Супертурбо просунуті системи наддуву

Бітурбо, твинтурбо, твінскролл. Напевно ви давно хотіли розкласти для себе по поличках, що як працює і чим відрізняється. Ми підготували для вас докладна розповідь про плюси, мінуси та надійності кожної з технологій.

Прогрес не стоїть на місці, і кожне нове покоління автомобілів повинно бути швидше, економічніше і потужніше. Часто для підвищення потужності використовуються комбіновані системи наддуву, та й «звичайні» турбіни зовсім не так прості, як здається на перший погляд. Яким же чином інженери навчили турбомотор бути одночасно потужними, еластичними і економічними? Які технології дозволяють створювати масові двигуни з питомою потужністю в 150 к.с. на літр і відмінною тягою на низах, і тисячесільних монстрів?

«Звичайна» турбіна

Основною частиною турбокомпресора є середній корпус, в ньому розташовані підшипники ковзання, завзятий підшипник і сідло ущільнення з кільцями. У самому корпусі є канали для проходження через нього масла і охолоджуючої рідини. На зовсім старих конструкціях обходилися тільки маслом і для змащення і для охолодження, але такі турбіни не застосовуються на серійних машинах вже давно. Для запобігання середнього корпусу від впливу гарячих вихлопних газів служить жароотражатель.

У середній корпус встановлюється турбінний вал. Ця деталь не просто вал, конструктивно він з'єднаний з турбінним колесом нероз'ємним з'єднанням, найчастіше зварюванням тертям або виконаний з цілісного шматка металу. Іноді для створення крильчатки використовується кераміка-міцності і корозійної стійкості кращих конструкційних сталей може не вистачати. Сам вал має складну форму, на ньому є потовщення для ущільнення і завзятий виступ, а форма циліндричної частини розрахована з урахуванням теплового розширення під час роботи.

На турбінний вал надівається компресорне колесо. Воно виготовлене зазвичай їх алюмінію і фіксується на валу гайкою.

Конструкція з середнього корпусу, встановленого в нього турбінного валу і компресорного колеса називається картриджем. Після складання цей вузол ретельно балансується, адже працює він при дуже високих оборотах і найменший дисбаланс швидко виведе його з ладу.

Ще турбіні потрібні дві «равлики» - турбінна і компресорна. Часто вони індивідуальні для кожного виробника машин, тоді як центральна частина - картридж і розміри турбінного і компресорного колеса є ознаками конкретної моделі турбіни і її модифікації.

Для запобігання від занадто високого тиску наддуву використовується клапан скидання тиску газів, він же вастегейт. Зазвичай він є частиною турбінної равлики і управляється вакуумом. Він закритий при звичайному режимі роботи турбіни і відкривається в разі занадто високого тиску наддуву або інших проблем в роботі мотора, скидаючи швидкість обертання турбіни.

А тепер про те, як використовують турбіни і які технології застосовують, щоб досягти найвищих показників моторів.

Twin-turbo і Bi-turbo

Чим більші і потужніші мотор, тим більше повітря потрібно подавати в циліндри. Для цього потрібно зробити турбіну більше або швидше. А чим більше розмір турбіни, тим важче її крильчатки і тим інерційність вона виходить. При натисканні на педаль газу відкривається дросельна заслінка і більше горючої суміші потрапляє в циліндри. Утворюється більше вихлопних газів і вони розкручують турбіну до більш високої частоти обертання, що, в свою чергу, збільшує кількість подається горючої суміші в циліндри. Щоб скоротити час розкрутки турбін і супутню їм «турбояму», спочатку випробували способи, які називаються твін-турбо і бі-турбо.

Це дві різні технології, але маркетологи компаній-виробників внесли чимало плутанини. Наприклад, на Maserati Biturbo і Mercedes AMG Biturbo насправді використовують технологію твін-турбо. Так в чому ж різниця? Спочатку Twin Turbo ( «турбіни-близнюки») називалася технологія, при якій вихлопні гази поділялися на два рівних потоки і розподілялися на дві однакові турбіни малого розміру. Це дозволяло отримати кращий час відгуку, а іноді і спростити конструкцію двигуна, використовуючи недорогі турбокомпресори, що дуже актуально для V образних двигунів з вихлопними колекторами «вниз».

