Турбонаддув в автомобиле: что это такое и как работает

Даже далёкие от автомобилей и техники люди наверняка слышали про турбонаддув, ведь им оснащают многие современные двигатели. На наличие турбины в машине обычно намекают шильдики «Turbo» или просто «Т» — их, как правило, трудно не заметить. Рассказываем, что такое турбина, как она работает и для чего нужна. 

Вспомним принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Мотор засасывает воздух в цилиндры, смешивает его с топливом, затем смесь воспламеняется, расширяется и толкает поршни, а их поступательное движение кривошипно-шатунный механизм, в свою очередь, преобразует во вращение. Сгоревшее топливо в виде выхлопных газов на четвёртом такте выпускается из цилиндров наружу, чтобы освободить место для новой порции смеси. И эти циклы повторяются многократно.

Важный показатель, на который всегда обращают внимание при покупке автомобиля, — мощность двигателя. А она, помимо прочего, зависит и от объёма воздуха и топлива, способного «уместиться» в цилиндры. Таким образом, отдачу агрегата можно повысить увеличением размеров цилиндров или наращиванием их количества (как, например, делали на старых американских моделях). Действует простая пропорция: чем больше смеси сжигаем, тем выше мощность получаем.

Однако не всё так просто. Во-первых, при таком подходе увеличиваются масса и размеры двигателя, возникают трудности с компоновкой и обслуживанием, страдают экономичность и экологичность. Во-вторых, смешивать топливо с воздухом необходимо в определённом соотношении: для эффективной работы агрегата состав смеси должен быть оптимальным на каждом из режимов. К примеру, для бензинового двигателя идеальным считается соотношение воздуха и топлива 14,7:1.

Оно, конечно, может меняться по ситуации, но в любом случае воздуха двигателю требуется много. А как увеличить поступление воздуха, не наращивая объём цилиндров? «Затолкать» его в них принудительно. И в этом как раз помогает турбонаддув.

Итак, турбина — это способ форсировки мотора, связанный с подачей воздуха в цилиндры под избыточным давлением. 

Турбина двигателя (она же турбонагнетатель или турбокомпрессор) условно делится на две части — «холодную» и «горячую», каждая из которых формой напоминает улитку. Отсюда, кстати, идёт ещё одно, народное, название узла.

Улитка «горячей» части работает с отработавшими газами, температура которых порой доходит до 1000°С, поэтому обычно сделана из жаропрочного чугуна с добавлением никеля. Внутри находится колесо с лопатками, которое называется ротором турбины. Оно закреплено на одном валу с похожим колесом в «холодной» части, именуемым компрессором. Он работает с воздухом с улицы, поэтому термоустойчивые материалы здесь не требуются — как правило, используют алюминий.

Обе части турбины автомобиля соединены специальным картриджем, внутри которого расположены подшипники общего вала и предусмотрены каналы для их охлаждения. Два самых распространённых способа снижения температуры деталей турбокомпрессора — подача только масла (оно же смазывает компоненты механизма) или масла совместно с антифризом (разумеется, по разным каналам) из системы охлаждения мотора.

Ещё одна важная часть турбины в машине — так называемый вейстгейт (wastegate), перепускной клапан, направляющий поток газов в обход «горячей» крыльчатки при необходимости снизить обороты ротора и, соответственно, производительность системы наддува. За этот процесс отвечает специальный актуатор.

Таким образом, вейстгейт регулирует давление наддува при открытой дроссельной заслонке. Допустим, на разгоне. Однако если резко отпустить газ, турбокомпрессор по инерции продолжит нагнетать воздух, вот только деться ему будет уже некуда, возникнет избыточная нагрузка на детали. Чтобы избежать поломок в таких случаях, в систему добавляют предохранительные клапаны, которые принято разделять на две группы:

• Байпас, или перепускной клапан, перенаправляет сжатый воздух обратно на вход турбины, в патрубок от воздушного фильтра.
• Так называемый блоу-офф, или редукционный клапан, стравливает избыток давления прямо в атмосферу, в этот момент слышен характерный свист.

Первый вариант по причине тихой работы чаще используют на обычных машинах, второй — на спортивных и тюнинговых.

Теперь разберёмся, как работает турбина на бензиновом двигателе. Выхлопные газы поступают в «горячую» часть, раскручивая колесо с лопатками. Поскольку оно соединено с «холодной» крыльчаткой, то заставляет вращаться и её, забирая воздух с улицы и сжимая его.

В этот момент воздух нагревается, что плохо, поскольку его плотность падает, а склонность топливовоздушной смеси к детонации при росте температуры, наоборот, увеличивается. Поэтому дальше в систему встраивают интеркулер (промежуточный охладитель) — по сути радиатор, в котором сжатый воздух отдаёт тепло в атмосферу.

Холодный плотный воздух можно «загнать» в цилиндры в большем объёме и, соответственно, подать больше топлива, увеличив отдачу мотора. На такте выпуска отработавшие газы с высокой скоростью устремляются в коллектор, раскручивая турбинное колесо компрессора. И так по кругу.

Вейстгейт и другие клапаны турбированного двигателя в этом процессе срабатывают по мере необходимости.

Ещё один способ повышения эффективности работы двигателя с турбонаддувом — изменение геометрии рабочей части турбины. Это позволяет посредством специальных поворотных лопаток направлять поток газов на «горячую» крыльчатку под разными углами, дополнительно раскручивая ротор компрессора, что может пригодиться на малых оборотах мотора, когда давление на выпуске невелико. В итоге тяга становится более равномерной, без провалов. Кроме того, в ряде случаев этот механизм позволяет обойтись без вейстгейта.

Турбины с изменяемой геометрией впервые появились на дизельных моторах, где хорошо себя показали. А вот на бензиновых агрегатах такие системы ввиду повышенной сложности и стоимости (виной тому — более высокая температура выхлопа) используют редко. Характерный пример — Porsche 911 Turbo.

Применяется также схема twin-scroll, в которой отработавшие газы поступают на единую крыльчатку через пару раздельных каналов от разных групп цилиндров. Такое решение позволяет сгладить пульсации давления и использовать энергию газов максимально эффективно. 

Существует несколько способов установки турбонагнетателя: 

• Самый распространённый вариант — одна турбина. Относительная простота такого решения имеет оборотную сторону: сложно одинаково удачно настроить такой компрессор на весь рабочий диапазон двигателя. Зачастую случается так, что по ощущениям водителя турбина «просыпается» только на средних оборотах, в то время как на малых устройству не хватает давления выхлопа, чтобы быстро раскрутить крыльчатки. Такой негативный эффект называется турбоямой. А если сделать турбокомпрессор меньше и, соответственно, менее инертным, то его пропускной способности будет не хватать для мощного потока выхлопных газов на высоких оборотах, что скажется на выдаваемой мотором мощности.
• Избавиться от турбоямы помогает двойной наддув — комбинация небольшого малоинерционного компрессора, который быстро раскручивается даже на малых оборотах, и большой турбины двигателя, предназначенной для работы на средних и высоких оборотах.
• Альтернативный вариант — параллельная схема из пары одинаковых турбокомпрессоров, каждый из которых обслуживает лишь свою группу цилиндров. За счёт этого каждый из них можно сделать меньше и легче. Подобная конструкция часто встречается на рядных и V-образных многоцилиндровых моторах.
• Отдельная категория — экзотические конструкции: например, двигатель гиперкара Bugatti Chiron использует сразу четыре турбины.