Мечту автомобилиста ехать быстро, а топлива расходовать мало исполнят выхлопные газы
Бензиновые двигатели Ford EcoBoost оснащены прямым впрыском топлива и турбонаддувом. Технология Ford позволяет трёхлитровому V6 демонстрировать мощностные показатели уровня шестилитрового V8, а расход топлива при этом на 15% меньше. Фото: Dillon Bryden/FORD
На рубеже веков — настоящего и прошлого — технический прогресс в автомобильной индустрии заметно затормозился. Конечно, автомобили умнеют, обрастают средствами безопасности и учатся налаживать отношения с окружающей средой. А что касается двигателей, то от инженеров-мотористов никто не требует невозможного — всего лишь больше мощности и меньше расхода топлива. По отдельности это просто, но хотелось бы получить всё сразу и подешевле.
Прошлый век
В конце XIX века инженеры уже задумались, как повысить мощность автомобиля и сэкономить на топливе. Мощность двигателя тем больше, чем больше сгорит бензина за один цикл. Прибавить можно, к примеру, увеличив рабочий объём двигателя. Но можно увеличивать не объём, а плотность, но при этом одновременно вырастет и давление, и, значит, поршень уже не сможет сам засасывать горючую смесь, нужно её как-то туда доставить — например, стараниями разогретых выхлопных газов.
Немцы Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimler, 1834–1900) и Рудольф Дизель (Rudolf Diesel, 1858–1913) экспериментировали с компрессией горючей смеси и обнаружили, что повышение давления воздуха перед смешиванием его с топливом значительно увеличивает степень сгорания последнего и приводит тем самым к росту мощности двигателя. Но патент на принцип турбонаддува впервые выдало патентное бюро США, и получил его швейцарский инженер Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) в 1911 году. Именно он первым успешно осуществил нагнетание давления в автомобильных двигателях при помощи выхлопных газов, увеличив при этом мощность мотора на 40%.
Первыми «испытателями» турбонаддува стали грузовики, в 1938 году. Пионерами среди легковых автомобилей, оснащённых турбинами, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок только в 1962–1963 годах. Несмотря на очевидные технические преимущества турбонаддува, на легковых автомобилях ясно проявились главные его недостатки, о которых будет сказано ниже. Долгое время было непонятно, как с ними бороться.
Ещё одно знаменательное событие в истории развития турбонаддува произошло с появлением Mercedes-Benz 300 SD в 1977-м — первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбомотором. Позже за одним «немцем» последовал другой — Volkswagen Turbodiesel.
Автомобиль Mercedes-Benz 300 SD с дизельным турбомотором 1977 года выпуска создавался немцами исключительно для экспорта в США и Канаду — там как раз очень любили большие и мощные авто. Фото: Daimler AG
Основы надувательства
Метод турбонаддува основан на использовании энергии того, что уже было в употреблении — выхлопных газов. Покидая двигатель, они попадают на турбинное колесо, передающее затем энергию компрессорному колесу, которое сжимает воздух и загоняет его в двигатель. А для того чтобы воздуха в цилиндры поместилось ещё больше, используют интеркулер — своего рода радиатор, который охлаждает поступающий воздух, что опять же позволяет повысить его плотность при том же давлении.
Несмотря на то, что непосредственной связи между турбиной и коленчатым валом двигателя нет, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов мотора. Чем выше частота вращения коленвала, тем больше выхлопных газов, и тем быстрее они движутся. Соответственно, турбина раскручивается сильнее, и сильнее сжимается воздух перед попаданием в цилиндры двигателя.
У турбонаддува есть недостатки, основной из которых, пожалуй, — заметное запаздывание увеличения мощности при нажатии на педаль газа. Этот эффект называют «турбоямой» или «турболагом». Он происходит именно из-за отсутствия непосредственной связи между турбиной и коленвалом. Водитель жмет на газ, но мощность двигателя вырастает только тогда, когда выхлопные газы в достаточной степени раскрутят колесо турбины. А потом усилие от него должно раскрутить колесо компрессора. Вообще-то, задержка в реакции на увеличение подачи топлива есть у любой машины. Но для легковой — это более критичный показатель. У грузовых с ним ещё можно мириться. Поэтому грузовики, оснащённые турбинами, делали уже в 30-е, а с легковыми тянули до 70-х.
