ещё хуже, одноразовыми. Полуторалитровому моторчику серийной машины турбокомпрессор подходит намного больше, чем приводной: тысяч 150 проездит, изменяемая геометрия с твинскроллом избавит от турбоямы, расход топлива минимальный, крутящий момент и мощность вполне достаточны, чтобы потребители остались довольны характеристиками автомобиля.
А вот на автомобилях высокого класса пока можно встретить и приводные нагнетатели. Такие автомобили можно считать избранными, причём считать по пальцам. Что это за моторы и что за автомобили? В основном – уже ставшие классикой. Например, V8 Hemi Hellcat объёмом 6,2 л. Эти двигатели стоят под капотами Dodge Charger SRT Hellcat, Dodge Challenger SRT Hellcat и Jeep Grand Cherokee SRT. Ещё один известный современный компрессорный мотор – пятилитровый V8 Jaguar AJ133S 5,0 Supercharged, который используется на самых «злых» версиях Jaguar XE, XK, XF, XJ и F-Type. Кроме того, тот же мотор устанавливается на Range Rover, Range Rover Sport или Velar. Что объединяет эти моторы? Они очень любят покушать и используются в дорогих автомобилях. А ведь ещё совсем недавно компрессорных моторов было намного больше! Даже само слово «компрессор» прижилось у нас от надписи Kompressor на багажниках Мерседесов далеко не самого престижного С-класса. Появлением W203 с наддувными моторами М111 и М271 объёмом 2 и 1,8 л стало началом большой эпохи классических компрессорных Мерседесов, которая, к сожалению, уже закончилась. И сейчас даже на 4,6-литровом V8 M278 на машинах E, S и GLE-класса вместо честных приводных компрессоров устанавливают пару турбин Garrett…
Чтобы не совсем сильно расстроиться, напомним про один современный уникальный компрессорный двигатель – Mazda Skyactiv-X 2.0. Уникальный он не только тем, что при очень скромном объёме и рядной четырёхцилиндровой компоновке может похвастаться приводным нагнетателем, но и тем, что имеет воспламенение от сжатия. И он бензиновый. Кого я там выше посчитал ещё теми затейниками? Итальянцев? Видимо, зря.
Как видим, приводные компрессоры становятся чем-то исключительным и встречаются, как правило, на эксклюзивных редких автомобилях. Но пока ещё встречаются. Будут ли от них отказываться в будущем? Конечно, будут. Однако есть подозрение, что связано это не с прожорливостью компрессорных моторов, а с общей неизбежной гибридизацией и электрификацией автомобилей. Электромотору приводной компрессор не нужен. Впрочем, турбина ему не нужна тоже.
В гибридный автомобилях компрессор тоже места себе не найдёт. Задача гибридов – быть не только мощными, но и экономичными. А для этого больше подходит турбина, установленная на маленьком моторчике. Немного грустно, но никуда от этого не деться.
