Всё о турбинах

Кто из автолюбителей не слышал волшебное слово "турбо"? Звенит в ушах, воображение рисует нечто мощное, стремительное. На этом фоне как-то скучно звучат термины "механический компрессор" или, хуже того - "объемный нагнетатель". На деле - не совсем так. Или совсем не так.  Какой водитель не мечтал о том что бы в его автомобиле жило намного больше лошадок под капотом чем есть. Если кто-то заявит, что он не из таких, то наверняка слукавит. Благо последнее время данную проблему довольно легко решить, вариантов увеличения мощности двигателя, да и комплектующих как грязи. В нашу жизнь плотно вошло слово "тюнинг" и многие тюнинговых ателье берутся сделать с вашим любимцем все, что угодно.  В русский язык с давних пор вошел термин "форсировка" (от английского force - сила), который означает "увеличение мощности". Стоит вспомнить, что мощность двигателя напрямую связана со следующими его основными параметрами:  - рабочим объемом цилиндров;  - количеством подаваемой топливо-воздушной смеси; - эффективностью ее сжигания; - энергетической "заряженностью" топлива.  Стоит заметить, что есть ещё несколько вариантов увеличения мощности - полировка впускного/выпускного каналов, применение фильтров нулегого сопротивления, применение прямоточной системы выхлопа, изменение параметров программного обеспечения (чип-тюнинг), расточка цилиндров или переходе с бензина на "нитру" (закись азота).  Перечисленные решения позволяют увеличить мощность, но не существенно, раз ве что это не касается "нитроса". Кардинальное решение одно - увеличение подачи топливо-воздушной смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит "просто так", для этого нужен воздух (кислород) - во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом увеличить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится - его возможности по всасыванию воздуха ограничены (даже при применении фильтров с нулевым сопротивлением). Поэтому и появились те самые "турбо", "компрессоры" и "нагнетатели". Они разные, и дают разные результаты.  Для начала немного теории: Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный - на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном - тогда горючей смеси (для дизелей - воздуха) в цилиндре "поместится" больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, станет выше; вырастет и общая мощность двигателя.  Для этих целей было придумано довольно много решений, но распространение получили не многие.  1. Роторный нагнетатель Roots. Создан Фрэнсисом Рутсом еще в 1860 году. Первоначально использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть конструкции: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые "шестерни", помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель - Итон - усовершенствовал конструкцию: прямозубые "шестерни" превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель, а не компрессор.  2. Спиральный компессор Lysholm. Автор идеи - немецкий инженер Кригар, время рождения - конец позапрошлого века, первоначальное назначение - промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Алфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне - если не снимать кожух - очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вращающиеся навстречу друг другу перекачивают объемы воздуха вдоль осей, но сильно лихо закручены. Сечения роторов намного сложнее, они разные. Самое главное: шаг закрутки роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается - воздух сжимается. Поэтому Lysholm - не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор.  3. Центробежный компрессор (устоявшегося "фирменного" названия не имеет). В корпусе-улитке вращается крыльчатка сложной формы. Воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. По этому это не просто нагнетатель, а тоже компрессор.  4. Турбокомпрессор, оно же турбонагнетатель. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо", пусть даже и "би...", и "твин...". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов, так сказать, по второй производной. Для данной конструкции присуща замедленная реакция на быстый "подхват".  Как следует из определения, механический нагнетатель/компрессор - роторный, спиральный или центробежный - имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное в том, что обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала.  Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm Нагнетатель Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики, обороты компрессора увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, равномерно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные - их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя.  Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин. (Стоит заметить что компания Mercedes-Benz одна из первых начала использовать компрессора в своих автомобилях, при чем предпостение они отдали имено роторным конструкциям.)  Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления - компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители - шведские компании Lysholm и Autorotor. Более известные потребителю фирмы Kleemann, Whipple и пр. в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочевку...  Механический центробежный компрессор Механический центробежный компрессор конструктивно наиболее прост и компактен, из-за чего весьма популярен - у американских "самодельщиков". Правда, тут требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон - до 100.000 об./мин.). Производительность нелинейная - чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь повыше можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, но лишь в довольно узком диапазоне оборотов. Следовательно, понадобится коробка со сближенным рядом и постоянная активно-утомительная работа ее рычагом...  Турбокомпрессор/турбонагнетатель. Турбокомпрессор, по большому счету - тот же центро-бежный компрессор, но с принципиально иным приводом. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Явное достоинство: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус - инерционность: "вдавил" резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя - и наконец, "пойдет" воздух. Но с этим явлением, именуемым "турбо-яма" (по-английски "turbo-lag", что правильнее было бы перевести как "турбо-задержка" или "турбо-пауза"), научились бороться...  Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, под капотом "поселились" два перепускных клапана: один - для отработавших газов, а другой - чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды - время закрытия клапана.  В последнее время стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея эта, опять-таки, давняя, а вот воплотить ее долго не могли; в качестве примера назовем новейший агрегат наддува "опелевских" дизелей "Экотек".  Еще одна проблема использования тубин - это их небольшой срок жизни, хотя в последнее время удалось значительно увеличить это время. Как уже упоминалось, частота вращения ротора турбины должна быть очень велика. До 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли только недавно, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ - и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно удивления не применение керамики - подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! На очереди - металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции.  По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор вроде бы схож с механическим центробежным. Но "опосредствованная" система привода позволяет подстраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно "маломерных" двигателях Volvo, Volkswagen или Saab - это ли не примеры.  Что касается "битурбо" и "твинтурбо" вместо одной турбокомпрессорной установки используются две - параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном надду-ве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристики.  Дело в том что ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне порезче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Итак, турбину следует сделать как можно меньше по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается увеличивать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в паралель.  Система Интеркуллер. Вы скорее всего встречали на машинах надпись "интеркулер" на борту. Сжимаемый компрессором воздух неизбежно нагревается. При этом уменьшается его плотность и содержание в нем кислорода, ради которого, собственно, все и затевалось. Посему перед подачей в двигатель сжатый воздух стоит охладить - в дополнительном радиаторе, который и именуется интеркулером. При умеренной форсировке мотора без интеркулера можно обойтись, но если делать все "по-большому", его применение неизбежно.