Кто из автолюбителей не слышал волшебное слово "турбо"? Звенит в ушах, воображение рисует нечто мощное, стремительное. На этом фоне как-то скучно звучат термины "механический компрессор" или, хуже того - "объемный нагнетатель". На деле - не совсем так. Или совсем не так.
Какой водитель не мечтал о том что бы в его автомобиле жило намного больше лошадок под капотом чем есть. Если кто-то заявит, что он не из таких, то наверняка слукавит. Благо последнее время данную проблему довольно легко решить, вариантов увеличения мощности двигателя, да и комплектующих как грязи. В нашу жизнь плотно вошло слово "тюнинг" и многие тюнинговых ателье берутся сделать с вашим любимцем все, что угодно.
В русский язык с давних пор вошел термин "форсировка" (от английского force - сила), который означает "увеличение мощности". Стоит вспомнить, что мощность двигателя напрямую связана со следующими его основными параметрами:
- рабочим объемом цилиндров;
- количеством подаваемой топливо - воздушной смеси;
- эффективностью ее сжигания;
- энергетической "заряженностью" топлива.
Стоит заметить, что есть ещё несколько вариантов увеличения мощности - полировка впускного/выпускного каналов, применение фильтров
нулевого сопротивления, применение прямоточной системы выхлопа, изменение параметров программного обеспечения (чип-тюнинг), расточка цилиндров или переходе с бензина на "нитру" (закись азота).
Перечисленные решения позволяют увеличить мощность, но не существенно, разве что это не касается "нитроса". Кардинальное решение одно - увеличение подачи топливо - воздушной смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит "просто так", для этого нужен воздух (кислород) - во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом увеличить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится - его возможности по всасыванию воздуха ограничены (даже при применении фильтров с нулевым сопротивлением). Поэтому и появились те самые "турбо", "компрессоры" и "нагнетатели". Они разные, и дают разные результаты.
Для начала немного теории:
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный - на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном - тогда горючей смеси (для дизелей - воздуха) в цилиндре "поместится" больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, станет выше; вырастет и общая мощность двигателя.
Для этих целей было придумано довольно много решений, но распространение получили не многие.
1. Роторный нагнетатель Roots.
Создан Фрэнсисом Рутсом еще в 1860 году. Первоначально использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть конструкции: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые "шестерни", помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель - Итон - усовершенствовал конструкцию: прямозубые "шестерни" превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель, а не компрессор.
2. Спиральный компессор Lysholm.
Автор идеи - немецкий инженер Кригар, время рождения - конец позапрошлого века, первоначальное назначение - промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Алфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне - если не снимать кожух - очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вращающиеся навстречу друг другу перекачивают объемы воздуха вдоль осей, но сильно лихо закручены. Сечения роторов намного сложнее, они разные. Самое главное: шаг закрутки роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается - воздух сжимается. Поэтому Lysholm - не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор.
3. Центробежный компрессор
(устоявшегося "фирменного" названия не имеет). В корпусе-улитке вращается крыльчатка сложной формы. Воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. По этому это не просто нагнетатель, а тоже компрессор.
4. Турбокомпрессор, оно же турбонагнетатель.
По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо", пусть даже и "би...", и "твин...". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов, так сказать, по второй производной. Для данной конструкции присуща замедленная реакция на
быстрый "подхват".
Как следует из определения, механический нагнетатель/компрессор - роторный, спиральный или центробежный - имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное в том, что обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала.
Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm
Нагнетатель Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики, обороты компрессора увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, равномерно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные - их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя.
Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин. (Стоит заметить что компания Mercedes-Benz одна из первых начала использовать компрессора в своих автомобилях, при чем
предпочтение они отдали именно роторным конструкциям.)
Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления - компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители - шведские компании Lysholm и Autorotor. Более известные потребителю фирмы Kleemann, Whipple и пр. в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочевку...
Механический центробежный компрессор
Механический центробежный компрессор конструктивно наиболее прост и компактен, из-за чего весьма популярен - у американских "самодельщиков". Правда, тут требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон - до 100.000 об./мин.). Производительность нелинейная - чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь повыше можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, но лишь в довольно узком диапазоне оборотов. Следовательно, понадобится коробка со сближенным рядом и постоянная активно-утомительная работа ее рычагом...
