Кто придумал турбину на двигатель?

История автомобильной турбины – от изобретений Бючи до современности

Опубликовано Master в 7 марта, 2019

История автомобильной турбины – это история изобретения, почти такого же старого, как двигатель внутреннего сгорания и сам автомобиль. Давайте пройдемся по ретроспективе и проследим этапы жизни одного из самых известных, увлекательных и полезных изобретений в автомобильной сфере, которое после более чем 100 лет концептуально не изменилось. В статье будут раскрыты следующие тезисы:

Первые турбины Бючи

Турбина с наддувом (современный вариант турбокомпрессора) был изобретен швейцарским инженером Альфредом Дж. Бючи, который работал над паровыми турбинами. В 1905 году Бючи ​​подал патент на первую концепцию турбокомпрессора с приводом для отработанных газов – в механизме турбина и компрессор были механически связаны. Первые турбокомпрессоры были разработаны Бючи между 1909 и 1912 годами в исследовательском отделе Sulzer Brothers, специализированном экспериментальном центре города Винтертур, Швейцария.

В 1910 году был сконструирован первый двигатель с турбонаддувом: это был двухтактный двигатель компании Murray-Willat, производителя двигателей для самолетов, принявшего опыт инновационного изобретения инженера Бючи. Однако первый самолет, который начал летать в небе во время I мировой войны и приводимый в движение двигателями внутреннего сгорания, испытал значительное падение мощности на большой высоте из-за уменьшения плотности всасываемого воздуха, ограничивающего высоту полета.

Турбокомпрессор Бючи компенсировал разрежение воздуха, и, казалось, имел место для зарождающейся авиационной промышленности. В 1918 году специалист Сэнфорд Мосс из General Electric применил турбокомпрессор к двигателю для самолета «V12 Liberty» и проверил его в городе Пайкс-Пик, штат Колорадо, на высоте около 4600 м. С турбонаддувом мощность двигателя возросла до 377 лошадиных сил.

Срок службы первого дизельного двигателя с турбонаддувом был дольше: только в 1915 году Бючи ​​сделал первый прототип, но он оказался недостаточно эффективным для поддержания адекватного давления наддува. Несмотря на некоторые ложные шаги и неуверенность в отношении этого нововведения, в области аэронавигации всё же были побиты рекорды высоты (до 1000 м). В 1925 году успешно применено на двух немецких судах дизельный двигатель с наддувом, который развил мощность 2000 лошадиных сил. В результате, многие инженерные компании Европы, США и Японии приобрели лицензию Бючи.

В 1930-х годах турбокомпрессоры с осевыми турбинами использовались в кораблях, железнодорожных вагонах и многих стационарных установках. В 1936 году Дж. К. Гарретт основал корпорацию Garrett, которая в ближайшие годы станет одним из крупнейших и наиболее важных производителей турбокомпрессоров.

Схема турбины с наддувом

Во время II Мировой Войны скоростные реактивные самолеты вытеснили самолеты с поршневыми двигателями: появление газовых турбин принесло большие достижения в технологии материалов и дизайна, что имело положительные последствия и в области турбин. Новые материалы, более устойчивые к высоким температурам выхлопных газов, и новые технологии обработки позволили разработать радиальные турбины, меньшие и легче, чем осевые, которые лучше подходили для двигателей небольших автомобилей. Именно тогда турбокомпрессор спустился с неба, чтобы покорить землю.

История автомобильной турбины

Начиная с 1950-х годов, крупные производители двигателей, такие как Volvo, Scania и Cummins, начали экспериментировать с двигателями с турбонаддувом для грузовых автомобилей, поставляемых Elliot и Eberspächer. Но эти ранние проекты были неудачными. Немецкий инженер Курт Бейрер разработал новый, более компактный дизайн, который впоследствии был принят корпорацией Schwitzer. Таким образом, в 1954 году и Cummins, и Volvo смогли предложить широкий ассортимент турбодизельных двигателей.

Как часто случается в автомобильном мире, стартовое применение нового устройства случилось на соревновании. В 1952 году первый автомобиль, оснащенный дизельным двигателем с турбонаддувом от компании Cummins, появился на гонке Indianapolis 500. Машина оставалась во главе гонки первые 160 км, пока кусок шины не повредил турбокомпрессор.

