Безсумнівно, кожен з нас хоч раз у житті помічав шильдик «турбо» на звичайному на вигляд автомобілі. Виробники ніби спеціально роблять ці таблички невеликого розміру і в непомітних місцях, щоб необізнаний перехожий не помітив і не пройшов повз. А обізнана людина обов’язково зупиниться і зацікавиться машиною. Далі розповідь про причини такої поведінки.
Автомобільних конструкторів (з моменту появи цієї професії) постійно хвилює проблема збільшення потужності двигуна. Закони фізики стверджують, що потужність двигуна безпосередньо залежить від кількості палива, що спалюється за один робочий цикл. Чим більше палива ми спалюємо, тим більша потужність. І, скажімо, хочемо збільшити «кількість коней» під капотом – як це зробити? Ось де ми стикаємося з проблемами.
Справа в тому, що для горіння палива необхідний кисень. Отже, це не паливо, а паливно-повітряна суміш, яка горить у циліндрах. Змішувати паливо з повітрям потрібно не на око, а в певному співвідношенні. Наприклад, суміш для бензинових двигунів складається з однієї частини палива і 14-15 частин повітря – в залежності від режиму роботи, складу палива та інших факторів.
Як бачимо, повітря потрібно багато. Якщо збільшити подачу палива (це не проблема), то доведеться значно збільшити і подачу повітря. Звичайні двигуни втягують його в себе за рахунок різниці тиску в циліндрі і в атмосфері. Залежність виявляється прямою – чим більше об’єм циліндра, тим більше кисню буде потрапляти в нього на кожному циклі. Так і зробили американці, випустивши величезні двигуни з карколомною витратою палива. Але чи є спосіб накачати більше повітря в той самий об’єм?
Є, і його винайшов містер Готліб Вільгельм Даймлер. Чи знайоме вам це прізвище? Звичайно, воно використовується в назві DaimlerChrysler. Отже, цей німець дуже добре володів двигунами і ще в 1885 році він винайшов спосіб закачувати в них більше повітря. Він придумав нагнітати повітря в циліндри за допомогою нагнітача, який представляв собою вентилятор (компресор), який отримував обертання безпосередньо від вала двигуна і нагнітав стиснене повітря в циліндри.
Швейцарський інженер і винахідник Альфред Дж. Бюхі пішов ще далі. Він відповідав за розробку дизельних двигунів у компанії Sulzers Brothers, і йому категорично не подобалося те, що двигуни були великими і важкими і розвивали малу потужність. Він також не хотів забирати енергію у двигуна, щоб обертати приводний компресор. Тому в 1905 році пан Бюхі запатентував перший у світі пристрій для зарядки повітря, який використовував енергію вихлопних газів як джерело енергії. Простіше кажучи, він винайшов турбонаддув.
Ідея розумного швейцарця проста, як усе геніальне. Вихлопні гази обертають колесо з лопатями, а вітер обертає вітрила млина. Різниця тільки в тому, що колесо дуже маленьке, а лопатей багато. Лопаткове колесо називається ротором турбіни і кріпиться на одному валу з колесом компресора. Так умовно турбокомпресор можна розділити на дві частини – ротор і компресор. Ротор отримує обертання від вихлопних газів, а підключений до нього компресор накачує додаткове повітря в циліндри, працюючи як «вентилятор». Вся ця хитромудра конструкція називається турбокомпресором (від латинських слів «turbo» – вихровий і «compressio» – стиснення).
У двигуні з турбонаддувом повітря, яке потрапляє в циліндри, часто доводиться додатково охолоджувати – тоді його тиск можна зробити вищим, нагнітаючи в циліндр більше кисню. Адже легше стиснути холодне повітря (вже в циліндрі ДВС), ніж гаряче.
Повітря, що проходить через турбіну, нагрівається за рахунок стиснення, а також від частин турбонаддува, нагрітих вихлопними газами. Повітря, що подається в двигун, охолоджується за допомогою інтеркулера. Це радіатор, встановлений на шляху повітря від компресора до циліндрів двигуна. Проходячи через нього, він віддає своє тепло атмосфері. А прохолодне повітря щільніше, що означає, що в циліндр можна закачати ще більше повітря.