Турбокомпрессор / турбонагнетатель.
Турбокомпрессор, по большому счету - тот же центробежный компрессор, но с принципиально иным приводом. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Явное достоинство: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус - инерционность: "вдавил" резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя - и наконец, "пойдет" воздух. Но с этим явлением, именуемым "турбо-яма" (по-английски "turbo-lag", что правильнее было бы перевести как "турбо-задержка" или "турбо-пауза"), научились бороться...
Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, под капотом "поселились" два перепускных клапана: один - для отработавших газов, а другой - чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды - время закрытия клапана.
В последнее время стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея эта, опять-таки, давняя, а вот воплотить ее долго не могли; в качестве примера назовем новейший агрегат наддува "опелевских" дизелей "Экотек".
Еще одна проблема использования турбин - это их небольшой срок жизни, хотя в последнее время удалось значительно увеличить это время. Как уже упоминалось, частота вращения ротора турбины должна быть очень велика. До 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли только недавно, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ - и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно удивления не применение керамики - подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! На очереди - металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции.
По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор вроде бы схож с механическим центробежным. Но "опосредствованная" система привода позволяет подстраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно "маломерных" двигателях Volvo, Volkswagen или Saab - это ли не примеры.
Что касается "битурбо" и "твинтурбо" вместо одной турбокомпрессорной установки используются две - параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном наддуве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристики.
Дело в том что ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне порезче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Итак, турбину следует сделать как можно меньше по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается увеличивать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в
параллель.
Система Интеркуллер.
Вы скорее всего встречали на машинах надпись "интеркулер" на борту. Сжимаемый компрессором воздух неизбежно нагревается. При этом уменьшается его плотность и содержание в нем кислорода, ради которого, собственно, все и затевалось. Посему перед подачей в двигатель сжатый воздух стоит охладить - в дополнительном радиаторе, который и именуется интеркулером. При умеренной форсировке мотора без интеркулера можно обойтись, но если делать все "по-большому", его применение неизбежно.
Роль турбины заключается в увеличении плотности воздуха, поступающего в двигатель, таким образом обеспечивается возможность сжигать больше топлива. Больше сгоревшего топлива обеспечивает больше энергии от сгорания и соответственно больший момент. В случае с атмосферным (не турбовым) двигателем, наибольшее давление - это атмосферное, т.е. 1 бар или 14.5 psi. Прелесть турбовых двигателей заключается в возможности значительного увеличения давления...
Собственно турбина состоит из двух основных элементов - это сама турбина и компрессор. Выпускной газ проходя через турбину раскручивает крыльчатку, это такой вентилятор, расположенный в корпусе самой турбины. Вращение крыльчатки передается к другой части турбины - компрессору. Компрессорный пропеллер обеспечивает нагнетание воздуха в двигатель, это осуществляется потому же принципу что и работа турбины, только в направлении к двигателю.
Как Вы наверное уже догадались, чем больше давление - тем больше воздуха поступает в двигатель. Но вы не можете бесконечно увеличивать давление в двигателе (во всяком случае без возникновения проблем). Если турбина "перерабатывает" возникает излишнее тепло (следствие усиленной работы), обратное давление, пульсация, корпус турбины может треснуть, подшипники могут значительно сократить срок своей службы, может потечь масло и даже можно повредить двигатель. Поэтому давление можно увеличивать не злоупотребляя, типичные значения это от 8 до 12-14 psi, но если вы собираетесь поднимать больше, Вам скорей всего потребуется другая турбина.
Замена турбины
Типичная модификация турбина заключается в установке более высокопоточного компрессора, и возможно, несколько большей крыльчатки самой турбины. Обратный
эффект от этого заключается в уменьшении воздействии выпускных газов на турбину, что способствует снижению ее скорости и как следствие снижению давления в начале цикла раскручивания. Обычно оба корпуса, как компрессора так и турбины, можно заменить на большие и таким образом открыть возможность для пропуска большего количества газа.
