Непременно, любой из нас хоть раз в жизни замечал на обыкновенном на вид автомобиле шильдик «turbo». Непосвящённый прохожий даже не увидит его и пройдёт мимо, а понимающий человек обязательно остановится и заинтересуется автомобилем.
Авто конструкторы с момента возникновения на свете этой профессии повсевременно озабочены неувязкой увеличения мощности моторов. Законы физики говорят: мощность мотора впрямую находится в зависимости от количества сжигаемого горючего за один рабочий цикл. Чем больше горючего мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам прирастить количество «лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают трудности.
Турбокомпрессор состоит из 2-ух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а 2-ая «качает» воздух в цилиндры.
Дело в том, что для горения горючего нужен кислород. Так что в цилиндрах сгорает не горючее, а топливно-воздушная смесь. Мешать горючее с воздухом необходимо не приблизительно, а в определённом соотношении. Например, для бензиновых агрегатов на одну часть горючего полагается 14–15 частей воздуха — зависимо от режима работы, состава горючего и иных причин.
Как мы лицезреем, воздуха требуется очень много. Если мы увеличим подачу горючего (это не неувязка), нам также придётся существенно прирастить и подачу воздуха. Обыденные движки засасывают его без помощи других из-за различия давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость выходит ровная — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали америкосы, выпуская большие движки с удивительным расходом горючего. А есть ли метод загнать в тот же объём больше воздуха?
Выхлопные газы из мотора крутят ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.
Есть, и в первый раз выдумал его государь Готтлиб Вильгельм Даймлер. Этот германец очень хорошо соображал в моторах и ещё в 1885 году выдумал, как загнать в их больше воздуха. Он додумался закачивать воздух в цилиндры при помощи нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение конкретно от вала мотора и загонял в цилиндры сжатый воздух.
Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи пошёл ещё далее. Он управлял разработкой дизельных движков в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большенными и тяжёлыми, а мощности развивали не достаточно. Отымать энергию у «движка», чтоб крутить приводной компрессор, ему также не хотелось. Потому в 1905 году государь Бюхи запатентовал 1-ое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он выдумал турбонаддув.
Мысль умного швейцарца ординарна, как всё превосходное. Как ветра крутят крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница исключительно в том, что колесо это очень малюсенькое, а лопаток сильно много. Колесо с лопатками именуется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно поделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и именуется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) либо турбонагнетатель.
В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, нередко приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать прохладный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем жаркий.
Воздух, проходящий через турбину, греется от сжатия, также от деталей турбонаддува, нагретого выхлопными газами. Подаваемый в движок воздух охлаждают с помощью так именуемого интеркулера (промежный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А прохладный воздух более плотный — означает, его можно загнать в цилиндр ещё больше.
Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем резвее она крутится и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сопоставлению, к примеру, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совершенно малость энергии мотора — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их остывания — после турбины выхлопные газы идут как и раньше стремительно, но более прохладные. Не считая того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия увеличивает КПД мотора. Ну и возможность снять с наименьшего рабочего объёма огромную мощность значит наименьшие утраты на трение, наименьший вес мотора (и машины в целом). Всё это делает авто с турбонаддувом более экономными в сопоставлении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. А нет, не всё так просто. Трудности только начались.
Во-1-х, скорость вращения турбины может достигать 200 тыщ об/мин, во-2-х, температура раскалённых газов добивается, только попытайтесь представить, 1000°C! Что всё это значит? То, что сделать турбонаддув, который сумеет выдержать такие неслабые нагрузки долгое время, очень недешево и тяжело.
По этим причинам турбонаддув получил обширное распространение только во время 2-ой мировой войны, ну и то исключительно в авиации. В 50-х годах южноамериканская компания Caterpillar смогла приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали 1-ые турбодизели для собственных грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позднее. Случилось это в 1962 году, когда практически сразу узрели свет Oldsmobile Jetfire и Шевроле Corvair Monza.
Но сложность и накладность конструкции — не единственные недочеты. Дело в том, что эффективность работы турбины очень находится в зависимости от оборотов мотора. На малых оборотах выхлопных газов малость, ротор раскрутился слабо, и компрессор практически не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Потому бывает, что до трёх тыщ об/мин мотор совершенно не тянет, и только позже, тыщ после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя именуется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она подольше будет раскручиваться. Потому моторы с очень высочайшей удельной мощностью и турбинами высочайшего давления, обычно, мучаются турбоямой сначала. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги практически нет, да и мощность они поднимают не очень очень.
Практически избавиться от турбоямы помогает схема с поочередным наддувом, когда на малых оборотах мотора работает маленький малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а 2-ой, побольше, врубается на больших оборотах с ростом давления на выпуске. В прошедшем веке поочередный наддув употреблялся на суперкаре Porsche 959, а сейчас по таковой схеме устроены, к примеру, турбодизели компаний Бмв и Land Rover. В бензиновых движках Фольксваген роль малеханького «заводилы» играет приводной нагнетатель.
На рядных движках часто употребляется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Любая из «улиток» заполняется выхлопными газами от различных групп цилиндров. Но при всем этом обе подают газы на одну турбину, отлично раскручивая её и на малых, и на огромных оборотах
Но почаще как и раньше встречается пара схожих турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Обычная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока собственный нагнетатель. Хотя движок V8 компании M GmbH, дебютировавший на автомобилях Бмв X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров различных блоков, работающих в противофазе.
Вынудить турбокомпрессор работать эффективнее во всём спектре оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. Зависимо от оборотов снутри «улитки» поворачиваются особые лопатки и варьируется форма сопла. В итоге выходит «супертурбина», отлично работающая во всём спектре оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но воплотить их удалось относительно не так давно. Причём поначалу турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных движках, благо, температура газов там существенно меньше. А из бензиновых автомобилей 1-ый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.
Конструкцию турбомоторов довели до разума уже издавна, а в ближайшее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось многообещающим не только лишь в смысле форсирования моторов, да и исходя из убеждений увеличения экономичности и чистоты выхлопа. В особенности животрепещуще это для дизельных движков. Редчайший дизель сейчас не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет перевоплотить обыденный на вид автомобиль в реальную «зажигалку». Ту, с небольшим, чуть приметным шильдиком «turbo».