Переваги і недоліки турбін (Турбояма)

Турбонагнітач (турбокомпрессор) від латин. turbo-обертання - це прилад, який використовує відпрацьовані гази(вихлопні гази) для збільшееня тиску всередині впускної камери.

Така ось невелика з вигляду турбіна є - одним із найдієвіших способів збільшення потужності двигуна.

Історія

Автомобільні конструктори (з моменту появи на світі цієї професії) постійно були стурбовані проблемою підвищення потужності моторів. Закони фізики свідчать, що потужність двигуна безпосередньо залежить від кількості палива, що спалюється за один робочий цикл. Чим більше палива ми спалюємо, тим більша потужність двигуна.

Турбокомпресор складається з двох «равликів» - через один проходять відпрацьовані гази (гаряча частина), а другий «нагнітає» повітря в циліндри (холодна частина).

Справа в тому, що для горіння палива необхідний кисень. В циліндрах згоряє не паливо, а паливно-повітряна суміш. Змішувати паливо з повітрям потрібно не на око, а в певному співвідношенні. Для прикладу, для бензинових двигунів на одну частину палива потрібно 14-15 частин повітря - залежно від режиму роботи, складу пального та інших факторів. Як ми бачимо, повітря потрібна вельми багато. Якщо ми збільшимо подачу палива (це не проблема), нам також доведеться значно збільшити і подачу повітря. Звичайні двигуни засмоктують його самостійно через різницю тисків у циліндрі і в атмосфері. Залежність виходить пряма - чим більше об'єм циліндра, тим більше кисню в нього потрапить на кожному циклі. Так і робили американці, випускаючи величезні двигуни із запаморочливим витратою пального.

Вихлопні гази з двигуна обертають ротор турбіни, той, у свою чергу, приводить в рух компресор, який нагнітає стиснене повітря в циліндри. Перед подачею повітря в циліндр, воно проходить через інтеркулер і охолоджується - так можна підвищити його щільність.

Найшвидше прийшов до цього Готтліб Вільгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Він ще в 1885 році придумав, як загнати в них більше повітря. Він здогадався закачувати повітря циліндри за допомогою нагнітача, який представляв собою вентилятор (компресор), який отримував обертання безпосередньо від валу двигуна і заганяв в циліндри стиснене повітря. Швейцарський інженер-винахідник Альфред Бюхі (Alfred J. Büchi) пішов ще далі. Він завідував розробкою дизельних двигунів в компанії Sulzer Brothers, і йому категорично не подобалося, що мотори були великими і важкими, а потужності розвивали мало. Віднімати енергію в «двигуна», щоб обертати приводний компресор, йому також не хотілося. Тому в 1905 році Бюхі запатентував перший в світі пристрій нагнітання, який використовували в якості рушія, енергію вихлопних газів. Простіше кажучи, він придумав турбонаддув.

Ідея розумного швейцарця проста, як все геніальне. Як від вітру обертаються крила млина, також і відпрацьовані гази крутять колесо з лопатками. Різниця тільки в тому, що колесо це дуже маленьке, а лопаток дуже багато. Колесо з лопатками називається ротором турбіни і посаджено на один вал з колесом компресора. Так що умовно турбонагнітач можна розділити на дві частини - ротор і компресор. Ротор отримує обертання від вихлопних газів, а з'єднаний з ним компресор, працюючи в якості «вентилятора», нагнітає додаткове повітря в циліндри. Вся ця конструкція і називається турбокомпресор (від латинських слів turbo - вихор і compressio - стиснення) або турбонагнітач.

Аналог турбонаддуву - приводний нагнітач - жорстко пов'язаний з двигуном і витрачає на свою роботу частина його потужності.

У турбодвигун повітря, яке потрапляє в циліндри, часто доводиться додатково охолоджувати - тоді його тиск можна буде зробити вище, загнавши в циліндр більше кисню. Адже стиснути холодне повітря (вже в циліндрі ДВС) легше, ніж гаряче. Повітря, що проходить через турбіну, нагрівається від стиснення, а також від деталей турбонаддуву, розігрітого вихлопними газами. Повітря що подається двигун за допомогою так званого інтеркулера (проміжного охолоджувача). Це радіатор, встановлений на шляху повітря від компресора до циліндрів мотора. Проходячи через нього повітря, віддає своє тепло інтеркулеру, а він віддає своє тепло атмосфері. А холодне повітря більш щільне - значить, його можна загнати в циліндр ще більше.

Так виглядає інтеркулер.

