Принцип работы турбины

Все обладатели новых авто с турбонаддувом в восторге от ощущений его преимуществ. Особенно, если им есть с чем сравнивать. И все, кто ищет автомобиль на вторичном рынке, особенно тщательно проверяют именно этот узел автомобиля. Чем же интересен турбонаддув?

Мощность двигателя внутреннего сгорания напрямую зависит от количества топлива, сжигаемого в единицу времени. Хотим увеличить мощность — подаём больше топлива в камеру сгорания. Но не всё так просто. Для горения необходим кислород, реально — воздух, который засасывается в камеру сгорания из-за разности атмосферного давления и разрежения внутри камеры. Причём в воздушно-топливной смеси объёма воздуха примерно в 14 раз больше объёма топлива. Больше топлива — больше воздуха — больше объём камеры сгорания, а это увеличение габаритов и массы двигателя. Так и поступали американцы, в период расцвета экономики строившие огромные прожорливые легковые автомобили. Пока проблемы истощения природных ресурсов не заставили задуматься об экономичности и уменьшении габаритов автомобилей.

Задача первая

Как увеличить количества подаваемого воздуха при прежних габаритах камеры сгорания? Ответ простой — принудительно, под давлением. Первым предложил закачивать сжатый воздух с помощью компрессора Готтлиб Вильгельм Даймлер в 1885 году, причём компрессор приводился в движение двигателем, забирая у него часть мощности. Не очень изящное решение, надо признать.

Всё гениальное просто. Альберт Эйнштейн.

Революционным оказалось изобретение Альфред Бюхи. В 1905 году он предложил в качестве привода нагнетателя воздуха использовать энергию выхлопных газов двигателя. С небольшими изменениями его запатентованная схема используется и до сих пор. Выхлопные газы вращают лопатки ротора турбины, сидящего на одном валу с компрессором, закачивающим воздух в цилиндры. Никакого вала отбора мощности! Просто и изящно.

Задача вторая

Как ещё можно увеличить количество подаваемого воздуха, помимо давления? Из основного закона термодинамики — охлаждением. Охлаждённый воздух плотнее, значит, его количество в одном и том же объёме цилиндра больше. Поэтому на пути воздуха от компрессора к цилиндрам ставят интеркулер — радиатор, которому воздух отдаёт тепло и поступает в цилиндры уже охлаждённым.

Таким образом, одну и ту же мощность можно получить при меньшем объёме двигателя, а это меньший вес автомобиля, выше его экономичность.

Задача третья: реализация

Теоретически всё просто, как было описано. Но реально для создания требуемого нагнетания воздуха компрессором необходима скорость ротора до 200 тыс. об/мин. А вместе температурой выхлопных газов (до 1000 гр. С) это создаёт огромные технические трудности для реализации замысла. Вот поэтому впервые эффективные турбокомпрессоры были реализованы только в годы второй мировой войны в авиации. На военные нужды, ради победы, денег не жалеют. А первые турбокомпрессоры в легковых автомобилях появились только в начале 60-х годов.

Задача четвёртая:стабилизация эффекта турбонаддува

Первые модели турбокомпрессоров могли обеспечить эффект повышения мощности только при приближении оборотов двигателя к 3000. Именно в этот момент турбина раскручивалась, и количество нагнетаемого воздуха давало ощутимый эффект. Двигатель "выстреливает", резво набирая мощность.

Состояние до этого эффекта называют турбоямой (газу дал, а реакции никакой из-за высокой инерции турбины), особенно характерной для двигателей большой мощности (с турбинами высокого давления).

Есть несколько конструктивных способов исправить ситуацию:

Последовательное включение двух турбин: на низких оборотах включается малая турбина, на высоких — турбина высокого давления. При этом во всём диапазоне оборотов двигателя водитель чувствует обратную связь на увеличение подачи топлива. По такому принципу устроены турбодизели BMW и Land Rover.
Одна турбина с двумя идентичными "улитками" (twin-scroll), подключенными к разным блокам цилиндров.
Две одинаковые турбины, подключенные к разным блокам цилиндров (применяется в V-образных турбомоторах).
И последнее слово в турбодвигателях — турбины с изменяемой геометрией рабочей части. Внутри улитки есть подвижные лопатки, которые меняют своё положение в зависимости от скорости вращения. Таки образом, одна турбина эффективно раскручивается как на малых, так и на высоких оборотах двигателя.

Сегодня автомобили с турбонаддувом прошли этап "детских болезней". Они надёжны, экономичны, экологичны. Особенно популярны среди любителей активного драйва турбодизели.