История турбонагнетателей
В начале прошлого века швейцарский инженер Альфред Бюхи, заведующий разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, разработал первое устройство нагнетания, использующее в качестве движителя энергию выхлопных газов. Будучи главным инженером научно-исследовательского отдела компании, г-н Бюхи в 1915 г. предложил первый прототип турбодизеля. К сожалению, он не был достаточно эффективным.
Автомобильные турбонагнетатели сначала появились на грузовиках. Первый такой мотор был построен компанией Swiss Machine Works Saurer. В годы Второй мировой войны турбонагнетатели широко использовались и в авиации, и на военном транспорте. В 1952 г. автомобиль с турбодизелем впервые принял участие в гонках Indianapolis-500. А первыми серийными турболегковушками стали Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket и Chevrolet Corvair Monza (1962–1963 гг.).
Экономия топлива покрывала высокие затраты на сами устройства турбонагнетания. На их распространение повлияли и высокие нормы по токсичности, принятые в 80-х годах. В 1975 г. появился легендарный автомобиль Porsche 911 Turbo. А годом позже 2-литровая турбированная версия Saab показывает такие же возможности, что и 3-литровая, но атмосферная. В 1978 г. Renault начинает турбоэру в гонках Формулы-1.
Как известно, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют низкий КПД. Дизельные моторы более эффективны, но и они не лишены недостатков. Так уж получается, что около 40% энергии, выделяемой при сгорании топлива, рассеивается с выхлопными газами. Почему бы не использовать эти отходы?
Конструкция турбонагнетателей
Так что же такое автомобильный турбонагнетатель или турбокомпрессор? Фактически это тот же компрессор, призванный нагнетать воздух, но его привод осуществляется не от коленчатого вала через ременную передачу, а используя энергию потока отработавших газов. Работа турбонагнетателя предельно проста. Выхлопные газы, проходя в турбину, приводят во вращение ротор. Колесо центробежного компрессора жестко закреплено на оси ротора и вращается с тойже скоростью. Нужно сразу сказать, что сама компрессорная часть может быть различной по конструкции, но именно центробежный тип стал превалирующим. Чем большей энергией обладают выхлопные газы, тем быстрее вращаются колеса турбины и, соответственно, компрессоры. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, тем выше мощность. При этом частота вращения турбокомпрессора может быть очень и очень высокой – 150 тыс. об/мин и более. Колесо турбины соединено с валом сваркой трением. Использование иных методов не дает необходимой точности соединения. Дело в том, что конструкция вал–турбина должна быть идеально сбалансирована.
Иначе, памятуя о высоких скоростях крыльчатки, даже небольшое биение приведет к гарантированной поломке. Вал в месте соединения с колесом обычно выполняется пустотелым. Этот прием позволяет понизить теплоотдачу от колеса турбины на вал и предотвратить нежелательный перегрев подшипников в двигателе автомобиля. К слову, о подшипниках. Так уж получается, что колесо турбины, подвергаясь прямому воздействию горячих отработавших газов, не несет столь большой тепловой и, особенно, механической нагрузки, какую испытывает вал. Турбокомпрессоры выполняют по нескольким конструктивным схемам. И в основном отличия этих подходов сводятся к размещению опор крепления вала. В турбонагнетателях именно вал и опоры являются крайне уязвимым звеном. Подвергаясь воздействию высоких температур от выхлопных газов и серьезным механическим нагрузкам, обусловленным высокими скоростями вращения роторов, эти опоры представляют серьезную проблему для разработчиков.
Дополнительное кольцо с управляемыми направляющими лопатками позволяет поддерживать поток выхлопных газов не только постоянным, но и управлять им. Так, на низких оборотах, когда поток невелик, поперечное сечение турбины уменьшается, что увеличивает скорость газов, поступающих на колесо, повышая ее мощность. На высоких же оборотах лопасти полностью открывают вход газам, увеличивая пропускную способность турбины турбонагнетателя. Такое гибкое управление позволяет не только расширить диапазон эффективной работы турбонагнетателя, но и существенно снизить потребление топлива и вредные выбросы. Еще одно интересное конструктивное решение касается корпуса турбины. В основном такие турбины применяются на больших двигателях грузовых автомобилей, но теперь их все чаще можно встретить и на легковых машинах. Речь идет о корпусе турбины с двумя параллельными каналами. Дело в том, что поток выхлопных газов неравномерен. Четыре такта работы ДВС подразумевают поочередную работу цилиндров, что делает поток отработавших газов импульсным. Эти колебания давления могут перекрывать друг друга, что способно снизить эффективность турбины автомобиля.
