Турбо: история и современность
Автомобильный двигатель с принудительным наддувом воздуха – экзотика, атрибут исключительно «суперкаров», «пожиратель топлива», «головная боль» автовладельца и работников автосервиса. Насколько справедливы эти устоявшиеся представления?
Действительно, отношение к моторам с принудительным наддувом, мягко говоря, неоднозначное. И не только у рядовых автолюбителей, но и в среде специалистов, занимающихся обслуживанием и ремонтом автомобильных двигателей. Более того, сами разработчики моторов далеко не сразу сумели правильно оценить перспективность применения наддува и разработать эффективную технику для легкового автотранспорта. Подтверждением этому служит долгая и бурная история наддува ДВС, полная достижений и провалов.
Турбоистория
История наддува так же стара, как и история самих двигателей внутреннего сгорания. Известно, что оба «прародителя» современных ДВС, и Готлиб Даймлер, и Рудольф Дизель, отчетливо представляли, что предварительное сжатие воздуха, поступающего в цилиндры, позволяет получить прибавку в мощности. Оба еще в конце 19-го века предпринимали попытки применить наддув в конструкции своих двигателей и оба потерпели неудачу. Что касается эффективной мощности, она действительно возрастала, но на КПД «первобытных» бензиновых и дизельных моторов наддув сказывался отрицательно. Это сейчас понятно, что виноват был не сам принцип наддува, а его реализация. Тогда же результаты экспериментов дали основание сделать отрицательный вывод о пользе применения наддува. Дизель был наиболее категоричен и назвал воздействие предварительной компрессии на работу двигателя чрезвычайно вредным.
Неудачи первых экспериментов надолго отодвинули идею предварительного наддува. Робкие попытки вернуться к ней предпринимались еще до начала Первой мировой войны. Бензиновые двигатели с наддувом изредка появлялись на гоночных автомобилях и тепловозах. Война активизировала разработки в этой области, и наддувные авиационные моторы помогали самолетам компенсировать потерю мощности из-за уменьшения плотности воздуха при полетах на больших высотах. Усилиями немецкой фирмы MAN в середине 20-х годов были разработаны первые дизельные двигатели с наддувом. Применялись они в основном на судах, в том числе, подводных лодках, и локомотивах.
Одной из причин, сдерживавших распространение ДВС с принудительным наддувом, был продолжительный поиск конструкторами оптимального способа его реализации. Вначале «эпохи наддува» и на протяжении 20-30-х годов для предварительного сжатия воздуха в ДВС применялись механические нагнетатели, компрессоры. Соответственно, моторы с механическим наддувом назывались компрессорными. Для компрессорного наддува использовались устройства различной конструкции: шиберные, поршневые, винтовые, центробежные, типа Рутс и их комбинации.
Механические нагнетатели получили распространение вследствие того, что существовавшие в те времена технологии позволяли освоить их промышленное производство. Компрессоры неплохо справлялись с задачей повышения литровой мощности как бензиновых, так и дизельных двигателей, но имели один существенный недостаток. Для привода самого компрессора требуется мощность. Ее механические нагнетатели отнимают у двигателя, что не способствует увеличению его КПД. Несмотря на это, период с середины 20-х и по 50-е годы прошлого века прошел под знаменем господства механического наддува. Естественно, он применялся, прежде всего, там, где фактор экономичности стоял на последнем месте, а именно, в спорте, как автомобильном, так и мотоциклетном.
Более полувека тому назад конструкторам удавалось создавать спортивные компрессорные моторы, выходные характеристики которых и сегодня кажутся фантастическими. Так, в начале 50-х фирма Alfa Romeo разработала ставший впоследствии знаменитым двигатель Alfetta. Восемь цилиндров в ряд со скромным суммарным рабочим объемом всего в 1,5 л развивали феноменальную мощность до 425 л.с! Огромная удельная мощность в 285 л.с./л достигалась благодаря двум, расположенным последовательно, рутс-нагнетателям. То, что было приемлемо для спортивных автомобилей, не очень хорошо по вышеупомянутой причине вписывалось под капот серийного автомобиля с его небольшим двигателем. Тем не менее, компрессорные моторы применялись на некоторых моделях Aston Martin, Jaguar, Mercedes-Benz, VW.
Итак, в первой половине 20-го века в двигателях с принудительным наддувом воздуха «правили бал» механические нагнетатели, компрессоры. Тем временем, в тени их славы тихо и незаметно родился и возмужал их конкурент, которому предстояло сыграть революционную роль в деле наддува ДВС. История свидетельствует, что в 1905 году выпускник Швейцарского технического университета Альфред Бюхи получил от Федерального патентного ведомства США свой первый патент. Патент касался принципа предварительного сжатия рабочей среды поршневой машины за счет частичного использования энергии отработавших газов. Впоследствии Бюхи запатентовал еще несколько изобретений, в том числе, конструкцию устройства, объединявшего на одном валу крыльчатки компрессора и турбины, работающей на выхлопных газах двигателя. Так родилась идея газотурбонагнетателя или турбокомпрессора.