Переход турбокомпрессора с гоночных трасс на дорогу состоится только в 1962 году в США благодаря двум автомобилям группы General MotorsOldsmobile «Jetfire» и Chevrolet «Corvair Monza». «Jetfire» был оснащен алюминиевым двигателем V8 (8 цилиндров) мощностью 3,5 и 215 л.с., а «Corvair Monza» плоским 6-цилиндровым двигателем мощностью от 2,7 до 150 л.с.

Автомобиль Jetfire от General Motors

Jetfire, чтобы ограничить явление детонации – основного технического ограничения двигателей с наддувом со степенью сжатия 10,25:1, был оснащен необычной системой впрыска смеси воды и метилового спирта, содержащейся во вспомогательном баке. Смесь впрыскивалась во впускные каналы в моменты, когда требовалось больше энергии – в зависимости от стиля вождения литр жидкости мог преодолевать расстояние от 360 до 3200 км. Машине Corvair, с задним двигателем с воздушным охлаждением, повезло гораздо больше, она оставалась на рынке пять лет, продано 50 000 автомобилей.

Автомобиль Chevrolet Convair Monza

Турбины вновь появились на серийных автомобилях в 70-х годах, но уже в Европе. Возрождение было проведено компанией BMW со знаменитым «2002» 1973 года (170 л.с. и 2 л), а затем Porsche с 1974 годом «911 Turbo» (260 л.с. 3 л). США, несмотря на первоначальные неудачи, вернулись к турбинам с автомобилем «Regal» Buick 1978 года. А вот первый дизельный двигатель с турбокомпрессором появился в Европе благодаря Peugeot «604» (выпускался в 1975-1985 гг.).

Peugeot 604 1978 года

Главной компанией Европы, которую действительно «беспокоил» автомобильный мир, была Renault. В 1977 году она открыла на чемпионате мира Формулы 1 то, что вошло бы в спортивную историю как «Турбо Эра». Вскоре за французским автогигантом последовали Honda, Ferrari, BMW, которые испытали шестицилиндровыми двигатели объемом 1,5 л с мощностью до 1500 л.с.

Ралли-машины также экспериментировали с «турбо-эффектом». Первой была Audi «Quattro Sport», а затем Lancia «Delta S4» (первый автомобиль в мире, который использовал двойную систему турбокомпрессора с объемным компрессором Volumex и турбокомпрессор KKK), Peugeot «205 T16» и многие другие. Их 2-литровые 4-цилиндровые двигатели были способны превышать мощность 600 л.с.

Совокупная эскалация сил, как на трассе, так и на дороге, не осталась незамеченной, в том числе из-за негативных последствий в вопросах безопасности. Управление авто с мощными двигателями без современных электронных средств может выйти за пределы возможностей лучших пилотов, поэтому различные федерации были вынуждены делать ставки. В «Формуле 1» сначала устанавливают ограничение на максимальное давление наддува, а с 1989 года полностью отказываются от турбодвигателей. В «Ралли» турбодвигатели по-прежнему присутствуют в высшей категории, но должны принять ограничение на потребление воздуха в турбонагнетателе, в результате чего мощность фактически снижается до 300 л.с.

В 1997 году, благодаря автомобилю Alfa «156», турбонаддув будет соединяться с дизельным двигателем.

Alfa Romeo 156 – 1999 года

Усовершенствование турбин в наши дни

Несмотря на то, что прошло более ста лет со дня изобретения, турбокомпрессор все еще является предметом серьезных усовершенствований. Техническое вмешательство сконцентрировано, прежде всего, на лопатках турбины и компрессора, которые представляют собой сердце этого устройства. Их правильная конструкция имеет основополагающее значение для хорошей работы турбокомпрессора.

Если внедрение мобильных лопаток для компрессора является реальностью, консолидированной годами (проще говоря «турбонагнетатель с изменяемой геометрией»), гораздо более свежим и сложным является внедрение этого решения на стороне турбины. Критичность заключается в том, что лопасти турбины поражены высокотемпературным выхлопным газом (около 1000°C). Первой машиной, которая приняла турбину с изменяемой геометрией, была Porsche с «911 Turbo» 2005 года.

Усовершенствованный Porche Turbo 911 (Turbo S) 2018 года

Помимо этих изощрений, турбокомпрессор возвращает моду на бензиновые двигатели. Благодаря этому можно использовать небольшие (и, следовательно, легкие) двигатели на широком диапазоне автомобилей, имея возможность рассчитывать на достаточный запас оборотов и мощности. Таким образом, производительность, удовольствие от вождения и экономичность, являются основными преимуществами современной автомобильной турбины.

