Турбонаддув: история и сегодняшний день.

В последние годы лавинообразно растет количество «легковых» бензиновых двигателей, оснащенных турбонаддувом. Дошло до того, что привычные атмосферные моторы остаются в меньшинстве и устанавливаются на самые простые и доступные модели. 

Реакция автомобилистов на повсеместное внедрение турбонаддува, мягко говоря, неоднозначная – такие моторы обвиняют в сложности, низкой ремонтопригодности и, главное, в ограниченном ресурсе. Надо сказать, что автопроизводители «постарались» создать турбодвигателям не самый лучший имидж – ранние модели таких моторов частенько выходили из строя еще в юности. На сегодня детские болезни движков в основном вылечили, но осадочек, как говорится, остался. И никуда нам от «бензинового» наддува не деться, нравится это кому-то или нет. Тем более на дизелях турбокомпрессор (ТК) давно стал нормой и никого это особо не пугает.

Прежде чем рассказать, как устроен сей «страшный» агрегат и зачем он нужен, сделаем небольшой исторический экскурс.

НЕМНОГО ИСТОРИИ

О том, чтобы «запихнуть» в цилиндры двигателя внутреннего сгорания побольше воздуха, инженеры задумывались с конца 19 века. Каких только удивительных конструкций компрессоров для этого не пытались использовать. Но они имели привод от вала двигателя и потребляли драгоценную мощность. В 1905 году швейцарский инженер Альфред Бюхи запатентовал прообраз современного турбокомпрессора, но до его реального применения оставалось еще около 20 лет.

Во время Первой мировой войны были попытки применять такой тип наддува в военной авиации, но не слишком удачные. Только в двадцатые годы появились реально работающие турбокомпрессоры – их устанавливали на тяжелые судовые дизели. Спустя еще несколько лет турбонаддув появился на наземном транспорте – им оснащались двигатели грузовиков Saurer.

Относительно широко турбокомпрессоры стали применяться на авиадвигателях во время Второй мировой войны. Но авиация вскоре перешла на турбореактивные моторы и ТК вновь ушел в тень, работая в основном на тяжелых дизелях.

Следующий раз на автомобили он пришел через спорт. Мучились с ним инженеры долго, но к концу шестидесятых – началу семидесятых годов прошлого столетия пришли первые победы в гонках и появились серийные легковые модели с турбонаддувом. Но массовым явлением ТК опять не стал, оставаясь прерогативой дорогих, часто спортивных, авто.

И вот – очередное пришествие, на этот раз массовое и, похоже, надолго. Зачем специалисты целый век мучились с капризным агрегатом? Почему он оказался столь привлекательным?

ЧУТЬ-ЧУТЬ ТЕОРИИ

Как повысить мощность двигателя внутреннего сгорания, не увеличивая его рабочий объем? Сжечь в цилиндрах больше топлива! Но оно правильно горит только в определенной пропорции с воздухом – богатая смесь будет сгорать не полностью, а если ее еще забогатить, просто перестанет воспламенятся. Значит нужно уплотнить смесь или воздух в цилиндрах, загнав их туда под давлением. Это можно сделать с помощью приводного компрессора, но он использует мощность двигателя. А если компрессор приводить не от вала, а от выхлопных газов? Прекрасная идея – использовать энергию выхлопа, которая в прямом смысле вылетает в трубу. Достаточно просто соединить турбину, которая раскручивается под действием выхлопных газов и компрессор единым валом. Что и сделали, для начала на бумаге. А вот с реализацией в металле все оказалось не так просто…

И МНОГО ПРОБЛЕМ

Начнем с того, что технологии более чем столетней давности не позволяли создать компактный турбокомпрессор. Отливать с высокой точностью колеса с лопатками сложной формы научились лет на пятьдесят позднее. Еще во время войны лопатки компрессоров немецких авиационных дизелей доводили до кондиции вручную, по шаблонам, с помощью шаберов.

Колеса компрессоров и турбин были относительно большими и тяжелыми и обладали большой инертностью: долго раскручивались при повышении режима работы двигателя. Турбояма проявляла себя во всей красе – даешь «газу» и ждешь, пока мотор подхватит. Поэтому первые серийные ТК ставили на тяжелые дизели: судовые, стационарные, железнодорожные. Там «мелкие» колеса не нужны, да и двигатели большую часть времени работают в установившемся режиме, а значит «турбояма» не будет особо заметна. 

Применение ТК на самолетах простимулировала война, да и сами компрессоры постепенно совершенствовались. Хотя эффект турбоямы оставался, но с ним мирились – запас мощности в бою важнее.