Чим більше вихлопних газів потрапляє в турбіну, тим швидше вона обертається і тим більше додаткового повітря надходить у циліндри, тим вища потужність. Ефективність цього рішення в порівнянні, наприклад, з приводним нагнітачем в тому, що на «самообслуговування» наддуву витрачається зовсім небагато енергії двигуна - всього 1,5%. Крім того, витрачена на стиснення повітря дармова енергія підвищує ККД двигуна. Та й можливість зняти з меншого робочого об'єму велику потужність означає менші втрати на тертя, меншу вагу двигуна (і машини в цілому). Все це робить автомобілі з турбонаддувом більш економічними в порівнянні з їх атмосферними побратимами рівної потужності.

Основні недоліки турбіни

По-перше, швидкість обертання турбіни може досягати 200 000 оборотів в хвилину, по-друге, температура розпечених газів досягає 1 000 ° C, внаслідок цього виникає проблема що полягає в тому що зробити турбонаддув, який зможе витримати такі не слабкі навантаження тривалий час, вельми дорого і непросто.

Вихлопні гази нагрівають випускну систему, і турбонаддув до дуже високих температур.

З цих причин турбонаддув отримав широке поширення тільки під час Другої світової війни, та й то тільки в авіації. У 50-х роках американська компанія Caterpillar зуміла пристосувати його до своїх тракторів, а умільці з Cummins сконструювали перший турбодизелі для своїх вантажівок. На серійних легкових машинах турбомотори з'явилися пізніше. Сталося це в 1962 році, коли майже одночасно побачили світ Oldsmobile Jetfire і Chevrolet Corvair Monza. Але складність і дорожнеча конструкції - не єдині недоліки. Справа в тому, що ефективність роботи турбіни сильно залежить від оборотів двигуна. На малих обертах вихлопних газів є недостатньо, ротор розкручується слабо, і компресор майже не надуває в циліндри додаткового повітря. Тому до трьох тисяч обертів на хвилину мотор зовсім не тягне, і тільки потім, тисяч після чотирьох-п'яти, «вистрілює». Ця ложка дьогтю називається “турбояма”. Причому чим більше турбіна, тим вона довше буде розкручуватися. Тому мотори з дуже високою питомою потужністю і турбінами високого тиску, як правило, страждають турбоямою в першу чергу. А ось у турбіни, що створюють низький тиск, ніяких провалів тяги майже немають, але і потужність вони піднімають не надто сильно.

Турбояма

Причину появи турбоями дуже легко зрозуміти, якщо уявити, як діє турбокомпресор. Як сказано вище, даний агрегат здійснює свій привід за рахунок тиску вихлопних газів, що потрапляють на лопаті крильчатки. На малих обертах або відразу після різкого збільшення газу тиск дуже малий і майже збігається з атмосферним тиском, через що швидкість обертання крильчатки не достатня для нагнітання потрібного обсягу повітря в циліндр. Тому виникає дефіцит у горючій суміші повітря і як наслідок його складової кисню. Що знижує загальну насиченість горючої суміші всередині циліндра. Як наслідок, паливо згорає не повністю, далі потрапляючи в корпус турбіни (гарячу частину равлика) продовжує горіння, тим самим викликаючи появу нагару і погіршення ККД турбокомпресора. Крім цього турбокомпресор через будову свого приводу створює додатковий опір на шляху відводу з випускного колектора вихлопних газів, тим самим частково відбираючи потужність двигуна, змушуючи його працювати старанніше для очищення циліндрів від відпрацьованих газів. Дані втрати повністю компенсуються збільшенням потужності двигуна на 40% і більше відсотків після того як турбокомпресор досягне необхідного тиску. Час же який знадобиться на досягнення базового тиску залежить від розміру турбокомпресора (того об'єму повітря який він здатний вмістити), чим він більший, тим більше знадобиться часу і тим яскравіше буде помітний негативний ефект турбоями. Малі турбокомпресори швидше набирають необхідний тиск через що на них даний функціональний недолік майже не помітний, але їх потужність є набагато менша.

Методи вирішення проблеми турбоями

Майже позбутися турбоями допомагає схема з послідовним наддувом, система Бітурбо (biturbo) коли на малих обертах двигуна працює невеликий малоінерційний турбокомпресор, збільшуючи тягу на "низах", а другий, побільше, включається на високих оборотах з ростом тиску на випуску. У минулому столітті послідовний наддув використовувався на суперкарі Porsche 959, а сьогодні за такою схемою влаштовані, наприклад, турбодизелі фірм BMW і Land Rover. У бензинових двигунах Volkswagen роль маленького «заводія» грає приводний нагнітач.

