Безсумнівно, кожен з нас хоч раз в житті помічав на звичайному на вигляд автомобілі шильдик «turbo». Непосвячений перехожий навіть не помітить його і пройде повз, а розуміюча людина неодмінно зупиниться і зацікавиться автомобілем.
Автомобільні конструктори з моменту появи на світлі цієї професії постійно стурбовані проблемою підвищення потужності моторів. Закони фізики свідчать: потужність двигуна безпосередньо залежить від кількості палива, що спалюється за один робочий цикл. Чим більше палива ми спалюємо, тим більше потужність. І, скажімо, захотілося нам збільшити кількість «коней» під капотом - як це зробити? Тут-то нас і чекають проблеми.
Турбокомпресор складається з двох «равликів» - через одну проходять відпрацьовані гази, а друга «качає» повітря в циліндри.
Справа в тому, що для горіння палива необхідний кисень. Так що в циліндрах згоряє не паливо, а паливно-повітряна суміш. Заважати паливо з повітрям потрібно не на око, а в певному співвідношенні. Наприклад, для бензинових двигунів на одну частину палива покладається 14-15 частин повітря - в залежності від режиму роботи, складу пального та інших факторів.
Як ми бачимо, повітря потрібно дуже 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 в циліндрі і в атмосфері. Залежність виходить пряма - чим більше обсяг циліндра, тим більше кисню в нього потрапить на кожному циклі. Так і надходили американці, випускаючи величезні двигуни з запаморочливим витратою пального. А чи є спосіб загнати в той же обсяг більше повітря?
Вихлопні гази з двигуна обертають ротор турбіни, той, в свою чергу, приводить в рух компресор, який нагнітає стиснене повітря в циліндри. Перед тим як це станеться, повітря проходить через інтеркулер і охолоджується - так можна підвищити його щільність.
Є, і вперше придумав його пан Готтліб Вільгельм Даймлер. Цей німець досить непогано розумів в моторах і ще в 1885 році придумав, як загнати в них більше повітря. Він здогадався закачувати повітря в циліндри за допомогою нагнітача, який представляв собою вентилятор (компресор), який отримував обертання безпосередньо від валу двигуна і заганяв в циліндри стиснене повітря.
Ідея розумного швейцарця проста, як все геніальне. Як вітру обертають 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 турбонагнетатель 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 додатковий повітря в циліндри. Вся ця мудрована конструкція і називається турбокомпресор (від латинських слів turbo - вихор і compressio - стиснення) або турбонагнетатель.
У турбомотор повітря, який 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 гарячий.
Повітря, що проходить через турбіну, нагрівається від стиснення, а також від деталей турбонаддува, розігрітого вихлопними газами. Подається в двигун повітря охолоджують за допомогою так званого інтеркулера (проміжний охолоджувач). Це радіатор, встановлений на шляху повітря від компресора до циліндрів двигуна. Проходячи через нього, він віддає своє тепло атмосфері. А холодне повітря більш щільний - значить, його можна загнати в циліндр ще більше.
Чим більше вихлопних газів потрапляє в турбіну, тим швидше вона обертається і тим більше додаткового повітря надходить в циліндри, тим вище потужність. Ефективність цього рішення в порівнянні, наприклад, з приводним нагнітачем в тому, що на «самообслуговування» наддуву витрачається зовсім небагато енергії двигуна - всього 1,5%. Справа в тому, що ротор турбіни отримує енергію від вихлопних газів не за рахунок їх уповільнення, а за рахунок їх охолодження - після турбіни вихлопні гази йдуть як і раніше швидко, але більш холодні. Крім того, що витрачається 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. Здавалося б, ось воно, щастя. Але ж ні, не все так просто. Проблеми тільки почалися.
По-перше, швидкість обертання турбіни може досягати 200 тисяч обертів на хвилину, по-друге, температура розпечених газів досягає, тільки спробуйте уявити 1000 ° C! Що все це означає? Те, що зробити турбонаддув, який зможе витримати такі неслабкі навантаження тривалий час, дуже дорого і непросто.
З цих причин турбонаддув набув широкого 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 перші турбодизелі для своїх вантажівок. На серійних легкових машинах турбомотори з'явилися і того 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 трохи, ротор розкрутився слабо, і компресор майже не задуває в циліндри додаткове повітря. Тому буває, що до трьох тисяч обертів на хвилину мотор зовсім не тягне, і тільки потім, тисяч після чотирьох-п'яти, «вистрілює». Ця ложка дьогтю називається турбоями. Причому чим більше турбіна, тим вона довше буде розкручуватися. Тому мотори з дуже високою питомою потужністю і турбінами високого тиску, як правило, страждають турбоями в першу чергу. А ось у турбін, що створюють низький тиск, ніяких провалів тяги майже немає, але і потужність вони піднімають не надто сильно.
Майже позбутися турбоями допомагає схема з послідовним наддувом, 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 «заводили» грає приводний нагнітач.
На рядних двигунах часто використовується одиночний турбокомпресор twin-scroll (пара «равликів») з подвійним робочим апаратом. Кожна з «равликів» 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
Але частіше і раніше зустрічається пара однакових турбокомпресорів, паралельно обслуговують окремі групи циліндрів. Типова схема для V-образних турбомоторов, де у кожного блоку свій нагнітач. Хоча двигун V8 фірми M GmbH, який дебютував на автомобілях BMW X5 M і X6 M, оснащений перехресним випускним колектором, який дозволяє компресора twin-scroll отримувати вихлопні гази з циліндрів різних блоків, що працюють в протифазі.
Змусити турбокомпресор працювати ефективніше у всьому діапазоні оборотів, можна ще змінюючи геометрію робочої частини. Залежно від оборотів всередині «равлики» повертаються спеціальні лопатки і варіюється форма сопла. В результаті виходить «супертурбіна», добре працююча у всьому діапазоні оборотів. Ідеї ці витали в повітрі не один десяток років, але реалізувати їх вдалося відносно недавно. Причому спочатку турбіни із змінною геометрією з'явилися на дизельних двигунах, благо, температура газів там значно менше. А з бензинових автомобілів перший приміряв таку турбіну Porsche 911 Turbo.
Конструкцію турбомоторов довели до розуму вже давно, а останнім часом їх популярність різко зросла. Причому турбокомпресори виявилося перспективним не тільки в сенсі форсування двигунів, але і з точки зору підвищення економічності і чистоти вихлопу. Особливо актуально це для дизельних двигунів. Рідкісний дизель сьогодні не несе приставки «турбо». Ну а установка турбіни на бензинові мотори дозволяє перетворити звичайний на вигляд автомобіль в справжню «запальничку». Ту саму, з маленьким, ледь помітним шильдиком «turbo».