Что такое турбонаддув

Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

Читайте также  Какая Разболтовка колес Ford Focus 3?

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, , температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Первый автомобиль с турбонаддувом

Oldsmobile Jetfire – первый серийный автомобиль с турбонаддувом! Oldsmobile Jetfire 1962-1963 годов – автомобиль «минувшего будущего». Могу поспорить, что люди, когда видели или слышали о его двигателе с системой турбонаддува, в ахали и охали, а девушки в шоке падали в обмарок. Оснащение автомобиля системой наддува – сегодня это простой и эффективный способ добавить автомобилю мощность без значительного негативного влияния на расход топлива. Идея прикрутить турбину к мотору автомобиля появилась еще в 1962 году. General Motors запустила в производство две модели автомобилей с турбонаддувом: 1962 Corvair Monza Spyder и 1962 Oldsmobile Jetfire. Если мне не изменяет память, это были самые первый серийные массовые автомобили, оснащенные системой турбонаддува.

Базой для Oldsmobile Jetfire послужил компактный двухдверный хардтоп F-85. Двигатель F-85 Cutlass – 3.5-литровый (215 куб дюйм) V8 – был оставлен без особых изменений внутри, но сверху к нему прикрутили турбонагнетатель Garrett, на который подовалась специальная жидкость “Turbo Rocket Fluid”. Эта жидкость предотвращала детонацию мотора V8 с высокой компрессией (10.25:1). В те времена, когда еще не было датчиков детонации, эта экстремальная смесь высокой компрессии (10.25:1) и турбонаддува могла окончиться печально для невнимательных водителей. Turbo Rocket Fluid от Oldsmobile представляла собой смесь дистиллированной воды, метанола и ингибитора коррозии. Подобная смесь использовалась (или до сих пор используется) в особо мощных двигателях для охлаждения камер сгорания и предотвращения раннего зажигания смеси. Для автомобилистов в 1962 году Turbo Rocket Fluid была чем-то из области научной фантастики, позволяющим разгонять автомобиль очень и очень быстро. Конечно, были и те лопухи, которые забывали доливать жидкость, но в этом случае турбонагнетатель переставал работать, дабы не причинить мотору вреда.
Первый автомобиль с турбонаддувом авто, turbo, турбина, oldsmobile

1963 Oldsmobile Jetfire For Sale

215ci. V8 all-aluminum motor

Jetfire также оснащался атмосферным мотором, тем же самым V-8 линейки F-85. Характеристики следующие – 3.5-литра (215 куб дюйм), 185 л.с. и 311 Нм момента. Jetfire Turbo Rocket V-8 с турбиной Garrett запросто поднял показатели мощности до 215 л.с. и 406 Нм при 3.200 об/мин. Дорожные тесты этого американского двухместного хардтопа показали разгон до «сотни» менее чем за девять секунд. В своей брошюре Oldsmobile описывали разгон автомобиля, как «захватывающее ускорение» с замечанием «исключительного подхвата на низах» и «постоянно ощущаемого разгона».

Хоть Jetfire и был невероятно крутым автомобилем с самым первым серийным турбонаддувом с жидким охлаждением (Turbo Rocket Fluid) и самым первым мотором V8 с турбонаддувом, автомобиль продержался на рынке всего 2 года. В 1962 году было продано 3,765 автомобилей, а в 1963 году 5,842 единицы. Но проблемы (в первую очередь возникающие из-за владельцев) погубили автомобиль.

Самая частая жалоба от владельцев была связана с «нехваткой мощности», но на сервисе оказывалось, что бачок для Turbo Rocket Fluid был пуст, а турбина автоматически отключалась в таком случае. Более предусмотрительные владельцы не водили автомобиль так жестко, чтобы постоянно доводить давление турбины до нужного уровня, что порой приводило к промерзанию турбины. Turbo Rocket V-8 нагревался и испытывал те же проблемы с охлаждением, что и его атмосферные варианты. Но в конечном счете, комплекс механизмов безопасности, используемые в системе турбонаддува на Jetfire, позволил укрепить веру в автомобиль и двигатель.
Первый автомобиль с турбонаддувом авто, turbo, турбина, oldsmobile
В ответ на все возникшие проблемы в 1965 году General Motors предложили всем владельцам турбированных Jetfire совершенно бесплатно заменить все турбо-примочки на консервативный карбюратор, атмосферные впускной и выпускной коллекторы, что решило бы все проблемы, загубившие автомобиль. Поскольку большинство владельцев воспользовались данным предложением, теперь очень сложно отыскать модель Jetfire с оригинальным двигателем Turbo Rocket V-8.
Первый автомобиль с турбонаддувом авто, turbo, турбина, oldsmobile
1962 Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket V-8 Commercial

