Что такое турбонаддув
Несомненно, каждый из нас хотя бы раз обратил внимание на надпись «turbo» на обычном автомобиле. Производители размещают эти знаки небольшого размера в незаметных местах так, что невооружённый глаз их может и не уловить. Но разбирающийся человек непременно остановится и изучит автомобиль более пристально. Далее приводится рассказ о причинах такого поведения.
Автомобильные конструкторы всегда стремятся повысить мощность моторов. Физические законы устанавливают прямое соотношение между мощностью двигателя и количеством сжигаемого топлива за рабочий цикл: чем больше горючего используется, тем выше мощность. Но если мы желаем увеличить «поголовье лошадей» под капотом, то возникает ряд сложностей.
Турбокомпрессор имеет две части, называемые «улитками». Одна пропускает выхлопные газы, другая подаёт воздух в цилиндры.
Для горения топлива требуется кислород. В цилиндрах сгорает не само топливо, а смесь топлива и воздуха. Смешивать топливо с воздухом нужно в конкретном соотношении: на одну часть топлива приходится 14–15 частей воздуха. Точное соотношение зависит от режима работы двигателя, состава горючего и других факторов.
Ввиду потребности в большом количестве воздуха, увеличение подачи топлива потребует значительного повышения подачи воздуха. Обычные двигатели сами засасывают воздух из-за разницы давлений в цилиндре и атмосфере. Зависимость прямая: чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода попадает в него на каждом цикле. Так поступали американцы, выпускавшие огромные двигатели с большим расходом топлива. А существует ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?
Выхлопные газы двигателя раскручивают ротор турбины, а та приводит в движение компрессор. Компрессор нагнетает сжатый воздух в цилиндры. До этого воздух проходит через интеркулер и охлаждается для повышения его плотности.
Господин Готтлиб Вильгельм Даймлер впервые придумал мотор. Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Этот немец неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал способ загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя — вентилятора (компрессора), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.
Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи занимал должность руководителя разработки дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers. Ему не нравилось, что моторы были громоздкими и маломощными. Не желая отнимать энергию у двигателя для вращения компрессора, Бюхи в 1905 году запатентовал устройство нагнетания, которое использовало энергию выхлопных газов.
Идея швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветер вращает крылья мельницы, также отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо очень маленькое, а лопаток много. Колесо с лопатками — ротор турбины — посажено на вал с колесом компрессора. Так турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая как вентилятор, нагнетает воздух в цилиндры. Вся эта конструкция и называется турбокомпрессором (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетателем.
Приводной нагнетатель, аналогичный турбонаддуву, приводится от двигателя и расходует часть его мощности на свою работу.
В турбомоторе воздух, поступающий в цилиндры, иногда нуждается в дополнительном охлаждении для повышения давления. Более холодный воздух можно сжать сильнее, загнав в цилиндр больше кислорода.
Сжатие и нагрев деталей турбонаддува раскалёнными выхлопными газами приводят к повышению температуры воздуха в турбине. Для охлаждения поступающего в двигатель воздуха служит интеркулер — радиатор, установленный между компрессором и цилиндрами мотора. Проходя через него, воздух отдает тепло атмосфере. Холодный воздух более плотный, что позволяет загнать его в цилиндры больше.
А вот так выглядит интеркулер.
Чем больше выхлопных газов поступает в турбину, тем быстрее она вращается и подаёт дополнительный воздух в цилиндры, увеличивая мощность. Эффективность такого наддува по сравнению с приводным нагнетателем в том, что на его «самообслуживание» двигатель тратит очень мало энергии — всего 1,5%. Это потому, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт охлаждения. Выхлопные газы после турбины остаются быстрыми, но более холодными. Кроме того, затраченная на сжатие воздуха энергия повышает КПД двигателя. Возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение и меньше вес двигателя (и автомобиля в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными по сравнению с атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начинаются.
У Mitsubishi Lancer Evolution Интеркулер находится в переднем бампере, впереди радиатора. Но у… Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.
Скорость вращения турбины может быть до 200 тысяч оборотов в минуту, а температура раскалённых газов — 1000 градусов Цельсия. Из-за этого изготовить турбонаддув, способный выдерживать такие нагрузки длительное время, очень дорого и сложно.
Горячие выхлопные газы нагревают как выпускную систему, так и турбонаддув до экстремальных температур.
В годы Второй мировой войны турбонаддув нашел применение преимущественно в авиации. В пятидесятых годах компания Caterpillar адаптировала его для своих тракторов, а инженеры Cummins создали первые турбодизели для грузовиков. На серийных легковых автомобилях турбированные двигатели появились позже – в 1962 году с выпуском Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.
Сложность и дороговизна конструкции — не единственные минусы. Эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. При малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскручивается слабо, и компрессор почти не подает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому мотор может плохо тянуть до трёх тысяч оборотов в минуту, а только после четырёх-пяти тысяч «выстреливает». Эта проблема называется турбоямой. Чем больше турбина, тем дольше она раскручивается. Моторы с высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления страдают от турбоямы прежде всего. У турбин, создающих низкое давление, практически нет провалов тяги, но и мощность они поднимают незначительно.
Схема последовательного наддува позволяет практически устранить турбояму: на малых оборотах небольшого малоинерционного турбокомпрессора хватает для увеличения тяги на низких оборотах, а большой турбокомпрессор включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске.
В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.
На рядных двигателях часто применяют одиночный турбокомпрессор twin-scroll с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров, а обе подают их на одну турбину, эффективно раскручивая её как на малых, так и на больших оборотах.
Чаще всего применяются две одинаковые системы наддува, работающие по очереди с разными группами цилиндров. Такая схема характерна для V-образных моторов, где у каждого блока свой турбокомпрессор. Например, двигатель V8 компании M GmbH, представленный на автомобилях… BMW X5 M и X6 MОснащен перекрестным выпускным коллектором, позволяющим компрессору с двойной спиралью получать выхлопные газы из цилиндров различных блоков, функционирующих в противоположных фазах.
Турбина с двойным протоком газов оборудована двумя улицами – первая предназначена для работы на высоких оборотах мотора, вторая – на низких.
Для повышения эффективности работы турбокомпрессора в широком диапазоне оборотов можно модифицировать геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов лопатки внутри «улитки» поворачиваются, а форма сопла изменяется. Такая конструкция, называемая «супертурбиной», обеспечивает хорошую работу на всех оборотах.
Идеи подобного совершенствования давно обсуждались, но воплотить их удалось только недавно. Сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, так как температура газов там существенно ниже. Первым бензиновым автомобилем, оснащенным такой турбиной, стал… Porsche 911 Turbo.
Турбина с изменяемой геометрией.
Турбомоторы давно доведены до совершенства, и в последнее время приобрели огромную популярность. Турбокомпрессоры стали перспективны не только для повышения мощности моторов, но и для увеличения экономичности и снижения вредных выбросов. Особенно это актуально для дизельных двигателей, где сегодня редко встретишь двигатель без приставки «турбо». Установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный автомобиль в быстроходный и оснастить его маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».
Источник: сайт drive.ru
