Что такое турбонаддув
Пожалуй, не найдется такого человека, кто хотя бы раз в жизни не видел автомобиль с приставкой “турбо”. Производители будто намеренно делают эту надпись незаметной, чтобы обыватель прошел мимо. А вот человек знающий обязательно остановится и заинтересуется машиной. Ниже мы расскажем, почему так происходит.
Инженеры-конструкторы (с тех пор, как существует эта профессия) ломают головы над тем, как увеличить мощность двигателя. Согласно законам физики мощность двигателя непосредственно зависит от количества топлива, сжигаемого за один рабочий цикл. Чем больше топлива сгорает, тем выше мощность.
Кислород требуется для сжигания топлива. Так что это не топливо, а топливовоздушная смесь, что сгорает в цилиндрах. Смешивать топливо с воздухом необходимо в правильных пропорциях. Например, смесь для бензиновых двигателей состоит из одной части топлива и 14-15 частей воздуха в зависимости от режима работы, состава топлива и других факторов.
Как видно, требуется много воздуха. При увеличении подачи топлива нам потребуется также увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели втягивают его в себя из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость в этом случае прямая — чем больше объем цилиндра, тем больше кислорода будет попадать в него на каждом цикле. По такому пути пошли американцы, чьи автомобили знамениты огромными двигателями с неуемным “аппетитом”. Но есть ли способ закачать больше воздуха в тот же объем?
Есть, и он был изобретен Готтлибом Вильгельмом Даймлером. Итак, этот немец прекрасно разбирался в моторах, и еще в 1885 году изобрел способ закачивать в них больше воздуха. Ему пришла в голову идея использовать для этих целей нагнетатель, который представлял собой вентилятор (компрессор), который вращался непосредственно за счет вала двигателя и закачивал сжатый воздух в цилиндры.
Швейцарский инженер и изобретатель Альфред Й. Бюхи превзошел всех. Он отвечал за разработку дизельных двигателей в компании братьев Зульцер, и ему абсолютно не нравился тот факт, что двигатели были большими и тяжелыми и развивали небольшую мощность. Он также не хотел забирать энергию у двигателя, чтобы вращать приводной компрессор. Поэтому в 1905 году г-н Бюхи запатентовал первый в мире нагнетатель, который использовал энергию выхлопных газов в качестве источника питания. Проще говоря, он изобрел турбонаддув.
Идея умного швейцарца до гениальности проста. Выхлопные газы вращают лопастное колесо точно так же, как ветра вращают крылья мельницы. Единственная разница — размеры колеса небольшие, а лопастей много. Лопастное колесо называется ротором турбины и установлено на одном валу с колесом компрессора. Таким образом, условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор вращается благодаря выхлопным газам, а подключенный к нему компрессор закачивает дополнительный воздух в цилиндры, выполняя функцию “вентилятора”. Вся эта замысловатая конструкция называется турбонагнетателем (от латинского “turbo” — вихрь и “compressio” — сжатие).
В двигателе с турбонаддувом воздух, поступающий в цилиндры, зачастую необходимо еще дополнительно охлаждать. В таком случае его давление можно повысить, закачав в цилиндр больше кислорода. Холодный воздух (уже находящийся в цилиндре двигателя внутреннего сгорания) сжать легче, чем горячий.
Воздух, который проходит сквозь турбину, нагревается за счет сжатия, а также от деталей турбонаддува, нагреваемых выхлопными газами. Воздух, подаваемый в двигатель, охлаждается с помощью промежуточного охладителя. Это радиатор, установленный на воздушном пути от компрессора к цилиндрам двигателя. Проходя через него, он отдает свое тепло атмосфере. А у холодного воздуха плотность выше, что означает, что в цилиндр можно закачать еще больше воздуха.
