Безусловно, каждому из нас приходилось видеть на автомобиле, который на первый взгляд кажется обычным, табличку с надписью «turbo». Производители намеренно делают эти таблички небольшими и располагают их в малозаметных местах, чтобы случайный прохожий не заметил бы их. Но человек, разбирающийся в этом вопросе, обязательно обратит внимание и заинтересуется машиной. Ниже представлена информация о том, почему так происходит.
С самого возникновения автомобилестроения инженеры неустанно ищут способы увеличения отдачи двигателей внутреннего сгорания. Согласно фундаментальным законам физики, мощность агрегата напрямую связана с количеством топлива, которое он потребляет за один рабочий цикл: чем больше сжигаемого топлива, тем выше выходная мощность. Если же возникает желание повысить характеристики двигателя – что неизбежно сопряжено с определенными трудностями.
Турбонаддув представляет собой систему из двух взаимосвязанных компонентов: одна «улитка» предназначена для отвода выхлопных газов, а другая — для принудительной подачи воздуха в цилиндры двигателя.
Для осуществления процесса горения топлива необходим кислород. Таким образом, сгорание происходит не только за счет топлива, но и благодаря топливно-воздушной смеси. Смешивание этих компонентов должно осуществляться строго пропорционально: для бензиновых двигателей оптимальным считается соотношение от 14 до 15 частей воздуха на одну часть топлива – этот параметр варьируется в зависимости от условий эксплуатации, состава используемого горючего и других факторов.
Как становится очевидным, количество необходимого кислорода достаточно велико. Если мы увеличим подачу топлива (что не представляет большой сложности), то потребуется пропорционально увеличить объем поступающего воздуха. Атмосферные двигатели справляются с этой задачей за счет естественного всасывания воздуха под воздействием разницы давлений между цилиндром и окружающей средой. Эта зависимость прямолинейна: чем больше рабочий объем двигателя, тем больший объем кислорода он способен поглотить при каждом цикле работы. Именно таким образом поступали американские производители, создавая двигатели с внушительными размерами и огромным расходом топлива. Возникает вопрос – существует ли возможность увеличить количество воздуха, подаваемого в цилиндры без увеличения их объема?
Отработанные газы из камеры сгорания приводят во вращение ротор турбины, которая передаёт движение компрессору, обеспечивающему подачу сжатого воздуха в цилиндры двигателя. Перед поступлением в цилиндры воздух проходит через промежуточный охладитель для снижения температуры и увеличения плотности.
Первым подобную систему разработал Готтлиб Вильгельм Даймлер. Эта фамилия, вероятно, знакома многим – она присутствует в названии автомобильного концерна DaimlerChrysler. Этот немецкий инженер был весьма талантлив в области двигателестроения и ещё в 1885 году предложил способ увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Он придумал закачивать воздух при помощи нагнетателя, который по сути являлся вентилятором (компрессором), получающим вращение непосредственно от коленчатого вала и подававшим сжатый воздух внутрь цилиндров.
Швейцарец Альфред Бюхи, работавший инженером и изобретателем, пошёл дальше в своих разработках. Занимая должность руководителя отдела дизельных двигателей на предприятии Sulzer Brothers, он был недоволен громоздкими и неподъёмными моторами с недостаточной отдачей мощности. Ему казалось нецелесообразным тратить энергию самого двигателя для привода компрессора. В результате в 1905 году Бюхи получил патент на первую систему наддува, использующую силу выхлопных газов как движущую силу – по сути, он изобрел турбонаддув.
Суть изобретения швейцарского инженера заключается в своей простоте, свойственной всем гениальным решениям. Подобно тому, как ветер приводит в движение крылья ветряной мельницы, отработавшие газы вращают колесо с лопастями. Отличие лишь в том, что это колесо имеет незначительный размер, а количество лопастей весьма велико. Колесо с лопастями именуется ротором турбины и установлено на одном валу с колесом компрессора. Таким образом, турбонагнетатель условно можно разделить на две части: ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, функционируя как «вентилятор», подаёт дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта сложная конструкция получила название турбокомпрессора (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетателя.
Приводной нагнетатель, выполняющий функцию, аналогичную турбонаддуву, механически соединен с двигателем и использует часть его энергии для обеспечения работы.
В турбодвигателе поступающий в цилиндры воздух нередко требует предварительного охлаждения, чтобы повысить его давление и увеличить количество кислорода, подаваемого в цилиндр. Это связано с тем, что холодный воздух проще сжимать, чем нагретый, особенно внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
При прохождении через турбину воздух нагревается как из-за сжатия, так и от деталей наддува, которые разогреваются выхлопными газами. Чтобы охладить подаваемый в двигатель воздух, используется интеркулер – промежуточный радиатор, расположенный на пути воздушного потока от компрессора к цилиндрам двигателя. Проходя через интеркулер, воздух отдает тепло окружающей среде. Поскольку холодный воздух более плотный, его можно увеличить в объеме и подать в цилиндр.
А вот так выглядит интеркулер.