Двигатель с турбонагнетателем может развивать на 40% большую мощность, чем без него. Естественно, что турбодвигатели оказываются ещё и более экономичными. И без того невысокий КПД двигателя внутреннего сгорания дополнительно падает у небольших двигателей из-за того, что на единицу объёма приходится слишком большая площадь внешней поверхности и происходит дополнительное рассеяние тепла. Поэтому на компактных двигателях турбирование оказывается особенно эффективным.
В 2006 году на автосалоне в Женеве компания Porsche представила новую топ-модель 911 ряда — Porsche Turbo 911. 480 лошадиных сил при 6 000 об/мин. Это примерно на 60 сил больше, чем у предшествующего варианта. Авто оснащается двигателем с нагнетателем с изменяемой геометрией. Иллюстрация: Dr. Ing. h.c. F. Porsche AGПеременчивая геометрия
Одним из первых серийных автомобилей, в котором удалось успешно справиться с турбоямой, стал спортивный Porsche 911 Turbo. В нём появилась система с переменной геометрией турбонаддува (VTG, Variable Turbine Geometry). Её конструктивной особенностью стало то, что специальными подвижными направляющими «дозировалось» давление выхлопных газов на крыльчатку в зависимости от степени нажатия педали газа. Благодаря этому колесо турбины начинает вращаться быстрее ещё до того, как вырастает количество и скорость выхлопных газов.
Специальный механизм меняет угол атаки всех десяти (ровно столько их в моторе Porsche) направляющих. Этот режим турбокомпрессора особенно актуален в зоне низких оборотов мотора — двигатель становится более отзывчивым и тяговитым. А когда двигатель выходит на более высокие обороты, «крылышки» располагаются уже под большим углом к касательной, ближе к радиальному направлению. Теперь поток газов, достигающий крыльчатки турбины, «осаживается»: во-первых, увеличивается проходное сечение, а во-вторых, «крылышки» направляют поток ближе к оси турбины, что уменьшает усилие на лопатки.
Как правило, турбонагнетатель небольших размеров увеличивает крутящий момент двигателя на сравнительно низких оборотах, а большая турбина — в зоне более высоких оборотов. А система VGT позволила растянуть горизонтальную «полку» крутящего момента от 1950 до 5000 об/мин, то есть сделать его предельно тяговитым в очень широком диапазоне оборотов. Причём момент у шестицилиндрового мотора объёмом 3,6 л более чем впечатляет — 620 Н×м.
Турбонаддув + непосредственный впрыск
Такой тандем — турбонагнетатель с непосредственным впрыском топлива — активно используют компании Audi (технология TFSI) и Ford (EcoBoost). По сравнению с традиционными атмосферными двигателями V6, четырёхцилиндровый двигатель Audi 2,0 TFSI с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом, имеющий те же динамические показатели, потребляет на 10–15% меньше топлива.
Соединив турбонаддув и непосредственный впрыск топлива, инженеры добились увеличения мощности и улучшения динамических показателей при уменьшении расхода топлива. Технология непосредственного впрыска и турбонаддув прекрасно сочетаются благодаря тому, что испарение топлива внутри камеры сгорания двигателя забирает тепло из всасываемого воздуха. Это позволяет повысить компрессию, значительно улучшив эффективность двигателя, и решить ещё одну проблему двигателей с турбонаддувом — повышенную склонность к детонации на высоких уровнях давления наддува.
Выпускной коллектор со встроенным турбокомпрессором обеспечивает высокую эффективность работы турбины посредством использования энергии выхлопных газов. Этим одновременно удается и повысить потолок мощности, улучшить откликаемость двигателя, сократить расход топлива, и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.
