Что такое турбонаддув?

  Moscow Time

  Автомобильные конструкторы постоянно обеспокоены проблемой повышения мощности двигателей. Законы физики утверждают, что мощность двигателя напрямую зависит от количества топлива, которое сгорает за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность двигателя. Например, захотелось нам увеличить "поголовье лошадей" под капотом: как же это сделать? Вот тут-то и ждут нас проблемы.
  Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Следует заметить, что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Смешивать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определенном соотношении. Например, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14-15 частей воздуха - в зависимости от режима работы, состава горючего и других факторов.
  А воздуха на это нужно достаточно много. Зависимость получается прямая: чем больше объем цилиндра, тем больше кислорода в него попадет при каждом цикле. А есть ли способ загнать в тот же объем больше воздуха?
  Есть, и придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Этот немец весьма неплохо разбирался в двигателях и еще в 1885 г. понял, каким образом загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.
  Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J.Buchi) пошел еще дальше. Он вел разработку дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему не нравилось, что эти двигатели были большие и тяжелые, а мощности давали мало. Отнимать энергию у двигателя, чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 г. г-н Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, в котором использовалась как движущая энергия выхлопные газы. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

  Турбонаддув - это узел в системе питания двигателей (как бензиновых, так и дизельных), который позволяет поднять удельные (на литр рабочего объема) мощность и крутящий момент с одновременным улучшением экономичности. Конструкция представляет собой небольшую турбину, которая раскручивается потоком выхлопных газов: она насажена на один вал с турбокомпрессором, который вместе с ним нагнетает воздух в цилиндры под давлением. Так как ветер вращает крылья мельницы, так и выхлопные газы крутят колесо с лопатками. Разница лишь в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины, оно насаженно на один вал с колесом компрессора. Условно турбонагнетатель можно разделить на две части - ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединенный с ним компрессор, работая как «вентилятор», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудреная конструкция и называется турбокомпрессором (от латинских слов turbo - вихрь и compressio - давление), или турбонагнетателем.
  В турбодвигателе воздух, подаваемый в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать - и тогда его давление можно будет сделать еще выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух легче, чем горячий.
  Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают с помощью так называемого интеркулера (промежуточного охладителя). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам двигателя. Проходя через него, он отдает свое тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный, поэтому его можно загнать в цилиндр еще больше.
  Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, а следовательно, и тем выше становится мощность двигателя. Эффективность этого решения в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя - всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счет их задержки, а за счет их охлаждения: за турбиной выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но тогда они более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха дармовая энергия повышает КПД двигателя. И возможность снять с меньшего рабочего объема большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Все это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными по сравнению с их атмосферными собратьями одинаковой мощности. Казалось бы, вот оно - счастье. Однако ж нет, потому что не все так просто: проблемы только начались.
  Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тыс.об/мин, во-вторых, температура раскаленных газов достигает - только представьте! - 1000°C! А что это значит? А то, что нужно сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие нагрузки длительное время, достаточно дорого и непросто.
  Но такие сложности и дороговизна конструкции - не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины весьма зависит от оборотов двигателя. При малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскручивается слабо, а компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительно воздуха. Поэтому  до трех тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом - при четырех-пяти тысячах - «выстреливает». Это называется турбоямой. Причем чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому двигатели с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямами. А вот в турбинах, создающих низкое давление, провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не слишком сильно.
  Избавиться турбоям помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, который больше него, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске.
  Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всем диапазоне оборотов можно еще, изменяя так называемую геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» вращаются специальные лопатки - и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», кторая хорошо работает во всем диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причем сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, ведь температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первым примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.
  Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Поскольку турбокомпрессоры оказались перспективными не только в форсировании двигателей, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выброса газов. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Подавляющее большинство дизельных двигателей автомобиль имеет приставку «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые двигатели позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую зажигалку. Да, на ту самую, что с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».