Что такое турбонагнетатель на автомобиле, его история создания и принцип работы

С момента появления на свете профессии, автомобильные конструкторы постоянно озабочены проблемой повышения мощности движков. Законы физики говорят нам, что мощность мотора зависит от количества сжигаемого горючего за один рабочий цикл. Чем большее количество топлива мы сжигаем, тем больше у нас будет мощность. К примеру, захотелось нам повысить «поголовье лошадей» под капотом авто, однако как это сделать? Именно тут нас поджидают проблемы.

В состав турбокомпрессора входят две «улитки» — сквозь одну проходят отработавшие газы, а другая «качает» в цилиндры воздух.

Дело в том, что для воспламенения горючего нужен кислород. Поэтому в цилиндрах сгорает не чистое топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать горючее с воздухом нужно не на глаз, а в специальном соотношении. Например, для бензиновых моторов на одну часть горючего полагается 14–15 частей воздуха — все зависит от состава горючего, режима работы и иных факторов.

Как мы видим, воздуха надо довольно много. Если мы повышаем подачу горючего (это не проблема), нам также придётся сильно поднять и подачу воздуха. Обычные моторы засасывают его сами ввиду разницы давлений в атмосфере и в цилиндре. Получается прямая зависимость — чем больше объём цилиндров, тем больше в него попадёт кислорода на каждом из циклов. Так и поступали американские инженеры, выпуская огромные моторы с умопомрачительным расходом топлива.

Есть ли иной способ загнать в цилиндр воздух?

Выхлопные газы из мотора вращают ротор турбины, тот начинает приводить в движение компрессор, нагнетающий сжатый воздух в цилиндры. Перед тем, как все это произойдёт, воздух охлаждается в интеркулере — в результате чего повышается его плотность.

Получается, что способ есть! Вот краткая история создания турбонаддува. Впервые его придумал господин Готтли Вильгельм Даймлер. Именно этот немец довольно неплохо соображал в двигателях и ещё в конце 19 века придумал, как загнать больше воздуха в них. Он догадался закачивать в цилиндры воздух cпомощью нагнетателя, представляющего собой компрессор (вентилятор), который получает вращение напрямую от вала мотора и загоняет сжатый воздух в цилиндры.

Еще одна идея умного швейцарца была гениально проста. Как ветер вращает крылья мельницы, так и отработанные газы крутят колесо с лопастями. Разница заключается в том, что колесо маленькое, а лопаток много. Колесо с лопатками имеет название - ротор турбины, оно посажено на один вал с колесом компрессора. В результате турбонагнетатель на автомобиле условно можно разделить на такие части — компрессор и ротор. Ротор вращается от выхлопных газов, а компрессор, который с ним соединён, работая наподобие «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух во все цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция получила название турбонагнетатель или турбокомпрессор (с лат. слов turbo — вихрь и compressio — сжать).

Аналогом турбонаддува является приводной нагнетатель, который жёстко связан с мотором и тратит на работу часть мощности.

В турбомоторе воздух, попадающий в цилиндры, часто надо дополнительно охлаждать — тогда его давление будет выше, а посему можно будет загнать в цилиндр больше работающего кислорода. Ведь сжать охлажденный воздух (уже в цилиндре двигателя) намного легче, чем горячий.

Воздух, который проходит через турбину, от сжатия нагревается, нагрев также происходит от деталей турбонаддува, который разогрет выхлопными газами. Подаваемый в мотор воздух охлаждают с помощью так называемого интеркулера (промежуточного охладителя). Данный радиатор установлен на пути воздуха к цилиндрам мотора от компрессора. Проходя через него, он «сливает» своё тепло атмосфере. А холодный воздух, как известно, более плотный — следовательно, его можно загнать в цилиндр больше.

Принцип работы интеркулера.

Чем больше отработанных газов попадает в турбину, тем быстрее она крутится и тем больше дополнительного воздуха поступит в цилиндры, следовательно, мощность повышается. Эффективность этого решения в сравнении, к примеру, с приводным нагнетателем в том, что на «обслуживание самого себя» наддув тратит совсем мало энергии мотора — всего 1, 4%. Из-за того, что ротор турбины получает энергию от отработанных газов не за счёт их замедления, а ввиду их охлаждения — после турбины отработанные газы идут также быстро, однако более холодные. Помимо того даровая энергия, которая затрачивается на сжатие воздуха, повышает КПД мотора.

По всем этим причинам турбонаддувы получили широкое распространение только в период Второй мировой войны, однако внедрение их было лишь в авиации. Американская компания Caterpillar в 50-х годах сумела переделать его под свои тракторы, а инженеры из Cummins сконструировали первые турбодизели для грузовых машин. На легковых серийных автомобилях турбомоторы появились намного позже. Произошло это в 1962 году, когда почти одновременно увидели мир Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire.

Но дороговизна и сложность конструкции являются не единственными ее недостатками. Потому как эффективность работы турбин сильно зависит от оборотов мотора. На малых оборотах отработанных газов немного, ротор раскручивается слабо, и компрессор еле-еле задувает в цилиндры воздух. Поэтому не редкость, когда до 3000 оборотов в минуту двигатель вовсе не тянет, и только потом, после 4000-5000, работает в полной мере. Такой нюанс называется турбоямой. Причём чем больше по размерам турбина, тем раскручиваться она будет дольше. Поэтому моторы с турбинами высокого давления и весьма высокой удельной мощностью, зачастую, в первую очередь страдают турбоямой. А вот у турбин, которые создают низкое давление, провалов тяги вовсе нет (за исключением некоторых нюансов), однако и мощность они поднимают не такую уж высокую.