Цитата: Среди любителей автотюнинга и уличных гонщиков особой любовью пользуются автомобили, оснащенные турбонадувом. Эта любовь заслужена: при сравнительно небольшом объеме двигателя, турбированые автомобили имеют высокую мощность и огромный крутящий момент. А если любимый автомобиль оснащен простым “атмосферником”, тюнеры отдельно покупают турбо-киты и устанавливают их. Благо, турбонаддув можно установить на практически любой инжекторный автомобиль. В результате достигается значительный рост мощности. Ярким примером этого служат турбированные “восьмерки”, с 1.5-литровыми двигателями мощностью по 300-400 л.с., разгоном до 100 км/ч менее чем за 5 сек, и временем прохождения “квотера” в 12-13 сек. Кроме того, изменяя давление наддува можно менять мощность двигателя.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания не изменялся со времен его изобретения. Он постоянно совершенствовался, но принцип работы оставался тот же. К примеру, двигатель легендарного Ford-T имел рабочий объем 2.9 литра и развивал мощность 20 лошадиных сил. Сегодня с двигателя аналогичного производители получают в 10 раз больше мощности. Однако за столетие доработок стало понятно: достигнут максимум литровой мощности.
Тем временем огромный спрос на мощные автомобили заставлял производителей увеличивать рабочий объем двигателя. Ярким тому примером были американские muscle-car’ы. Их двигатели имели объемы по 4, 5, 6, и даже 7 литров и развивали большую мощность и крутящий момент. Однако у таких двигателей был один огромный недостаток: большой расход топлива. И если в период так называемого «золотого века», когда литр бензина стоил меньше банки кока-колы, а сами muscle-car’ы продавались практически за копейки (новый Ford Shelby Cobra GT350 в 1967 году стоил 4547$), то с ростом цен на топливо спрос на такие автомобили резко упал.
Европейские и японские автопроизводители не могли себе позволить такую роскошь, как многолитровые двигатели и стали искать альтернативный вариант. И такой вариант был найден.
Первыми использовать турбонадув на двигателях внутреннего сгорания придумали европейцы. Еще до Первой Мировой войны швейцарский инженер Альфред Бюхи устанавливал газотурбинные нагнетатели на авиационных двигателях. Применять турбонадув на серийных автомобилях начала немецкая компания BMW, выпустив в 1973 году модель BMW 2002 turbo. Учуяв выгодную технологию по стопам BMW пошли Porshe (911-я 1974 года) и Saab (Saab-99 1978 года). А вскоре – и весь мир.
Как известно, количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь. Соотношение топливо/воздух для эффективной работы двигателя составляет 1:14.7. При установке турбонадува увеличивается подача в цилиндры воздуха, и эквивалентно количеству нагнетенного воздуха увеличивается количество подаваемого топлива. Это позволяет сжигать в единицу времени большее количество топливно-воздушной смеси, за счет чего и происходит рост мощности и крутящего момента.
Турбонагнетатели по своей конструкции делятся на газотурбинные и центробежные . Однако в настоящее время первый тип встречается значительно чаще, чем второй.
Принцип действия газотурбинного компрессора достаточно прост . На выпускной коллектор крепится корпус турбины, внутри которой находится турбинное колесо, а с ним соосно крепится компрессорное колесо. Под действием потока выхлопных газов турбина раскручивается, момент с помощью вала передается на компрессорную крыльчатку, а та, засасывая воздух через воздушный фильтр, под давлением подает его в камеру сгорания, увеличивая наполнение цилиндров.
Таким образом, в один и тот же объем цилиндров мы закачиваем большее количество рабочей смеси. В обычном атмосферном двигателе сгорает лишь 25% от закачанного в цилиндр топлива из-за недостатка кислорода. Улучшая наполняемость воздухом, происходит пропорциональное увеличение сжигания бензиновой смеси, что приводит к росту КПД двигателя. Повышение мощности двигателя пропорционально давлению, создаваемому турбиной. Однако у такого типа турбонадува есть свои минусы.
Так как действующие на крыльчатку турбины выхлопные газы раскручивают ее до 150 – 200 тысяч оборотов в минуту очень сильно разогреваются подшипники, на которых она установлена. Они требуют обильной и качественной смазки и к тому же масло их охлаждает. Поэтому, после использования двигателя на повышенных оборотах перед тем, как его заглушить, следует дать ему поработать на холостых оборотах пару минут, чтобы масло охладило подшипники.
Одним из важнейших минусов газотурбинных нагнетателей является то, что эффективно работать они начинают где-то с 3000 оборотов в минуту. Это явление называется турбоямой. Например, если нужно резко ускориться с 1500 оборотов в минуту. При нажатии на педаль газа подхвата практически не происходит, но как только обороты достигают 3000 - происходит резкий подхват. Это происходит из-за того, что газотурбинный нагнетатель не способен развивать избыточное давление на пониженных оборотах двигателя.
