Как это работает: турбокомпрессор

Такая «улитка» способна превратить тихоходные малолитражки и не только в настоящие «зажигалки». Но обо всем по порядку.

Начнем с самых основ. Многие, наверное, в детстве пробовали зажженную спичку накрыть стаканчиком, в результате чего она не догорев до конца затухала. Все дело в том, что так уж устроены законы физики и без кислорода ничего у нас гореть не будет. Поэтому, неслучайно на планете Земля дышат не только флора и фауна, но и автомобили, поскольку без воздуха топливо в цилиндрах двигателя попросту не воспламенится.

По сути, в цилиндрах сжигается не просто бензин или дизель, а топливно-воздушная смесь. Поэтому, неслучайно объем цилиндров рассчитываются инженерами вплоть до миллиметра.

Вот и получается, что для того, чтобы увеличить мощность моторов, нужно предусмотреть возможность большей подачи не только топлива, но также и воздуха. Конечно, можно не ломать себе голову, ведь и обычные атмосферные безнаддувные двигатели вполне справляются с этой задачей. Нужно лишь увеличить объем цилиндра и из-за разницы давлений в цилиндрах и атмосфере воздух будет засасываться самостоятельно, при этом в совершенно прямой зависимости — чем больше объем «горшка», тем больше в него поместится топлива и кислорода. Таким образом табун лошадей под капотом вырастет, хотя и обладать эти «жеребцы» будут аппетитом африканских слонов.

Тем не менее проблема расхода топлива первопроходцев автомобилестроения волновала несильно. Озабочены они были исключительно повышением отдачи силовых агрегатов и улучшением динамических показателей. Поэтому и создавался турбонаддув исходя из этих «меркантильных» соображений. Лишь почти век спустя компрессоры догадаются использовать и для снижения потребления топлива, и для уменьшения выбросов вредных веществ.

Идея дополнительной закачки кислорода возникла более ста лет тому назад. Еще в 1885 году немец Готтлиб Даймлер догадался подавать больше воздуха в цилиндры с помощью специального нагнетателя. Правда, задумка оказалась сыроватой, ведь приводился компрессор в движение непосредственно от вала двигателя, часть крутящего момента которого таким образом расходовалась не по назначению. Интересно, что до середины 2000-х механические нагнетатели активно использовались «Мерседесом» на некоторых бензиновых моделях, но потом компания от них отказалась и сейчас включилась в гонку наддувных «вооружений» вслед за Audi и BMW.

Изобретателем же турбокомпрессора в его классическом понимании стал швейцарец Альфред Суши, который в 1905 году получил патент на гениальный, как оказалось впоследствии, механизм. Вместо того, чтобы лишний раз расходовать энергию мотора для раскрутки нагнетателя, он придумал использовать энергию выхлопных газов! В автомобилях идея последовательно расположенных компрессора, двигателя и турбины сперва своей реализации не нашла и вплоть до 1970-х годов проходила «обкатку» в основном на самолетах и кораблях. Что теряли все это время машины? Показательным, пожалуй, будет пример немецкого дизельного судна Danzig, на котором установленный в 1923 году турбонаддув поднял мощность десятицилиндрового мотора с 1 750 до 2 500 л.с.

Вот так в упрощенном варианте выглядит устройство турбокомпрессора (от латинских слов turbo — «вихрь» и compressio — «сжатие»). Благодаря расположенным на колесе турбины лопастям выхлопные газы приводят его в движение, а уже затем турбина раскручивает компрессор, нагнетающий сжатый воздух в цилиндры. Такой вот замкнутый и, что примечательно, отнюдь не безнадежный круг.

На сегодняшний день турбонаддув уже доказал, что он является одной из наиболее эффективных технологий, позволяющих на процентов 30-40 поднять мощность мотора, не требуя при этом увеличения частоты вращения коленчатого вала или объема цилиндров. Кроме этого, благодаря тому, что сжатый воздух обеспечивает более эффективное сгорание топлива, компрессоры также позволяют существенно уменьшить расход и выбросы вредных веществ. Последние факторы, как известно, являются чуть ли не краеугольными в Европе. Вот почему турбонаддув так популярен в первую очередь у европейских производителей, которые, собственно, и довели технологию до ума.

Серийные турбопервенцы: бензиновые Porsche 911 Turbo (1975), Saab 99 Turbo (1977) и дизельные Mercedes-Benz 300 SD (1978) и Volkswagen Golf GTD (1981).

Тем не менее есть у турбированных двигателей, конечно, и свои проблемы, с которыми приходится сталкиваться как производителям, так и автомобилистам. Сюда стоит отнести и пресловутую «турбояму», и необходимость охлаждения сжатого компрессором воздуха, и собственно ресурс самого двигателя с турбокомпрессором.