Чем больше выхлопных газов поступает в турбину, тем быстрее она вращается и чем больше дополнительного воздуха заходит в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на “самообслуживание” наддува уходит ничтожно мало энергии двигателя — 1,5 %. Ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счет их замедления, а за счет охлаждения — после турбины выхлопные газы все еще быстрые, но температура их более низкая. Более того, свободная энергия, которую тратят на сжатие воздуха, повышает эффективность двигателя. А возможность получать большую мощность при меньшем рабочем объеме означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и автомобиля в целом). Все это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными по сравнению с атмосферными аналогами той же мощности. Но есть и подводные камни.
Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, а во-вторых, температура накаливания достигает 1000°C! Что же это значит? А то, что изготовить турбокомпрессор, способный выдерживать такие большие нагрузки в течение длительного времени, дорого и сложно.
Поэтому турбонаддув получил широкое признание только в период Второй мировой войны да и исключительно в авиации. В 50-х годах американской компании Caterpillar удалось адаптировать его к своим тракторам, а мастера из Cummins спроектировали первые турбодизели для своих грузовиков. Турбомоторы появились на серийных легковых автомобилях еще позже. Это произошло в 1962 году, когда почти одновременно были выпущены Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.
Сложность и дороговизна конструкции — отнюдь не все недостатки. Дело в том, что КПД турбины сильно зависит от частоты вращения двигателя. На малых скоростях объем выхлопных газов невелик, ротор вращается плохо, а компрессор почти не запускает дополнительный воздух в цилиндры. Поэтому бывает так, что мотор вообще не работает меньше чем на трех тысячах оборотов в минуту, и только потом, после четырех-пяти тысяч, он что называется “выстреливает”. Это явление называется турбоямой.
Последовательная схема турбонаддува помогает практически полностью избавиться от запаздывания турбонаддува. На низких оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбонагнетатель, усиливающий тягу на “низах”, а второй, больший, включается на высоких оборотах с увеличением давления выхлопных газов. В прошлом веке на Porsche 959 применялся последовательный турбонаддув, а сегодня, например, турбодизели BMW и Land Rover устроены по такой схеме. В бензиновых двигателях Volkswagen роль небольшой “электростанции” играет нагнетатель привода.
В прямоточных двигателях часто используется одинарный турбонагнетатель с двумя спиралями и двойным рабочим устройством. Каждая из спиралей заполнена выхлопными газами из разных групп цилиндров. Но в то же время оба подают газы в одну турбину, эффективно вращая ее как на низких, так и на высоких скоростях.
Но все же чаще встречается пара одинаковых турбонаддувов, которые обслуживают отдельные группы цилиндров параллельно. Типичная схема для V-образных турбодвигателей, где каждый агрегат имеет свой собственный нагнетатель. Хотя двигатель V8 от M GmbH, который дебютировал на BMW X5 M и X6 M, оснащен поперечным выпускным коллектором, благодаря чему компрессор с двумя спиралями получает выхлопные газы из цилиндров разных блоков, которые работают в противоположной фазе.
Также можно повысить эффективность работы турбонагнетателя во всем диапазоне скоростей за счет изменения геометрии рабочей части. В зависимости от частоты вращения внутри спирали вращаются специальные лопасти, и форма сопла меняется. В результате получается эдакая “супертурбина”, которая прекрасно работает во всем диапазоне скоростей. Многие ученые вынашивали эти идеи на протяжении многих лет, но реализовать их удалось совсем недавно. Более того, сначала на дизельных двигателях появились турбины с изменяемой геометрией, к счастью, температура газов там значительно ниже. А Porsche 911 Turbo стал первым бензиновым автомобилем, который испытал такую турбину на себе.
Конструкцию турбомоторов доработали давным-давно. В последние годы интерес к ним серьезно возрос. Турбонагнетатели оказались перспективными не только с точки зрения форсирования двигателя, но и с позиции повышения эффективности и чистоты выхлопа. Это особенно касается дизельных двигателей. Сегодня почти каждый дизель имеет приставку “turbo”. В то же время установка турбины на бензиновые двигатели позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую “бомбу”.
Оригинальная статья на сайте ДРАЙВ: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html
