Бензиновый двигатель высвобождает энергию, сжигая топливо, а для горения топливу нужен кислород. В обычном двигателе поршень втягивает воздух при примерно атмосферном давлении, поэтому количество воздуха за ход ограничено объёмом цилиндра. Турбокомпрессор или нагнетатель — это компрессор, который нагнетает воздух под большим давлением, так что тот же цилиндр вмещает его больше. Числа ниже — учебная физика, а не данные динамометрического стенда для какого-либо реального автомобиля.
Больше воздуха, больше топлива, больше мощности
Смесь, которая нужна бензиновому двигателю, задаётся химией: около 14.7 кг воздуха на 1 кг бензина для полного сгорания (стехиометрическое соотношение). Если зафиксировать это соотношение, сжигаемое топливо пропорционально массе воздуха, помещающейся в цилиндр. Мощность примерно пропорциональна сожжённому топливу, поэтому удвоение массы воздуха позволяет сжечь примерно вдвое больше топлива. На практике прирост немного меньше, но решает именно масса воздуха.
Масса воздуха — это плотность, умноженная на объём. Объём цилиндра фиксирован, поэтому единственный способ поднять массу — поднять плотность. Именно это и делает любой наддув.
Наддув — это избыточное давление
Манометр наддува показывает давление выше окружающего воздуха, так называемое избыточное давление. Двигателю важно абсолютное давление, то есть показание манометра плюс атмосферное давление. На уровне моря стандартное атмосферное давление составляет 1.013 бар (около 14.7 psi). Итак, при наддуве 1 бар:
абсолютное давление = 1.013 + 1 = 2.013 бар
Отношение 2.013 ÷ 1.013 = 1.987, то есть 1 бар наддува почти точно удваивает давление. Полбара дают 1.513 ÷ 1.013 = 1.49 раза, а 1.5 бара — 2.513 ÷ 1.013 = 2.48 раза.
Плотность и то, почему жар её портит
Для воздуха как идеального газа P = ρ × R × T, поэтому плотность ρ = P ÷ (R × T), где T — в кельвинах, а R = 287 Дж/(кг·K) для воздуха. При 20 °C (293.15 K) и 1.013 бар плотность равна 101,300 ÷ (287.05 × 293.15) = 1.204 кг/м³, или 1.204 г на литр.
Одного давления хватило бы, чтобы удвоить её. Но сжатие газа нагревает его. Для идеального компрессора без теплопотерь температура на выходе равна T₂ = T₁ × (P₂ ÷ P₁)^0.2857, где 0.2857 — это (γ − 1) ÷ γ для воздуха при γ = 1.4. Используя отношение давлений 1.987:
- 1.987^0.2857 = 1.217
- T₂ = 293.15 × 1.217 = 356.7 K, что составляет 83.5 °C
Это наилучший случай. Реальные компрессоры работают горячее. Горячий воздух менее плотен. Плотность теперь составляет 2.013 бар при 356.7 K, то есть 1.987 × (293.15 ÷ 356.7) = 1.633 раза от исходной, а не 1.987. Жар съел 18% плотности, за которую вы заплатили.
Интеркулер — это радиатор для сжатого воздуха. Допустим, он охлаждает заряд до 40 °C (313.15 K). Тогда плотность составит 1.987 × (293.15 ÷ 313.15) = 1.860 раза от исходной, что на 14% больше, чем 1.633 без охлаждения (1.860 ÷ 1.633 = 1.139).
На литр объёма цилиндра это 1.204 г воздуха без наддува и 1.204 × 1.860 = 2.24 г с интеркулером. При соотношении 14.7 к 1 соответствующее топливо составляет 0.082 г против 0.152 г. Это идеальные цифры для цилиндра, который заполняется полностью.
Турбокомпрессор: приводится выхлопом
Турбокомпрессор ставит турбину в поток выхлопных газов. Горячий газ раскручивает её, а вал соединяет её с компрессором на впускной стороне. Механической связи с коленчатым валом нет.
Недостаток в том, что он реагирует на расход выхлопа. На низких оборотах и при малом открытии дросселя газа мало, чтобы раскрутить турбину, поэтому наддув почти не нарастает. Обороты двигателя, при которых появляется полезный наддув, называются порогом наддува. После резкого открытия дросселя турбине и компрессору нужно разогнаться, а поток газа — набрать силу, прежде чем вырастет давление. Задержка называется турбоямой. Вестгейт пропускает выхлоп мимо турбины, когда достигнуто целевое давление, поэтому наддув перестаёт расти по мере увеличения расхода выхлопа.
Нагнетатель: приводится ремнём
Нагнетатель приводится в действие коленчатым валом, обычно через ремень. Его скорость следует за оборотами двигателя, поэтому наддув доступен почти с холостого хода и реагирует в тот же миг, когда открывается дроссель.
Цена — паразитные потери: компрессор забирает мощность у коленчатого вала. Минимальная работа сжатия воздуха равна cp × T₁ × (ratio^0.2857 − 1) на килограмм, где cp = 1,005 Дж/(кг·K). Это 1,005 × 293.15 × 0.2168 = 63.9 кДж/кг. При принятом расходе воздуха 0.1 кг/с это как минимум 6.4 кВт, или 8.6 л.с.; реальный компрессор требует больше. Турбо требует той же работы сжатия, но берёт её из выхлопа ценой некоторого противодавления.
Оба делают одно и то же: повышают абсолютное давление впускного воздуха. Турбо получает энергию из выхлопа и выходит на обороты. Нагнетатель берёт её с коленвала и работает сразу. Охлаждение заряда после этого и сохраняет плотность, за которую вы заплатили.
На что смотреть на графике стенда
У двигателя с нагнетателем обычно сильный крутящий момент на низах, тогда как у турбо момент растёт по мере нарастания наддува. Формула из записи о динамометрической диаграмме, л.с. = крутящий момент × об/мин ÷ 5,252, по-прежнему применима. Передаточные числа определяют, насколько хорошо используется кривая; см. статьи о передаточных числах.
В игре
Pink Slip Kings перечисляет наддув среди настроек, которые можно менять при тюнинге, а также стенд для сравнения мощности и крутящего момента. Описание в магазине не говорит о турбокомпрессорах, нагнетателях или интеркулерах, поэтому физика здесь — реальный фон, а не описание того, как игра их моделирует. Игра находится в закрытом тестировании.
Pink Slip Kings: Drag Racing представляет собой трёхмерную гоночную игру драг-рейсинга с ручным стартом и переключением передач, подробной настройкой передаточных чисел, главной пары, наддува и оборотов старта, а также с динамометрическим стендом, телеметрией и протоколами времени заездов. Работает офлайн, без рекламы и внутриигровых покупок; игровые деньги и машины нельзя купить или обменять на реальные. Игра сейчас находится в закрытом тестировании.