Турбонаддув

Что за улитка? Какое отношение она имеет к автомобильному журналу? А вот какое. В прошлых выпусках AG мы рассказали об устройстве основных типов двигателей – дизельного, классического бензинового и роторно-поршневого. Сегодня же поговорим о турбонаддуве, добавляющем моторам «силу», одна из деталей которого обычно называется именно «улиткой».

На самом деле в цилиндрах двигателя сгорает не бензин или дизельное топливо, а топливовоздушная смесь. То есть, мощность силового агрегата зависит не только от количества и качества поступающей в камеру сгорания горючего, но и от параметров подаваемого воздуха – увеличивая количество поступающего топлива и не меняя объем воздуха, мы не только не улучшим работу двигателя, а даже ухудшим ее. Но решение было найдено еще в конце позапрошлого века. Примитивные моторы первых автомобилей, имевших в своей основе кареты, располагались позади сидений, и с подачей воздуха возникали проблемы.

Готлиб Вильгельм Даймлер придумал отличный для своего времени способ: от коленчатого вала вращение получал примитивный компрессор, который было бы удобнее назвать вентилятором, который сжимал атмосферный воздух и подавал его к простейшему карбюратору. Но вскоре автомобили стали строить крупными сериями, с передним расположением двигателя, и необходимость в нагнетании воздуха отпала.

В 1905 году работавший над усовершенствованием дизелей в забытой ныне швейцарской компании Sulzer Brothers инженер Альфред Бьюхи изобрел и запатентовал турбонаддув в том смысле слова, который мы знаем. У него за нагнетание воздуха отвечал не компрессор, отнимавший энергию у двигателя, а специальный механизм, работавший за счет отработавших газов.

Слово «турбокомпрессор» происходит от двух латинских — turbo (вихрь) и compressio (сжатие), это и определяет предназначение механизма. Условно механизм турбины можно разделить на две части: ротор и компрессор. Через корпус ротора, похожий на улитку, проходят выхлопные газы. Внутри корпуса установлено турбинное колесо небольшого диаметра, но с множеством лопаток. Выхлопные газы не только приводят во вращение это колесо, но при этом охлаждаются, а холодные продукты сгорания легче вытолкнуть из системы, значит, мощность двигателя за счет этого несколько повышается. Соединенное валом с более громоздким колесом компрессора, колесо ротора передает вращение. Атмосферный воздух попадает в «улитку» компрессора и, уже сжатый, оказывается во впускном коллекторе. Но компрессор и ротор – лишь малая часть механизмов, из которых состоит турбонаддув. На большинстве моделей применяется пневмопривод с перепускным, или так называемым, байпассным клапаном. От этого механизма зависит производительность системы – когда давление на выходе из компрессора начинает превышать оптимальное, клапан открывается и излишки воздуха «уходят» напрямую в выпускную систему.

Итак, у нас есть «улитки» ротора и компрессора. Компрессор нагнетает в цилиндры воздух. Но при работе механизмы нагреваются, значит, повышается и температура воздуха, а ведь чем газ холоднее – тем легче его сжать, и для этого потребуются меньшие объемы. Проблема охлаждения воздуха на многих моделях решена с помощью промежуточного радиатора, или интеркулера. Сжатые газы проходят через него, и только потом попадают в цилиндры двигателя.

Теперь о надежности турбонаддува. Рабочие обороты турбины на два порядка выше оборотов двигателя – они начинаются в среднем от 110 000 об./мин. и доходят до 200 000об./мин.! При этом температура еще не охлажденного, но сжатого воздуха доходит до 1000?С! Из-за высоких нагрузок на элементы конструкции турбонаддув долгое время не находил применения в автомобильном транспорте – лишь в 50-х годах специалисты компаний Caterpillar и Cummins сумели приспособить наддув к тракторам и грузовикам соответственно. А в 1962 году практически одновременно были представлены «турбовые» Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza. Надежная работа вращающихся элементов наддува напрямую зависит от работы системы смазки двигателя – сразу же после запуска мотора включается масляный насос, масло подается, в том числе, и на подшипники ротора, компрессора, и на соединяющий эти механизмы вал. Количество подаваемой смазки увеличивается с числом оборотов двигателя. Большую роль играет тип используемого моторного масла – большинство производителей предлагают специальные жидкости для двигателей с турбонаддувом. При несвоевременной замене масла одними из первых страдают подшипники и вал «улитки», повышается образование нагара, ухудшается теплоотдача и падает количество оборотов турбонаддува.

