О ще преди над сто години е очевидно, че колкото повече гориво изгаря в цилиндрите, толкова по-мощен ще бъде двигателят. А с ниската ефективност на двигателите в началото на миналия век темата за увеличаване на мощността е много належаща. Опитите за „надуване“ в двигателя бяха направени и от бащите на автомобилната индустрия Готлиб Даймлер и Рудолф Дизел.
И двата опита са забележителни по свой си начин, Даймлер получава първия си патент за компресорен двигател през 1885 г., а Дизел се опитва да приложи компресор на втория си двигател през 1896 г. И двата експеримента обаче се провалят: литровата мощност на двигателите действително се увеличава, но устройствата за свръх пълнене се оказват твърде сложни и скъпи.
Следователно за първа работеща система може да се приеме изобретението на Алфред Бюши през 1905 г., което той нарича машина, състояща се от компресор, бутален двигател и турбина, разположени последователно. Това е първият турбокомпресор с дизайн, повече или по-малко познат на нас, а по-късно Бюши патентова и система за охлаждане на въздуха за принудително пълнене. При неговото решение проблемът е надеждността.
В началото на миналия век се оказва, че самолетите се нуждаят от компресор много повече от автомобилите: на височина от няколко хиляди метра въздухът е толкова разреден, че двигателите на самолетите работят наполовина на капацитета си. Решението е механичен компресор. Тъй като самолетните двигатели в онези дни обикновено се произвеждат от автомобилни компании, те логично решават да монтират компресори на автомобилни двигатели. Появяват се серийно в Mercedes и Fiat през 1923 г., но само на много скъпи спортни модели - например в Mercedes-Benz 10/40 от 1923 г.
Историята за усъвършенстване на компресора е дълга, затова ще я пропуснем. Ще наблегнем на дилемата на марките между механичните компресори и турбокомпресорите.
Нито единият, нито другият механизъм е далеч от съвършенството, но всеки от тях има своите предимства. Да започнем с обикновения компресор - дори само защото се появява масово преди турбината.
Дизайнът му е много по-опростен, което означава, че е по-евтин. Той не страда от високите температури на отработените газове и няма елементи, които се въртят твърде бързо. Не изисква отделно охлаждане и при инсталирането му не се налага сериозна промяна на системата за смазване. Освен това е безразличен към качеството на маслото в двигателя. В допълнение, започва да работи веднага от минимална скорост на коляновия вал. Не изисква никаква сложна система за управление и това също е сериозно предимство.
За съжаление има и много недостатъци. Най-очевидният е необходимостта да се вземе мощност от двигателя, за да се осигури собствената му работа. Това също води до увеличаване на разхода на гориво. Ясно е, че за спортните автомобили и колите с големи по обем двигатели, високият разход на гориво не е критичен. Ето защо не е изненадващо, че компресорите станаха популярни, например, в моделите на Mercedes-Benz, Aston Martin, Jaguar и Alfa Romeo. Доскоро тези автомобили трябваше да осигурят комфорт на собственика си, а не да пестят гориво. Но това бе до един момент, след това правилата на играта се промениха.
Вторият съществен недостатък на компресора е неговата ниска ефективност. Да, зацепва от ниските обороти на двигателя, но той не може да увеличи мощността кой знае колко.
Турбината, от друга страна, превъзхожда значително компресора в някои отношения. Първо, тя се задвижва практически „свободно“ - от налягането на изгорелите газове, което означава, че не отнема мощност от двигателя. На второ място, тя има много по-висока ефективност и увеличението на мощността в спрямо работния обем е по-значително.
Турбокомпресорът обаче има и недостатъци. Цената му е по-висока от тази на компресора: той е технологично по-сложен, изисква по-висока прецизност на монтажа и използването на скъпи материали.
Основният проблем е, че турбината изисква висококачествено въздушно охлаждане и ефективно смазване, а монтирането на междинен охладител за въздуха и промяната на системата за смазване значително усложнява цялостния дизайн. Освен това турбината се оказва чувствителна към качеството на маслото, което също не я прави по-добра от компресора.
Не трябва да забравяме, че колкото по-висока е скоростта на въртене на коляновия вал, толкова повече допълнителен въздух ще произвежда турбината. От една страна, това е добре: такава зависимост осигурява значително увеличение на динамиката точно когато е най-необходимо. Но от друга страна това може да доведе до много трудна работа на двигателя, граничеща с детонация и прегряване.
За предпазване на двигателя е необходим wastegate (клапан, който освобождава излишните изгорели газове в горещата част на турбината) и байпасен клапан, който изпуска излишния въздух обратно във всмукателния отвор, или изпускателен клапан.
При ниски скорости налягането на отработените газове не е достатъчно, за да принуди турбината да се върти до работни скорости и да създаде значително налягане, именно тук е въпросната турбо дупка. Тоест, при ниски обороти турбината се оказа не много ефективна.