Два лучше, чем один
Эффективно бороться с турбоямой помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой турбокомпрессор, отвечая за «насыщенность» тягой низких оборотов, а на высоких оборотах начинает работать второй, покрупнее. В XX веке такого рода наддув использовался на Porsche 959, а сегодня так борются с «турбо-паузой» турбодизели BMW и Land Rover, а также бензиновые моторы Volkswagen, правда, в них функции небольших турбин отведены компрессорам, или механическим нагнетателям.
Двигатель TwinPower Turbo с технологией двойного наддува Twin Scroll Twin Turbo и запатентованным концерном BMW общим выпускным коллектором особой конструкции. Оба турбонагнетателя вместе с катализаторами расположены в V-образном пространстве между рядами цилиндров, что позволяет разместить впускные и выпускные каналы таким образом, что их длина уменьшается при одновременно большем поперечном сечении. Благодаря этому значительно уменьшаются потери давления на стороне выпуска отработавших газов. Фото: BMW AG
В этом году были анонсированы новые турбонагнетатели от компаний BMW и Opel. В них применена пара турбин различного размера и производительности. Одна, малая турбина, обладает более быстрой реакцией и позволяет добавить мощности на малых оборотах (до 1800 об/мин.). На средних оборотах (до 3000 об/мин.) подключается вторая, большая турбина, которая трудится в одиночку на высоких оборотах.
На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор с двойным рабочим аппаратом. Но чаще встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Такая схема типична для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель.
Наддувное будущее
Есть в автомобильном мире традиция — каждый год выбирать лучший мотор, созданный в течение последних 365 дней. Последние два года гран-при в этом соревновании достается 1,4-литровому мотору TSI Twincharger от Volkswagen. Сравнительно небольшой по объёму двигатель оснащён двумя компрессорами, которые выводят его мощность на уровень 2,0–2,4-литровых атмосферных (то есть, не имеющих турбонаддува или компрессора) моторов. Небольшой по объёму двигатель 1,4 TSI может выдавать от 140 до 170 л.с.
Впрочем, это не единственный «турбопризёр» в конкурсе силовых агрегатов 2010 года. В различных номинациях выиграли пять разных наддувных моторов производства VW, BMW и FIAT. Среди номинантов количество атмосферных двигателей в разы меньше тех, в которых использованы компрессоры и турбонагнетатели.
Тем не менее своего рода сенсацией стало признание лучшей новинкой года моторчика Fiat 1.4 MultiAir Turbo, которым оснащаются Alfa Romeo MiTo и Giulietta. Он обошёл 4,5-литровый V8 от Ferrari 458 Italia и ещё один компактный турбоагрегат немецкого автогиганта Volkswagen: объёмом 1,2 TSI. Как ни странно, этот малообъёмный двигатель (мощность варьируется от 86 до 105 л.с.) без труда приводит в движение немаленький Škoda Octavia и Yeti, а также Volkswagen Golf.
А самым компактным двигателем-номинантом с наддувом стал 1,0-литровый 85-сильный агрегат производства Mitsubishi, устанавливаемый на Smart Fortwo.
Новинка Пекинского автосалона 2010 года — концепт Ford Start. Автомобиль получил экономичный однолитровый трёхцилиндровый двигатель EcoBoost с уровнем выбросов менее 100 г/км. Характеристики этого двигателя сопоставимы с безнаддувными 1,6 литровыми «четвёрками». Агрегат работает в паре с шестиступенчатой механической коробкой передач. Фото: Ford Motor Company
Пожалуй, именно тандем «небольшой мотор + турбонаддув» можно считать самым перспективным направлением в развитии европейского автомобилестроения. В малых по объёму камерах сгорания трудно расходовать много топлива, но в то же время турбонаддув обеспечивает прирост в мощности и крутящем моменте, достаточный для динамичного передвижения седанов малого среднего класса, небольших кроссоверов и даже компактвэнов. Кроме того, снижение расхода топлива отзывается и уменьшением выбросов в атмосферу, что особо радует европейцев, которым приходится платить повышенные сборы за недружественные к окружающей среде автомобили.