Посудите сами, раскаленные выхлопные газы могут достигать температуры в 1 000 градусов по Цельсию, а скорость вращения турбины может доходить до трех сотен тысяч оборотов в минуту. Сделать надежные механизмы для таких непростых условий — задачка сложная и недешевая.

«Осторожно — горячо»! Пожалуй, не зря турбонаддув прячут под капотом. «Турбояма» же в основном свойственна автомобилям с одним компрессором. Этим термином обозначают задержку увеличения оборотов двигателя после резкого нажатия на педаль газа. Все дело в том, что пока компрессор ждет усиленной подачи от турбины, последняя лишь поджидает более мощного напора от выхлопа. Казалось бы, секунды, мелочь, но обратная связь между водителем и машиной уже потеряна.

На большинство проблемных вопросов ответы уже найдены. Закачиваемых воздух, например, предварительно охлаждают интеркулером. С «турбоямами» борются с помощью установки нескольких турбокомпрессоров или сочетания механического нагнетателя и турбины. К первому решению очень пристрастна BMW (Twin-Turbo), которая устанавливает на свои модели и по два, и по три турбонаддува. Второй вариант (моторы TSI) с помощью целой плеяды подконтрольных марок продвигает в массы Volkswagen.

На малых оборотах для более эффективной отдачи 140-сильный двигатель VW 1.4 TSI использует нагнетатель, а на больших оборотах, когда усиливается поток отработанных газов, — турбокомпрессор. Благодаря этому под педалью у водителя всегда есть запас тяги, пиковые 250 Нм которой доступны в диапазоне 1 500-3 500 об/мин.

В мире дизельных двигателей отзывчивость и тяговитость на всем диапазоне оборотов все чаще улучшают с помощью турбин с изменяемой геометрией. Их конструкция сложнее, поскольку в них давление выхлопных газов на крыльчатку корректируется специальными подвижными направляющими, но и результат они выдают во много раз превосходящий достижения обычных турбин.

Видеоролик, демонстрирующий работу турбины с изменяемой геометрией на дизельных моторах Audi:

Но самое главное, что потенциал турбонаддува в легковых автомобилях до сих пор не исчерпан. Ведь благодаря ему в мир моторостроения просочилось такое понятие как «даунсайзинг», означающее уменьшение объема двигателей и количества цилиндров. На передовой тут Ford и его семейство бензиновых силовых установок EcoBoost. Трехцилиндровый моторчик объемом всего 998 кубических сантиметров уже устанавливается и на Ford Fiesta, и на Focus, а в скором времени появится и под капотом Mondeo.

Самая мощная модификация двигателя с чугунным блоком цилиндров, непосредственным впрыском и малоинерционной турбиной (частота вращения не превышает 250 000 оборотов в минуту) выдает 125 л.с. и 170 Нм крутящего момента, который доступен в диапазоне 1 500-4 000 об/мин! Поэтому, какие «букашки» будут возить нас через десять-двадцать лет — одним лишь фантастам известно.

Этот маленький «фокусник» в паре с ручной коробкой разгоняет Focus в кузове хетчбэк до ста километров в час за 11,3 секунды. Заявленный расход на сто километров пробега в городском цикле составляет 6,3 литра, а на трассе — 4,4 литра. Существует и менее мощная модификация литрового «Экобуста» на 100 л.с. (при 6 000 об/мин) и все те же 170 Нм (на 1 500-4 000 об/мин). Динамические показатели у него скромней, зато и аппетит умеренней. Согласно паспортным данным, в городе мотор готов потреблять 5,9 литра бензина, а за его пределами — 4,1. Уж не дизель ли это?

Шведы из Scania пошли еще дальше и заставили турбину раскручивать... коленчатый вал дизельного мотора! Представленный в 1991 году шестицилиндровый двигатель DTC11 объемом одиннадцать литров в дополнение к традиционному турбокомпрессору получил еще одну турбину. Она-то и передавала с помощью хитрой системы шестерен и гидромуфты дополнительный крутящий момент на вал мотора. Тем не менее 400-сильный мотор оказался весьма прожорлив и выпустив всего 1 500 грузовиков с такими силовыми установками шведы на время отказались от этой затеи. Вернулась Scania к ней лишь в начале двухтысячных.

Второй попыткой стал агрегат DT 12 02, который развивал на 50 л.с. больше аналогичного 12-литрового 420-сильного агрегата без дополнительной «тяговой» турбины. В нем упорство шведов наконец-то одержало победу над недостатками предшественника. Перспективы такого «турбокомпаунда» (англ. compaund — сложный, составной) в легковушках из-за компактных размеров их моторных отсеков пока весьма туманны. Но, как говорится, поживем — увидим. Ведь не побоялся же Альфред Суши в далеком 1905 году использовать во благо автомобильного человечества выхлопные газы, от которых все только воротили носом.