Кто придумал турбину на авто

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.

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 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.

Читайте также  Какой клиренс у Renault

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.

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.

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.

Читайте также  Что за двигатель стоит на Весте

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.

История создания и развития турбонаддува

Скоростные и спортивные автомобили, как правило, имеют под капотом агрегат, оснащенный турбокомпрессором. Турбокомпрессор представляет из себя насос центробежной силы, который двигается выхлопными газами через подведенную к нему газовую турбину. У турбокомпрессора многолетняя история развития, именно о его появлении и совершенствовании пойдет речь в этой статье.

История появления турбокомпрессоров

Впервые о турбокомпрессоре услышали более чем век назад, когда Альфред Дж. Буши в первые годы 20 столетия продемонстрировал свою разработку — компрессор, который работал от выхлопных газов. На тот момент его работа никого не заинтересовала, а в 1910 году американец Сэнфорд А. Мосс создал мощнейший турбонагнетатель для самолета, который дал возможность подняться на высоту выше 11 километров. Эту конструкцию пытались применить к военной авиации во время Первой Мировой, однако было не так просто направить ее в правильное русло, а потому затею оставили.

Но войны не напрасно считают двигателем прогресса, и уже во время Второй Мировой двигателя с турбонаддувом стали востребованы в авиации. Вот лишь некоторые самолеты, где применялась турбина с наддувом: B-24 Liberator и B-17 Flying Fortress, а также P-47 и P-38. В послевоенные годы турбины стали интересны морякам, и их стали устанавливать на некоторые корабли. Кроме того, особенно широкое применение технология получила в новых тепловозах и некоторых промышленных областях, уже в 50 году нагнетателей разных видов в Америке было более 20 тысяч.

Особенный интерес турбонагнетатель вызвал у ныне знаменитой компании Caterpillar Tractor Co., которая уже в те годы довольно прочно развивалась в строительстве мощной дорожной техники. Такая технология была необходима, в итоге используя нагнетатель, инженера создали небольшую турбину и отдали ее в компанию Garrett для теста, т.к. она имела хороший опыт с теплообменными системами. Но этот опытный образец оказался бесполезным, после чего турбонаддув был полностью передан компании Garrett, в надежде на их опыт в разработках по уплотнениям, в тубонаддувах и прочим новым технологиям. Естественно, инженера Garrett занялись этой задачей вплотную, одним из инженеров был известный Хай Маккинес, его дальнейшие работы с турбинами стали известны в различных направлениях.

Новые горизонты

Инженера Garrett все-таки довели дело до успеха и в 1953 году продемонстрировали турбину названную ТО-2. Данная разработка могла быть применена во многих отраслях и в технике, особенным плюсом было то, что турбина могла работать без остановки 1800 часов, это было невиданное достижение. T15 — вторая усовершенствованная турбина, созданная на базе ТО 2, простая, надежная и технически на много грамотней. В итоге компания Caterpillar сразу заказывает 5 тыс. образцов турбин, они были установлены на мощный трактор D9, который и сейчас известен.

С тех пор и по сей день, в компании есть отдел Garrett AiResearch Industrial Division, который занимается только разработкой конструкций и машин с турбонагнетателями.

Конечно, не только Garrett занималась данной технологией, в мире над разработками трудились и другие компании, например, турбины, установленные на грузовики Cummins, выпускались компанией Elliot and Schwitzer, позже Cummins самостоятельно начал осваивать технологию. И хотя турбины не так быстро продвигались в тяжелом автомобилестроении, однако компания AiResearch уже в конце 60-х была известна во всем мире, как самый продвинутый производитель турбонагнетателей для техники и промышленности. Даже на сегодня компания AiResearch собрав вокруг себя сильнейших производиетелей ККК, Holset, Schwitzer и еще некоторых крепко держит это производство, не оставляя позиции.

Первые легковые автомобили с наддувом

В США разные компании вели работу над наддувом, и вот появился автомобиль Oldsmobile Jetfire, который под свой капот вместил наддув. Это двигатель V8, с установленной турбиной T5 от совместной компании Garrett-AiResearch, степень сжатия была 10.25:1, это очень высокий показатель. А чтобы снять детонацию, был создан специальный впрыск, который состоял поровну из спирта и воды. Не понятно для чего, видимо для эксперимента, официальные представители Oldsmobile предлагали всем, кто желает, всего за 50$ снять турбину и оставить карбюратор.

