История турбонаддува: как турбины изменили автомобильный мир

Возможно, вы когда-то замечали небольшой значок «turbo» на внешне обычном автомобиле. Производители, как правило, размещают эти эмблемы скромно — небольшого размера, в незаметных местах. Непосвящённому легко пройти мимо. Но для тех, кто в теме, — это сигнал, заслуживающий внимания. Так в чём же весь сыр-бор? Вот полная история турбонаддува — откуда он появился, как работает и почему это важно.

Почему инженерам нужна была большая мощность от того же двигателя

С самых ранних дней автомобильной инженерии конструкторы были одержимы одним вопросом: как получить больше мощности от двигателя? Законы физики дают чёткий ответ — мощность двигателя прямо пропорциональна количеству топлива, сжигаемого в каждом рабочем цикле. Больше сожжённого топлива — больше мощности. Достаточно просто в теории. Но на практике всё гораздо сложнее.

Ключевым ограничением является кислород. Топливо не горит само по себе — оно горит в составе топливно-воздушной смеси. И эта смесь должна быть точно сбалансирована, а не определяться на глаз. Для бензинового двигателя идеальное соотношение составляет примерно:

• 1 часть топлива на 14–15 частей воздуха, в зависимости от режима работы, состава топлива и других переменных

Это означает, что для сжигания большего количества топлива необходимо подавать значительно больше воздуха. Обычные атмосферные двигатели засасывают воздух за счёт разности давлений между цилиндром и атмосферой. Результат — жёсткое ограничение: чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода поступает за один цикл. Американские производители середины XX века довели это до крайности, выпуская двигатели огромного рабочего объёма с колоссальным расходом топлива. Но был ли более умный способ подавать больше воздуха в тот же объём цилиндра?

Изобретение нагнетателя: прорыв Готлиба Даймлера

Ответ пришёл от хорошо известного имени — Готлиба Вильгельма Даймлера, того самого немецкого инженера, стоящего за наследием DaimlerChrysler. Ещё в 1885 году Даймлер разработал метод принудительной подачи воздуха в цилиндры двигателя с помощью механического нагнетателя — по сути, компрессора (вентилятора), приводимого непосредственно от коленчатого вала двигателя и нагнетающего сжатый воздух в цилиндры.

Это работало. Но у метода был один существенный недостаток: компрессор отбирал энергию непосредственно у двигателя для собственной работы. Инженеры понимали, что должен быть лучший способ.

Альфред Бюхи и рождение турбокомпрессора (1905)

На сцену выходит Альфред Дж. Бюхи — швейцарский инженер и изобретатель, работавший в компании Sulzer Brothers, где он руководил разработкой дизельных двигателей. Бюхи был разочарован сразу на двух фронтах:

• Дизельные двигатели той эпохи были большими, тяжёлыми и маломощными
• Механические нагнетатели отнимали у двигателя энергию, необходимую для его собственной работы

В 1905 году Бюхи запатентовал радикальное решение: нагнетательное устройство, приводимое в действие не коленчатым валом двигателя, а его собственными выхлопными газами. Это был первый в мире турбокомпрессор.

Как работает турбокомпрессор

Концепция турбонаддува элегантно проста. Вот основной принцип, шаг за шагом:

1. Горячие выхлопные газы выходят из двигателя и поступают в корпус турбины
2. Эти газы раскручивают крыльчатку — ротор турбины — подобно тому, как ветер вращает ветряную мельницу, но на огромных скоростях
3. Ротор турбины установлен на том же валу, что и колесо компрессора
4. Когда турбина вращается, она приводит в действие компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры
5. Больше воздуха в цилиндрах означает возможность сжечь больше топлива — что приводит к увеличению мощности

Само слово «турбокомпрессор» происходит от латинских корней turbo (вихрь) и compressio (сжатие) — точное описание того, что происходит внутри.

Роль интеркулера

Есть ещё один элемент головоломки. Когда воздух проходит через компрессор и нагревается от горячих компонентов турбокомпрессора, он расширяется — а значит, в том же объёме помещается меньше кислорода. Для противодействия этому турбированные двигатели используют интеркулер: радиатор, установленный на пути воздуха между компрессором и цилиндрами двигателя.

Задача интеркулера проста, но критически важна:

• Он охлаждает сжатый воздух перед его поступлением в цилиндры
• Более холодный воздух плотнее, то есть в том же объёме помещается больше молекул кислорода
• Это позволяет повысить давление наддува — и получить ещё больший прирост мощности
• Он также помогает предотвратить детонацию двигателя (преждевременное воспламенение), особенно в высокопроизводительных применениях

Ключевые преимущества турбонаддува перед атмосферным двигателем

Выигрыш в эффективности от турбонаддува весьма существенен. В отличие от механически приводимого нагнетателя — который потребляет мощность двигателя для своей работы — турбокомпрессор извлекает энергию из выхлопных газов, которые в противном случае были бы потеряны впустую. Принципиально важно, что турбина не замедляет эти газы в значительной мере; вместо этого она их охлаждает, рекуперируя энергию в процессе. Основные преимущества включают:

• Всего ~1,5% энергии двигателя потребляется турбокомпрессором для собственного обслуживания
• Более высокая мощность при меньшем рабочем объёме двигателя
• Снижение механических потерь благодаря более лёгкому и компактному двигателю
• Лучшая топливная экономичность по сравнению с атмосферным двигателем аналогичной мощности
• Более чистый выхлоп, что особенно актуально для современных дизельных двигателей

Звучит как идеальное решение — но турбонаддув столкнулся с серьёзными инженерными трудностями, которые задержали его широкое распространение на десятилетия.

Проблемы: экстремальный жар, скорость и турбояма

Турбокомпрессоры работают в жестоких условиях:

• Роторы турбин могут вращаться со скоростью до 200 000 об/мин
• Температура выхлопных газов может достигать 1000°C (1832°F)
• Компоненты должны сохранять структурную целостность и точные допуски при постоянном термическом и механическом воздействии

По этой причине турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны — и поначалу лишь в авиации, где инженерные инвестиции были оправданы. В 1950-х годах компания Caterpillar успешно адаптировала эту технологию для своих тракторов, а Cummins разработала первые турбодизельные двигатели для грузовиков. Турбированные легковые автомобили появились лишь в 1962 году, когда Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza были выпущены практически одновременно.

Помимо надёжности, существовала ещё одна проблема, характерная именно для автомобилей: турбояма. На малых оборотах двигателя объём выхлопных газов ограничен, поэтому турбина вращается медленно и компрессор едва создаёт давление. Двигатель может ощущаться вялым ниже 3000 об/мин, а затем внезапно обрести мощь выше 4000–5000 об/мин. Чем больше турбина, тем более выражена турбояма. Меньшие турбины снижают задержку, но жертвуют пиковой мощностью.

Современные решения: как инженеры победили турбояму

На протяжении десятилетий инженеры разработали несколько умных подходов к минимизации турбоямы при сохранении прироста мощности:

• Последовательный двойной турбонаддув: маленький турбокомпрессор с низкой инерцией работает на малых оборотах, а более крупный подключается на высоких. Использовался в легендарном Porsche 959, а сегодня встречается в турбодизелях BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen вместо малого турбокомпрессора используется нагнетатель с ременным приводом для ещё более быстрого отклика на низких оборотах.
• Турбокомпрессор с двухпоточной улиткой: единственная турбина с двумя раздельными выхлопными входами (улитками), каждый из которых питается от разной группы цилиндров. Это обеспечивает эффективное вращение турбины как на малых, так и на высоких оборотах, снижая турбояму без добавления второго турбоагрегата. Широко применяется в рядных шести- и четырёхцилиндровых двигателях.
• Параллельный двойной турбонаддув: два одинаковых турбокомпрессора, обслуживающих отдельные ряды цилиндров. Стандартное решение для двигателей V-образной конфигурации, где каждый ряд получает свой агрегат. Подразделение BMW M пошло дальше, применив перекрёстный выпускной коллектор на X5 M и X6 M, что позволяет компрессору с двухпоточной улиткой использовать газы из противоположных рядов цилиндров в разных фазах зажигания.
• Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (ТИГ): регулируемые лопатки внутри корпуса турбины изменяют путь потока выхлопных газов в зависимости от оборотов двигателя — эффективно придавая турбине нужный «размер» на каждых оборотах. Впервые применён на дизельных двигателях (где более низкие температуры выхлопа облегчали реализацию), а затем перенесён на бензиновые двигатели компанией Porsche в модели 911 Turbo.

Турбонаддув сегодня: от производительности к эффективности

То, что началось как авиационная инженерная задача, стало доминирующей технологией в современных автомобильных силовых агрегатах. Сегодня турбонаддув — это уже не только о производительности: он является ключевым элементом норм топливной экономичности и ограничений на выброс вредных веществ. Практически каждый дизельный двигатель на рынке несёт приставку «турбо» как нечто само собой разумеющееся. А в мире бензиновых двигателей турбированные малолитражные моторы в значительной мере вытеснили более крупные атмосферные агрегаты во всех сегментах — массовом, премиальном и спортивном.

Скромный маленький значок на задней части внешне обычного автомобиля рассказывает историю, охватывающую более века — от патента Бюхи 1905 года до систем с двухпоточной улиткой и изменяемой геометрией наших дней. И эта история ещё не завершена.

Это перевод. Оригинал можно прочитать здесь: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html