Технологии нагнетения

К сегодняшнему моменту турбины и компрессоры настолько совершенны, что можно смело говорить об эре их максимальной эффективности. В данной статье мы рассказываем об эволюции нагнетателей и самых актуальных технологиях их производства.

Максимальное наполнение

Но путь к техническому совершенству нагнетателей был долог и труден. Интересно, что европейская школа двигателестроения не особенно стремилась к наддуву, это всегда было вотчиной японцев. Интересно, как все поменялось теперь.

Разумеется, европейские инженеры понимали, насколько интересен наддув в теории, но на практике получалось, что без него вроде как лучше.

Существовали и исключения: самое знаменитое – компания SAAB, в настоящее время прекратившая существование. У концерна за время работы накопился огромный опыт в области турбонаддува, что вылилось в то, что некоторые экземпляры Saab Aero отхаживали по 800 000 миль без капремонта на родной турбине.

Mercedes-Benz традиционно использовал компрессоры, но не турбины. Тут преимущества очевидны – нет турбоямы, привод от коленвала обеспечивает более плавное нарастание момента, что для премиального бренда важно. К тому же надежность компрессора куда выше. Из минусов – турбина съедает в разы меньше мощности двигателя, но для премиальных и очень мощных моторов такой эффект никогда не был критичным.

Были попытки использовать наддув и у BMW, и у группы VAG, однако тогда эти эксперименты успехом не увенчались.

Энергия газов

Сегодня компрессоры – это скорее экзотика, ведь они дороги и сложны в производстве. А турбины мало того что «не откусывают» сил у мотора, но и позволяют добиться высокой мощности и крутящего момента, а при грамотной конструкции даже сэкономить топливо! Судите сами, сколько бензина потребляют какой-нибудь олдскульный V8 объемом 6 литров и двухлитровый турбомотор с наддувом при схожей мощности.

Борьба с инерцией

Однако проблем с внедрением турбин в массы хватало уже в начале пути. Во-первых, присутствовала немалая инерционность. Дело в том, что турбины были чугунными, тяжелыми – они раскручивались не сразу.

Вторым минусом была высокая температура узла, которая возникала из-за очень высоких оборотов работы агрегата. При остановке двигателя в системе смазки пропадало давление, а турбина продолжала крутиться с огромной скоростью, уничтожая собственные подшипники и буквально выжигая оставшуюся смазку.

С последним научились бороться очень быстро – появилась конструкция под названием турботаймер, которая глушила мотор лишь тогда, когда турбина остывала. Так как ДВС работал на холостых оборотах, снижалась и скорость вращения турбины.

Как вылезти из турбоямы

С турбоямой, которая возникала из-за инерционности раскручивания турбины (при резком нажатии на газ), каждый производитель решал вопрос по-своему. Но самой успешной, по совокупности качеств, оказалась схема под названием Twin Turbo. Кто только ее не использовал, в том числе и такие автогиганты, как Toyota, Nissan и Mitsubishi.

Схема была довольно простой и понятной – вместо одной большой и тяжелой турбины, обладающей кроме производительности еще и приличной инерцией, использовались две небольших, подключенных последовательно, – турбояма уменьшалась, а мощность оставалась на должном уровне. Пока водитель не торопится, работала одна. А если надо показать свое преимущество на дороге, подключалась вторая. Именно такая конструкция использовалась на легендах – моторах RB26DETT и 7MGTE.

Схема Bi-Turbo (две турбины) обычно применялась на V-образных двигателях, когда каждой «половинке» мотора доставалась своя турбина небольшого размера.

Позже именно эта система получила наибольшее распространение, особенно когда материалы турбин и сам принцип их работы подверглись ревизии.

Поменять геометрию

Появление легкой турбины изменяемой производительности с применением композитных материалов открыло широчайшие возможности для всех желающих.

Новой турбине не нужен был байпасный клапан для стравливания лишнего давления, у нее не было турбоямы, а кривая крутящего момента стала прямой, позволяя выжимать из мотора максимальный момент зачастую уже с 1500 об/мин. Принцип ее работы был простым – лопасти нагнетателя стали подвижными и смогли плавно менять свое положение, обеспечивая огромный диапазон производительности при сохранении внешних габаритов узла. После ее появления процесс пошел по нарастающей, и конструктивно в том числе.

Сложные системы

Появились параллельно-последовательные типы наддува, обеспечивающие максимальную эффективность абсолютно всегда, открывающие или закрывающие с помощью заслонок соответствующие каналы.

VAG вышел на рынок со своим TSI, поставив на ДВС и турбину, и компрессор разом.

Позже в погоне за эффективностью производители автомобилей начали экспериментировать с геометрией крыльчатки турбины, формой хаузинга и принципом действия. Появились так называемые турбины twin-scroll, которые сегодня плотно прописались в моторах BMW. Турбина такого типа отличается от обычной наличием двух каналов, разделяющих надвое рабочую камеру. Отработавшие газы, выходя из цилиндра, попадают в выпускной коллектор и далее в турбину. Разница с single-scroll в том, что в корпусе присутствуют два радиальных канала, раскручивающих рабочее колесо (крыльчатку) турбины. Это позволяет наиболее полно использовать принцип импульсного наддува, разделив общий поток отработавших газов на две части. Например, в четырехцилиндровом двигателе один канал турбины питается 1 и 4 цилиндрами, а второй канал – 3 и 2 цилиндрами.

Первыми, кто установил на свои двигатели турбокомпрессор, имеющий турбину типа twin-scroll, были Porsche, выпустив в 1978 году двигатель тип-930 3.3T, затем уже за ними потянулись и остальные производители, такие как BMW и Volvo.

К минусам данного типа турбин можно отнести то, что они имеют более сложную конструкцию, что приводит к удорожанию производства, а также  снижение ее эффективности на высоких оборотах двигателя.

Плюсом данной конструкции турбины является высокая эффективность работы на малых и средних частотах вращения двигателя, что практически полностью убирает эффект турбоямы.

Электрическая тяга

Велика вероятность, что уже в ближайшем будущем не только навесное оборудование, но и агрегаты наддува будут приводиться электричеством, что даст только плюсы для повышения эффективности автомобильных моторов и не должно вызвать серьезных проблем.

Компания BMW еще семь лет назад установила электрический компрессор на BMW X6 M50D в дополнение к двум стандартным турбинам и выжала из трехлитрового дизеля сразу 381 лошадиную силу.

Очень удобно – сколько нужно, столько и дуешь, поскольку электромотор не привязан к оборотам ДВС и никак от него не зависит.

К тому же наддув при нынешних нормах экологичности выхлопа уже не прихоть, а скорее необходимость.

Отметим заодно и тот факт, что BMW упрямо заявляет о намерении и дальше вкладываться в развитие моторов внутреннего сгорания, в то время как большинство автопроизводителей смотрят в сторону электрификации транспорта.