Основной принцип работы турбонагнетателя
Турбонагнетатель — это механическое устройство, которое использует энергию газов, выходящих из выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (энергию, которая иначе была бы полностью потеряна), чтобы сжимать поступающий в двигатель воздух и подавать в него больше кислорода. Мощность, вырабатываемая двигателем, в первую очередь зависит от того, сколько воздуха и топлива можно сжечь в цилиндре; увеличивая количество воздуха без увеличения физического объёма двигателя, турбонагнетатель позволяет получить значительно больше мощности от двигателя того же размера. Поэтому турбированные двигатели зачастую могут иметь меньший рабочий объём по сравнению с атмосферными двигателями эквивалентной мощности — такой подход в автомобильной промышленности называют «даунсайзингом».
Турбина и компрессор: система с двумя колёсами
Принцип работы турбонагнетателя основан на двух колёсах, вращающихся на общем валу. Турбинное колесо со стороны выхлопа приводится во вращение потоком горячих газов под давлением, выходящих из двигателя; это вращение через общий вал передаётся компрессорному колесу со стороны впуска. Компрессорное колесо забирает воздух снаружи, сжимает его и подаёт во впускной коллектор двигателя. Этот сжатый воздух плотнее обычного воздуха при атмосферном давлении — то есть в том же объёме содержит больше молекул кислорода. Поскольку вместе с этим дополнительным кислородом можно безопасно сжечь больше топлива, выходная мощность увеличивается. Давление наддува («буст») обычно ограничивается определённым верхним пределом с помощью клапана — вестгейта; поскольку превышение этого предела может повредить двигатель, система устроена так, чтобы избыточный выхлопной газ обходил турбину и выпускался наружу.
Что такое турбояма (turbo lag)?
Одна из самых известных особенностей турбированных двигателей — кратковременная задержка отклика, называемая «турбоямой». Когда водитель нажимает на педаль газа, турбинному колесу требуется определённое время, чтобы набрать достаточную скорость и создать заметное давление наддува; в этот момент двигатель ещё не выдаёт свой полный потенциал. Основная причина задержки — инерция турбинного и компрессорного колёс, а также то, что на низких оборотах количество выхлопных газов ещё недостаточно, чтобы быстро раскрутить турбину. Задержка особенно заметна при резком ускорении с низких оборотов.
Сравнение с атмосферными двигателями
Атмосферные (безнаддувные) двигатели полагаются исключительно на разрежение, создаваемое движением поршня вниз, без какого-либо принудительного наддува. Их главное преимущество — почти мгновенный и предсказуемый отклик в момент нажатия на педаль газа; задержки, подобной турбояме, не возникает, а меньшее число механических деталей делает их обслуживание, как правило, проще. С другой стороны, для достижения того же уровня мощности обычно требуется двигатель большего объёма, что может увеличивать расход топлива и массу двигателя. Турбированные двигатели, напротив, способны выдавать высокую мощность при меньшем объёме, что даёт преимущество в топливной экономичности, однако дополнительная сложность системы может повышать потребность в обслуживании, а производительность может сильнее зависеть от стиля вождения (резкие ускорения, подъёмы, перевозка тяжёлых грузов и т. д.). Разница заметна и на большой высоте: атмосферные двигатели теряют мощность в разреженном воздухе, тогда как турбированные способны частично компенсировать эту потерю. По-разному оцениваются оба подхода и с точки зрения ремонта и долговечности: у атмосферных двигателей меньше деталей, способных выйти из строя, поэтому затраты на обслуживание обычно более предсказуемы, тогда как в турбированных системах появляются дополнительные факторы — подшипники турбины, перегрев, качество масла, — из-за чего производители обычно рекомендуют для турбированных двигателей более частую замену масла и использование масла более высокого качества.
Турбонагнетатели с изменяемой геометрией
Ограничение классических турбонагнетателей с фиксированной геометрией состоит в том, что из-за неизменного угла лопаток турбины они работают наиболее эффективно лишь в определённом диапазоне оборотов. В технологии турбонагнетателя с изменяемой геометрией (VGT/VNT) угол направляющих лопаток вокруг турбины может электронно регулироваться в зависимости от режима работы двигателя. На низких оборотах лопатки сужаются, увеличивая скорость потока газа и быстрее раскручивая турбину; на высоких оборотах они открываются, позволяя газу течь более свободно. Благодаря этому один турбонагнетатель способен обеспечивать более сбалансированную производительность как на низких, так и на высоких оборотах; эта технология особенно широко применяется на дизельных двигателях, поскольку температура выхлопных газов дизеля более благоприятна для материала турбины, чем у бензиновых двигателей.
Историческое развитие
Концептуальная основа турбонаддува восходит к патенту 1905 года швейцарского инженера Альфреда Бюши, предложившего использовать энергию выхлопных газов для питания устройства подачи воздуха. Первое практическое и широкое применение технология нашла в авиации в первой половине XX века; во время Второй мировой войны высотные истребители, такие как P-38 и B-17, использовали турбированные двигатели, чтобы компенсировать потерю мощности в разреженном воздухе на большой высоте. Этот опыт открыл инженерам послевоенного периода путь к адаптации технологии для автомобилей, и с 1950-х и 1960-х годов турбонаддув постепенно проник в автомобильную промышленность.
Современные технологии и способы снижения турбоямы
Снижение турбоямы — одна из важных задач современного двигателестроения. Керамические подшипники, снижающие трение на валу турбины, позволяют колёсам раскручиваться легче. В турбонагнетателях типа twin-scroll выхлопные газы от разных групп цилиндров подводятся к турбине по раздельным каналам, что снижает взаимные помехи в потоке и ускоряет отклик. В некоторых высокопроизводительных системах используется несколько турбонагнетателей одновременно — например, схемы «twin-turbo», где небольшой турбонагнетатель работает на низких оборотах, а более крупный — на высоких, — чтобы обеспечить сбалансированную мощность в широком диапазоне оборотов. В разработанных в последние годы турбонагнетателях с электрическим приводом небольшой электромотор раскручивает вал турбины в те моменты, когда выхлопных газов ещё недостаточно, что практически устраняет турбояму. Поскольку такие системы электрической помощи, особенно в гибридных автомобилях, могут использовать уже имеющуюся высоковольтную батарею, их дополнительная сложность обходится дешевле по сравнению с обычными турбонагнетателями. По мере того как экологические нормы продолжают подталкивать к уменьшению рабочего объёма двигателей, автомобильные инженеры по-прежнему считают турбонаддув одним из самых практичных способов снижения расхода топлива и выбросов.