При использовании турбонадува двигатель испытывает повышенные нагрузки. Поэтому на турбированых двигателях часто применяется поршневая группа из более прочных сплавов, позволяющая выдерживать повышенные нагрузки.
Поскольку турбина во время работы сильно разогревается, она разогревает и нагнетаемый воздух. Однако известно, что холодный воздух имеет большую плотность, значит в единицу времени холодного воздуха можно закачать в двигатель больше, чем горячего. Именно для охлаждения нагнетаемого турбиной воздуха и служит интеркуллер. Он представляет из себя воздухо-воздушный радиатор и устанавливается на пути от турбины к впускному коллектору. В интеркуллере, под действием набегающего во время движения воздуха, идущий из турбины воздух охлаждается с 70-90 градусов Цельсия практически до температуры окружающей среды.
Также минусом газотурбинного нагнетателя является слабая приспособленность к установке на карбюраторные двигатели. При возникновении избыточного давления воздуха топливно-воздушная смесь обедняется из-за недостаточного количества топлива. В инжекторных системах этой проблемы нет, так как система питания, заметив избыток воздуха, закачивает дополнительное количество топлива.
Такая система турбонадува имеет свои разновидности, среди которых системы Bi-Turbo, Twin-Turbo и VTG.
VTG (Variable Turbo Geometry). Турбонагнетатель с изменяемой геометрией. Его принцип заключается в изменении скорости и направления потока отработавших газов, проходящих через направляющие лопатки. В зависимости от режима работы, ЭБУ посредством электропривода поворачивает лопатки на определенный угол, тем самым изменяя скорость и количество поступающих на «горячую» крыльчатку газов. Данная система надува применяется довольно редко. Самый яркий пример ее установки – роторная Mazda RX7. Однако высокая стоимость и пониженная надежность не позволили этой технологии завоевать популярность. В значительной степени негативную роль сыграл тот факт, что при длительной работе в условии высокой температуры (порядка 1000 градусов по Цельсию) бензиновых двигателей нежный направляющий аппарат турбины терял подвижность. Поэтому эта технология применялась в основном на дизельных двигателях (Audi, BMW, Mercedes-Benz, Alfa Romeo), где температура отработавших газов составляет порядка 600 градусов по Цельсию.
Twin-Turbo. Данная схема подразумевает наличие двух разных по величине и производительности турбин. Выпускной коллектор мотора имеет два выходных отверстия, каждое для своей турбины. Между ними – клапан управления потоком выхлопных газов. При низких оборотах клапан направляет отработавшие газы на меньшую турбину, которая очень быстро раскручивается и создает избыточное давление на впуске практически с холостых оборотов. При достижении двигателем средних оборотов клапан перенаправляет отработавшие газы на вторую, большую, турбину, которая уже работает до отсечки. Такая система турбонадува устанавливалась на Nissan Skyline GT-R (двигатель RB26DETT), а концерн Volkswagen на своем моторе 1.4TSI вместо меньшей турбины использовал механический нагнетатель. Данный тип турбонадува позволяет практически полностью сгладить явление турбоямы и получить высокие показатели мощности и крутящего момента во всем диапазоне оборотов.
Bi-Turbo. Данная схема подразумевает наличие двух одинаковых турбин, каждая их которых наполняет воздухом свою часть цилиндров. Чаще всего такая схема надува применяется на V-образных двигателях, где каждая из турбин наполняет воздухом свой ряд цилиндров. Такая система не требует управляющего клапана и поэтому более надежна. Минусом такой схемы, как и обычного надува, является отсутствие избыточного давления на низких оборотах двигателя. Подобные установки широко применяются на серийных автомобилях, среди которых BMW 335 3.0 BiTurbo и Mercedes SL 65 AMG V12 BiTurbo.
Механический центробежный наддув. Его особенность заключается в том, что крыльчатка раскручивается не от выхлопных газов, а от коленчатого вала двигателя посредством ременной передачи. Такая конструкция сравнительно проста, надежна, следовательно – дешева. Первым использовать такой тип надува на серийных машинах начала компания Volkswagen в 1985 году. Так называемый G-образный нагнетатель использовался на модели Polo (двигатель G40, 1.3 литра 113 л.с.). Позже подобный нагнетатель ставили на модели Passat и Corrado (G60). Нагнетатель такого типа давал прирост КПД двигателя примерно в 65% и создавал избыточное давление уже с низких оборотов, что позволяло забыть о явлении турбоямы.
Каждый из этих типов наддува применяется сегодня на серийных автомобилях. Вот некоторые из них:
Mitsubishi Lancer Evolution X MR.
Двигатель: 2.0 литра (4B11), R4, бензиновый с распределенным впрыском, турбо. Мощность: 295 л.с. при 6500 об/мин. Максимальный крутящий момент: 366 Нм при 3500 об/мин. Максимальная скорость – 242 км/ч. Разгон 0 – 100 км/ч – 6.3 сек. Расход топлива в смешанном цикле – 11л/100км.
