Приводні нагнітачі - мій мотоцикл

З першого погляду кількість наддувних силових агрегатів мізерно мало, але це тільки з першого. З другого стає зрозуміло, що ми вже однією ногою в щільному маленькому світі моторів з примусовим годуванням.
Ідея збільшити потужність мотора, заштовхавши в нього додаткову порцію повітря і палива, стара як світ. І досягти цього можна, якщо створити на пуску тиск більше атмосферного. Саме для цього і застосовують нагнітачі. Їх безліч моделей, але в «Мото» № 8 і 9 (Horex і я зі своєю шаленою «Голден») ми говорили про відцентрових. Якщо коротко, це високошвидкісні вентилятори, а якщо образно - «пацанськи пилососи».

Сама ідея примусового нагнітання повітря в циліндри була запропонована незабаром після винаходу самого ДВС. Уже в 1885 році Готтліб Даймлер отримав німецький патент на нагнітач. Ідея полягала в тому, що якийсь зовнішній вентилятор, насос або компресор нагнітає в двигун збільшений заряд повітря. У 1902 році у Франції Луї Рено запатентував проект відцентрового нагнітача. Але після випуску декількох автомобілів, всі роботи в цьому напрямку згорнули - недосконалість технологій і матеріалів вивалюється на шальки терезів більше «проти», ніж «за». Абревіатура ПЦС (приводний відцентровий нагнітач) вкоренилася в побуті мотористів в 30-і роки ХХ століття - правда, тільки в авіації. Впровадження ПЦС дозволило вбити відразу двох зайців: підвищити питому потужність і знизити падіння потужності на великих висотах. (З ростом висоти щільність повітря падає, відповідно, в движок його потрапляє менше, і для збереження потужності доводиться заганяти окислювач силоміць.) Все нагнітачі, що встановлюються на двигуни внутрішнього згоряння, за принципом роботи можна розділити на дві основні групи: відцентрові і об'ємні. А за типом приводу - на приводні (з приводом від коленвала) і газотурбінні (використовують енергію відпрацьованих газів).

Що ж таке ПЦС? Давайте зануримося в дитинство і пригадаємо дзигу. Що буде, якщо на розкручену дзигу зверху плеснути води? Правильно, вода розбризкається по сторонам під дією сил інерції (відцентрової сили), а дзига залишиться майже сухий. Так і в відцентровому нагнітачі роль дзиґи виконує крильчатка, а роль води - молекули повітря. Думаю, в дитинстві кожен заглядав усередину пилососа і бачив за гратами відсіку пилозбірника дивний диск з лопатями і гаечкой посередині. Це і є найпростіший відцентровий нагнітач, тільки працює він на відсмоктування, а не створення надлишкового тиску. А що буде, якщо під'єднати шланг до пилососа, але з того боку, звідки він видуває повітря? А якщо його ще й впровадити у впуск двигуна ...

Крильчатка справжнього ЦН має досить складну конусоподібну форму, а лопатки - складний профіль і вигин. Від їх геометрії залежить продуктивність і ефективність всього нагнітача. (Скажімо, чим більше діаметр крильчатки, тим більший тиск вона може дати на тих же оборотах, але в той же час їсть більше потужності; або при збільшенні кількості лопатей зростає тиск, але падає продуктивність.) Повітря, пройшовши по повітряному каналу в нагнітач, потрапляє на радіальні лопаті крильчатки. Лопаті відкидають його до периферії кожуха через тонку щілину. Там повітря гальмується в улиткообразно дифузорі, його швидкість падає, а тиск зростає.

Фактично ПЦС - половинка вже звичного в світі авто турбокомпресора, тільки замість «гарячої» (турбінної) частини - механічний привід від коленвала. В силу самого принципу роботи у відцентрового нагнітача є один істотний недолік. Для ефективної роботи крильчатка повинна обертатися не просто швидко, а дуже швидко. Вироблене відцентровим компресором тиск пропорційно квадрату швидкості крильчатки. Відповідно, звідси і основний недолік центробежніков: вузький робочий діапазон. Але цей теоретичний мінус на практиці обертається плюсом. Адже якщо нагнітач буде весь час насильно напихати мотор повітрям, то це призведе до зростання тяги у всьому діапазоні оборотів, і впоратися з таким «фруктом» на низах буде важко. Інша справа, якщо надлишок тиску у впуску починає зароджуватися на середніх оборотах і досягає піку на високих, коли наповнення циліндрів погіршується за рахунок втрат на тертя об впускний тракт повітряно-паливної суміші (цим обумовлюється завалений вниз хвостик кривої крутного моменту в області високих оборотів на багатьох дино-графіках). Центробежнік здорово «наддувається» саме верхи, допомагаючи суміші надходити в циліндри в належному обсязі. Саме тому відпадає необхідність відключати нагнітач на малих обертах, як це доводиться робити з об'ємними компресорами.