По мере увеличения потока отработанных газов, поступающих в турбину, возрастает её скорость вращения. Это приводит к большему объёму воздуха, подаваемого в цилиндры, что напрямую влияет на увеличение мощности двигателя. Преимущество данной технологии перед решениями вроде механического наддува заключается в минимальных энергетических затратах – всего 1,5% от общей мощности используется для поддержания работы турбонаддува. Принцип действия основан не на замедлении потока выхлопных газов, а на их охлаждении: после прохождения через турбину они продолжают двигаться с высокой скоростью, но при более низкой температуре. Кроме того, энергия, затрачиваемая на компрессию воздуха, повышает общий КПД двигателя. Возможность получения большей мощности от меньшего рабочего объема также способствует снижению трения и веса самого двигателя (а значит, и всего автомобиля). Все эти факторы делают турбированные автомобили более эффективными по расходу топлива в сравнении с атмосферными аналогами схожей производительности. Кажущаяся простота решения обманчива – сложности только начинаются.
У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.
Во-первых, скорость вращения турбины может достигать двухсот тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов поднимается до невероятного значения – тысячи градусов Цельсия! Что же это значит? Это указывает на то, что создание турбонаддува, способного выдерживать такие колоссальные нагрузки длительное время, является сложной и дорогостоящей задачей.
Выхлопные газы приводят к значительному нагреву как системы выпуска, так и компонентов турбонаддува.
Именно поэтому технология наддува получила широкое применение лишь в период Второй мировой войны, и то исключительно в авиационной отрасли. В середине двадцатого века американская корпорация Caterpillar адаптировала её для сельскохозяйственной техники, а инженеры из Cummins разработали первые турбодизели для коммерческого транспорта. На серийных легковых автомобилях такие двигатели появились значительно позже. Это произошло в 1962 году, когда практически одновременно были представлены Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.
Однако сложность изготовления и высокая стоимость – не единственные ограничения данной технологии. Эффективность работы турбины напрямую зависит от частоты вращения двигателя. При низких оборотах объём выхлопных газов невелик, ротор раскручивается недостаточно быстро, и компрессор практически не подаёт дополнительный воздух в цилиндры. В результате до достижения трёх тысяч оборотов двигатель может демонстрировать недостаточную тягу, а лишь после четырёх-пяти тысяч начинает ощутимо ускоряться. Это явление известно как турбояма. При этом чем больше размеры турбины, тем продолжительнее будет её разгон. Поэтому силовые агрегаты с высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления чаще всего подвержены проблеме турбоямы. В то же время у турбин низкого давления практически отсутствуют провалы в тяге, хотя прирост мощности они обеспечивают не столь значительный.
Схему с последовательным наддувом позволяет существенно уменьшить эффект турбоямы: на малых оборотах двигателя работает небольшой и быстрораскручивающийся компрессор, увеличивая крутящий момент на низких диапазонах, а второй, более крупный, включается при высоких оборотах по мере роста давления выхлопных газов. В прошлом веке подобная конфигурация применялась в суперкаре Porsche 959, а сегодня используется, например, в дизельных двигателях BMW и Land Rover. Для бензиновых двигателей Volkswagen функцию «заводилы» выполняет механический нагнетатель.
На двигателях с рядным расположением цилиндров нередко применяют один турбокомпрессор twin-scroll (имеющий конструкцию «двойные улитки») с двойной рабочей камерой. Каждая из этих «улиток» получает выхлопные газы от отдельных групп цилиндров, но обе направляют их на одну и ту же турбину, что позволяет эффективно обеспечивать её раскрутку как на низких, так и на высоких оборотах
В большинстве случаев всё же применяют пару идентичных наддувных устройств, которые последовательно обслуживают отдельные цилиндрические группы. Это характерная конфигурация для V-образных силовых агрегатов с турбонаддувом, где каждый блок оснащён собственным компрессором. Тем не менее, восьмицилиндровый двигатель от M GmbH, впервые представленный на определённой модели автомобиля, BMW X5 M и X6 M, компрессор twin-scroll оборудован перекрёстным выпускным коллектором, благодаря чему он может получать выхлопные газы из цилиндров различных блоков, функционирующих в противофазной последовательности.
Турбина с двойной «улиткой» отличается наличием двух отдельных каналов – один демонстрирует высокую эффективность при высоких оборотах двигателя, а другой – при низких.
Повышение эффективности турбокомпрессора на протяжении всего диапазона скоростей возможно посредством изменения геометрии рабочей камеры. В зависимости от скорости потока внутри «улитки» поворачиваются специальные лопасти и изменяется форма сопла, создавая эффект «супертурбины», обеспечивающей оптимальную работу во всём диапазоне оборотов двигателя. Данные концепции обсуждались на протяжении многих лет, однако их практическая реализация стала возможна сравнительно недавно. Первоначально турбонаддувы с переменной геометрией применялись в дизельных силовых установках из-за более низких температур выхлопных газов. А первым бензиновым автомобилем, получившим подобное устройство, Porsche 911 Turbo.
Турбина с изменяемой геометрией.
Технологии создания турбированных двигателей получили значительное развитие ещё некоторое время назад, однако их востребованность существенно увеличилась в последнее десятилетие. Оказалось, что применение наддува не только способствует увеличению мощности силового агрегата, но и помогает снизить расход топлива и уменьшить вредные выбросы. Данное обстоятельство особенно важно для дизельных двигателей – сегодня большинство из них оснащены турбонаддувом. А интеграция турбины в бензиновые моторы даёт возможность превратить обычный автомобиль в динамичное средство передвижения, которое можно узнать по небольшой табличке с надписью «turbo».
Источник: сайт drive.ru