Все больше на нашем рынке автомобилей, моторы которых оснащены турбонаддувом. Вроде как европейцев и японцев меняют китайские производители, но и эти туда же — турбомоторы стали для китайцев нормой. Наши автомобилисты к таким инновациям относятся с опаской. Наддувные двигатели требуют профессионального обслуживания, качественного топлива и масла. Да и проблемы с некоторыми моделями ранних моторов с наддувом все хорошо помнят. Зачем нужен турбонаддув, насколько он усложняет жизнь автомобилисту и почему в последнее время это техническое решение стало настолько популярным? Давайте разберемся.
Экскурс в историю
Турбокомпрессор (ТК) изобретен и запатентован еще в начале прошлого века. Однако его применение на практике долго тормозили технологические проблемы — создать компактный, работоспособный ТК для легкового автомобиля оказалось задачей непростой. Первые агрегаты наддува использовались на тяжелых двигателях, прежде всего, судовых. Новинка заинтересовала авиаторов, в первую очередь военных. Ведь использование турбонаддува позволяло повысить мощность двигателя и его высотность без значительного увеличения веса. Но и тут массовыми турбокомпрессоры стали только во время второй мировой войны.
Если говорить о колесной технике, то на грузовиках ТК появился в конце тридцатых годов прошлого века. После войны турбонаддув стал все шире применяться в автомобильном спорте и, наконец, перекочевал на серийные легковые автомобили. Сначала на дорогие, спортивные модели, а потом, уже в конце двадцатого века пошел в массы.
Кстати, на автомобильных дизелях турбокомпрессоры стали широко применяться несколько раньше и сегодня найти дизельный мотор без приставки «турбо» практически невозможно.
Немного теории
Как увеличить мощность двигателя? Просто сжечь в его цилиндрах больше бензина. Но он «правильно» горит только в определенном соотношении с воздухом. Можно увеличить рабочий объем мотора, но вместе с ростом мощности возрастут его габариты и вес.
Другой вариант — в тот же объем «запихнуть» воздух под давлением. Габариты и вес почти не меняются, а мощность растет. Такие опыты проводили еще в конце девятнадцатого столетия, на заре развития двигателей внутреннего сгорания. Для наддува применяли компрессоры самых разных типов, порой довольно экзотические. Но все они имели механический привод от коленчатого вала, а значит потребляли драгоценную мощность. У турбокомпрессора здесь несомненное преимущество — он использует дармовую энергию выхлопных газов, буквально «вылетающих в трубу».
Широкое применение ТК долго сдерживалось некоторыми их неприятными особенностями. Чтобы ТК выдал необходимое давление, он должен набрать очень высокие обороты. А для этого нужно увеличить количество выхлопных газов. Получался эффект турбоямы: на резкое нажатие педали газа двигатель реагировал с заметной задержкой, необходимой для раскрутки ТК. Бороться с этим научились применяя переразмеренные турбокомпрессоры с излишней производительностью. Они быстрее выдавали нужное давление, а его «излишки», через специальный клапан сбрасывались в атмосферу.
Но настоящий бум применения турбонаддува на бензиновых моторах пришел не на волне погони за мощностью, а в борьбе за экономию топлива и экологическую чистоту. Тут, очень кстати, и электронные системы управления двигателем достигли определенного уровня развития. Теперь именно они управляют работой агрегата наддува.
Как он устроен
На два конца одного вала насажены две крыльчатки: с одной стороны колесо компрессора, с другой — турбины. Вал вращается с огромной скоростью — несколько десятков тысяч оборотов в минуту в специальных подшипниках скольжения — отсюда высокие требования к качеству моторного масла, которое под давлением подается в эти самые подшипники. В корпусе ТК сделаны магистрали для выхлопных газов и воздуха. Турбины обычно используются центростремительные: газы подаются на колесо по внешнему радиусу через так называемую «улитку», а выходят через центр колеса. Компрессоры, напротив, применяются центробежные: забор воздуха идет по оси, а выброс сжатого — в улитку. На современных ТК применяется регулируемый направляющий аппарат, который оптимизирует поток газов на входе в турбину. Все, вроде бы просто, но…
Профиль лопаток и турбины, и компрессора должен быть правильно рассчитан. Это научились делать довольно давно, а вот изготовление колес с тонкими лопатками сложной формы было проблемой. Лопатки ранних ТК доводили вручную, по шаблонам, с помощью шаберов. Это вам не современное точное литье. Не стоит забывать, что турбина работает при очень высоких температурах — не всякий материал можно использовать. Вал в сборе с колесами требует точнейшей балансировки. Сколь либо заметный дисбаланс на высоких оборотах быстро приведет к разрушению агрегата.
Не так страшен черт
Современный, высокотехнологичный, управляемый электронными мозгами турбокомпрессор — вещь очень полезная. Он обеспечивает высокую отдачу малолитражных моторов: удельная мощность бензиновых турбодвигателей давно и уверенно перешагнула отметку в сто сил с литра рабочего объема. ТК борется за снижение расхода топлива. Давно известно, что удельный расход у моторов с наддувом ниже, чем у атмосферников. Значит потреблять бензина двигатель, оснащенный ТК будет меньше, чем безнаддувный мотор той же мощности. Регулируемый турбокомпрессор вносит свою немалую лепту в оптимизацию рабочего процесса в цилиндрах двигателя, снижая выбросы вредных веществ.
Наконец, именно ТК позволяет сделать даже малолитражный моторчик столь тяговитым и удобным. Где это видано, чтобы моментная характеристика мотора напоминала стол. Такой двигатель тянет снизу доверху и в этом основная заслуга именно ТК. Дело в том, что на крутящий момент влияет качество наполнения цилиндров — есть такая эмпирическая зависимость. Древние моторы с примитивной системой газораспределения хорошо тянули на низких оборотах — дальше им не хватало воздуха. Появившиеся позднее двигатели с многоклапанными головками, напротив, любили высокие обороты — там они демонстрировали свои максимальные возможности. И только современный турбокомпрессор растянул максимум момента на добрые две трети рабочего диапазона оборотов.
Не любят турбомоторы за два свойства — высокую требовательность и низкую надежность. Первое совершенно справедливо: качественные ГСМ, профессиональное обслуживание и грамотная эксплуатация — обязательная программа для долгой жизни такого двигателя.
А вот винить в малом ресурсе всего мотора турбокомпрессор не стоит. Посмотрите на дизельные внедорожники, а еще лучше на тяжелые магистральные грузовики. Их моторы ходят сотни тысяч, а то и миллионы километров. С турбокомпрессором!
Дело, скорее, в изменении общего подхода к конструированию двигателей. В борьбе за экономию всего и вся и сохранение экологии, инженеры пускаются во все тяжкие: снижают потери в двигателе, максимально облегчают конструкцию. Развитие современных расчетных методов провоцирует создателей моторов оставлять минимальный запас, ходить по грани надежности. Да и подход к организации рабочего процесса стал более изощренным. А это штука не до конца изведанная, тут опыт нужен…
Похоже, что мотористы его потихоньку набирают. По граблям находились вдоволь и теперь стараются довести ресурс современных маленьких турбомоторчиков до приемлемых значений. Первая волна проблем схлынула, неудачные моторы хорошо известны и тщательно изучены ремонтниками, а новые или модернизированные модели ведут себя куда более пристойно. По-другому никак нельзя — нам с турбонаддувом долго жить вместе. Пока человечество повально не пересядет на электромобили, что сомнительно. Или что еще придумают…
