Принцип работы современной турбины

Автомобильный двигатель не может работать без воздуха – для сжигания 1 литра бензина его требуется не менее 11 тыс. литров! Но чтобы проникнуть в цилиндры, воздуху приходится преодолеть фильтр, впускной коллектор, обогнуть дроссельную заслонку да еще и протиснуться в щель между клапаном и его седлом. Потому неудивительно, что потребность мотора в данном веществе никогда не удовлетворяется полностью. В лучшем случае – на 90-95%.

Иное дело, если воздуху придать ускорение при помощи специальных устройств, которых за более чем столетнюю историю автомобилестроения было придумано немало. Здесь и приводной компрессор, и динамический с резонансным наддувом, и, конечно, турбокомпрессор. О нем и поговорим.

Как работает?
Турбонаддув включает в себя следующие элементы: турбокомпрессор, регулятор давления наддува и зачастую охладитель (интеркулер). Турбокомпрессор представляет собой центробежный воздушный насос («холодная крыльчатка»), расположенный на одном валу с газовой турбиной, которую раскручивает поток отработавших газов («горячая крыльчатка»). Сам вал установлен на подшипниках скольжения или качения. Первые применяют чаще, поскольку масло, подаваемое к подшипникам, обеспечивает дополнительное охлаждение турбонагнетателя. Отработавшие газы раскручивают турбинное колесо до 50 – 200 тыс. об/мин (в зависимости от конструкции и режима работы).

Вместе с турбинным, естественно, вращается и насосное колесо, загоняя в цилиндры необходимое количество воздуха. Последний после сжатия лопатками «холодной крыльчатки» нагревается. Да так, что в некоторых случаях может возникнуть калильное зажигание, не говоря уже об элементарной детонации. Вдобавок у горячего воздуха плотность меньше, чем у холодного. Следовательно, и попадает его в цилиндры гораздо меньше, чем рассчитывали. Потому между нагнетателем и двигателем начали установливать охладитель, он же интеркулер – воздушный радиатор.

Характеристики мотора напрямую зависят от давления наддува: чем больше воздуха удастся загнать в цилиндры, тем мощнее будет двигатель. При определенном стиле вождения появляются и другие плюсы – снижается расход топлива, мотор не боится горных дорог, где обычные двигатели буквально задыхаются от нехватки кислорода в разреженной атмосфере.

Однако стоит заметить, что при установке на серийный мотор слишком производительного турбокомпрессора (высокого давления) или при перепрограммировании его блока управления, вопервых, требуется усилить буквально все основные детали – начиная с поршней, которые делают коваными и дополняют масляным охлаждением, и заканчивая специальными прокладками и коллекторами. А вовторых, при наддуве высокого давления чаще встречается такое неприятное явление как «турбояма» – отсутствие тяги на «низах» и скачок мощности после раскручивания. Возникает оно изза того, что на малых оборотах крыльчатки турбины вращаются со сравнительно небольшой скоростью и подают меньше воздуха, чем необходимо. Зато после раскручивания турбонагнетатель явно перевыполняет план.

Решением этой проблемы занялись лет двадцатьтридцать назад, когда начали использовать специальные подшипники низкого трения, оптимизированные коллекторы, многоклапанные головки и т. д. А на моторы большого рабочего объема и вовсе установили по две турбины – ведь два малых турбокомпрессора раскручиваются намного быстрее, чем один большой (Audi RS6, Maybach 62). Но самым эффективным способом заставить турбомотор нормально тянуть, начиная с «низов», стало применение регуляторов давления.

Регуляторы
Все турбонаддувы можно условно разделить на два типа – низкого (0,20,8 бара) и высокого давления (0,82 бара). Первый, как показала практика, может вообще обходиться без регуляторов. К примеру, на мотор Saab 95 V6 Ecopower Turbo объемом 3,0 л установлена относительно маломощная, поэтому и менее «задумчивая» турбина Garrett. Интересно, что для достижения максимального давления 0,25 бара она использует энергию отработавших газов лишь трех цилиндров из шести. На больших оборотах турбонагнетатель не может как следует разогнаться, что и обеспечивает низкое давление наддува. Электронно управляемая заслонка в этой турбине тут же открывается при любом нажатии на педаль газа. Это позволяет турбине немедленно получать необходимое количество отработавших газов для того, чтобы закачивать в цилиндры больше воздуха. Как только «воздушный насос» раскрутился, заслонка возвращается в положение, соответствующее заданному числу оборотов двигателя. В результате максимальный момент 310 Нм этот мотор выдает при 2100 об/мин.

Но это исключение из правил. Обычно в качестве регуляторов давления в турбодвигателях используют предохранительные клапаны – механические либо с электронным управлением. Первые открываются избыточным давлением наддуваемого воздуха, вторые имеют исполнительные механизмы, как правило, электромагнитные. Команду открытьзакрыть клапану дает ЭБУ двигателя, руководствуясь информацией целой группы датчиков: давления во впускном коллекторе, детонации, расходомера воздуха и т. д. Первым подобную систему применил Saab в 1981 году.

Давление наддува обычно регулируется с помощью клапанных систем, которые перепускают требуемое количество отработавших газов. Хотя встречаются модели, в которых избыточный воздух сбрасывается прямо под капот, что не совсем выгодно с точки зрения экономичности. Впрочем, и первый способ не идеален. Ведь значительное количество отработавших газов не выполняет никаких полезных действий. Вот если бы объединить две турбины в одной! Тогда бы одна использывалась для малых оборотов двигателя, а другая – для максимальных. При этом перепускной клапан использовался бы эпизодически.

Что такое VTG?
Турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG (Variable Turbo Geometry) – это вовсе не турбина с поворотными крыльчатками. Реализовать подобное затруднительно. Но зато ничто не мешает сделать подвижным направляющий аппарат, который в зависимости от нагрузки дозировал бы количество и скорость поступающих на «горячую крыльчатку» отработавших газов. Самый простой вариант использовали в роторном моторе Mazda RX7 в конце 80х. Здесь струя выхлопных газов была разделена на два потока. На малых оборотах они воздействовали только на верхнюю часть турбинного колеса. При достижении определенной частоты вращения коленвала срабатывал клапан, после чего отработавшие газы подавались уже на всю поверхность крыльчаток. Правда, оказалось, что данная система хорошо работала только в паре с роторнопоршневым двигателем Ванкеля.

Более удачной оказалась идея с несколькими поворотными лопатками, закрепленными в специальной обойме. Они регулировали скорость и давление потока отработавших газов в зависимости от режима работы. В грузовых автомобилях первой удачно применила этот метод фирма Mitsubishi в середине 80х, а в легковых – Audi и Volkswagen – фирма Allied Signal (Garrett) в 1995 году. Позже VTGнагнетатетелями обзавелись легковые дизели BMW и MercedesBenz, а также AlfaRomeo. К слову, нечто подобное устанавливалось на советские танковые дизели с середины 60х.

Но пока, к сожалению, такая система прижилась только на дизельных моторах. Дело в том, что нежный направляющий аппарат теряет подвижность после долгой работы при высоких температурах выхлопных газов. Сравним 1050°С для бензинового двигателя и всего 600°С для дизеля. Кроме того, турбина с переменной геометрией дороже, чем обычная. А ее надежность и долговечность всетаки поменьше. Поэтому в ближайшее время вопрос о том, каким должен быть идеальный наддув, остается открытым. Один из перспективных путей – применение комбинированного наддува. К примеру, на малых оборотах воздух в цилиндры нагнетает приводной компрессор, а уже со средних в дело вступает турбонаддув.