Уже в самом начале применения нагнетателей удалось добиться увеличения мощности на 50—75% по сравнению с лучшими показателями автомобилей без нагнетателей. Теперь при достаточно высоком давлении наддува мощность может быть увеличена в 3—4 раза.

Рис. 1. Основные этапы развития двигателей гоночного типа

Из предыдущего ясно, что для увеличения мощности нужно стремиться к возможно большему давлению наддува, чтобы вводить в цилиндр большее количество горючей смеси. Развитие двигателей с наддувом шло именно по такому пути: давление наддува систематически увеличивали, чем и объяснялся в основном рост литровой мощности.

На рис. 1 представлены схемы, характеризующие основные этапы развития автомобильных двигателей гоночного типа; решающую роль в направлении этого развития сыграла классификация гоночных автомобилей по рабочему объему двигателя, применявшаяся в течение долгих лет в дорожных кольцевых гонках и безоговорочно остающаяся в силе по сей день при регистрации рекордов. Эта классификация стимулировала развитие главным образом одного параметра — литровой мощности.

Схема I (1898—1903 гг.) изображает тихоходный двигатель низкого сжатия с автоматическими впускными клапанами; в двигателях по схеме II (1905—1906 гг.) быстроходность была увеличена за счет введения управляемых впускных клапанов; схема III (1908—1910 гг.) иллюстрирует распространение верхних клапанов и камер сгорания, допускающих более высокие степени сжатия; схема IV (1912—1924 гг.) дает представление о специальном гоночном двигателе высокого сжатия с распределительным механизмом по системе Цуккарелли. Перечисленные этапы развития конструкции двигателей сопровождались повышением эффективного к. п. д. наряду с возрастанием литровой мощности.

Схема V (1925—1938 гг.) относится к периоду широкого распространения двигателей с наддувом. Однако нужно заметить, что наряду с весьма важными преимуществами применение нагнетателей имеет существенные недостатки. С увеличением давления наддува возрастают давление и температура смеси в конце сжатия, и в связи с этим двигатель может начать детонировать. Для устранения детонации приходится прибегать к уменьшению степени сжатия в цилиндре, несмотря на крайнюю нежелательность такого мероприятия, сопряженного с уменьшением теплоиспользования и возрастанием расхода топлива.

Плохое теплоиспользование увеличивает долю теплоты, подлежащую удалению из цилиндра с охлаждающей водой и отработавшими газами, а следовательно, усиливается нагрев двигателя — его тепловое состояние становится более напряженным.

Дальнейший этап развития по схеме VI (1938—1940 гг. и 1947— 1952 гг.) характеризуется введением двухступенчатого наддува, позволившего получить весьма высокие литровые мощности, но при значительном снижении топливной экономичности двигателя. Ввиду того что эта тенденция не соответствует требованиям автомобильной техники, имеющей целью гармоническое развитие всех эксплуатационных качеств автомобиля, FIA ввела сначала комбинированные классификации, поощрявшие применение двигателей без наддува, а с 1961 г. двигатели с наддувом на дорожно-гоночных автомобилях были совсем запрещены. Эго привело к быстрому усовершенствованию двигателей высокого сжатия без наддува, имеющих теперь почти исключительное распространение на дорожно-гоночных автомобилях.

С 1966 г. формула-1 снова допускает использование наддува. Кроме того, наддув всегда оставался принадлежностью рекордных автомобилей. Широко применяется наддув в США на автомобилях Для гонок на приемистость (дрегстерах), а также в трековых гонках. Наддув успешно используется и на автомобилях групп по современной классификации ФИА. При этом рабочий объем двигателя с наддувом умножается на коэффициент 1,4, после чего его включают в соответствующий класс автомобилей.

Таким образом, изучение наддува как средства форсирования двигателя остается актуальной задачей.

Основной причиной низкой топливной экономичности форсированных двигателей с наддувом являются большие потери теплоты с отработавшими газами. Этот недостаток может быть устранен путем использования энергии отработавших газов в газовой турбине, используемой для привода центробежного нагнетателя. Такая система питания называется турбонаддувом и нередко применяется на гоночных автомобилях.