Автомобили, особенно легковые, техника не боевая, а мотор их значительную часть времени работает в переходных режимах – тут провалы и задержки недопустимы. Применение компактных турбокомпрессоров позволило минимизировать вредную задержку, но все свои возможности турбомотор реализовал на оборотах, близких к максимальным – не самый удобный вариант для повседневной езды. Поэтому ТК прижились на спортивных и гоночных автомобилях.

Позднее придумали использовать турбокомпрессор чрезмерной производительности, который эффективно работает уже на относительно низких оборотах двигателя. Чтобы не «передуть» на высоких оборотах, излишки давления сбрасывали через специальный клапан. Это уже конец прошлого – начало нынешнего века. А сегодня… 

В день сегодняшний вернемся чуть позднее. А пока посмотрим, что хотели получить от турбокомпрессора в разные времена.

ШАГ ЗА ШАГОМ

Идея, заложенная в ТК понятна: повысить характеристики двигателя, используя для этого дармовую энергию выхлопных газов. Первыми за эту тему ухватились авиаторы. Этажерки Первой мировой совершенствовались очень быстрыми темпами: росли скорость и высота полета. С последним и случилась проблема, которую пытались решить с помощью применения турбокомпрессора. Воздух на высоте разреженный и тогдашние малохольные движки теряли и без того невеликую мощность. Тут уж не увеличить хочется, а хотя бы сохранить, что было на земле. Но, не получилось.

В межвоенный период ТК стали применять для повышения мощности тяжелых дизельных моторов. В тепловоз или даже большой корабль более крупный двигатель просто так не запихнешь, а мощность увеличивать нужно. Здесь ТК отработал «на ура» - на первых теплоходах мощность удалось поднять почти в полтора раза!

И вновь война, и вновь авиация. Самолеты забрались на такие высоты, где движки без наддува едва держали аэроплан в воздухе. А ведь нужно еще везти тонны бомб или вести маневренный бой. Чтобы обеспечить высотность двигателей стали широко применяться центробежные компрессоры, как с механическим, так и с турбоприводом.  Причем первые использовались чаще, их конструкция была более простой. ТК все еще оставались сложными и с точки зрения производства, и с точки зрения отработки рабочего процесса.

После войны, в пятидесятые годы начали устанавливать ТК на автомобили, прежде всего гоночные – очень хотелось инженерам снять с двигателя побольше мощности. История эта продолжалась почти до конца 20 века, а турбокомпрессоры оставались уделом спортивных моделей и… страдающих от недостатка мощности автомобильных дизелей, где они распространились несколько раньше, чем на бензиновых моторах.

 А ЧТО СЕГОДНЯ?

Хороший «пинок» внедрению ТК на бензиновых моторах дали гонка за экономичностью (ведь нефть скоро кончится!) и ужесточение экологических требований. Переход с относительного содержания вредных веществ в выхлопе к абсолютному, по сути, приговорил многолитровые моторы. А где мощность брать? Тут и технологии подоспели: многоклапанные головки, системы управления фазами, отработанные электронные системы управления двигателем, реализация хитрых вариантов впрыска топлива – все это стало обычным явлением на серийных моторах. Для полного счастья не хватало только небольшого наддува (кстати, современные ТК имеют не такую и высокую степень повышения давления), чтобы максимально эффективно сжигать относительно скромное количество топлива. Литровая мощность заметно подросла. И, что очень важно, двигатели стали выдавать высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов. А момент, как известно, напрямую связан с коэффициентом наполнения цилиндров. Попробуй добейся высоких показателей этого коэффициента без наддува. Да еще на низких оборотах.

Сами ТК тоже сильно изменились: они стали компактными, появились многозаходные улитки турбин, регулируемый направляющий аппарат, электронное управление. Теперь они качественно «наддувают» уже с малых оборотов. Что важно – шагнула вперед масляная индустрия. Ведь вал ТК вращается с огромной скоростью в гидродинамических подшипниках – практически «плавает» в масле. 

НЕ МОЩНОСТЬЮ ЕДИНОЙ

Интересная история получается. Долго и упорно турбонаддув с переменным успехом использовали прежде всего, для повышения мощности. А «нашел себя» он, как средство комплексного улучшения параметров двигателя. Кроме роста мощности наддув играет важную роль в обеспечении оптимальной характеристики крутящего момента, помогает экономить топливо и бороться за чистоту выхлопа.

Закончим тем, с чего начали: турбокомпрессор пришел всерьез и надолго, нравится вам это или нет. Скептиков пошлем посмотреть на моторы-миллионники магистральных грузовиков – там ТК трудится уже не одно десятилетие….