Що таке турбонаддув

Безсумнівно, кожен з нас хоч раз в житті помічав на звичайному на вигляд автомобілі шильдик «turbo». Виробники, як навмисне, роблять ці шильдики невеликого розміру і розміщують в непримітних місцях так, що непосвячений перехожий не помітить і пройде повз. А розуміюча людина неодмінно зупиниться і зацікавиться автомобілем. Нижче наводиться розповідь про причини такої поведінки.

Автомобільні конструктори (з моменту появи на світлі цієї професії) постійно стурбовані проблемою підвищення потужності моторів. Закони фізики говорять, що потужність двигуна безпосередньо залежить від кількості палива, що спалюється за один робочий цикл. Чим більше палива ми спалюємо, тим більше потужність. І, скажімо, захотілося нам збільшити «поголів'я коней» під капотом - як це зробити? Тут-то нас і чекають проблеми.

Турбокомпресор складається з двох «равликів» - через одну проходять відпрацьовані гази, а друга «качає» повітря в циліндри.

Справа в тому, що для горіння палива необхідний кисень. Так що в циліндрах згоряє в повному паливо, а паливно-повітряна суміш. Заважати паливо з повітрям потрібно не на око, а в певному співвідношенні. Наприклад, для бензинових двигунів на одну частину палива покладається 14-15 частин повітря - в залежності від режиму роботи, складу пального та інших факторів.

Як ми бачимо, повітря потрібно дуже багато. Якщо ми збільшимо подачу палива (це не проблема), нам також доведеться значно збільшити і подачу повітря. Звичайні двигуни засмоктують його самостійно через різницю тисків в циліндрі і в атмосфері. Залежність виходить пряма - чим більше обсяг циліндра, тим більше кисню в нього потрапить на кожному циклі. Так і надходили американці, випускаючи величезні двигуни з запаморочливим витратою пального. А чи є спосіб загнати в той же обсяг більше повітря?

Вихлопні гази з двигуна обертають ротор турбіни, той, в свою чергу, приводить в рух компресор, який нагнітає стиснене повітря в циліндри. Перед тим як це станеться, повітря проходить через інтеркулер і охолоджується - так можна підвищити його щільність.

Є, і вперше придумав його пан Готтліб Вільгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знайоме прізвище? Ще б пак, саме вона використовується в назві DaimlerChrysler. Так ось, цей німець досить непогано розумів в моторах і ще в 1885 році придумав, як загнати в них більше повітря. Він здогадався закачувати повітря в циліндри за допомогою нагнітача, який представляв собою вентилятор (компресор), який отримував обертання безпосередньо від валу двигуна і заганяв в циліндри стиснене повітря.

Швейцарський інженер-винахідник Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пішов ще далі. Він завідував розробкою дизельних двигунів в компанії Sulzer Brothers, і йому категорично не подобалося, що мотори були великими і важкими, а потужності розвивали мало. Віднімати енергію у «движка», щоб обертати приводний компресор, йому також не хотілося. Тому в 1905 році пан Бюхи запатентував перше в світі пристрій нагнітання, яке використовувало в якості рушія енергію вихлопних газів. Простіше кажучи, він придумав турбонаддув.

Ідея розумного швейцарця проста, як все геніальне. Як вітру обертають крила млина, також і відпрацьовані гази крутять колесо з лопатками. Різниця тільки в тому, що колесо це дуже маленьке, а лопаток дуже багато. Колесо з лопатками називається ротором турбіни і посаджено на один вал з колесом компресора. Так що умовно турбонагнетатель можна розділити на дві частини - ротор і компресор. Ротор отримує обертання від вихлопних газів, а з'єднаний з ним компресор, працюючи в якості «вентилятора», нагнітає додатковий повітря в циліндри. Вся ця мудрована конструкція і називається турбокомпресор (від латинських слів turbo - вихор і compressio - стиснення) або турбонагнетатель.

У турбомотор повітря, який потрапляє в циліндри, часто доводиться додатково охолоджувати - тоді його тиск можна буде зробити вище, загнавши в циліндр більше кисню. Адже стиснути холодне повітря (вже в циліндрі ДВС) легше, ніж гарячий.

Повітря, що проходить через турбіну, нагрівається від стиснення, а також від деталей турбонаддува, розігрітого вихлопними газами. Подається в двигун повітря охолоджують за допомогою так званого інтеркулера (проміжний охолоджувач). Це радіатор, встановлений на шляху повітря від компресора до циліндрів двигуна. Проходячи через нього, він віддає своє тепло атмосфері. А холодне повітря більш щільний - значить, його можна загнати в циліндр ще більше.