На Lancer Evo 10-го поколения, как и на его предшественнике, установлен 2-литровый бензиновый двигатель 4B11 с газотурбинной системой надува с интеркуллером. Благодаря турбонадуву с объема 2 литра инженерам Mitsubishi удалось «снять» почти триста лошадиных сил. Турбина начинает создавать избыточное давление уже при 2500 об/мин, обеспечивая пик крутящего момента при 3500 об/мин. Она установлена на выпускном коллекторе, а ее крыльчатка изготовлена из сплава INCONEL, устойчивого к высоким температурам. Благодаря применению этого материала надежность турбины значительно повышена. Однако, как и все газотурбинные нагнетатели, турбина Lancer Evo требует применения качественного масла и своевременной его замены. Также после длительной работы двигателя необходимо дать ему 2-3 минуты поработать на холостых оборотах, чтобы масло должным образом охладило нагнетатель. Если выполнять эти требования турбина способна отслужить довольно большой срок.
Audi RS6.
Двигатель: 5.0 литров, V10, бензиновый с непосредственным впрыском, Bi-Turbo. Мощность: 580 л.с. при 6250-6700 об/мин. Максимальный крутящий момент: 650 Нм при 1500-6250 об/мин. Максимальная скорость – ограничена электроникой на 250 км/ч. Разгон 0-100 км/ч – 4.5 сек. Расход топлива в смешанном цикле – 15л/100км.
Бизнес-седан Audi RS6 имеет V-образный 10-цилиндровый двигатель объемом 5 литров с системой двойного газотурбинного надува, реализованного по схеме Bi-Turbo. Каждый турбонагнетатель наполняет воздухом свой ряд цилиндров (по 5 цилиндров на каждую турбину). Нагнетатели имеют равные габариты и создают одинаковое давление для каждого ряда цилиндров. Благодаря использованию параллельно с турбонадувом системы непосредственного впрыска топлива максимальный крутящий момент доступен в широком диапазоне оборотов. Применение отдельного нагнетателя для каждого ряда цилиндров позволило достичь высоких мощностных показателей даже при небольшом давлении надува, что положительно сказалось на надежности и долговечности силового агрегата. Вопрос о качестве масла и своевременной его замене здесь, тем не менее, стоит так же остро, как и на других автомобилях с газотурбинными нагнетателями.
Toyota Mark 2, 2.5i, 24V Twin Turbo.
Двигатель: 2.5 литров (GX90), R6, бензиновый с распределенным впрыском, Twin-Turbo. Мощность: 280 л.с. при 6200 об/мин. Максимальный крутящий момент: 378 Нм при 2400 об/мин. Максимальная скорость – 230км/ч. Расход топлива в смешанном цикле – 8.5 л/100 км.
Toyota Mark 2 имеет 2.5-литровый рядный двигатель с системой газотурбинного надува, реализованного по схеме Twin-Turbo. Меньшая турбина начинает создавать избыточное давление с низких оборотов, а на средних и высоких подхватывает вторая, большая, турбина. Для согласования работы двух турбин используется клапан управления потоком выхлопных газов. Благодаря применению турбокомпессоров разной производительности двигатель отлично «тянет» с низу – пик крутящего момента приходится на 2400 об/мин, и с ростом оборотов не теряет динамики разгона. Также применение двух нагнетателей позволили 2.5-литровому двигателю добиться расхода в 8.5 литров в смешанном цикле. Реакция на нажатия газа как для турбомотора довольно резкая – в этом заслуга небольшой инертности меньшей турбины, позволяющей поддерживать давление на любых оборотах. Турбины требуют качественной смазки и своевременной ее замены.
Volkswagen Corrado G60.
Двигатель: 1.8 литров (G60), R4, бензиновый с распределенным впрыском и механическим нагнетателем. Мощность: 160 л.с. при 5600 об/мин. Максимальный крутящий момент: 225 Нм при 3800 об/мин. Максимальная скорость – 225 км/ч. Разгон о-100 км/ч – 8.3 сек. Расход топлива в смешанном цикле – 6.4 л/100км.
Vw Corrado с двигателем G60 объемом 1.8 литров оснащен механическим спиральным нагнетателем с приводом от коленвала. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта - весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается - избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Преимущества спирального нагнетателя, как и большинства компрессоров с механическим приводом является достаточно большой крутящий момент и повышенная мощность двигателя при низких оборотах, быстрая, практически мгновенная реакция на нажатие педали газа. Такой тип нагнетателя на прядок надежнее своих газотурбинных аналогов. Недостатками можно назвать относительная сложность и нетехнологичность конструкции, большие потери в приводе.
Сегодня турбированый автомобиль является символом мощности и динамики. И при правильном уходе «турбированые» автомобили по уровню надежности находятся на одной ступени с «атмосферными». Автопроизводители же не перестают совершенствовать системы надува, а значит турбированые автомобили будут оставаться «королями дорог».