Другая идея еще более экстравагантна, но, тем не менее, весьма показательна для того времени. Предлагались проекты силовых установок для гоночных автомобилей, в которых двухтактный двигатель вырабатывал газ для тяговой турбины. Кстати, газотурбинные двигатели некоторое время использовались в гонках, пока их не запретили из-за того, что дальнейшее широкое использование вертолетных силовых установок могло привести к полному вытеснению поршневых двигателей, что окончательно отделило бы автоспорт от автопромышленности.
Турбонагнетатель авто с изменяемой геометрией турбины обеспечивает ему эффективную работу не только на высоких, но и на низких оборотах двигателя.
Плюсы и минусы турбонагнетателя
Самое большое преимущество такого привода для нагнетания воздуха в том, что, в отличие от механических нагнетателей, приводимых от коленчатого вала, а стало быть, отнимающих мощность непосредственно у двигателя, турбонагнетатели используют фактически дармовую энергию, которая в обычном двигателе попросту выбрасывается из выхлопной трубы. Это делает турбонагнетатели более эффективными, нежели механические. Так, средние приблизительные оценки показывают, что турбонагнетатели отбирают у двигателя 1,5% мощности, в то время как центробежные механические нагнетатели – порядка 5% (а рутс-типа и того больше). Одновременно турбонаддув позволяет получить очень высокие литровые мощности – свыше 300 л. с. с одного литра объема. Двигатель с турбонагнетателем может иметь мощность на 40% выше, чем без него. Как ни странно, но турбированные двигатели более экономичны. Низкое КПД двигателя внутреннего сгорание обусловливается потерями на трение и низкой тепловой эффективностью (теряется много тепла ). С увеличением размеров мотора эти потери резко увеличиваются. Небольшие турбированные моторы авто в этой связи более предпочтительны.
Ну и еще можно выделить такую положительную черту, как более устойчивая работа наддувных автомобильных моторов в условиях высокогорья, где обычным атмосферникам подчас не хватает воздуха. Складывая все вышеперечисленные преимущества, логичен вывод, что использование турбонагнетателей на спортивных автомобилях позволяет добиться очень высоких результатов, тогда как классических методов форсировки уже недостаточно. Здесь уместно также упомянуть и о весовой составляющей. По определению маленький мотор весит меньше большого, что крайне важно для автоспорта (хотя, именно там их использование запрещено). Но в любой бочке меда есть и своя ложка дегтя.
Турбонагнетатели несовершенны и обладают рядом проблемных мест. Самое заметное, о чем я уже сказал выше, – эффект «турбоямы», или «турболаг». Отсутствие механической связи между компрессором и двигателем приводит к несоответствию между требуемой мощностью, задаваемой водителем педалью акселератора, и производительностью компрессора. Происходит это по одной простой причине. При снятии ноги с педали газа частота вращения турбокомпрессора снижается. Если снова нажать на педаль, двигатель не сможет сразу развить необходимую мощность, пока турбокомпрессор снова не выйдет на свою скорость. Борются с этим по-разному. Часто можно встретить перепускные клапаны, позволяющие контролировать давление наддува и несколько снизить отрицательный эффект турбозадержки. Есть варианты, когда при отпускании акселератора особые клапаны-заслонки закрывают вход и выход компрессора, изолируя крыльчатки. Не имея значительного сопротивления, они какое-то время вращаются свободно по инерции с практически той же скоростью. Это позволяет при следующем нажатии на педаль газа снизить запаздывание турбины автомобиля.