При турбонаддуве не всегда удается использовать все количество отработавших газов двигателя. Дальнейшим шагом в повышении к. п. д. двигателя является схема VIII. Здесь часть отработавших газов используется в турбине для привода двухступенчатого центробежного нагнетателя, а другая часть — во второй турбине, отдающей свою мощность коленчатому валу двигателя. Такая комбинированная установка может работать экономично и давать большую мощность, так как поршневой двигатель приспособлен для получения механической работы от относительно небольших количеств газа, имеющего высокие давление и температуру, тогда как турбины, наоборот, позволяют эффективно извлекать механическую энергию из относительно больших объемов отработавших газов, имеющих более низкие давление и температуру. С увеличением давления наддува приходится все больше уменьшать степень сжатия; при этом эффективный к. п. д. поршневого двигателя снижается, а роль турбины как тягового двигателя все увеличивается.

Были предложены проекты силовых установок для гоночных автомобилей, в которых двухтактный двигатель с высоким наддувом не был соединен с трансмиссией и служил только генератором газа, используемого в тяговой турбине. По-видимому, логическим завершением этого процесса развития является переход к газовой турбине.

Комбинированные силовые установки до сего времени на гоночных автомобилях не применялись, а газовые турбины устанавливали, в основном, для накопления опытных данных, а не для участия в гонках, хотя имеется несколько рекордов, зарегистрированных для автомобилей с газовыми турбинами. Наиболее удачным оказался опыт применения газовых турбин в трековых гонках (Индианаполис). Мощность турбин лимитировали в 60-х годах допускаемым сечением воздухозаборной части. После трехкратного последовательного уменьшения этого сечения Автомобильный клуб США запретил участие газотурбинных автомобилей в трековых гонках, так как использование двигателей вертолетов могло привести к полному вытеснению поршневых двигателей, и тогда автомобильные гонки в значительной степени потеряли бы связь со своей базовой промышленностью.

Установка приводного нагнетателя влечет за собой ухудшение механического к. п. д., так как часть выигрыша мощности, полученного от принудительного питания двигателя, затрачивается на вращение самого нагнетателя. Эта потеря с увеличением давления наддува быстро возрастает и достигает большой величины. Трехлитровый двигатель «Мер-седес-Бенц» при эффективной мощности 425 л. с. на привод нагнетателя расходовал около 160 л. с.

Уменьшение теплоиспользования и механического к. п. д. приводит к тому, что мощность увеличивается медленнее, чем давление наддува; в частности, при переходе от питания без наддува к питанию с наддувом 1 кгс/см2 мощность увеличивается не вдвое, а приблизительно на 80%. Отсюда возникает вопрос, каков целесообразный предел повышения давления наддува и не наступит ли такой момент, когда улучшение наполнения окажется не в состоянии компенсировать затрату мощности на нагнетатель и ухудшение теплоиспользования. Результаты аналитического исследования этой проблемы подтверждают такие опасения и могут быть представлены графически.

Кривая ре дает изменение среднего эффективного давления в зависимости от давления наддува, отложенного по оси абсцисс, без учета затраты мощности на привод нагнетателя. Кривая рек изображает часть среднего эффективного давления, затрачиваемого на привод нагнетателя, также в зависимости от давления наддува. Как видно из графика, рост рек вначале отстает от роста, а при дальнейшем увеличении давления наддува разрыв между этими величинами быстро уменьшается. Чтобы получить среднее эффективное давление, соответствующее эффективной мощности двигателя, достаточно отнять от ординат кривой р’е ординаты кривой рек. Тогда получим кривую ре изменения среднего эффективного давления двигателя в зависимости от давления наддува. Точкой перегиба а определяется наивыгоднейшее давление наддува — около 5 кгс/см2 (абсолютное), при котором среднее эффективное давление и мощность достигают максимума. График рис. 73 построен из расчета сохранения конечного давления сжатия равным 16,7 кгс/см2 при различных давлениях наддува; это соответствует степени сжатия е = 7,5 для двигателя без наддува. Повышенным давлениям наддува соответствуют уменьшенные степени сжатия; для критического давления наддува 5 кгс/см2 (абсолютное) степень сжатия е = 2,3. Кроме конечного давления сжатия, в основу графика положены еще и другие конкретные данные. Поэтому нельзя считать 5 кгс/см2 (абсолютное) наивыгоднейшим давлением наддува для всех типов двигателей. Точные вычисления критического давления наддува вообще едва ли возможны, так как весьма трудно учесть все условия работы машины, свойства топлива и тем более конструктивные особенности двигателя. Поэтому рис. 2 приводится только для того, чтобы показать существование предела увеличения мощности двигателя, снабженного приводным нагнетателем. В настоящее время применяются более низкие давления наддува по сравнению с предельным значением, полученным на графике.