В 1962-1963 Oldsmobile Jetfire был впереди своего времени, не смотря на то, что его покупатели не были. В 1980-х системы турбонаддува вернулись в автомобильный мир, как вполне жизнеспособная технология. Тогда системы наддува смогли закрепиться, ведь им в помощь пришли электронные системы управления двигателем. Сегодня же, турбированные двигатели стали настолько совершенными, что некоторые владельцы автомобилей даже и не подозревают, что у них автомобиль с наддувом.

Что касается Oldsmobile Jetfire и General Motors, GM вынесли хороший урок – технология может помогать продавать автомобили, но если она не становится проблемой для потребителя.

Турбонаддув — история изобретения и принцип работы

Под турбонаддувом принято понимать метод, основанный на агрегатном наддуве, который подразумевает использование отработанных газов в качестве источника энергии. При этом главным компонентом системы можно считать турбокомпрессор, а в некоторых случаях турбонагнетатель, оснащенный механическим приводом.

Экскурс в историю

Турбокомпрессоры стали известны в то время, когда создавались первые образцы тепловых двигателей, где энергия топлива преобразовывалась в механическую работу (ДВС). В период с 1885 по 1896 г. Рудольф Дизель вместе с Готлибом Даймлером проводил исследования, направленные на увеличение мощности, а также снижения затрат топлива, посредством сжатия воздуха, который нагнетался непосредственно в камеру сгорания.

Читайте также  Какой привод лучше на подъем?

При этом в 1905 г. произошло важное событие, обусловленное деятельностью инженера Альфреда Бюхи, который смог достичь глобального увеличения мощности (120%) с помощью процесса нагнетания выхлопных газов. Спустя шесть лет Бюхи получил патент, закрепивший метод турбонаддува.

Изначально турбокомпрессоры применяли в двигателях, отличавшихся серьезными размерами, например, устанавливаемые на кораблях. Что касается авиации, то турбокомпрессоры нашли свое применение еще на заре военного авиастроения, когда ими оснащались двигатели Рено, предназначенные для установки на истребителях. В дальнейшем развитие авиационных турбонагнетателей шло форсированными темпами. Так, в 1938 г. американцы оснастили турбонагнетателями двигатели истребителей и бомбардировщиков, а в 1941 г. был предложен проект истребителя P-47, имевший в своем составе турбонагнетатель, который значительно улучшал летные характеристики.

В свою очередь, автомобильная промышленность впервые стала эксплуатировать турбокомпрессоры на грузовых автомобилях. Значительно позже получили массовое распространение турбины, предназначенные для легковых автомобилей. На американский рынок уже в начале шестидесятых годов поступили две модели с турбодвигателями, которые достаточно быстро исчезли, так как наряду с техническими преимуществами уровень надежности был минимален.

Спустя десятилетие, турбодвигатели стали неотъемлемой частью автомобилей Formula 1, что сказалось на росте популярности турбокомпрессоров. Именно с этого времени приставка «турбо» вошла в обиход и стала модной. В основной своей массе производители автомобилей этого периода старались предложить на рынок хотя бы одну модель, оснащенную бензиновым турбодвигателем. Подобное положение вещей продолжалось относительно недолго, так как мода на турбодвигатели пошла на спад. В большей мере это связано с тем, что турбокомпрессор наряду с увеличением мощности также значительно увеличивал и расход топлива.

Реинкарнацией турбокомпрессора можно считать 1977 г., когда в массовое производство поступил Saab 99 Turbo. Через год на рынке появился Mercedes-Benz 300 SD, который стал первым автомобилем с турбодвигателем на дизельной основе. Затем последовала модель VW Turbodiesel, где турбокомпрессор увеличивал эффективность дизельного двигателя до планки бензинового агрегата, а потребление топлива значительно снижалось.