Позначення Biturbo ( «подвійна турбіна») ж відносять до конструкцій, в яких застосовуються послідовно підключені до впуску дві турбіни-маленьку і велику. Маленька добре працює на малому навантаженні, швидко розкручується і забезпечує тягу «на низах», а потім в дію вступає велика турбіна, більш ефективна на великому навантаженні. Маленька турбіна в цей момент відключається системою дросельних заслінок.

Перевагою такої схеми є велика ефективність однієї великої турбіни на великому навантаженні: вона забезпечує краще тиск і менше нагрівання повітря при великому ресурсі. А ще замість маленького турбокомпресора можна використовувати механічний або електронагнетатель. Вони нагрівають повітря менше, ніж турбокомпресор, і не інерційні.

Але як же втрати потужності, які потрібні для їх розкрутки? Втрати на їх привід при малому навантаженні не такі істотні. Але розплатою за поліпшення характеристик турбін є ускладнення впускної системи, доводиться використовувати багато труб і дросельні заслінки, переключають потоки повітря.

Обидві технології використовуються досі всіма виробниками, але всі вони значно здорожують мотор, адже дорогих турбокомпресорів стає в два рази більше, а система управління ними - складніше. Для сильно форсованих моторів альтернативи цим технологіям немає або майже немає. Але іноді можна просто поліпшити конструкцію стандартної турбіни.

Тонке управління вастегейтом

Wastegate - це, дослівно, «ворота для скидання», тобто перепускний клапан. На перших турбінах вастегейт працює дуже просто: коли тиск на впуску долало натяг пружини, він відкривався, травив гази і тиск падав. Пізніше систему ускладнили: тепер його відкриттям керувала не тільки різниця тисків, але і електроніка, що враховує безліч параметрів - збагачення суміші, режим руху, температуру, детонацію і вміє уникати небажаних режимів роботи самої турбіни. Але керувався він точно так же - пневматикою. Коли потрібно було скинути тиск, клапан просто відкривався.

Отримати якісний стрибок характеристик дозволяла плавне регулювання ступеня відкриття перепускного клапана. В цьому випадку турбіна може частіше працювати з максимальною віддачею, навіть при малих обертах, а на середніх навантаженнях вже вступає в дію регулювання і в небезпечні режими турбіна не переходить.

На жаль, такий спосіб складніше. Для його реалізації потрібно розмістити електропривод регулювання поруч з турбіною, що знизило її надійність: електроніці доводиться працювати в дуже жорстких умовах, при високій температурі і високій вібрації. Але поліпшення характеристик варто того і майже всі сучасні турбіни високофорсованих невеликих моторів мають таку конструкцію.

Ефективніше турбінне колесо. Twinscroll

У пошуках підвищення ефективності одиночній турбіни конструкторська думка придумала спосіб, який дозволяв збільшити ефективність роботи турбіни і на малих і на великих навантаженнях. Турбінне колесо, на яке впливають вихлопні гази, розділили на дві частини, звідси і назва технології - twin scroll ( "подвійна равлик"), одна частина турбіни більш ефективна на великому навантаженні, а інша - на малій, але розкручують вони одне і те ж компрессорное колесо на загальному валу. Турбіна виходить не набагато складніше, але кілька ефективніше.

У поєднанні з підведенням вихлопних газів до різних частин «равлики» від різних груп циліндрів і точної настройки це дозволяє отримати непогану надбавку продуктивності без погіршення характеристик в зоні малих оборотів. Звичайно, така турбіна не дасть максимальної можливої ​​потужності, але зате такий мотор буде тяговитее і на практиці зручніше і швидше.

Ефективніше турбінне колесо - турбіни із змінною геометрією

У твін-скролл турбіні вихлопні гази поділяються на два потоки і один завжди працює з меншою ефективністю, ніж це потрібно. Але є й інший спосіб! Можна регулювати направляючий апарат турбінного колеса, і вихлопні гази будуть працювати завжди з максимальною ефективністю. Все це вимагає дуже складної механічної системи, розташованої в найгарячішою частини турбіни-на вихлопної «равлику». І складного механізму управління.