Чим більше вихлопних газів потрапляє в турбіну, тим швидше вона обертається і тим більше додаткового повітря надходить в циліндри, тим вище потужність. Ефективність цього рішення в порівнянні, наприклад, з приводним нагнітачем в тому, що на «самообслуговування» наддуву витрачається зовсім небагато енергії двигуна - всього 1,5%. 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 йдуть як і раніше швидко, але більш холодні. Крім того, що витрачається на стиснення повітря дармова енергія підвищує ККД двигуна. Та й можливість зняти з меншого робочого об'єму велику потужність означає менші втрати на тертя, меншу вагу двигуна (і машини в цілому). Все це робить автомобілі з турбонаддувом економічнішими в порівнянні з їх атмосферними побратимами рівній потужності. Здавалося б, ось воно, щастя. Але ж ні, не все так просто. Проблеми тільки почалися.

По-перше, швидкість обертання турбіни може досягати 200 тисяч обертів на хвилину, по-друге, температура розпечених газів досягає, тільки спробуйте уявити 1000 ° C! Що все це означає? Те, що зробити турбонаддув, який зможе витримати такі неслабкі навантаження тривалий час, дуже дорого і непросто.

З цих причин турбонаддув набув широкого поширення тільки під час Другої світової війни, та й то тільки в авіації. У 50-х роках американська компанія Caterpillar зуміла пристосувати його до своїх тракторів, а умільці з Cummins сконструювали перші турбодизелі для своїх вантажівок. На серійних легкових машинах турбомотори з'явилися і того пізніше. Сталося це в 1962 році, коли майже одночасно побачили світ Oldsmobile Jetfire і Chevrolet Corvair Monza.

Але складність і дорожнеча конструкції - не єдині недоліки. Справа в тому, що ефективність роботи турбіни сильно залежить від оборотів двигуна. На малих обертах вихлопних газів трохи, ротор розкрутився слабо, і компресор майже не задуває в циліндри додаткове повітря. Тому буває, що до трьох тисяч обертів на хвилину мотор зовсім не тягне, і тільки потім, тисяч після чотирьох-п'яти, «вистрілює». Ця ложка дьогтю називається турбоями. Причому чим більше турбіна, тим вона довше буде розкручуватися. Тому мотори з дуже високою питомою потужністю і турбінами високого тиску, як правило, страждають турбоями в першу чергу. А ось у турбін, що створюють низький тиск, ніяких провалів тяги майже немає, але і потужність вони піднімають не надто сильно.

Бувають і більш витончені конструкції. Наприклад, інженери придумали встановлювати на мотор не одну, а дві турбіни. Одна працює на маленьких оборотах двигуна, створюючи тягу на "низах", а друга включається пізніше. Таке рішення отримало назву twin-turbo і дозволило вбити відразу двох зайців - і турбояму, і проблему нестачі потужності. В кінці минулого століття автомобілі з послідовною схемою підключення турбін мали деяку популярність, їх випускали Nissan, Toyota, Mazda і навіть Porsche. Однак в силу складності конструкції століття таких апаратів виявився недовгим, і поширення набули інші ідеї.

Наприклад, паралельний турбонаддув, або biturbo. Тобто замість однієї турбіни ставлять дві маленькі однакові турбіни, які працюють незалежно один від одного. Ідея така: чим менше турбіна, тим швидше вона розкручується, тим більше «чуйним» виходить двигун. Як правило, дві маленькі турбіни ставили на V-подібні двигуни, по одній на кожну «половинку».

Ще один варіант - турбіни з двома «равликами», або twin-scroll. Одна з них (трохи більшого розміру) приймає вихлопні гази від однієї половини циліндрів двигуна, друга (трохи меншого розміру) - від другої половини циліндрів. Обидві подають гази на одну турбіну, ефективно розкручуючи її і на малих, і на великих оборотах.

Але і на цьому конструктори не заспокоїлися. Природно, чим городити дві турбіни, набагато простіше обійтися однією. Треба тільки зробити так, щоб турбіна однаково ефективно працювала у всьому діапазоні оборотів. Так з'явилися турбіни із змінною геометрією. Тут і починається найцікавіше. Залежно від оборотів повертаються спеціальні лопатки і варіюється форма сопла. В результаті виходить «супертурбіна», добре працююча у всьому діапазоні оборотів. Ідеї ​​ці витали в повітрі не один десяток років, але реалізувати їх вдалося відносно недавно. Причому спочатку турбіни із змінною геометрією з'явилися на дизельних двигунах, благо, температура газів там значно менше. А з бензинових автомобілів перший приміряв таку турбіну Porsche 911 Turbo.

Конструкцію турбомоторов довели до розуму вже давно, а останнім часом їх популярність різко зросла. Причому турбокомпресори виявилося перспективним не тільки в сенсі форсування двигунів, але і з точки зору підвищення економічності і чистоти вихлопу. Особливо актуально це для дизельних двигунів. Рідкісний дизель сьогодні не несе приставки «турбо». Ну а установка турбіни на бензинові мотори дозволяє перетворити звичайний на вигляд автомобіль в справжню «запальничку». Ту саму, з маленьким, ледь помітним шильдиком «turbo».