Что такое турбонаддув двигателя

Несомненно, каждый хотя бы раз в жизни замечал шильдик «turbo» на, казалось бы, обычном автомобиле. Производители намеренно делают эти пластины маленькими и размещают их в неприметных местах, чтобы непосвященный прохожий не заметил и прошел мимо. И интеллигентный человек обязательно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже перечислены причины такого поведения.

Конструкторы автомобилей (с момента появления профессии) постоянно боролись с проблемой увеличения мощности двигателя. Законы физики говорят нам, что мощность двигателя напрямую связана с количеством топлива, сжигаемого за рабочий цикл. Чем больше топлива вы сжигаете, тем больше мощности вы получаете. Итак, допустим, мы хотим увеличить «лошадиный табун» под капотом — как нам это сделать? Вот где нас поджидают неприятности.

Турбокомпрессор состоит из двух "улиток"
Турбокомпрессор состоит из двух «улиток»

Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — Выхлопные газы проходят через один из них, а другой «нагнетает» воздух в цилиндры.

Дело в том, что для сжигания топлива необходим кислород. Таким образом, в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Топливо и воздух должны смешиваться не на глаз, а в определенных пропорциях. Например, на одну часть топлива в случае бензиновых двигателей расходуется 14-15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава топлива и других факторов.

Как мы видим, требуется большое количество воздуха. Если мы увеличим забор топлива (это не проблема), нам также необходимо значительно увеличить забор воздуха. Обычные двигатели всасывают его сами из-за разницы давлений в цилиндре и атмосфере. Взаимосвязь проста — чем больше объем цилиндра, тем больше кислорода поступает в него на каждом цикле. Именно так поступили американцы — они создали огромные двигатели с потрясающим расходом топлива. Есть ли способ получить больше воздуха в том же объеме?

принцип работы турбины
принцип работы турбины

Выхлопные газы двигателя вращают ротор турбины, которая приводит в действие компрессор, нагнетающий сжатый воздух в цилиндры. Прежде чем это произойдет, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — это способ увеличить его плотность.

Это так, и его первым изобретателем был Готлиб Вильгельм Даймлер. Вам знакомо это имя? Конечно, есть, он используется в названии DaimlerChrysler. Этот немец хорошо разбирался в двигателях и в 1885 году изобрел способ наполнять их большим количеством воздуха. Он придумал, как закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, который представлял собой вентилятор (компрессор), получающий вращение непосредственно от вала двигателя и закачивающий сжатый воздух в цилиндры.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Й. Бюхи пошел еще дальше. Он отвечал за разработку дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers и был категорически против больших и тяжелых двигателей с малой мощностью. Он также не хотел брать энергию из «двигателя» для вращения приводного компрессора. Поэтому в 1905 году г-н Бучи запатентовал первую в мире воздуходувку, которая использовала энергию выхлопных газов в качестве движущей силы. Проще говоря, он изобрел турбонаддув.

Идея умного швейцарца настолько же проста, насколько и гениальна. Подобно тому, как ветер раздувает крылья ветряной мельницы, выхлопные газы вращают колесо с лопастями. Разница в том, что колесо маленькое, а лопасти многочисленные. Колесо с лопатками называется ротором турбины и устанавливается на том же валу, что и колесо компрессора. Итак, условно турбокомпрессор можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор приводится в движение выхлопными газами, а подключенный к нему компрессор работает как «вентилятор» и нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта сложная конструкция называется турбокомпрессором (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонаддувом.

приводной турбокомпрессор
приводной турбокомпрессор

Аналогом турбокомпрессора является приводной турбокомпрессор, жестко связанный с двигателем и использующий для своей работы часть мощности двигателя.

В случае с турбокомпрессорами воздух, всасываемый в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать, чтобы можно было повысить давление, закачивая в цилиндр больше кислорода. Холодный воздух (уже находящийся в цилиндре двигателя) легче сжимать, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается в результате сжатия, так же как и детали турбокомпрессора нагреваются от выхлопных газов. Воздух, поступающий в двигатель, охлаждается так называемым интеркулером (промежуточным охладителем). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам двигателя. Проходя через него, он отдает свое тепло атмосфере. Холодный воздух плотнее — это означает, что он может проникать дальше в цилиндр.

