Насколько необходим Турбонаддув?

Турбонаддув появился на свет из-за того, что сразу же после появления двигателей внутреннего сгорания конструкторы озаботились проблемами, связанными с повышением их мощности. По законам физики, мощность двигателя прямо пропорциональна количеству сжигаемого им за один рабочий цикл топлива. Казалось бы, что всё очень просто – надо подавать больше топлива и мощность сразу же возрастёт. Но, не тут-то было! На пути такого простого решения встала одна проблема.

Схема работы турбины

Топливо – это важно, но воздух – не меньше

Проблема в том, что топливу для его сгорания необходим кислород. В цилиндрах двигателя сгорает не чистое топливо, а его смесь с воздухом. При этом, подача топлива и воздуха должна осуществляться не абы как, а в определённых массовых долях. Например, бензиновый двигатель в зависимости от сорта горючего и режима работы требует 14–15 частей воздуха на 1 часть топлива. Понятно, что воздуха требуется много. Если увеличить подачу топлива, что не является проблемой, придётся одновременно увеличить подачу воздуха. Обычный двигатель получает его за счёт разницы давлений в атмосфере и цилиндре. Эта зависимость прямая — в цилиндр большого объёма на каждом цикле попадает больше воздуха. Именно по такому пути пошли в Америке, где выпускались огромные двигатели, пожирающие топливо. А можно ли искусственно загнать больше воздуха в такой же объём?

Немного истории

Оказывается, что можно, и как это сделать впервые придумал Готтлиб Даймлер (Gottlieb Daimler). Эта фамилия знакома любому автолюбителю. В далёком 1885 году Даймлер догадался закачивать в цилиндры воздух нагнетателем, представлявшим собой вентилятор, работавший за счёт отбора мощности от двигателя и загонявший сжатый воздух в цилиндры. Его идею подхватил изобретатель из Швейцарии Альфред Бюхи (Alfred Büchi), занимавшийся конструированием дизельных двигателей фирмы Sulzer Brothers. Его не устраивало, что моторы развивали мало мощности при больших габаритах и весе, но и отнимать у двигателя энергию для вращения приводного компрессора ему тоже не хотелось. В итоге, в 1905 году Бюхи запатентовал устройство нагнетания, работавшее за счёт энергии выхлопных газов. Именно это изобретение и получило название турбонаддув.

Турбонаддув на автомобиле

Принцип действия

Принцип действия устройства, разработанного швейцарским изобретателем очень прост - выхлопные газы крутят ротор турбины, представляющий собой колесо с лопатками, надетое на тот же вал, что и колесо компрессора. Условно турбонагнетатель делится на две части — на ротор, который вращают выхлопные газы, и компрессор нагнетает в цилиндры дополнительный воздух. Вся конструкция в сборе называется турбонаддув или турбокомпрессор (лат. turbo — вихрь, compressio — сжатие). Его собрат — приводной нагнетатель, выполняет те же функции, но работает непосредственно от двигателя и жёстко с ним связан. Проходя через турбину, воздух нагревается от сжатия и деталей компрессора, разогреваемого выхлопными газами. Поэтому его охлаждают в промежуточном охладителе – интеркулере, который представляет собой радиатор, установленный между компрессором и цилиндрами двигателя. Холодный воздух имеет большую плотность и его легче нагнетать в цилиндр. Турбина вращается тем быстрее, чем больше в неё поступает выхлопных газов. Соответственно, тем больше воздуха поступает в двигатель и тем больше развиваемая им мощность. Это решение выгодно тем, что на работу наддува расходуется всего полтора процента мощности двигателя. Секрет в том, что турбина получает энергию отработанных газов за счёт их охлаждения — пройдя турбину, они идут так же быстро, но холодные. Мало того, энергия, затрачиваемая на сжатие, повышает КПД, а возможность получить большую мощность на том же рабочем объёме означает уменьшение потерь на трение, снижение веса двигателя и автомобиля в целом. Это делает машины с турбонаддувом экономичнее их атмосферных собратьев аналогичной мощности. Казалось – проблема решена. Нет, настоящие проблемы впереди.

Новые проблемы и их решение

Ротор турбины вращается со скоростью до 200 000 об./мин., температура отработанных газов достигает 1000°C! Всё это означает то, что изготовить изделие, способное выдержать такие нагрузки, весьма непросто. Поэтому широкое распространение турбонаддув получил только в период Второй мировой войны и то исключительно в авиации. Позже, в 50-х годах компания Caterpillar приспособила его к тракторам, а конструкторы Cummins разработали турбодизели для грузовиков. Легковые машины обзавелись турбомоторами ещё позже - в 1962 году. Следующей проблемой является зависимость эффективности турбины от числа оборотов двигателя. При малых оборотах, соответственно мало и выхлопных газов, ротор крутился слабо и компрессор почти не работает. Бывает, что двигатель совершенно не тянет, пока не наберёт четырёх-пяти тысяч оборотов, а потом «выстреливает». Это явление называют турбоямой. Моторы высокой удельной мощности страдают от него в первую очередь. Помочь сгладить эффект турбоямы может схема последовательного наддува, которая заключается в том, что на малых оборотах работает малоинерционный турбокомпрессор, а второй, больших размеров, включается при возрастании давления, на больших оборотах. Последовательный турбонаддув применялся на суперкаре прошлого века Porsche 959, сегодня так устроены турбодизели Land Rover и BMW. Концерн Volkswagen в этой схеме применяет небольшой приводной нагнетатель. Рядные двигатели часто снабжаются одиночным турбокомпрессором twin-scroll (двойная «улитка»), имеющим сдвоенный рабочий аппарат. Каждая «улитка» работает от своей группы цилиндров. Но обе они крутят одну турбину, причём одинаково эффективно раскручивая её на любых оборотах. Часто по-прежнему применяются два одинаковых турбокомпрессоров, обслуживающие свои группы цилиндров. Это типичная схема V-образных турбодвигателей, где каждый блок снабжён свим нагнетателем. Есть и исключения, например двигатель V8 дебютировавший на BMW X5 M, имеет перекрёстный выпускной коллектор, подающий выхлопные газы на компрессор twin-scroll из разных блоков.

Турбина отдельно от двиателя

Ещё одна находка – изменяемая геометрия

Можно заставить эффективнее работать турбокомпрессор изменяя геометрию его рабочей части. Внутри «улитки» имеются специальные лопатки, которые поворачиваются в зависимости от числа оборотов. Такая «супертурбина» хорошо работает во при любых оборотах. Сама идея такой конструкции вынашивалась несколько десятков лет, но реализовать на практике её удалось не так давно. Сначала подобные турбины были опробованы на дизельных агрегатах, где значительно меньше температура газов. Среди бензиновых автомобилей первым обзавёлся такой турбиной Porsche 911 Turbo. Турбонаддув уже давно доведен до ума, но его популярность продолжает расти. Это связано не только с возможностью форсирования двигателей, но и как средство повышения экологической чистоты и экономичности транспорта, что особенно актуально для дизельных моторов, мало какой из которых сегодня не имеет приставки «турбо».

Прочтите также:
- Возможности тюнинга Ваз 2110
- Какое хорошее тюнинг ателье можно выбрать в Москве?
- Обвесы на Ваз 2108
- Тюнинг Ваз 2112 своими руками
- Поэтапный процесс создания бампера своими руками
- Эффективный тюнинг Ваз 21099 своими руками


Вернуться

Подвергаете ли Вы тюнингу свой авто?
НАША РАССЫЛКА Введите ваш e-mail, чтобы
получать новые статьи