Рис. 2. Зависимость среднего эффективного давления pg от давления наддува по исследованию Е. Schida

Следует заметить, что если даже^не учитывать потерю мощности на привод нагнетателя, мощность двигателя все’же не будет повышаться безгранично, так как чем сильнее сжимают горючую смесь в нагнетателе, тем меньшую степень сжатия можно использовать в двигателе при определенной детонационной стойкости топлива и, следовательно, в предельном случае все сжатие смеси происходит в нагнетателе, а степень сжатия (и степень расширения) двигателя равна единице; при этом мощность двигателя равна нулю.

Таким образом, улучшение наполнения при наддуве компенсирует ухудшение термического к. п. д. и затрату мощности на нагнетатель только до некоторого значения давления наддува.

Меньшие давления наддува применяются на двигателях с большими цилиндрами ввиду их склонности к перегреву. Наиболее высокие давления наддува лучше всего выдерживают без всяких вредных последствий двигатели с объемом отдельного цилиндра 90—125 см3. Большие давления наддува приводят к очень высоким давлениям вспышки и увеличивают среднюю температуру поршней и выпускных клапанов, несмотря на самое интенсивное охлаждение двигателя.

При современном состоянии развития техники в некоторых случаях прочность основных деталей и их способность выдерживать высокую температуру ограничивают возможность дальнейшего повышения давления наддува.

В какой мере изменяются условия работы двигателя при изменении давления наддува, показывает табл. 23, составленная по данным английского конструктора М. А. Мак Эвоя. Таблица относится к двухцилиндровому мотоциклетному двигателю мощностью 42 л. с. при работе без наддува со степенью сжатия е 9,5. После установки нагнетателя мощность можно увеличить до 72 л. е., если работать с давлением наддува 1 кгс/см2. При этом степень сжатия должна быть снижена до s 6,65. Таким образом, удвоенное давление подачи позволяет увеличить мощность только на 72% вследствие снижения степени сжатия и увеличения затраты энергии на вращение нагнетателя. Максимальное давление вспышки возрастает на 45%, поэтому двигатель с наддувом должен иметь более прочные детали кривошипно-шатунного механизма; при установке нагнетателей на серийные двигатели иногда наблюдаются поломки поршней и поршневых пальцев из-за недостатка запасов прочности. Не менее важное значение имеет сильное увеличение теплового потока, проходящего через двигатель. Под тепловым потоком здесь подразумевается часть теплоты, не превращенная двигателем в механическую работу. Тепловой поток увеличивается быстрее, чем давление наддува; в рассматриваемом примере прирост составляет 117% при давлении наддува 1 кгс/см2.

Быстрый рост теплового потока обусловлен как увеличением заряда цилиндра, так и ухудшением теплоиспользования (уменьшением s). Усилением теплового потока объясняется исключительно напряженный температурный режим работы двигателей с наддувом и необходимость специального конструктивного оформления таких деталей, как поршни, выпускные клапаны и свечи. Поршни должны иметь достаточно толстое днище и массивный пояс за поршневыми кольцами не только для прочности, но и по соображениям отвода интенсивного потока теплоты. Особой тщательности требует подбор свечей, так как выбрасывание нагнетателем некоторого количества масла иногда служит поводом для ошибочной установки свечей слишком «горячего» типа. При больших давлениях наддува рекомендуется устраивать промежуточное охлаждение горючей смеси между нагнетателем и двигателем; такое охлаждение помогает бороться с детонацией и снижает потерю мощности на привод нагнетателя, уменьшая противодавление, несмотря на дополнительное сопротивление радиатора.

На практике доказана возможность использования двигателей с наддувом в гонках с ограничением расхода горючего, если отказаться от высоких давлений наддува. Тогда отпадает необходимость снижения степени сжатия, расход мощности на привод нагнетателя становится незначительным и потому двигатель работает экономично.