Далее турбированные легковые авто начали вырастать как грибы, следующей моделью был Corvair от компании Chevrolet, правда турбину разрабатывала компания TRW, этим было подтверждено, что бензиновые агрегаты могут оснащаться турбинами и все это можно поставить на поток.

60-е годы был целый взрыв желающих создать нечто новое с применением турбонаддува, и нужно сказать, что многие получили свой шанс в жизнь. Мелкие компании применили надув в своих разработках и добились успеха, в то же время другие компании остались не у дел.

Развитие компании Rajay Industries

Одной из таких компаний, которая взялась за собственные разработки, была Rajay Industries, в 1969 году руководство компании приобрело у уже известного лидера TRW целую производственную линию, а Маккинес стал главным инженером компании. Недолго думая, компания открыла мощный магазин по продаже разнообразных решений с турбонаддувом. Но в отличие от других, производители не мелочились и работали с предприятиями на уровне промышленных заказов, иногда тюннинга, а также под заказы авиационных концернов. Сила компании Rajay Industries была в том, что она сделала турбонаддув доступным во многих областях, работала со многими заказчиками по очень доступным ценам, чем внесла огромный вклад в развитие технологии наддува.

Естественно, не прошло мимо и знакомство с компанией Garrett-AiResearch, в итоге две компании стали самыми сильными конкурентами в сегменте дизельных двигателей для сельскохозяйственной и строительной техники.

Однако AiResearch двигалась в одном отдельном направлении, не растрачивала силы, а потому компания добилась серьезных успехов в тюннинге с участием турбонаддува, у инженеров и работников было достаточно опыта и знаний. Поэтому спустя некоторое время AiResearch стала мировым лидером по производству турбированных двигателей. Многие двигатели для разных марок спортивных автомобилей, это достижение именно AiResearch.

Самые прыткие проводили мощные рекламные компании по продаже турбин и технологий турбонаддува, например, компания TurboSonic, она продавала турбины от компании Accel, которая в свою очередь имела целое подразделение по тюннингу Echlin Corporation. Рекламные акции были настолько успешны и поднимали ажиотаж, что было немало покупателей, которые приоретали турбины, даже не понимая, что это и зачем она им.

Рынок турбин неуклонно растет

Компания Echlin в 1976 году, после выхода продукции Accel TurboSonic, покупает линию по производству Roto-Master — это афтермаркетные турбины. В итоге компания Accel укрепилась на рынке производства турбин, большинство продукции производилось под заказ компании TurboSonic. А дирижировал инженерными идеями этой компании все тот же уже известный господин Маккинес, который стал вице-президентом и главным инженером Roto-Master.

Самый конец 70-х годов — это был всплеск и пик двигателей, а также технологий с турбонаддувом, и в это самое время из-за кризиса в нефтяной промышленности правительство США приняло несколько законов, по которым производителям автомобилей нужно было урезать аппетит. Т.е. поневоле производители были вынуждены оставить все наработки и переходить на малолитражные двигатели.

Читайте также  Как определить объем двигателя ваз 2103

Это еще выше подняло планку турбин, ведь теперь все производители вынуждены были делать авто с минимальным расходом, а для подъема мощности им было необходимо внедрять в двигателя турбонаддув. И, конечно, Garrett-AiResearch здесь не упустила такой возможности и модифицировала множество моделей турбин именно под автомобильный тюнинг.

Из-за всплеска тюннинга с турбинами происходила масса скандалов и даже на политическом уровне, в 77 году даже приняли «закон о чистом воздухе». В итоге очень многие продвинутые компании были вынуждены дорабатывать свои турбины для уменьшения расхода и удовлетворению требований закона об уменьшении выхлопных газов. Многие компании выдержали это и переориентировались на новый лад среди них: Dina Engineering, Turbonetics, Spearco, dvanced Turbo systems Gale Banks Engineering, Gemini Turbo systems и другие.

Затишье восьмидесятых

На этой скучной волне прессинга турбированных двигателей, легальные соревнования с участием турбинных монстров практически не проходили. Многие производители вообще временно перестали производить наддувы для авто, в Америке на соревнованиях турбированным машинам ставили немыслимые минусовые коэффициенты. Зато в Европе и на всех гонках это продвигалось, а США был вынужден игнорировать эти соревнования.