Однако следует помнить, что для Вашей модели, "нужную" турбину тщательно подбирал производитель. Это означает правильное
соответствие между диаметрами выхода и входа (турбины и компрессора), как правило, производитель устанавливает одинаковые размеры. Однако недавно, стали получать распространение так называемые "гибридные" турбины. Очень важно понимать, что такая "высокопоточная" турбина не обеспечит такую же мощность в конце диапазона оборотов как и стандартная турбина. Производители автомобилей, как правило, подбирают турбину таким образом, чтобы была хорошая тяга с низов, при этом естественно теряется некоторый момент в конце диапазона оборотов.
Кроме этого, улучшения так же делается в плане надежности турбин для работы с высоким давлением. Большинство турбин используют 180-ти градусный упорный подшипник, расположенный в корпусе. Такой подшипник прекрасно работает при "нормальном" давлении, но довольно быстро изнашивается если значительно увеличивать давление. Решением является применение 360-ти градусного подшипника, который на большинстве турбин значительно улучшает надежность и
соответственно продляет срок службы турбины.
Модификация турбин может вызвать на некоторых двигателях эффект обратного давления, когда поток воздуха начинает двигаться в обратном направлении, что обычно приводит к повреждению крыльчатки.
Возможные замены
Если у Вас небольшой бюджет для замены турбины, то лучше всего воспользоваться б/у комплектующими из
Японии. Выбор довольно широк, начиная от крохотной IHI RHB31 до большой Garrett T3.
Лучше всего, ориентироваться по объему двигателя и брать турбину от автомобиля с двигателем близким по объему к Вашему. В качестве примера можем привести несколько турбин и примерную мощность которую
развивает двигатели.
NISSAN SR20DET (Garrett T28) - 164kW
TOYOTA 2JZ-GTE (Toyota CT twin turbo) - 208kW
MITSUBISHI G63B Starion (TD05/6) - 131kW
MAZDA B6 Turbo (IHI RHB5*) - 104kW
DAIHATSU CB70 (IHI RHB5*) - 78kW
Современные турбины
Современные турбины часто используют керамику. Керамика имеет меньшую плотность чем сталь, таким образом уменьшается инерция, и турбина быстрей раскручивается. Большинство современных турбин используют сплав на основе никеля. "Керамические" турбины
устанавливались на многие старые Ниссаны. Это связано с тем, что Ниссан одни из первых обнаружили полезные свойства керамики для турбин, которые выражаются в улучшении отдачи вплоть до 45%, и время на раскрутку турбины уменьшается примерно на 20%, в сравнении с обычной турбиной.
Однако керамические турбины больше подвержены воздействию всяких нехороших частей поступающих из выпускного коллектора. Кроме этого, такие турбины больше чувствительны к ударным нагрузкам (их желательно не ронять!).
Шариковые подшипники
Смысл применения шариков - это уменьшение трения, и соответственно увеличении силы выпуска. И снова, пальма первенства принадлежит компании Ниссан, улучшение от использования шариковых подшипников составляет около 45% и время на раскрутку уменьшается примерно на 25%.
Шарикоподшипниковые или роллерные турбины Garrett можно узнать по 6 болтам на их корпусе. Garrett является ведущим производителем шарикоподшипниковых турбин, это компания снабжает своими частями многие известные фирмы, например такую как HKS. Компания APEXi использует части от IHI, эти турбины часто встречаются на автомобилях Субару.
Турбины с раздвоенным пульсом
Такие турбины имеют раздельные пути ведущие к турбине, это поддерживает пульс от выпускных газов в более изолированном состоянии,
соответственно разные цилиндры оказывают меньше дурного влияния друг на друга, поэтому отдача
улучшается. Так называемые турбиные с раздвоенным пульсом (или с двойным входом) доступны от многих тининговых
компаний, серийно же они встречаются на двигателе Toyota 3S-GTE, а также на некоторых Ниссанах.
Изменяемая геометрия
Один из примеров изменяющейся геометрии это сопло турбины. Там несколько лопаток расположены по кругу корпуса турбины, и
соединены с механизмом, регулирующим углы. Зазор между лопатками может меняться, таким образом изменяется раскручивание турбины. Естественно, для работы такой турбины требуется специальный управляющий механизм, цель которого обеспечить оптимальную производительность турбины во всем диапазоне работы. К сожалению такие турбины достаточно дорогие и не очень надежны.
