Как помогает турбина под капотом?

Рост цен на топливо заставляет автопроизводителей искать новые методы экономии. Иногда они обращают внимание на технологии, которым уже не один десяток лет. Возьмем, к примеру, турбонаддув. Ранее его использовали исключительно ради увеличения мощности двигателя, то теперь применение турбин все чаще направлено на снижение расхода топлива. Рассмотрим же особенности турбонаддува.
Исследования в области турбированных двигателей внутреннего сгорания начал еще один из "отцов" автомобиля – Готлиб Даймлер. Он искал пути повышения мощности мотора без увеличения его рабочего объема. Инженер понял, что для улучшения сгорания рабочей смеси в цилиндрах необходимо больше кислорода. Чтобы доставить его в двигатель, Даймлер предложил принудительно нагнетать воздух. Он разработал для этого специальный насос с приводом от коленвала, но конструкция оказалась не очень работоспособной. Немного другим путем пошел швейцарский конструктор Альфред Бюхи: в 1905 году он разработал первую турбину, приводимую в движение выхлопными газами. Но патент на изобретение выдали лишь шесть лет спустя.

Первыми преимущества новой технологии оценили в авиации: самолеты постепенно ставали быстрее и тяжелее, а потому нуждались в более мощных моторах. К тому же, на больших высотах ощущался недостаток кислорода, и топливная смесь сгорала хуже. В 1918 году инженер из США Сэнфорд Александр Мосс установил экспериментальную турбину на авиационный двигатель Packard Liberty, а в 20-х годах в Великобритании было налажено производство турбомоторов Bristol Lioness. Широкое распространение турбонаддув получил в боевых самолетах – таких, как американские "летающие крепости" B-17 и В-24, истребители Р-38 и Р-47.

В послевоенное время поршневые самолеты постепенно вытеснялись реактивными, поэтому многие технологии нашли свое применение в других транспортных средствах. Так, в 50-х годах появились первые дизели с турбонаддувом Cummins и Caterpillar для грузовиков и прочей тяжелой техники. В 1962 году представили купе Oldsmobile Cutlass Jetfire с 3,5-литровым турбированным V8 мощностью 215 л. с., но из-за ненадежности конструкции выпустили лишь 3765 машин. За ним последовал заднемоторный Chevrolet Corvair Monza с 2,7-литровым 180-сильным турбомотором. В 1973 году этой технологией оснастили небольшую серию спортивных BMW 2002. А год спустя представили Porsche 911 Turbo, ставший первым массовым автомобилем с турбонаддувом. Первой легковушкой с турбодизелем стал Mercedes-Benz 300 SD 1978 года, а на Maserati Biturbo 1981 года дебютировал двойной турбонаддув. В 1982 году увидел мир первый серийный мотоцикл с турбомотором – Honda CX500 Turbo.
На первый взгляд идея Альфреда Бюхи не так уж и сложна. Отработавшие газы, выходя из двигателя по специальному патрубку, попадают на ротор турбины с множеством лопастей, и под действием кинетической энергии он начинает вращаться. Регулировочный клапан дозирует количество подаваемых газов. На одном валу с ротором вращается компрессор, который засасывает воздух и нагнетает его в цилиндры.
В камере сгорания при сжатии кислород очень сильно нагревается, что увеличивает риск детонации. Выход из этой ситуации нашли очень простой – степень сжатия в турбомоторах гораздо меньше, чем в атмосферных двигателях. Также нередко применяется промежуточное охлаждение в интеркулере – специальном радиаторе, куда попадает воздух на пути из компрессора в цилиндры.

Главное преимущество турбонаддува – резкое увеличение коэффициента полезного действия мотора, то есть большая мощность получается при меньшем расходе топлива. Ощутимо увеличивается и крутящий момент, что особенно заметно в турбодизелях. К тому же, у турбодвигателей гораздо выше литровая мощность, а потому сейчас наблюдается тенденция к созданию относительно небольших (объемом 1,0-1,6 л) бензиновых и дизельных турбированных двигателей. У них "аппетит" гораздо меньше, чем у атмосферных моторов объемом 1,8-2,0 л аналогичной мощности, и тяговые характеристики гораздо лучше. В спортивных моделях турбонаддув, как правило, применен только для увеличения мощности и крутящего момента.

Но у конструкции существует несколько серьезных недостатков, над минимизацией вреда которых и работают инженеры. Один из главных – так называемая турбояма, возникающая, как правило, при резком разгоне. Отработанные газы попросту не успевают раскрутить турбину до рабочей скорости и, соответственно, она сразу не способна нагнетать нужное количество воздуха в цилиндры. Поэтому перед приливом тяги наблюдается некоторая пауза. Ее длительность прямо пропорциональна размеру турбины, ведь большему агрегату нужно большее количество газов, чтобы набрать обороты. С турбоямой научились бороться очень просто: вместо одного турбокомпрессора устанавливают несколько (чаще всего два, отсюда и название двойной турбонаддув). Первой подключается турбина меньшего размера, ведь она быстрее раскрутится. А на более высоких оборотах двигателя к ней присоединяется и второй нагнетатель. Эту схему называют последовательным наддувом, но есть еще и параллельный. В этом случае вместо большой турбины устанавливают несколько маленьких, но одинакового размера, и включаются они все одновременно. Например, в Bugatti EB 16/4 Veyron их целых четыре. А в двигателе Volkswagen Twincharger турбина работает в паре с механическим компрессором, который нагнетает воздух в нижнем диапазоне оборотов мотора.

Еще одно решение – турбина с изменяемой геометрией. Специальные заслонки изменяют форму и размер отверстия, через которое засасывается воздух. На малых оборотах оно становится меньше, а на больших – увеличивается. Таким образом, одна подобная турбина заменяет собою две – большую и маленькую. Подобная схема применена на Porsche 911 Turbo последних поколений.
Вторая проблема турбонаддува – надежность. Некоторые турбины вращаются с неимоверной скоростью – до 250 000 об/мин, а температура выхлопных газов может превышать 1000?С. Поэтому со временем детали могут износиться, что приводит к выходу агрегата из строя. А его ремонт, как правило, недешевый – даже для доступных моделей новая турбина стоит примерно 2000-3000 у. е. Ради увеличения турбонаддув задействован не постоянно, а лишь в некотором диапазоне оборотов двигателя. Также рекомендуется сразу не глушить мотор на стоянке, а дать ему поработать некоторое время на холостых оборотах. Дело в том, что при выключении зажигания прекращается подача масла на подшипники турбины, а она по инерции еще продолжает вращаться без смазки. Впрочем, на современных автомобилей предусмотрен специальный турботаймер, не дающий сразу заглушить мотор.
В современных турбомоторах большинство недостатков конструкции побороли или уменьшили их негативное влияние. Современные тенденции развития двигателей внутреннего сгорания дают понять, что за турбонаддувом – будущее и, скорее всего, атмосферные моторы будут постепенно вытесняться.