Самым большим недостатком турбокомпрессоров до сих пор считается невысокая эффективность работы на малых оборотах двигателя. Но в последнее время и эта проблема находит свои решения. Турбины с переменной геометрией (см. выше), установка двух и более турбин, работающих параллельно (системы biturbo и т. п.), позволяют повысить отдачу системы. В этом году были анонсированы новые турбонагнетатели twin-turbo от компаний BMW и Opel. Здесь используется пара турбин различного размера и производительности. Одна, малая турбина обладает более быстрой реакцией и позволяет добавить мощности на малых оборотах (до 1800 об/мин.). На средних оборотах (до 3000 об/мин.) подключается вторая, большая турбина. И на высоких работает только большой, высокопроизводительный турбонагнетатель. С использованием такой системы нагнетания, например, автомобиль Opel Vectra, оснащенный дизелем 1,9 л, с системой наддува twin-turbo вырабатывает 212 л. с. мощности и 400 Нм крутящего момента (в диапазоне 1400–3600 об/мин.), позволяя машине развивать 250 км/ч и достигать с места скорости в 100 км/ч всего лишь за 6,5 секунды. Такие характеристики делают этот дизельный мотор серьезным конкурентом своим бензиновым собратьям.
Турбокомпрессоры имеют те же недостатки, что и центробежные нагнетатели. Для эффективной работы они должны вращаться с очень высокой скоростью, даже большей, чем центрифуги. Плюс высокий нагрев (порядка 1000 °С), сложности в смазке, отводе тепла и т. д. Это накладывает особые требования к используемым материалам. Повышенные температуры сказываются не только на смазке деталей турбонагнетателя, но и на нагнетаемом воздухе: его охлаждение оказывается острым вопросом. Для эффективного охлаждения интеркулер рассчитывается и подбирается с особой тщательностью. Как и в любом нагнетательном устройстве, в турбонагнетателе необходим клапан, спускающий излишнее давление. С турбиной же еще сложнее. Здесь нужно не только следить за давлением наддува, но и перепускать выхлопные газы, чтобы снизить избыток давления в выпускном коллекторе, и исключить чрезмерно высокую скорость вращения ротора на высоких оборотах двигателя.
COMPREX турбонагнетатель
Говоря о турбонагнетателях, нельзя не сказать об одной очень интересной разработке, объединяющей и энергию выхлопных газов, и механический привод от коленвала. Идею использования принципа волнового ротора впервые в 1942 г. предложил Клод Сейппел из Brown Boveri Company (BBC), Швейцария. Легковой автомобиль Mazda 626 Capella был первой машиной, на которой устанавливался COMPREX (COMPRession-EXpansion – сжатие-расширение) в качестве компрессора для дизельного мотора. Ford Motor Company и Caterpillar прорабатывали проекты с использованием нагнетателя подобного типа. Именно на дизельных моторах это устройство работало особенно хорошо. Принципиальная идея волнового обменника (именно так его иногда называют) такова. Сердцем конструкции является цилиндрический ячеистый ротор, имеющий множество сквозных, продольных каналов. С одного торца к нему подходит воздух, а с другого – выхлопные газы. Ротор вращается приводом от коленвала. С торцов его прикрывают заслонки, имеющие расположенные особым образом перепускные отверстия. Процесс сжатия выглядит следующим образом. Воздух с одного конца заполняет каналы ротора, ротор проворачивается; с другого конца в те же каналы подаются выхлопные газы.
Итоги и выводы
Сравнивая нагнетатели с механическим приводом от коленвала и турбоприводом, надо отметить один немаловажный факт. Массовое производство позволяет автомобильной промышленности существенно снижать себестоимость моторов с турбонагнетателями. Использование же их в тюнинге сопряжено с немалыми трудностями, прежде всего в установке. Аналогичные центробежные механические нагнетатели, как правило, более удобны и просты и в установке, и в эксплуатации. Однако достоинства турбонагнетателей приводят к тому, что их все чаще используют при доводке автомобилей. Существуют готовые комплекты для различных автомобилей. Есть разработки и для отечественных моторов с использованием импортных комплектующих. Доводке подвергаются и сами турбонагнетатели. В заключение следует сказать, что турбонагнетатели несомненно интересны. Не зря большинство спортивных машин турбированны. Высокий КПД и прочие положительные факторы делают их крайне привлекательными как для обычных автомобилей, так и для серьезного тюнинга. Но и здесь, как и с их механическими собратьями, для достижения действительно выдающихся результатов без «железного» тюнинга не обойтись.