Начались мощные перепродажи компаний, компания Rajay была выкуплена известным Roto-Master в 1982 году, а через 4 года в 86 году уже Garrett приобрела Roto-Master, в итоге и без того гигант Garrett стал монополистом в области производства турбин для тюннинга.

Но 80-е этим не закончились, в их середине на рынке США появились японцы, которые мощным фронтом выступили против всех американских автомобильных компаний монополистов. В итоге Garrett не смогла выстоять против такой массированной атаки и сдала часть своего рынка. И по сей день это сказывается, т.к. под капотами американских авто красуются эмблемы японцев Hitachi, Mitsubishi и прочих, хотя времена не стоят на месте и Garrett предпринимает попытки вернуть свое место.

Девяностые: турбины снова в моде

В начале 90-х турбины снова стали востребованы, японцы ни на день не останавливались и постоянно продвигались в этом направлении. Авто у японцев экономичные, мощные, довольно надежные и главное идеально управляемые, а это очень сложно повторить, но так нужно американским покупателям. И вот на рынке появляется ряд моделей от компании Honda.

Японцы разожгли эту искру турбонаддува во всем мире и в США тоже, японские авто имеют огромную популярность, интерес к турбированию не только не падает, но и наоборот, возрастает и каждый год переходит на более совершенный уровень. Сегодняшний автомобильный тюннинг имеет совсем другой приоритет. Используется небольшой литраж с максимальной упаковкой разнообразных систем наддува. Любой спорткар сегодня упакован именно системой турбонаддува, это обязательный атрибут, даже гражданские модели сейчас комплектуются турбинами.

Самыми мощными производителями на этом рынке являются компании Turbonetics, HKS, Trust-Greddy, заняв крупную нишу в турбированном тюнинге.

История развития и перспективы турбонагнетателей

История технического разития автомобильных турбин

Учитывая огромное количество турбированных автомобилей, которые сегодня выпускаются мировым автопромом, трудно поверить, что еще 50 лет назад о турбонагнетателе никто не слышал — принудительная индукция была известна только специалистам.

При этом нельзя отрицать тот факт, что турбокомпрессоры оказали огромное влияние на автомобилестроение. На современных дорогах встречаются различные классы и типы машин, оборудованные турбиной. Это бюджетные бестселлеры, такие как VW Golf, и элитные Ferrari 488, за которыми выстраивается очередь на несколько лет вперед.

Первый турбированный двигатель

Турбонаддув был изобретен вскоре после двигателя внутреннего сгорания и повсеместно применялся в авиационной промышленности. Но размеры компрессоров не позволяли использовать их в автомобилях. Высокая эффективность принудительной индукции сделало только вопросом времени оптимизацию турбонаддува под габариты и возможности легковых автомобилей.

Можно предположить, что эксперименты по активному внедрению турбин начали проводить европейские производители, и это действительно так. Старый Свет выпустил немало моделей с турбонаддувом, среди них Porsche 930, Saab 99 Turbo и BMW 2002 Turbo. Но первопроходцами в этой области европейцы не были.

Пионерами в попытке получить прирост мощности двигателя с помощью турбокомпрессоров стал североамериканский гигант General Motors. В 1962 году эта система была установлена на Oldsmobile Cutlass. Принудительная индукция увеличила производительность 3,5-литрового мотора V8. На такой эксперимент конструкторы пошли, потому что автомобилю реально не хватало мощности.

После успешной обкатки нововведения GM начал сотрудничество с известным производителем компрессорного оборудования Garrett. В том же 1962 году создается легендарный мотор Jetfire V8. Он стал доступен в виде опции на F-85 Cutlass, который также был выпущен в 1962 году.

Внедрение турбокомпрессора в массовое производство создало множество проблем для конструкторов в 60-х годах прошлого столетия. Дело в том, что двигатель Jetfire имел степень сжатия 10.25:1, что делало его уязвимым при детонации топливной смеси.

Несмотря на то, что Jetfire V8 сделал Oldsmobile значительно быстрее, чем стандартные модификации, он не пользовался спросом из-за высокой стоимости. Покупателю за прирост мощности нужно было доплачивать 300 долларов, что в 60-е годы прошлого столетия было очень дорого. Еще одна проблема делала турбированный двигатель коммерчески не жизнеспособным – сырая система впрыска «Жидкости Turbo-Rocket». Именно эти факторы не позволили развить технологию.