Бітурбо (biturbo)

Бітурбо (biturbo) - система турбонаддуву, що складається з двох послідовно включених в роботу турбін. У такій системі застосовують 2 турбіни, одна маленького розміру, інша більшого, зроблено це тому, що маленька турбіна розкручується значно швидше, і вступає в роботу першою, потім, при досягненні більш високих обертів мотора, розкручується друга, велика турбіна, і додає значно більший повітряний потік. Таким чином насамперед мінімізується затримка, утворюється досить рівна розгінна характеристика автомобіля без ривка, властивого великим турбін, і досягається можливість використовувати великі турбіни на двигунах що встановлюються не тільки в автомобілях призначених для їзди по гоночних трасах, а й по міських дорогах, де можливість “крутити” мотор постійно є не завжди, а отримати більше потужності з мотора невеликого обєму має сенс, з якихось причин, наприклад пов'язаним з законодавством по податках даної країни на літраж мотора. Система бі-турбо є вельми дорога, і за цим їх установка, як правило в серійному виробництві, проводиться на автомобілі високого класу.

Така система може бути встановлена як на V подібний двигун, кожна турбіна буде висіти на своїй головці по вихлопу, впуск загальний, так і на рядном моторі наприклад рядна 4-ка, в цьому випадку турбіни можна включити по вихлопу як паралельно, 2 циліндра на одну, 2 на іншу, так і послідовно - спочатку велика турбіна, потім маленька.

Твін-турбо (twin turbo)

На рядних двигунах найчастіше використовується одиночний турбокомпресор twin-scroll (пара турбін) з подвійним робочим апаратом. Кожна з турбін наповнюється вихлопними газами від різних груп циліндрів. Але при цьому обидві подають гази на одну турбіну, ефективно розкручуючи її і на малих, і на великих оборотах.

Твін-турбо (twin turbo) - в даній системі на відміну від системи бі-турбо, основним завданням є не знизити затримку, а домогтися більшої продуктивності нагнітання повітря або більшого тиску наддуву. Продуктивність по повітрю що нагнітається необхідна, у випадках коли мотор працює на високих оборотах, споживання повітря є більшим, ніж турбіна здатна забезпечити, таким чином можливе падіння тиску наддуву. У системах Twinturbo застосовуються дві однакові турбіни. Відповідно продуктивність такої системи в 2 рази більше ніж системи що складається лише з однієї турбіни, при цьому якщо застосувати 2 невеликих турбіни які за продуктивністю будуть рівні однієї великої, то можна досягти ефекту зниження затримки, при ідентичній продуктивності. Існують так само ситуації, коли продуктивності наявних великих турбін, виявляється недостатньо, наприклад при побудові мотора драгстера, тоді так само використовується комбінація з 2-х турбін. Дана схема як і варіант biturbo може працювати як на двигунах з V подібних двигунах, так і на рядних двигунах. Існують так само системи що складаються з 3-х і більше однакових турбін, результат переслідують той же що і в twinturbo. Такі системи в цивільному застосуванні як правило не мають поширення, і застосовуються як правило, для побудови потужних спортивних двигунів, для автомобілів які беруть участь у драгрейсінгу.

Турбіна twin-scroll що має подвійного «равлика» турбіни – один ефективно працює на високих оборотах двигуна, другий - на низьких.

У сучасних двигунах з турбонаддувом (зокрема RRS V8 дизель) турбіни мають змінювану геометрію крильчаток. Це мінімізує проблему турбоями і дає високий потенціал турбонадувву вже на найнижчих оборотах колінвалу двигуна. Крім того це додає економію палива. Змусити турбокомпресор працювати ефективніше у всьому діапазоні оборотів, можна ще змінюючи геометрію робочої частини. Залежно від оборотів всередині «равлика» повертаються спеціальні лопатки і варіюється форма сопла. У результаті виходить «супертурбіна», добре працююча у всьому діапазоні оборотів. Реалізувати так звану «супертурбіну» вдалося відносно недавно. Причому спочатку турбіни із змінною геометрією з'явилися на дизельних двигунах, благо, температура газів там значно менше. А в бензинових автомобілів першою така турбіна зявилась на Porsche 911 Turbo.

Турбіна зі змінюваною геометрією.

Висновок

Конструкцію турбомоторів довели до розуму вже давно, а останнім часом їх популярність різко зросла. Причому турбокомпресори виявилося перспективним не тільки в сенсі форсування моторів, але і з точки зору підвищення економічності і чистоти вихлопу. Особливо актуально це для дизельних двигунів. Майже не залишилось сьогодні дизельних двигунів що не несуть приставки «турбо». Ну а установка турбіни на бензинові мотори дозволяють перетворити звичайний на вигляд автомобіль в справжній суперкар. Той самий, з маленьким, ледь помітним шильдиком «turbo».

Посилання

• Большая советская энциклопедия - статья Турбокомпрессор.
• Сообщество машин и людей www.drive2.ru
• https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%B4%D0%B4%D1%83%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8F