Геометрію впускного каналу турбіни змінюють за допомогою напрямних лопаток. На малих обертах, коли тиск вихлопних газів мале, лопатки, повертаючись, звужують канал. Через вузький отвір гази проходять з більш високою швидкістю, забезпечуючи швидку розкрутку турбіни. Коли обороти мотора ростуть, лопатки пропорційно зростаючому тиску газів розширюють отвір, і швидкість обертання турбіни залишається стабільною.

Спочатку такі пристрої стали застосовувати на турбінах для дизельних моторів - у них нижче температура вихлопних газів, а значить і умова роботи тонкої механіки краще. Поступово технологія з'явилася на в турбінах для бензинових моторів. Ускладнилася і система управління. Замість початкової пневматики (як і у випадку з вастгейтом), управляти напрямними лопатками став кроковий електромоторчик.

Різке ускладнення турбіни позначається і на її вартості і на її надійності. Але в високофорсованих дизельних моторах відмовитися від такого ефективного способу складно, а просте множення числа турбін не дозволяє домогтися такого ж ефекту. А в світі бензинових моторів ця технологія все ще використовується не так вже й часто.

Поліпшення механіки турбін

Підшипники кочення (з кульками) мають набагато кращі характеристики, ніж підшипники ковзання (з маслом) - це практично аксіома. Вони дозволяють зменшити тертя, а значить зробити обертання турбіни легким, зменшити масу вала, знизити залежність від тиску масла. Але високоточні і дуже «витривалі» підшипники кочення для величезних швидкостей обертання і температур масово стали застосовувати порівняно недавно.

Турбіни на керамічних (а не металевих) підшипниках кочення надійніше і довговічніше, вони не бояться втрати тиску масла і зупинок, менш чутливі до вібрацій і перегріву. Зрозуміло, вони дорожче турбін минулого покоління, і серійні моделі машин з ними з'явилися тільки недавно, але в автоспорті їх можливості оцінили вже давно. Наприклад турбіни IHI VF серії або Garrett GTxxR / RS застосовуються на тюнінгових машинах вже багато років.

На закінчення

Поступово нові технології дешевшають і впроваджуються на все більш масових машинах. Для останнього покоління моторів майже обов'язковим атрибутом стало електронне регулювання роботи турбіни. Все частіше застосовуються twinscroll-варіанти. На великих V образних моторах майже завжди використовують технологію twin-turbo, але і турбіни при цьому не прості, а використовують весь необхідний арсенал нових технологій виготовлення.

У поєднанні з прямим уприскуванням палива це дозволяє створювати мотори, характеристики яких ще років десять тому вважали б фантастичними - при потужності в 400-500 кінських сил вони задовольняються 95-м бензином, та й його «їдять» не сильно більше, ніж малолітражки недавнього минулого . Що ж до надійності сучасних моторів, то про це я вже розповідав в іншій статті, адже в техніці ніщо не дається просто так.

Статті / Військова техніка

Двоколісні солдати: секретні одновісні тягачі Радянської армії

Незважаючи на суто мирну професію оригінальних одноосьових автомобілів-тягачів для роботи у великому цивільному будівництві, вони негласно перебували на озброєнні в Ракетних військах стратегічного призначення (РВСП). Там ...

Статті / Військова техніка

Невизнані шедеври: унікальні військові автомобілі з Білорусії

Переважну частку потужного потоку військових автомобілів, над якими за завданнями Міністерства оборони СРСР працювали сотні секретних КБ і заводів, представляли собою експериментальні пошукові конструкції, створені в ...

Статті / Військова техніка

Непомітні трудівники війни: автомобілі-карлики в Радянській армії

У найважчі роки ізоляції і «залізної завіси» радянські конструктори не мали рівних за кількістю сміливих творчих ідей і унікальних дослідних розробок, які негласно перебували в авангарді світового прогресу. ...