Перепускные клапана (Wastegates)
Цель перепускного клапана - пустить часть выпускного газа в обход турбины, таким образом ограничив скорость вращения турбины и соответственно и давление на впускном коллекторе. Перепускные клапана бывают
двух видов: внутренние и внешние. На большинстве турбин используются внутренние. В следствие их расположения, поток проходящего воздуха очень ограничен, что не способствует высокой эффективности,
соответственно газ может устремиться в турбину, так как там пройти проще, и повредить ее или двигатель. Другая проблема, что выходящий из турбины газ и газ идущий в обход могут "резко встретиться", в следствие чего может возникнуть эффект турболенции, что оказывает отрицательное влияние на мощность.
Внешние перепускные клапана, устанавливаются отдельно от турбины, именно такие ставятся на гоночные машины. Такие клапана, как правило более надежны, но их размер часто не способствует удачному расположению под капотом обычной гражданской машины. Такие компании как HKS, Garrett и Turbonetics выпускают перепускные клапана нескольких размеров, выбирать подходящий следует в зависимости от мощности. Одно из преимуществ внешнего клапана это возможность регулировки механизма, т.е. точки когда пружина начинает действовать.
Отношение A/R
Это очень важный параметр, измеряется как отношение входа турбины к радиусу центральной части. Если Вам непонятно, то надо запомнить что больший номер означает что турбину будет раскручиваться медленнее чтобы достичь нужного давления и меньше будет отдача в конце диапазона оборотов. Нужны ли Вам карты развиваемого давления для выбора турбины? Да, если у Вас они есть и Вы точно знаете какой поток воздуха необходим вашему двигателю. Интересно, как Вы собираетесь измерять этот поток? Самый эффективный способ выбора правильной турбины для Вашего автомобиля это поэкспериментировать на стенде по замеру мощности!
В прошлый раз были рассмотрены устройства нагнетания, приводимые от коленчатого вала двигателя. Но существует иной тип устройств, именуемых турбонагнетателями или турбокомпрессорами, привод которых осуществляется от энергии выхлопных газов. Именно эти устройства в массовом автомобилестроении получили наибольшее распространение.
История
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. Уже в 1917 г. ограниченное число турбонагнетателей было испытано на авиационных моторах в условиях Первой мировой войны. Это позволило самолету забираться более высоко, сохраняя необходимую мощность мотора. Немногим позже турбины появились и на судовых дизелях. В 1920 г. компании Mercedes и Fiat начинают свои исследования в области турбонаддува. 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.). Не умаляя заслуг г-на Бюхи, стоит сказать, что массовое внедрение турбонагнетателей произошло благодаря работам Вильяма Вулленвебера конца 50-х–начала 60-х годов. Именно его конструкция является прародителем современных турбонагнетателей. Такие известные компании, как Garrett (США), Holset (Англия), KKK (Германия), IHI и Mitsubishi (Япония), в свое время приобрели лицензию на право использования его конструкции.
Нужно отметить, что механические нагнетатели уже тогда применялись с успехом. Вот почему турбонагнетателям приходилось отвоевывать свою нишу на этом рынке. После первого топливного кризиса в 1973 г. турбодизели стали все чаще использоваться на коммерческом транспорте. 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 Porsche 911 Turbo. А годом позже 2-литровая турбированная версия Saab показывает такие же возможности, что и 3-литровая, но атмо-сферная. В 1978 г. Renault начинает турбоэру в гонках Формулы-1. В то же время Buick, Saab и Mercedes начинают массовое производство автомобилей с турбонагнетателями. В настоящее время турбонагнетатели прочно заняли свое место под капотами автомобилей. Причем чаще всего можно встретить именно турбодизели. По возможностям они стали все более приближаться к своим бензиновым собратьям, сохраняя при этом главные преимущества – низкий расход топлива и хорошую экологичность. Бензиновые же моторы все чаще оснащаются турбинами не с позиций скорости и мощи, но как средство снижения расхода горючего и вредных выбросов.
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
Так что же такое 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 той же 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. 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. Сейчас можно встретить схемы с подшипниками качения, но наибольшее распространение получили подшипники скольжения (например, бронзовые втулки и т. п.). Как правило, втулки выполняют плавающими (т. е. с зазором и относительно корпуса, и относительно самого вала). Это позволяет поддерживать необходимый масляный клин и сократить внутренние линейные скорости вращения, что ведет к снижению нагрузок на весь подшипниковый узел. Смазка подшипникового узла осуществляется от системы смазки ДВС. Причем, как и в самом двигателе, масло служит даже больше для отвода тепла от подшипников и корпуса, нежели для непосредственно смазки трущихся поверхностей.