Инкубационный период» этого изобретения длился очень долго. Первое практическое применение турбонаддува на транспортных двигателях состоялось лишь в 1925 году. Турбонагнетатели прошли примерно такой же путь, как и компрессоры. Вначале они применялись на судовых двигателях, в конце 30-х – на моторах грузовиков. Дебют турбокомпрессоров на серийных легковых автомобилях состоялся гораздо позже, лишь в начале 60-х, когда концерн General Motors представил на рынок две модели автомобилей с турбонагнетателями: Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire. Как оказалось, их премьера было несколько преждевременной. Большой расход топлива, невысокий крутящий момент и низкая надежность турбомоторов привели к тому, что через год эти модели были сняты с производства, дискредитировав идею турбонаддува.
Несмотря на кажущуюся простоту самой идеи и конструкции газотурбонагнетателя, создание работоспособных агрегатов турбонаддува вкупе с устройствами регулирования – задача непростая. Ее решение требует глубоких теоретических и прикладных исследований, а также применения высокотехнологичных процессов в производстве. Представьте, вал турбокомпрессора вращается с частотой 200 000 мин-1 и даже больше. То есть, пока вы делаете один вдох, турбонагнетатель совершает более 3 000 оборотов! При этом температура крыльчатки турбины, взаимодействующей с выхлопными газами, «зашкаливает» за тысячу градусов, в то время как с другой стороны небольшого вала, в зоне крыльчатки компрессора она раз в пять меньше. Понятно, что даже обеспечение работоспособности такого устройства – проблема, не говоря уже о ресурсе в 200-300 тысяч километров пробега автомобиля
И все же проблемы применения турбонаддува в двигателях легковых автомобилей постепенно решались. Достаточно компактное устройство, к тому же утилизирующее «дармовую» энергию выхлопных газов, обеспечивало немалые преимущества: небывалый рост удельной мощности и крутящего момента, которые зачастую было невозможно достичь другими способами. Именно эти факторы имели первостепенное значение в середине прошлого века. Как многие другие технические новации, турбонаддув прокладывал себе дорогу в «серию» через автоспорт. Гонки «Формулы-1», соревнования в Индианаполисе, на которых апробировалась турботехника, стали важным этапом ее опытной отработки и доказали, что расчет на турбонаддув оправдан.
Из спорта газотурбонагнетатели пришли на легковые автомобили. Первопроходцем в практическом применении турбонаддува стала немецкая фирма Porsche cо знаменитой моделью 911 Turbo, сошедшей с конвейера в 1975 году. За Porsche последовали такие автопроизводители, как Alfa Romeo, Audi, BMW. Общепризнан тот факт, что наибольший вклад во внедрение турбонаддува в практику серийного производства автомобильных двигателей внесла шведская фирма SAAB. Свой первый автомобиль с турбированным мотором, SAAB 99 Turbo она представила в 1977 году, а к массовому применению турбокомпрессоров приступила с 1984 года. До 1990 года порядка 80% автомобилей SAAB оборудовались системой турбонаддува. С 1996 года их доля возросла до 95%. SAAB знаменит не только тем, что делает ставку на «турбо» и играет роль первопроходца в этой высокотехнологичной отрасли. Его новые разработки, о которых будет сказано ниже, позволили по-новому взглянуть на место турбонаддува в современной автотехнике и понять, что наддув не всегда тождественен росту мощности.
Серийный выпуск турбодизелей первой освоила фирма Mercedes-Benz в 1978 году. Позже этим направлением активно занялись французские моторостроители, Peugeot и Citroen. Таким образом, к началу 80-х годов в линейке практически каждого автопроизводителя легковых автомобилей присутствовали одна или несколько моделей с турбодвигателем. В то же время, механические нагнетатели сдали свои позиции, хотя говорить о бесперспективности их применения на небольших ДВС пока преждевременно.
Турбосовременность
Прогресс турботехники привел к тому, что в настоящее время доля легковых автомобилей с турбированными моторами составляет примерно половину от общего числа машин в возрасте до 5 лет и продолжает увеличиваться. Из них порядка 20% - бензиновые автомобили, остальные – дизельные. Такое соотношение не случайно. Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Чем же в наши дни так привлекает моторостроителей столетняя идея турбонаддува двигателей?
Турбодвигатель, как уже не раз упоминалось, – это высокая удельная мощность и крутящий момент. Взглянув на этот неоспоримый факт с другой стороны, становится понятно, что использование турбонаддува дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата (с любым уровнем мощности) при меньших габаритах и массе, чем в случае применения «атмосферного» двигателя. Отсюда вытекает еще одно немаловажное следствие.
