Когда речь идет о возможных вариантах увеличения мощностных характеристик двигателя, невозможно обойти стороной турбонаддув. На сегодняшний день это самый распространенный путь повышения КПД мотора при одновременном снижении потребления топлива. Благодаря увеличению количества подаваемого в цилиндры воздуха за единицу времени достигается желаемый эффект. В последнее время более 50% всех производимых автомобилей оснащаются разнообразными системами турбонаддува. Теория гласит: «мощность двигателя прямо пропорциональна количеству сжигаемого топлива за один рабочий цикл». Соответственно, чем больше топлива сжигается, тем более высокую мощность получаем! Если вспомнить картину приготовления рабочей смеси, то она варьируется от 1:13 до 1:16 частей (топливо к воздуху). Подать в цилиндры больше топлива гораздо проще, чем подать в них большее количество воздуха в атмосферный двигатель. Тут-то и приходит на помощь турбонаддув.
Нагнетание воздуха в цилиндры может происходить несколькими способами: с помощью механического нагнетателя (компрессора) или посредством турбины, приводящейся в действие благодаря энергии отработавших газов. В турбокомпрессорах применяют центробежные насосы и в целом они получили большую популярность в отличие от механических нагнетателей. Благодаря вращению крыльчатки образуются центробежные силы, которые отбрасывают воздух к основанию колеса, а в центре происходит разрежение, что приводит к всасыванию воздуха. Следовательно, чем выше частота вращения крыльчатки турбины, тем большее количество воздуха она способна подать в цилиндры.
В противовес двигателям больших объемов с низкой эффективностью, конструкторы ломали головы не один десяток лет, чтобы придумать как увеличить объем подаваемого воздуха в двигатель. Инженеров не устраивали прожорливые, габаритные моторы, потребляющие слишком много топлива. Первым в этом вопросе преуспел Вильгельм Даймлер (да-да, это его фамилия упоминается в названии гиганта автоиндустрии «Даймлер»). Этот человек предложил элементарную конструкцию компрессора, закачивающего дополнительную массу воздуха вентилятором. Механизм приводился в действие коленвалом двигателя. Немного позже, в 1905 году, швейцарский изобретатель Альфред Бюхи смог запатентовать устройство нагнетания, которое приводилось в действие от выхлопных газов. Нынче механизм именуется турбонаддув.
По аналогии с ветром в поле, который вращает крылья ветряка, отработавшие газы вращают колесо с множеством лопастей. Это колесико очень маленькое, оно посажено на одну ось с колесом компрессора и именуется ротором. С одной стороны находится часть механизма, приводящаяся в работу движением выхлопных газов, а с другой – компрессор, который нагнетает дополнительный воздух в ДВС. Через выпускной коллектор отработанные газы «встречает» корпус турбины (т.н. горячая улитка). Давление и энергия выхлопных газов вращают горячую крыльчатку турбины, которая преобразует вращение на колесо компрессора (холодная крыльчатка).
Охлаждение потока воздуха
Благодаря вращению колеса компрессора воздух из атмосферы всасывается через воздушный фильтр. В холодной части турбокомпрессора воздушный поток сжимается и попадает во впускной коллектор. Из-за того, что на выходе из компрессора воздух дополнительно нагревается, теряя свою плотность, на большинстве двигателей применяют так называемое промежуточное охлаждение воздуха или интеркулер. Механизм турбонаддува, оснащенный интеркулером эффективно борется с извлечением тепла воздушного потока, нагревающегося в компрессоре при нагнетании. Нагретый компрессором воздух, проходя через интеркулер отдает тепло окружающей среде и охлаждаясь, воздух становится плотнее, соответственно большее количество попадает в цилиндры. Основные критерии, при разработке интеркулера – высокий отвод тепла при минимальных потерях давления наддува и увеличение инерционных свойств потока проходящего через него воздуха. Наиболее популярный тип интеркулера «воздух-воздух» состоит из патрубков интеркулера и его пластинчатого радиатора. Турбонаддув с таким радиатором встречается на всех спортивных автомобилях, выпускаемых последние 10-15 лет. Промежуточный охладитель можно увидеть в разных местах, но чаще всего его устанавливают возле основного радиатора или горизонтально над двигателем (спортивные модели Subaru).
Далее работает схема «выше обороты мотора – больше выхлопных газов – больше воздуха»… Но здесь нужен разумный максимум: чем производительнее турбина, чем больше она способна «вдуть» воздуха в цилиндры, тем большее количество выхлопных газов нужно задействовать для входа её на рабочий режим оборотов (часто обороты крыльчатки превышают 250 – 300 тыс./мин). В отличие от механического компрессора, на свою работу турбокомпрессор затрачивает не более 2% энергии мотора. Потому что ротор турбины преобразует энергию выхлопных газов за счет их охлаждения на пути к цилиндрам, но не за счет их замедления.
Турбонаддув позволяет получать большую мощность с меньшего объема. Плюсы очевидны – меньше трения, меньший вес узлов и автомобиля, большая экономичность.
В зависимости от поставленных задач на автомобиле могут применяться разные варианты системы турбонаддува:
- турбина с изменяемой геометрией
- система параллельного или последовательного наддува
- комбинированная система наддува