Особенность большинства «турбовых» моторов – резкое увеличение мощности после достижения определенных оборотов двигателя. Это называется турбоямой, и связано с выходом компрессора с холостого хода на рабочие обороты. После запуска мотора выхлопные газы начинают вращать лопасти ротора, получают вращение и лопасти компрессора, но оно недостаточно для сжатия воздуха и его подачи в цилиндры. Чем больше турбина, и чем большее давление она создает, тем дольше продлится «раскрутка» до рабочих оборотов. При поступлении большего количества воздуха увеличивается и поступление топлива, мощность при этом может увеличиваться на 70%, но не стоит забывать и о повышении расхода топлива.

Вернемся к проблеме надежности турбонаддува, точнее, к его работе при выключении двигателе. Из-за высоких степеней сжатия и трения двигатель останавливается практически мгновенно, а вот крыльчатки ротора, компрессора и соединяющий их вал вращаются с огромной скоростью (хотя выхлопные газы уже не вращают лопасти ротора), замедляясь после остановки мотора, когда масляный насос выключен, смазка «уходит» из системы, и детали наддува подвергаются наибольшему износу. Одно из правил владельцев «турбовых» автомобилей – не останавливать двигатель, работающий на высоких оборотах, а 2-3 минуты подержать его на холостых. И еще: зимой обязательно дожидаться полного прогрева, иначе загустевшее масло не поступит к дорогостоящим деталям системы.

Теперь перейдем к разновидностям турбонаддува. Еще несколько лет назад были распространены конструкции с двумя турбинами – Twin Turbo. Малая турбина раскручивалась быстрее, а значит, добавляла двигателю мощность на небольших оборотах, тогда как большая, давая более сильный поток воздуха, работала на высоких оборотах. На серии Tourer V от «Тойоты» двигатель 1GZ-GTE, устанавливавшийся на модификации Mark II, Chaser и Cresta оснащался как раз системой Twin Turbo. Благодаря наличию двух независимых систем турбояма пропадала, но дороговизна и сложность изготовления механизмов вынудили многих автопроизводителей на использование других конструкций. Например, Biturbo, то есть системы из двух маленьких турбин. Крыльчатки ротора и компрессора сделаны небольшими, значит, тяга на низких оборотах высокая, а оба механизма действуют во всех режимах работы силового агрегата. Как правило, такие «параллельные» турбины устанавливают на V-образные двигатели, по одной на каждую половину. Менее популярная схема – Twin Scroll – также применяется на V-образных моторах. В этом случае две независимые крыльчатки раскручивают лопасти компрессора, а самое интересное заключается опять же в разности размеров приемных «улиток». Энергия выхлопных газов одной из половин двигателя идет на питание компрессора на «низах», а энергия другой – большей – на прирост мощности на высоких оборотах. Вершина эволюции турбонаддува – механизм с изменяемой геометрией. В зависимости от оборотов поворачиваются специальные лопатки, и изменяется форма принимающего сопла компрессора. Таким образом, и одна турбина может эффективно действовать в любом режиме работы двигателя, а первым из автомобилей с бензиновым мотором, получившим такой механизм, стал Porsche 911 Turbo.

Вот основные типы турбин, применяемых на множестве легковых и грузовых автомобилей. Но выдвинутая в 1885 году идея Даймлера не осталась без внимания в наше время. На некоторых моделях используется приводной нагнетатель, который является аналогом обычной турбины, но он не использует энергию выхлопных газов, а приводится в действие самим двигателем (например, при помощи ремня, идущего от шкива коленвала). Таким образом, затрачивается энергия, которая могла бы пойти на набор скорости, и это происходит на всех оборотах, независимо от того, отдает ли наддув взамен необходимый поток воздуха. Из таких машин в нашем регионе очень популярны Toyota Crown с двигателями 1G-GZE. На них применяется именно нагнетатель с механическим приводом, так называемый Super Charger.

Конечно, ни с одним из указанных типов турбонаддувов экономить топливо не получится, но ведь эффект от турбины знают многие, и часто, поездив на «заряженной» модификации того же Mark II, не хотят пересаживаться на обычный – атмосферный – автомобиль.

Юрий Морозов

Ambox.ru

Метки: 1GZ-GTE 911 Biturbo Caterpillar Chaser Chevrolet compressio Corvair Monza Cresta Crown Cummins Jetfire Mark II Oldsmobile Porsche Sulzer Brothers Tourer Toyota Turbo Twin Scroll Twin-Turbo Готлиб Вильгельм Даймлер компрессор Турбокомпрессор турбонаддув

Похожие

Яндекс.Метрика