В принципе, дизельные двигатели отличаются высокой степенью сжатия, что соотносится с адиабатным расширением на рабочем ходе и предполагает более низкую температуру выхлопных газов. Это обстоятельство позволяет не выдвигать к жаропрочности турбины жесткие требования, что дает возможность удешевить конструкцию силового агрегата в целом. Данное условие объясняет тот факт, что турбины в основном устанавливают на дизельных двигателях, а не бензиновых.

Принцип работы турбонаддува

Основа турбонаддува – это обуздание энергии, которая создается с помощью отработавших газов. Крыльчатка турбины, закрепленная на валу, оказывается в области воздействия выхлопных газов, что приводит к ее раскручиванию совместно с лопастями компрессора, служащего для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя. В этом случае создаются условия, когда двигатель получает более значительный объем воздуха, смешанный с топливом. Это достигается благодаря тому, что воздух поступает в цилиндры под давлением, то есть принудительно, и в меньшей мере за счет разрежения, которое создается поршнем.

В основном турбодвигатели отличаются минимальным эффективным расходом топлива (г/(кВт·ч)), что соотносится с высокой литровой мощностью (кВт/л). При этом данные характеристики оказывают влияние на увеличение мощности мотора без повышения оборотов силового агрегата.

В связи с тем, что происходит значительное увеличение массы воздуха, которая подвергается сжатию в цилиндрах, происходит рост температуры, а это может послужить причиной детонации. Чтобы этого избежать, предусмотрены конструктивные особенности турбодвигателей, основанные на: уменьшении степени сжатия, применении высокооктановых марок топлива и использовании интеркулера, являющегося промежуточным охладителем наддувочного воздуха. Также для поддержания эффективности всей системы используется уменьшение температуры воздуха, что обусловливается необходимостью сохранения его параметра плотности в нужном значении, так как происходит нагрев воздуха от сжатия.

История создания турбин в автомобилях

Есть ли тот, кто ни когда не слышал волшебного слова «турбо»? На его фоне скучно звучат термины «механический компрессор» или, хуже того, «объемный нагнетатель». На деле — совсем не так. Рассказываем, как работает эта часть автомобиля.

    17.01.2020
  • / За рулем , Автоистория
  • / Яков Фрудгарт

Вместо вступления

Двигателестроители, начиная с Отто и Дизеля, всегда мечтали о максимально возможном наполнении цилиндров воздухом. Но, в таком случае, двигатель должен был бы сам себя «надувать» сжатым воздухом, чтобы не было лишних затрат энергии. Ведь чем больше в цилиндрах воздуха, тем больше энергии, что, в итоге, приводит к значительному приросту мощности и крутящего момента.

Естественно, изобретатели ухватились за идею использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха. Хотя все это звучит просто, но прошло много лет до тех пор, как эту идею смогли реализовать — турбокомпрессоры появились спустя сто лет после изобретения двигателя внутреннего сгорания.

Первым, кто описал и запатентовал принцип работы турбокомпрессора, был Альфред Бюхли в 1905 году. Инженеры никогда не сталкивались с нехваткой воздуха, ведь даже совсем небольшой компрессор может передать большое количество воздуха. Проблема была в том, как контролировать давление наддува между переключениями передач. Первоначально турбокомпрессоры устанавливались на самолеты и корабли — на этих транспортных средствах обороты двигателя изменяются плавно. Затем стали устанавливать турбокомпрессоры на дизельные двигатели. В пятидесятые годы нашего столетия устанавливать турбины начали и на гоночные автомобили, где скорость была примерно постоянна. В те же годы инженеры General Motors оснастили турбодвигателями и серийные модели, но тут же обнаружились «подводные камни»: при разгоне с малых оборотов компрессор реагировал очень медленно. Это явление и назвали «турболагом» или «турбоямой». На больших оборотах турбонагнетатели давали слишком большое давление.

К концу 60-х годов инженер из Швейцарии Михаэль Мэй выдвинул идею о том, что турбокомпрессоры нужно делать маленьких размеров, тогда они будут подавать меньшее количество воздуха с одной стороны, а, с другой стороны, маленький агрегат имел меньший вес, и, поэтому, обладал меньшей инертностью и быстрее реагировал на изменение скорости.