Чим більше вихлопних газів потрапляє в турбіну, чим швидше вона обертається і чим більше додаткового повітря надходить в циліндри, тим вище потужність. Ефективність цього рішення порівняно, наприклад, з приводним нагнітачем полягає в тому, що дуже мало енергії двигуна, лише 1,5%, витрачається на «самопідтримку» зарядки. Справа в тому, що ротор турбіни отримує енергію від вихлопних газів не за рахунок їх уповільнення, а за рахунок їх охолодження – після турбіни вихлопні гази все одно швидкі, але холодніші. Крім того, вільна енергія, що витрачається на стиснення повітря, підвищує ККД двигуна. А можливість отримати більше потужності з меншого робочого об’єму означає менші втрати на тертя, меншу вагу двигуна (і автомобіля в цілому). Все це робить турбовані автомобілі більш економними в порівнянні з атмосферними аналогами такої ж потужності. Здавалося б, ось у чому щастя. Але ні, це не так просто. Проблеми тільки почалися.
По-перше, швидкість обертання турбіни може досягати 200 тисяч обертів за хвилину, а по-друге, температура розжарювання досягає, уявіть собі, 1000°C! Що це все означає? Зробити турбокомпресор, який би довго витримував такі великі навантаження, дуже дорого і важко.
З цих причин турбонаддув отримав широке поширення лише під час Другої світової війни, і тільки в авіації. У 50-х роках американській компанії Caterpillar вдалося адаптувати його для своїх тракторів, а майстри з Cummins сконструювали перші турбодизелі для своїх вантажівок. Турбомотори з’явилися на серійних легкових автомобілях ще пізніше. Це сталося в 1962 році, коли майже одночасно вийшли Oldsmobile Jetfire і Chevrolet Corvair Monza.
Але складність і висока вартість конструкції – не єдині недоліки. Справа в тому, що ККД турбіни сильно залежить від обертів двигуна. На низьких оборотах об’єм вихлопних газів невеликий, ротор обертається погано, а компресор майже не вдуває додаткове повітря в циліндри. Тому буває, що менше трьох тисяч оборотів мотор взагалі не йде, а вже потім, після чотирьох-п’яти тисяч, «вистрілює». Цю ложку дегтя називають затримкою турбокомпресора. Причому, чим більше турбіна, тим довше вона буде набирати обертів. Тому двигуни з дуже високою потужністю і турбінами високого тиску, як правило, особливо страждають від відставання турбокомпресора. А ось турбіни, які створюють низький тиск, майже не мають турболагів, але потужність вони не надто збільшують.
Секвентальна схема турбонаддува допомагає практично позбутися від турболаг. На низьких оборотах двигуна працює малий малоінерційний турбокомпресор, збільшуючи тягу на «низах», а другий, більший, включається на високих обертах зі збільшенням тиску вихлопу. У минулому столітті послідовний турбонаддув використовувався на Porsche 959, а сьогодні за такою схемою влаштовані, наприклад, турбодизелі BMW і Land Rover. У бензинових двигунах Volkswagen роль невеликої «електростанції» виконує приводний нагнітач.
У прямолінійних двигунах часто використовується один двоспіральний турбокомпресор (пара спіралі) з подвійним робочим апаратом. Кожна з спіралі заповнена вихлопними газами різних груп циліндрів. Але в той же час обидва постачають гази в одну турбіну, ефективно обертаючи її як на низьких, так і на високих швидкостях.
Але все ж частіше можна зустріти пару однакових турбонаддувів, які паралельно обслуговують окремі групи циліндрів. Типова схема для V-подібних турбомоторів, де кожен агрегат має свій нагнітач. Хоча двигун V8 від M GmbH, який дебютував на BMW X5 M і X6 M, оснащений перехресним випускним колектором, який дозволяє подвійному спіральному компресору отримувати вихлопні гази з циліндрів різних блоків, що працюють в протилежному напрямку. фаза.
Змусити турбокомпресор працювати більш ефективно у всьому діапазоні швидкостей також можна шляхом зміни геометрії робочої частини. Залежно від обертів всередині спіралі обертаються спеціальні лопаті, а форма сопла змінюється. У результаті виходить «супертурбіна», яка добре працює у всьому діапазоні обертів. Ці ідеї витали в повітрі десятиліттями, але були реалізовані порівняно недавно. Більше того, спочатку на дизелях з’явилися турбіни зі змінною геометрією, на щастя, температура газів там набагато нижче. І Porsche 911 Turbo був першим бензиновим автомобілем, який випробував таку турбіну.
Конструкція турбомоторів склалася давно, і останнім часом їх популярність різко зросла. Причому турбокомпресори виявилися перспективними не тільки з точки зору форсування двигуна, але і з точки зору підвищення ефективності і чистоти вихлопу. Особливо це стосується дизельних двигунів. Практично кожен дизель сьогодні має приставку turbo. У той же час установка турбіни на бензинові двигуни дозволяє перетворити звичайний на вигляд автомобіль в справжню «запальничку». Той, що має маленьку, ледь помітну «турбо» пластину.
Це переклад. Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html
Published January 27, 2022 • 12m to read