Все здорово, але незаперечні недоліки є і у центробежніков. Головний - потрібно розкрутити крильчатку до скажених обертів, тому доводиться застосовувати підвищуючий редуктор, у якого на вихідному валу 50-150 тис. Об / хв (у деяких ПЦС цей показник доходить до 250 тисяч!). Рідкісні підшипники і сальники можуть витримати таке, а тому питання ресурсу і ККД часто виявляється більш актуальною збільшення потужності. Та й загальна ефективність двигуна знижується за рахунок того, що нагнітач віджирали потужність прямо з клонували. Але з кожної ями проблем можна вибратися по тонкій мотузці технологічних рішень. Наприклад, BRP на своїх спортивних гідроциклах призводить нагнітач прямо від шестерні маховика коленвала, а від згубних для шестерень ривків рятується застосуванням фрикційного демпфера на валу нагнітача. Yamaha наводить «равлика» через проміжний вал. Якщо звернути увагу на тюнінгові вузли, то бачимо, що наприклад, в Rotrex (який обожнюють європейські мототюнінгери, і ваш покірний слуга в їх числі) застосовують фрикційний роликовий редуктор, в якому вал крильчатки затиснутий між сателітами планетарної передачі і не потребує підшипниках. Американці з ProCharger, вивівши на ринок кит для Harley-Davidson, роблять упор на точність виготовлення редуктора, їх колеги з Powerdyne люблять «наддувається» снігоходи і використовують в якості мультиплікатора додаткову ремінну передачу.

І знову згадуємо дитинство, а також, хто пам'ятає, фізику. Коли ми накачували свої велосипеди, мопеди і мотоцикли насосами типу «качок», пам'ятайте, як нагрівався шланг, що йде до колеса? Правильно, більше тиск - вище температура, вище температура - менше щільність повітря, а значить, кількість молекул кисню на одиницю об'єму. Щоб компенсувати це зменшення щільності, стиснене повітря необхідно охолодити. Як? Так само, як і антифриз або масло - в радіаторі, а точніше, в інтеркулере (по-науковому, охолоджувачі наддувочного повітря). Інтеркулери в основному бувають типу повітря-повітря (на вигляд простий радіатор з більш товстими каналами) і повітря-рідина, коли між компресором і впускним колектором стоїть компактний «радіатор навпаки», який відбирає тепло від стисненого повітря в рідину, а потім скидає його в атмосферу через додатковий радіатор.

Але все-таки почему не турбо? Адже в світі автомобілів все більше і більше виробників оснащують свої машини турбонаддувом. На жаль, «турба» не тільки піднімає потужність, але і створює опір на випуску, здорово гріє повітря на впуску не тільки за рахунок його стиснення, а й за рахунок близькості розпеченого випускного колектора; крім того, у двигуна з'являється «турболаг» або «турбояма» (коли крильчатка, не маючи механічного зв'язку з коленвалом, не встигає розкручуватися услід за відкриттям дроселя, що обумовлює короткочасний провал в тязі - повну антитезу вираження «йти за ручкою»). Через всього перерахованого з'явилися було на початку 80-х турбомотоцікли (скажімо, Yamaha XJ650 Turbo) дружно зазнали фіаско на ринку, і зараз ні конструктори серійних апаратів, ні тюнінгери не поспішають «встромляти равлика» в мотоциклетні мотори. Виняток - драгрейсінговие снаряди та інші боліди для рекордних заїздів по прямій; там «турболаг» зазвичай компенсується «антілагом» (системою, що дозволяє різко підвищити температуру газів перед турбіною - диким варварством, виправданим тільки цілковитим байдужість на ресурс). Втім, не будемо говорити «ніколи» - геть, французи з Yam74, наексперіментіровавшісь з ПЦС на Tmax, врешті-решт все ж перейшли на «турбу», і не без успіху. А тому почекаємо розвитку подій.