В это же время фирма Porsche тоже заинтересовалась идеей турбокомпрессора. Они совместно с фирмой ККК в начале 70-х годов и положили начало эры турбокомпрессоров в автомобилестроении. В турбодвигателях при нажатии на педаль акселератора давление должно было резко возрастать, а при отпускании педали — резко падать. Тогда поступили следующим образом: когда давление становилось большим, выхлопные газы пропускались мимо турбины. Таким обзором, когда дроссельная заслонка закрывается, стравливаются выхлопные газы, при этом крыльчатка турбокомпрессора еще вращается, но не в полную силу, и когда же давление наддува снова будет необходимо, перепускной клапан закрывается, и турбина быстрее раскручивается.

Было еще много других проблем, например, температура в турбокомпрессорах бензинового двигателя достигала 1000 градусов, но все эти проблемы были решены, и, в наше время, турбокомпрессоры честно служат на пользу человечества.

Давайте по пунктам

Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор работает как насос, к тому же весьма неэффективный – на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, извилины впускных каналов в бензиновых моторах, еще и дроссельная заслонка. Все это снижает наполнение цилиндра. Что же сделать, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном, тогда горючей смеси (для дизелей – воздуха) в цилиндре будет больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, повысится, вырастет и общая мощность двигателя.

Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm

Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики — обороты компрессора повышаются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, размеренно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные — их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя.

Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин. Стоит заметить что компания Mercedes- Benz одна из первых начала использовать компрессоры в своих автомобилях, причем предпочтение она отдала именно роторным конструкциям.

Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления – компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители – шведские компании Lysholm и Autorotor. Известны потребителю фирмы Kleemann, Whipple и пр. в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и так далее.

Механический нагнетатель

Механические нагнетатели применялись в автомобильных двигателях еще в 30-е годы, тогда их чаще всего называли компрессорами. Сейчас этот термин обычно относят к турбокомпрессорам, о которых речь пойдет ниже. Конструкций механических нагнетателей довольно много и интерес к ним разработчики проявляют до сих пор.

Нетипичные конструкции

Одна их них — волновой нагнетатель Comprex, он принадлежит фирме Asea-Brown-Boweri. Ротор этого компрессора имеет аксиально расположенные камеры или ячейки. При вращении ротора в ячейку поступает свежий воздух, после чего она подходит к отверстию в корпусе, через которое в нее попадают горячие газы из двигателя. При их взаимодействии с холодным воздухом образуется волна давления, фронт которой, движущийся со скоростью звука, вытесняет воздух в отверстие впускного трубопровода, к которому ячейка за это время успевает подойти. Поскольку ротор продолжает вращаться, отработавшие газы в это отверстие попасть не успевают, а выходят в следующее по ходу ротора. При этом в ячейке образуется волна разряжения, которая всасывает следующую порцию свежего воздуха и т. д.

Еще одна не совсем обычная конструкция – это спиральный или G-образный (по форме буквы G, напоминающей спираль) нагнетатель. Идея запатентована еще в начале столетия, но из-за технических и производственных проблем на выпуск такого нагнетателя долго никто не решался. Первой, в 1985 году, была фирма Volkswagen, которая применила его на двигателе купе Polo (1,3 л, 113 л. с.). В 1988 году появился более мощный нагнетатель G60, которым в течение нескольких лет комплектовались двигатели Corrado и Passat (1,8 л, 160 л. с.,), а Polo G40 выпускался вплоть до 1994 года.

Читайте также  Что дороже рубин сапфир или изумруд?

Схематично конструкцию G-образного нагнетателя можно представить в виде двух спиралей, одна из которых неподвижна и является частью корпуса. Вторая, вытеснитель, расположена между витками первой и закреплена на валу с эксцентриситетом в несколько миллиметров. Вал приводится от двигателя ременной передачей с отношением около 1:2

Вместо выводов

Турбокомпрессор, по большому счету – это тот же центробежный компрессор, но с преимущественно иным приводом. Частота вращения может быть более 200.000 об./мин. Несомненный его плюс – это повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же применяет энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус – инерционность: «вдавил» резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, умножится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя, и, наконец, «пойдёт» воздух. Но с этим явлением, называемой «турбо-ямой» (по-английски turbo-lag, что правильнее было бы перевести как турбо-задержка или турбо-пауза), научились бороться.

Вследствие этого, кроме агрегата наддува под капотом «поселились» два перепускных клапана: один для отработавших газов, а другой для того, чтобы перегонять излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа уменьшается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды – это время закрытия клапана.