Удержание масла внутри подшипникового узла и недопущение его в зоны компрессора и турбины также важный и сложный вопрос. Тем более, что сейчас можно встретить конструкции с неподвижным подшипником, где ротор вращается в масляной ванне. Различные типы газо-масляных уплотнений не только должны эффективно сдерживать масло, но и противостоять воздействию высоких температур. На малых оборотах проблема утечек масла встает более остро, поскольку на этих режимах уже внутри подшипникового узла давление более высокое.
Сегодня большинство турбокомпрессоров имеют механизм изменения геометрии турбины. 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. 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. Два параллельных канала позволяют разделить потоки от разных цилиндров (например, на один канал работают 1-й и 4-й цилиндры, а на второй – 2-й и 3-й). Каждый поток распределяется по всей поверхности рабочего колеса турбины, полностью используя импульсы давления. Такой тип наддува называется ипульсным. Здесь уместно вспомнить конструкции прошлых лет, чтобы увидеть, по какому извилистому пути шла мысль конструкторов-первопроходцев. Так, например, пытаясь максимально использовать энергию выхлопных газов, применяли дополнительную турбину. В то время как часть отработавших газов направлялась в турбину нагнетателя, вторая их часть вращала турбину, отдающую свою мощность непосредственно коленчатому валу двигателя. Такая комбинированная установка позволяла выдавать довольно большую мощность, но, вероятно, сложность самой конструкции не способствовала широкому ее распространению.
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 с изменяемой геометрией турбины обеспечивает ему эффективную работу не только на высоких, но и на низких оборотах двигателя
Плюсы и минусы
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% ( 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 в этой связи более предпочтительны.
Ну и еще можно выделить такую положительную черту, как более устойчивая работа наддувных 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.
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. Появившиеся в последнее время турбонагнетатели с электроуправляемыми перепускными клапанами (взамен существующих пневматических) позволяют вести более точную настройку мотора. Автопроизводители добиваются высоких показателей по экологии и топливной экономичности, а специалисты по доводке моторов имеют возможность либо чип-тюнингом, либо заменой турбонагнетателя на более производительный с его точной настройкой добиваться высоких результатов по мощности и крутящему моменту.
Нужно сказать и еще об одном устройстве, которое призвано увеличить срок службы подшипникового узла турбонагнетателей – самого уязвимого элемента. Дело в том, что после работы на повышенных оборотах турбина должна «отдохнуть» на холостых оборотах. Поработав так несколько минут, турбина остывает, и ее можно остановить, не опасаясь перегрева подшипников. Устройство, именуемое турботаймером, позволяет при выключении зажигания глушить двигатель через некоторое время, которое можно либо запрограммировать, либо оно определяется устройством автоматически, исходя из температуры мотора. В отсутствие такого прибора водитель должен обеспечить «режим остывания» самостоятельно.
COMPREX
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. Сама работа ДВС придает выхлопным газам определенное давление. Это давление и сжимает свежий воздух. Далее, ротор снова проворачивается, и уже сжатый воздушный заряд проходит во впускной коллектор. Процесс происходит непрерывно. Ротор вращается с определенной скоростью, задаваемой оборотами двигателя и передаточным числом привода. Разумеется, необходим интеркулер, поскольку воздух от прямого контакта с выхлопными газами нагревается особенно сильно. Некоторый замес выхлопных газов в воздух для дизельного двигателя только в плюс, поскольку это обеспечивает необходимую рециркуляцию и снижает токсичность дизеля. Одним из основных преимуществ волнового нагнетателя было то, что, в отличие от механических нагнетателей, его обороты были куда ниже, а в отличие от турбонагнетателей – у волнового отсутствовал эффект «турбоямы» и рабочий диапазон не ограничивался лишь высокими оборотами. В 90-е годы прошлого века двигатели Mazda, оборудованные волновым нагнетателем, по показателю крутящего момента превосходили аналогичные турбодизели. Однако в 1997 г. производство машин с компрессором COMPREX было свернуто. Турбины стали более совершенными. Но работы по волновым нагнетателям рядом западных компаний ведутся и сейчас.
Итоги
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.