Интеркулер
Интеркулер

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха она направляет в цилиндры, тем больше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с системой наддува при движении заключается в том, что очень небольшое количество энергии двигателя — всего 1,5 процента — используется для «самообслуживания» нагнетателя. Дело в том, что ротор турбины берет энергию из выхлопного газа не путем его замедления, а путем его охлаждения — после турбины выхлопной газ все еще движется быстро, но уже более холодно. Кроме того, свободная энергия, используемая для сжатия воздуха, повышает КПД двигателя. Возможность получить большую мощность при меньшем рабочем объеме означает меньшие потери на трение и более легкий двигатель (и весь автомобиль). Все это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными по сравнению с атмосферными аналогами с такой же мощностью. Казалось бы, это удача. Но нет, все не так просто. Проблемы только начинаются.

В Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер расположен в переднем бампере перед радиатором. У Subaru Impreza WRX STI он расположен над двигателем.

Во-первых, скорость турбонаддува может достигать 200 000 об/мин, во-вторых, температура горячих газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Все это означает, что создание турбокомпрессора, способного выдерживать такую высокую нагрузку в течение длительного времени, является дорогостоящим и сложным.

Выхлопные газы нагревают выхлопную систему и турбокомпрессор до очень высоких температур
Выхлопные газы нагревают выхлопную систему и турбокомпрессор до очень высоких температур.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны и только в авиации. В 1950-х годах американской компании Caterpillar удалось адаптировать его для своих тракторов, а мастера из Cummins разработали первые турбодизели для своих грузовиков. В легковых автомобилях турбодвигатели появились еще позже. Это произошло в 1962 году, когда почти одновременно были представлены Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложная и дорогая конструкция была не единственным недостатком. Дело в том, что эффективность турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На низких оборотах выхлопа мало, ротор вращается плохо, и компрессор с трудом нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Поэтому иногда случается, что до 3 000 об/мин двигатель вообще не тянет, и только потом, примерно после 4 000-5 000 об/мин, он «заводится». Эта горячая точка называется турболаг. Кроме того, чем больше турбина, тем больше времени требуется для ее запуска. Поэтому двигатели с очень высокой удельной мощностью и турбокомпрессорами высокого давления обычно первыми страдают от турбоямы. Турбокомпрессоры низкого давления, с другой стороны, почти не имеют запаздывания тяги, но они также не сильно увеличивают мощность.

Почти избавиться от запаздывания турбонаддува помогает схема последовательного наддува, при которой небольшой инерционный турбокомпрессор работает на низких оборотах двигателя для увеличения тяги на «низких» оборотах, а второй, более крупный турбокомпрессор включается на высоких оборотах с увеличением давления выхлопа. В прошлом веке система последовательного наддува использовалась в суперкаре Porsche 959, а сегодня такая схема применяется, например, в турбодизелях BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «стартера» играет приводной заряд.

Рядные двигатели часто оснащаются одним турбокомпрессором с двумя спиралями (пара «червяков») с двойным рабочим объемом. Каждая спираль заполняется выхлопными газами из разных групп цилиндров. Но оба питают одну и ту же турбину, эффективно поднимая ее как на низких, так и на высоких оборотах.

Но еще чаще можно встретить пару одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типично для V-turbo, где каждый блок имеет свой собственный турбокомпрессор. Хотя двигатель V8 от M GmbH, дебютировавший на BMW X5 M и X6 M, оснащен перекрестным выпускным коллектором, благодаря чему компрессор с двумя спиралями получает отработанные газы от цилиндров разных блоков, работающих в противоположных фазах.

Турбина с двумя спиралями

Турбина с двумя спиралями имеет сдвоенную «спиральную» турбину — один, который эффективно работает на высоких оборотах двигателя, другой, который эффективно работает на низких оборотах

Еще один способ сделать турбокомпрессор более эффективным на всех оборотах — изменить геометрию корпуса турбокомпрессора. Специальные лопасти и формы сопел меняются в зависимости от оборотов внутри «улитки». В результате получилась «супертурбина», которая хорошо работает во всем диапазоне скоростей. Эти идеи циркулируют уже несколько десятилетий, но реализованы они были относительно недавно. Кроме того, турбины с изменяемой геометрией впервые появились в дизельных двигателях, к счастью, с гораздо более низкой температурой газа. А первым бензиновым двигателем, оснащенным такой турбиной, стал Porsche 911 Turbo.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией
Турбокомпрессор с изменяемой геометрией

Конструкция турбокомпрессоров была доработана давно, и в последнее время их популярность стремительно растет. Более того, турбокомпрессоры перспективны не только с точки зрения наддува двигателей, но и с точки зрения улучшения расхода топлива и более чистых выхлопных газов. Это особенно актуально для дизельных двигателей. Немногие из современных дизелей не оснащены турбиной. Ну, а установка турбонаддува на бензиновые двигатели может превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Только тот, что с маленьким, едва заметным шильдиком turbo.

Источник: drive.co.uk

Добавить комментарий



👁 75