Сегодня стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея давняя, а вот воплотить ее долго не могли — в качестве примера назовем новейший агрегат наддува «опелевских» дизелей «Экотек».

Еще одна проблема применения турбин – это их маленький срок жизни, хотя в последнее время удалось значительно увеличить это время. Частота вращения ротора турбины должна быть очень велика – 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, какие смазывались маслом под давлением. Изнашивание таких подшипников скольжения было, конечно, велико, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли не так давно, когда удалось создать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ, и тогда машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно изумления не применение керамики – подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя не нужен! На очереди – металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да и к тому же обладает меньшим моментом инерции.

По своему воздействию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор схож с механическим центробежным. Но «опосредствованная» система привода позволяет настраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно «маломерных» двигателях Volvo, Volkswagen или Saab.

Что касается «битурбо» и «твинтурбо», то вместо одной турбокомпрессорной установки здесь используются две – параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном наддуве можно по- разному, добиваясь нужной конечной характеристики.

Ротор турбокомпрессора, к сожалению, нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне порезче надавит на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: нужно будет ждать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Следовательно, турбину следует сделать как можно мельче по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: остаётся только умножать обороты, хотя и тут есть ограничение – на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в параллель.

Тысяча градусов под капотом: как появились и почему вымерли газотурбинные легковушки?

Благодаря бесспорным успехам мощных газотурбинных силовых агрегатов они давным-давно вытеснили поршневые двигатели из многих смежных отраслей хозяйства и воздушного транспорта. Что же касается легковых автомобилей, то «газотурбинная эйфория», родившаяся вскоре после Второй мировой войны, через двадцать с небольшим лет тихо и навсегда скончалась, оставив истории лишь несколько единичных образцов столь необычной техники.

Это незаметное для мировой автомобильной индустрии событие выглядело тем более странным, что создание самоходных повозок с газотурбинными устройствами началось ещё в конце XVII века, и в дальнейшем, вплоть до 1950-х годов, их неспешно доделывали, превратив в особые компактные «моторы» для транспортных нужд. Примером уникальной самодвижущейся древности с такого рода «двигателем» считается тележка с паровым котлом, которую в 1672 году изобрёл фламандский миссионер и учёный Фердинанд Вербист. Его идея заключалась в направлении струи горячего пара на горизонтальное колесо с лопатками, приводившее в движение два передних колеса.​

Макет самоходной повозки Фердинанда Вербиста с древним прообразом газотурбинной установки

Так что же это за уникально простой, компактный и мощный газотурбинный двигатель (ГТД) в одновальном исполнении для легковушек? В обобщенной конструктивной схеме он снабжался радиальным компрессором, засасывавшим воздух в камеры сгорания, куда впрыскивалось недорогое жидкое топливо. При воспламенении горючей смеси раскаленные газы раскручивали как компрессор-нагнетатель воздуха, так и тяговую турбину с шестеренчатым редуктором, понижавшим число оборотов до значения, приемлемого для привода колес автомобиля.

Упрощенная схема автомобильного ГТД: 1 — компрессор, 2 — тяговая турбина, 3 — турбина компрессора

Газотурбинные автомобили компании Rover

Первый в мире газотурбинный автомобиль Rover Jet-1 удивлял всех прохожих в Лондоне. 1950 год

Опробование второго более мощного турбоавтомобиля Rover Jet-1. 1952 год (фото R. Gerelli)

Публичная демонстрация автомобиля Jet-1 сопровождалась шумной рекламной кампанией (фото R. Gerelli)

Презентация Jet-1 состоялась в марте 1950 года. Через два года начались испытания модернизированного варианта с 230-сильной турбиной Т-8. Такой ГТД отличался плавностью работы, но слишком высокая рабочая температура потребовала применения редких и дорогих материалов, а расход авиационного керосина достигал 50 литров на 100 километров.

Единственная сохранившаяся машина Rover Jet-1 образца 1950 года в лондонском Музее науки (фото автора)

В 1956 году фирма Rover вернулась к ГТД второго поколения с новой 100-сильной турбиной 2S/100 и теплообменником производства компании British Leyland. Ее смонтировали в задней части полноприводного автомобиля Т-3 с двухместным стеклопластиковым кузовом на сварной раме с алюминиевыми усилителями и дисковыми тормозами. Максимальная скорость достигала 170 км/ч, расход топлива сократился до 22 литров, но в то время компания уже не могла выделить крупных средств на продолжение этих работ.

