Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать?
Тут-то нас и поджидают проблемы.
Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры. Таким образом, чем выше обороты работы двигателя, тем больше он вырабатывает газов и тем больше воздуха впоследствии получает. Идеальный замкнутый круг с бесконечным потенциалом повышения мощности?
Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.
Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?
Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.
Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.
Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.
Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условнотурбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.
Но до реализации этих решений в автомобилях прошло некоторое время — первый серийный легковой автомобиль «наддули» с помощью приводного нагнетателя в 1921 году — им стал Mercedes-Benz. Турбонагнетатели же стали получать распространение в авиационных двигателях 1920-х годов, так как там было особенно важно справляться с потерей мощности по мере набора высоты, где плотность воздуха становится меньше. Вскоре газовые нагнетатели нашли своё применение и в грузоперевозках — прибавка в крутящем моменте оказалась для дизелей судов и локомотивов очень кстати. Первой легковушкой с турбонагнетателем под капотом стало купе-хардтоп Oldsmobile Jetfire с 215-сильным V8.
Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.
В отличие от питающегося «бесплатными» выхлопными газами турбокомпрессора, механический нагнетатель приводится в движение энергией вращающегося коленвала. Соответственно, чтобы получить дополнительную мощность, двигатель сначала часть мощности отдаёт, поэтому КПД такого решения ниже. Но, тем не менее, производители не спешат отказываться от приводных нагнетателей, потому как они наделяют автомобиль моментальной тягой с самых низких оборотов
В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.
Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера(промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.
Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.
Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур. А также сжимают подаваемый воздух, чем повышают и его температуру. ёплый воздух имеет меньшую плотность, а порог разрушающей мотор детонации при использовании горячего воздуха становится ниже. Поэтому для охлаждения воздуха между нагнетателем и впускным коллектором в системах наддува предусмотрен промежуточный охладитель или, иными словами, интеркулер. Он представляет собой теплообменник (то есть радиатор), через который по пути в камеру сгорания проходит весь нагнетаемый воздух. По конструкции интеркулеры делятся на системы вида: «воздух-воздух» и «воздух-вода».
Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Шатунно-поршневая группа каждого мотора рассчитана на определённые нагрузки, и превышение их приведёт к разрушению двигателя. Во избежание бесконтрольного роста давления наддува в горячей части нагнетателя предусмотрена специальная калитка-клапан под названием «вейстгейт» (в переводе — клапан для излишков), которая открывается с помощью пневматики или сервопривода при достижении пикового расчётного давления в системе. В результате «лишние» газы просто идут в обход турбинного колеса прямиком в выхлопной тракт и не раскручивают компрессор сверх меры.
Как правило, в моторах есть и ещё одна страховка от «передува» — при превышении критического порога давления блок управления двигателем ограничивает увеличение подачи топлива на безопасной отметке, и мотор перестаёт производить слишком много выхлопных газов. Еще дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться.
Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.
Бывают и более изощрённые конструкции. Например, инженеры придумали устанавливать на мотор не одну, а две турбины. Одна работает на маленьких оборотах двигателя, создавая тягу на «низах», а вторая включается позже. Такое решение получило название twin-turbo и позволило убить сразу двух зайцев — и турбояму, и проблему нехватки мощности. В конце минувшего века автомобили с последовательной схемой подключения турбин имели некоторую популярность, их выпускали Nissan, Toyota, Mazda и даже Porsche. Однако в силу сложности конструкции век таких аппаратов оказался недолог, и распространение получили другие идеи.
Например, параллельный турбонаддув, или biturbo. То есть вместо одной турбины ставят две маленькие одинаковые турбины, которые работают независимо друг от друга. Идея такова: чем меньше турбина, тем быстрее она раскручивается, тем более «отзывчивым» получается двигатель. Как правило, две маленькие турбины ставили на V-образные двигатели, по одной на каждую «половинку».
Чтобы понизить порог наддува, когда турбина создаёт избыточное давление, и сократить зону турбоямы, создатели турбокомпрессоров используют различные конструктивные ухищрения. Самые распространённые из них — крыльчатка с изменяемой геометрией и твинскролльная горячая «улитка».
Турбины с двумя «улитками», или twin-scroll - одна из них (чуть большего размера) принимает выхлопные газы от одной половины цилиндров двигателя, вторая (чуть меньшего размера) — от второй половины цилиндров. Обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах. TwinScroll предусматривает два параллельных, но разного размера и формы канала для выхлопных газов в едином корпусе улитки — газы в каждый из каналов попадают от своей группы цилиндров, но крутят единое турбинное колесо. Его лопатки выполнены таким образом, что одинаково эффективно воспринимают импульсы из обоих каналов.
Из-за различной геометрии каналов и достигается хорошая тяга одновременно и на низких, и на средних и высоких оборотах, а отсутствие столкновения и завихрения потоков газов от разных групп цилиндров улучшает газодинамические свойства системы. Турбины же с изменяемой геометрией имеют специальные, приводимые актуатором, подвижные лопатки-заслонки, которые в разных положениях позволяют менять форму газового канала в горячей улитке