Турбодвигатель – это лучшая топливная экономичность. Более компактный мотор при одинаковой мощности эффективнее расходует топливо. У него меньше теплоотдача, насосные потери и потери на трение. Экономии топлива способствует и более высокий крутящий момент турбомоторов в области низких частот вращения. Для достижения равной динамики ускорения автомобиль с таким мотором приходится меньше «пришпоривать» педалью акселератора. В конце концов, автомобиль с компактным мотором просто легче. Вследствие лучшей экономичности достигается еще одно преимущество турбодвигателей. В последние два-три десятилетия оно приобрело особое значение.
Турбодвигатель – это лучшие экологические показатели. Меньшее потребление топлива «при прочих равных» означает меньшие суммарные выбросы вредных веществ. На ту же мельницу льют воду еще несколько позитивных следствий применения принудительного наддува. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования окислов азота. В бензиновых моторах наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, то есть бороться с выбросами частиц сажи. Вообще, нужно сказать, что для дизельных двигателей турбонаддув явился своего рода панацеей. Если бы не он, что бы позволило дизелям получить удельную мощность, характерную их бензиновым конкурентам? А об экологии и говорить не приходится. Не было бы наддува, известные проблемы с применением на дизелях каталитических нейтрализаторов просто закрыли бы им дорогу в будущее. Атмосферные дизели с трудом дотягивают до норм Евро-2. В силу указанных причин безнаддувные дизели, как легковые, так и грузовые, «канули в Лету», уступив место турбодизелям. Осталась еще одна, довольно веская причина экспансии турбомоторов в легковую автотехнику.
Турбодвигатель – это лучший комфорт. Компрессор со стороны впуска и турбина в выпускной системе существенно снижают шумность двигателя и обеспечивают акустический комфорт. Он дополняется большим удобством управления автомобилем. Высокий, равномерно распределенный по частоте вращения крутящий момент придает двигателю большую эластичность.
Отмеченные преимущества турбодвигателей были убедительно продемонстрированы на практике. В конце 1996 года SAAB представил новое поколение автомобилей высшего класса SAAB 9-5. Все его представители оснащаются исключительно бензиновыми турбодвигателями семейства Ecopower. Разные по конструкции и уровню мощности (две рядные «четверки» объемом 2,0 и 2,3 л и V-образная 3-литровая «шестерка») двигатели объединяет то, что в них применен так называемый «мягкий наддув». Турбокомпрессоры обеспечивают во впуске небольшое избыточное давление (от 0,25 до 0,55 бар). Главным образом благодаря этому крутящий момент всех двигателей достигает максимума уже при частоте вращения 1800-2100 мин-1. При этом все они отличаются экономичностью и соответствуют последним экологическим стандартам. Так турбонаддув послужил не столько увеличению мощности, сколько оптимизации двигателей в интересах комфорта и окружающей среды.
Производство турбодвигателей осваивает не только SAAB. По данным крупнейшего производителя турботехники, фирмы Garrett, только в 2003-2004 годах ее изделия применялись 28 автоконцернами на 80 моделях автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями. И это лишь легковые автомобили. Что касается коммерческого транспорта, то здесь уже давно господствуют турбодизели. Приведенные соображения убеждают в том, что турбодвигатели – отнюдь не экзотика. По мнению компетентных специалистов, будущее автомобилестроения неразрывно связано с турбированными моторами, и оно наступает уже сейчас.
Что касается собственно турботехники, ее разработка и производство выделились в отдельную отрасль промышленности. Дело это не простое и требует особых знаний и технологий. Занимаются им отнюдь не автоконцерны, а ряд специализированных фирм. Некоторые из них имеют в этой области опыт, исчисляющийся многими десятилетиями. Абсолютный лидер в деле разработки и производства турбокомпрессоров – известная американская фирма Garrett. Ставшая в 1999 году частью международного концерна Honeywell, она получила новое название Honeywell Turbo Technologies, оставив прежнее имя в качестве торговой марки. Ее продукция – сотни турбосистем для двигателей с рабочим объемом от … до …Второе место по объемам производства занимает немецкая компания Borg Warner Turbosystems, которая после слияния с фирмами KKK, Schwitzer и Hitachi также владеет и этими брэндами.
Английская компания Holset специализируется на агрегатах турбонаддува для коммерческих автомобилей. Из производителей автомобилей лишь концерн Mitsubishi имеет в своей структуре предприятие по производству турбокомпрессоров. Фирма MHI полностью обеспечивает турбокомпрессорами потребности Mitsubishi, а также поставляет несколько моделей для моторов Volvo и BMW. Даже такой «монстр» как Toyota c 2001 года практически отказалась от изготовления турбокомпрессоров и перешла на использование изделий Garrett. Оставшаяся часть турбо-рынка закрывается мелкими фирмами, а также продукцией, выпускающейся известными производителями для крупных клиентов под другими торговыми марками.
Сергей Самохин, ТурбоМастер.ру