Испытания уникального полноприводного концепт-кара Rover T-3 с задней установкой ГТД. 1956 год

Газотурбинный автомобиль-купе T-3 в экспозиции Heritage Motor Centre в Гайдоне

Несмотря на огромные расходы, в 1961-м появилась переднеприводная легковушка Т-4 с 140-сильным агрегатом 2S/140 переднего расположения и четырехместным несущим кузовом для будущей серийной модели Rover-2000. Она стала самой быстроходной дорожной машиной с ГТД (около 200 км/ч) и с места до «сотни» разгонялась за восемь секунд.

Фото 1. Последняя газотурбинная машина компании Rover с кузовом, созданным для серийной модели Rover-2000

Дополнением к серии Т-4 был удлиненный приземистый спортивный вариант Rover-BRM с задним приводом и двухместным кузовом купе, созданный совместно с фирмой BRM. До середины 1970-х он служил престижным и дорогим дорожным автомобилем и участвовал в крупных международных автогонках.

Престижный дорожный вариант спортивного автомобиля Rover-BRM с газовой турбиной. 1965 год

Газотурбинный уникум FIAT

Спортивная газотурбинная машина FIAT Turbina в Museo dell’ Automobile di Torino. 1954 год

Автомобиль FIAT Turbina с задним силовым агрегатом и автоматической трансмиссией модели 8001

Главной особенностью 300-сильного ГТД заднего расположения была особая трансмиссия модели 8001, автоматически регулировавшая рабочие режимы компрессора и тяговой турбины. При этом свежий воздух засасывался спереди и подавался к заднему компрессору по центральному тоннелю.

При желании на этой схеме можно разглядеть всю «механическую мельницу» машины FIAT Turbina

Автомобиль получил стальную трубчатую раму и независимую подвеску всех колес со стабилизаторами поперечной устойчивости. После испытаний и демонстрации на Туринском автосалоне в нём выявили множество недостатков, и дальнейшие работы пришлось прекратить.

«Огненные птицы» от корпорации General Motors

Известный дизайнер Харли Эрл во главе своего «огненного семейства» уникальных автомобилей Firebird

В декабре 1953 года с первой экспериментальной газотурбинной машиной Firebird XP-21 (Firebird I) сразу же произошел конфуз: ее приняли за поставленный на четыре больших колеса одноместный реактивный истребитель с короткими крылышками, хвостовым стабилизатором и задним соплом.

Странное авиационно-автомобильное сочетание по-американски — концепт-кар Firebird XP-21. 1953 год

Нелетающий истребитель GM Firebird XP-21 со спрятанным в корпусе ГТД и декоративным оперением

Но, присмотревшись, под стеклопластиковым кузовом можно было увидеть 380-сильный ГТД GT-302 компании Allison, весивший около 350 кг и разгонявший бутафорский самолет до 370 км/ч. Он снабжался по-автомобильному независимой подвеской и внутренними тормозными барабанами.

Необычный газотурбинный автомобиль-самолет Firebird I в экспозиции GM Heritage Center

Через три года был представлен более строгий четырехместный вариант Firebird II (XP-43) с новым ГТД GT-304 в 200 сил при рабочем режиме 25 тысяч оборотов в минуту и дисковыми тормозами. На этот раз он был похож на гоночный автомобиль с передним остроконечным обтекателем и упрятанными в него фарами, небольшими боковыми крыльями, прозрачной крышей-фонарём и хвостовым оперением. В отличие от первенца его напичкали мелкими оригинальностями: двухсекционные двери, бортовой компьютер, блок автоматического переключения световых приборов.

Второй газотурбинный вариант Firebird II, напоминавший рекордно-гоночный автомобиль. 1956 год

Харли Эрл с удовольствием позирует у своего уникального газотурбинного детища GM Firebird II

Вскоре за ним появилась третья приземистая шестиметровая «сказочная огненная птица» Firebird III (XP-73) с 225-сильным двигателем GT-305 и самолетным фонарём, ощетинившаяся всеми своими стеклопластиковыми кузовными панелями и ножевидными кромками дверей, крыльев и всевозможных хвостов. Для питания бортовых систем, кондиционера и круиз-контроля служил миниатюрный бензиновый движок в 10 сил.

Третий газотурбинный уникум Firebird III с уймой полезных и бесполезных крыльев и крылышек. 1958 год

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: