Історія турбонаддуву: як турбіни змінили автомобільний світ

Ви, мабуть, не раз помічали скромний напис «turbo» на цілком звичайному автомобілі. Виробники зазвичай розміщують такі емблеми непомітно — невеликого розміру, в малопомітних місцях. Тому ненавчене oko легко проходить повз. Але для тих, хто розуміється на автомобілях, це знак, при якому варто зупинитися. То що ж за ним стоїть? Ось повна історія турбонаддуву — звідки він узявся, як працює і чому це важливо.

Чому інженери прагнули отримати більше потужності від того самого двигуна

З перших днів автомобільної інженерії конструктори були одержимі одним питанням: як отримати більше потужності від двигуна? Закони фізики дають чітку відповідь — потужність двигуна прямо пропорційна кількості палива, спаленого в кожному робочому циклі. Більше спаленого палива — більше потужності. Досить просто в теорії. Але на практиці все значно складніше.

Ключове обмеження — кисень. Паливо не горить саме по собі — воно горить у складі паливо-повітряної суміші. І ця суміш має бути збалансована точно, а не «на oko». Для бензинового двигуна ідеальне співвідношення становить приблизно:

• 1 частина палива до 14–15 частин повітря, залежно від режиму роботи, складу палива та інших змінних

Це означає, що для спалення більшої кількості палива необхідно також подавати значно більше повітря. Звичайні атмосферні двигуни всмоктують повітря завдяки різниці тиску між циліндром і атмосферою. Це створює жорстке обмеження: що більший об’єм циліндра, то більше кисню потрапляє в нього за цикл. Американські виробники середини XX століття довели цей принцип до крайності, випускаючи двигуни великого об’єму з колосальним споживанням палива. Але чи існував розумніший спосіб подати більше повітря в той самий об’єм циліндра?

Винахід нагнітача: прорив Готліба Даймлера

Відповідь прийшла від добре відомого імені — Готліба Вільгельма Даймлера, того самого німецького інженера, що стоїть за спадщиною DaimlerChrysler. У 1885 році Даймлер розробив метод примусового подання більшої кількості повітря в циліндри двигуна за допомогою механічного нагнітача — по суті, компресора (вентилятора), що приводиться безпосередньо від колінчастого вала двигуна і нагнітає стиснуте повітря в циліндри.

Це спрацювало. Але метод мав один суттєвий недолік: компресор відбирав енергію безпосередньо від двигуна для власної роботи. Інженери розуміли, що має існувати кращий спосіб.

Альфред Бюхі та народження турбокомпресора (1905)

Тут на сцену виходить Альфред Й. Бюхі — швейцарський інженер і винахідник, який працював у компанії Sulzer Brothers, де очолював розробку дизельних двигунів. Бюхі стикнувся з двома проблемами:

• Дизельні двигуни того часу були великими, важкими та малопотужними
• Механічні нагнітачі відбирали у двигуна енергію, необхідну для його власної роботи

У 1905 році Бюхі запатентував революційне рішення: пристрій наддуву, що приводиться не від колінчастого вала двигуна, а власними вихлопними газами. Це був перший у світі турбокомпресор.

Як працює турбокомпресор

Принцип турбонаддуву елегантно простий. Ось основна схема роботи, крок за кроком:

1. Гарячі вихлопні гази виходять із двигуна і потрапляють у корпус турбіни
2. Ці гази розкручують лопатеве колесо — ротор турбіни — подібно до того, як вітер обертає вітряк, але з надзвичайно великою швидкістю
3. Ротор турбіни закріплений на одному валу з колесом компресора
4. Обертаючись, турбіна приводить у дію компресор, який нагнітає стиснуте повітря в циліндри
5. Більше повітря в циліндрах дозволяє спалити більше палива — що забезпечує більшу потужність

Саме слово «турбокомпресор» походить від латинських коренів turbo (вихор) і compressio (стиснення) — влучний опис того, що відбувається всередині.

Роль проміжного охолодника

Є ще один важливий елемент. Коли повітря проходить через компресор і нагрівається від гарячих компонентів турбокомпресора, воно розширюється — а отже, в тому самому об’ємі вміщується менше кисню. Щоб компенсувати це, турбодвигуни використовують проміжний охолодник (інтеркулер): радіатор, розміщений у тракті повітря між компресором і циліндрами двигуна.

Завдання проміжного охолодника просте, але вкрай важливе:

• Він охолоджує стиснуте повітря перед його надходженням у циліндри
• Холодніше повітря є щільнішим, тобто в тому самому об’ємі вміщується більше молекул кисню
• Це дозволяє підвищити тиск наддуву — і отримати ще більший приріст потужності
• Він також допомагає уникнути детонації двигуна (передчасного займання), особливо у високопродуктивних застосуваннях

Ключові переваги турбонаддуву порівняно з атмосферним двигуном

Ефективність турбонаддуву вражає. На відміну від механічного нагнітача — який споживає потужність двигуна для своєї роботи — турбокомпресор вилучає енергію з вихлопних газів, які інакше були б витрачені даремно. При цьому турбіна не гальмує ці гази відчутно, а охолоджує їх, повертаючи енергію в систему. Основні переваги включають:

• Лише ~1,5% енергії двигуна витрачається на обслуговування самого турбокомпресора
• Вища потужність при меншому робочому об’ємі двигуна
• Зменшені втрати на тертя завдяки легшому та компактнішому двигуну
• Краща паливна економічність порівняно з атмосферним двигуном еквівалентної потужності
• Чистіші вихлопні гази, особливо актуально для сучасних дизельних двигунів

Здається, ідеальне рішення — але турбонаддув мав серйозні інженерні проблеми, що затримали його широке поширення на десятиліття.

Виклики: екстремальне тепло, швидкість та турбояма

Турбокомпресори працюють у надзвичайно жорстких умовах:

• Ротори турбін можуть обертатися зі швидкістю до 200 000 об/хв
• Температура вихлопних газів може сягати 1 000°C (1 832°F)
• Компоненти повинні зберігати структурну цілісність і точні допуски при постійних термічних і механічних навантаженнях

Саме тому турбонаддув набув широкого застосування лише під час Другої світової війни — і спочатку виключно в авіації, де інженерні витрати були виправдані. У 1950-х роках компанія Caterpillar успішно адаптувала цю технологію для своїх тракторів, тоді як Cummins розробила перші турбодизельні двигуни для вантажівок. Турбовані легкові автомобілі з’явилися лише у 1962 році, коли майже одночасно вийшли Oldsmobile Jetfire та Chevrolet Corvair Monza.

Окрім надійності, існувала ще одна проблема, характерна саме для легкових автомобілів: турбояма. На низьких обертах двигуна обсяг вихлопних газів обмежений, тому турбіна обертається повільно, а компресор ледве набирає тиск. Двигун може відчуватись мляво нижче 3 000 об/хв, а потім раптово видати потужний поштовх вище 4 000–5 000 об/хв. Що більший розмір турбіни, то більш виражена турбояма. Менші турбіни зменшують турбояму, але жертвують піковою потужністю.

Сучасні рішення: як інженери подолали турбояму

Протягом десятиліть інженери розробили кілька розумних підходів для мінімізації турбоями зі збереженням приросту потужності:

• Послідовний двотурбінний наддув: мала турбіна з низькою інерцією обслуговує низькі оберти, тоді як велика вмикається на високих обертах. Застосовувалась у легендарному Porsche 959, сьогодні зустрічається в турбодизелях BMW та Land Rover. У бензинових двигунах Volkswagen замість малої турбіни використовується нагнітач із ремінним приводом для ще більш стрімкої реакції на низах.
• Двопотокова турбіна (twin-scroll): одна турбіна з двома окремими вхідними каналами (спіралями), кожен з яких живиться від різної групи циліндрів. Це забезпечує ефективне обертання турбіни як на низьких, так і на високих обертах, зменшуючи турбояму без додавання другої турбіни. Поширена на рядних шестициліндрових і чотирициліндрових двигунах.
• Паралельний двотурбінний наддув: два однакові турбокомпресори, що обслуговують окремі ряди циліндрів. Стандарт для двигунів V-подібної конфігурації, де кожен ряд отримує свою турбіну. Підрозділ BMW M пішов далі, застосувавши перехресний випускний колектор на X5 M та X6 M, що дозволяє двопотоковому компресору отримувати гази від протилежних рядів циліндрів у протилежних фазах запалення.
• Турбіна зі змінною геометрією (VGT): регульовані лопатки всередині корпусу турбіни змінюють траєкторію потоку вихлопних газів залежно від обертів двигуна — фактично надаючи турбіні потрібний «розмір» на кожних обертах. Спочатку впроваджена на дизельних двигунах (де нижчі температури вихлопних газів спрощували реалізацію), а згодом перенесена на бензинові двигуни компанією Porsche у моделі 911 Turbo.

Турбонаддув сьогодні: від продуктивності до ефективності

Те, що починалося як авіаційна інженерна задача, стало домінуючою технологією в сучасних автомобільних силових агрегатах. Сьогодні турбонаддув — це вже не просто про продуктивність, а й про паливну економічність і норми викидів. Майже кожен дизельний двигун на ринку має префікс «турбо» як щось само собою зрозуміле. А у світі бензинових двигунів турбовані агрегати малого об’єму значною мірою витіснили великі атмосферні двигуни в масових, преміальних і спортивних сегментах.

Скромний маленький напис на задній частині цілком звичайного автомобіля розповідає історію, що охоплює понад сторіччя — від патенту Бюхі 1905 року до двопотокових систем зі змінною геометрією сьогодні. І ця історія ще не завершена.

Це переклад. Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html