А сега – с ток
До края на миналия век механичните компресори бяха властващи, такива не се използваха в масовите автомобили, а само в луксозните и спортните автомобили, където цената не е фактор. По правило двигателите, разчитащи на механични компресори, бяха с големи работни обеми и икономията на гориво не беше фактор.
Но с течение на времето турбокомпресорът започна да отнема популярността на механичния компресор. Причините са различни: развитието на технологиите, които направиха възможно турбината да стане по-издръжлива, и екологичните изисквания, които насочиха развитието на двигателите към намаляване на обема и горивната ефективност. Наложи се двигателят да олекне, да стане по-малък, турбината бе подходяща за това. Но какво да трябваше да се направи с основния недостатък: турбо дупката?
Първото решение бе технологията TwinScroll. Променливата геометрия и TwinScroll помогнаха за доста ефективно премахване на два недостатъка на турбокомпресора: турбо дупката и свръх наляганете при високи обороти. В първия случай позицията на лопатките, променяна от задвижващия механизъм, регулира налягането на отработените газове, позволявайки на една турбина да работи като две: голяма в диапазона на ниските обороти и малка при високи обороти.
Второто интересно решение бе комбинацията на турбина и компресор в един двигател. В този случай значителната мощност при високи обороти се осигурява от турбокомпресор, а компресорът дава тяга в ниските оборотни режими.
Първоначално това беше чисто спортно решение и се използваше например в Lancia Delta S4 Stradale. По-късно популярността на това технологично решение бе осигурена от двигателя 1,4 TSI (EA111) на Volkswagen с турбина KKK K03 и компресор Eaton TVS. Той бе монтиран в Golf, Beetle, Jetta, Scirocco, Eos, Tiguan... Не бе особено евтино това решение, а и не бе просто , затова през 2018 г. бе изоставено.
Ярък пример е Audi SQ7, в който към обичайните турбини бе добавено електрически компресор. Принципът на работа е прост: при ниски обороти колелото на компресора се задвижва от електромотор, при високи обороти – от изгорели газове, като електрическото задвижване в този момент се изключва (става излишно). Подобно решение се използва не само от Audi, но също от Mercedes: един такъв пример е Mercedes-AMG GT 43.
Това повдига въпроса: защо да не се направи турбина с чисто електрическо задвижване? Но основното предимство на класическата турбина е способността да се развърта от отработени газове без допълнителни разходи. Всяко усложнение на дизайна води до увеличаване на цената и потенциално намаляване на експлоатационния живот. В масовите автомобили производителите винаги се опитват да избегнат това.
Има обаче производители, за които „скъпо“ е синоним на „добро“. Ярък пример е Ferrari, който миналата година патентова двигател с компресорен агрегат, състоящ се от две еднакви турбини и един електромотор, който е монтиран коаксиално на турбините точно между тях и при необходимост моментално ги задейства дори при липса на достатъчно налягане на отработените газове. И, очевидно, това не е просто двигател, а мотор-генератор и всичко това изглежда точно като технологията на формулата MGU-H (използвана във Формула 1). По отношение на Ferrari подобно заимстване от моторния спорт изглежда напълно естествено.
Какво е бъдещето на компресора
Днес не са много двигателите, които използват механичен компресор. Всички те са големи по обем и с приличен апетит за гориво. А сега тенденциите са такива, че двигателите трябва да станат малки и икономични. За 1,5-литров двигател на сериен автомобил, турбокомпресорът е много по-подходящ от компресор.
Но при автомобили от високия клас все още можете да се намерят механични компресори. Какви са тези двигатели и автомобили? Предимно – тези, които вече се смятат за класика. Например 6,2-литров V8 Hemi Hellcat. Тези двигатели се монтират под капаците на Dodge Charger SRT Hellcat, Dodge Challenger SRT Hellcat и Jeep Grand Cherokee SRT.
Друг известен модерен компресорен двигател е V8 Jaguar AJ133S 5.0 Supercharged, който се използва в „злите“ версии на Jaguar XE, XK, XF, XJ и F-Type. В допълнение, същият двигател е монтиран в Range Rover, Range Rover Sport и Velar. Какво е общото между тези двигатели?
До не толкова отдавна имаше повече компресорни двигатели. Дори самата дума „компресор“ ни е останала от надписа Kompressor върху багажниците на Mercedes, при това върху далеч не най-престижната C-класа. Появата на W203 с компресорни двигатели M111 и M271 от 2 и 1,8 литра беше началото на една велика ера на класическия компресор Mercedes, която, за съжаление, приключи.
Както сами виждате, компресорите са рядкост, която може да се открие във все по-малко модели. Ще бъдат ли изоставени в бъдеще? Разбира се, че да. НО това ще стане заради общата неизбежна хибридизация и електрификация на автомобилите. Електрическият мотор не се нуждае нито от компресор, нито от турбина.