Было продано менее 4000 автомобилей, оборудованных Jetfire V8. Такой низкий уровень продаж вынудил GM прекратить комплектацию Oldsmobile турбокомпрессорами. Так, через год прекратилась история первого тюнингового мотора, который по техническим причинам не нашел дальнейшего развития.

Продолжение развития технологии принудительной индукции

Хотя Jetfire V8 не стал удачным бестселлером, инженеры не могли не заметить его потенциал. Уже в 1965 году на рынке появился второй автомобиль, оборудованный турбокомпрессором. Им стал американский 4×4. International Harvester Scout. Он комплектовался 2,5-литровым 4-цилиндровым силовым агрегатом, который с турбиной выдавал на 20% больше крутящего момента – 110Нм, и выпускался с 1965 по 1967 год. Главным плюсом этого двигателя стало отсутствие необходимости впрыска смеси воды и этанола. Увеличение производительности было возможно при использовании стандартного топлива – бензина.

Но вскоре разработчики IH решили, что такой двигатель не дает существенных преимуществ, и турбированный «Comanche» ушел в историю. Ему на смену пришел стандартный 4-цилиндровый мотор объемом 3,2 литра. Фактически он мог выдавать такую же мощность, как и собрат с системой принудительной индукции, но расходовал значительно больше топлива.

Но даже энергетический кризис 1974 года не смог спасти турбокомпрессор. Понадобится еще 10 лет для того, чтобы система принудительной индукции прижилась на автомобильном рынке.

Факторы, способствующие развитию систем турбонаддува

К 1973 году автопроизводители увидели потенциал турбин в том, чтобы делать автомобили очень быстрыми. В этом же году был запущен в производство легендарный BMW 2002 Turbo. Однако скоростной 2002 Turbo страдал от технических проблем с турбиной, высокого потребления топлива, и даже считался не безопасным. В результате, как и Jetfire, 2002 Turbo выпускался всего один год, прежде чем был снят с производства.

Следующим на авансцену вышел 911 Turbo от Porsche. Его первая модификация стала самым быстрым серийным автомобилем в мире — это стало прорывом для двигателей с турбонаддувом. После релиза Saab 99 Turbo в 1978 году стало понятно, что принудительная индукция не собирается уходить из автомобилестроения.

Первый турбированный дизель

В 1978 году технология получила развитие — Buick начал оборудовать V6 Regal турбонаддувом. Что еще более важно — в этом году появился турбодизель. Компания Mercedes-Benz выпустила 300SD для продажи в Соединенных Штатах. Оснащенный турбонагнетателем от Garrett, 300SD изменил дизельный двигатель навсегда.

При этом продолжились горячие споры относительно целесообразности использования такой технологии. Так как цикл сгорания дизельного топлива зависит от высокой степени сжатия, принудительная индукция представляет собой простой способ улучшить силу и эффективность двигателя. Вскоре стало очевидным, что турбодизели гораздо лучше подходят для применения в автомобильной промышленности, чем их атмосферные аналоги. Поэтому не удивительно, что с момента оснащения Peugeot 604 турбодизелем в 1979 году такими стали около половины двигателей на дорогах Европы.

Зачем останавливаться на одном?

В 1981 году конструкторы Maserati решили, что если можно поставить один турбокомпрессор на автомобильный двигатель, то почему не попробовать установить два. Результат был метко назван Biturbo. Хотя это был не очень хороший автомобиль, он стал первой твин-турбированной машиной. Задумка была в том, что с помощью двух турбин, работающих параллельно друг с другом, можно сократить запаздывание их включения в работу. На практике идея не всегда срабатывала, но твин-турбо, несомненно, дали двигателям внушительный прирост мощности.

В 1986 году Porsche на модели 959 продемонстрировал еще один способ установки двух нагнетателей с целью уменьшения запаздывания их включения. Конструкторы расположили турбины друг за другом. В отличие от параллельной компоновки, где два турбокомпрессора работают независимо друг от друга, такое размещение позволяет эффективно использовать принудительную индукцию как на низких, так и на высоких оборотах. Четвертое поколение Supra показало менее 1% отказов при расположении турбин друг за другом. Это действительно высокий показатель надежности.

Перспективное развитие технологии турбонаддува

За последние 55 лет турбокомпрессоры претерпели значительные изменения. Они стали почти такими же сложными, как двигатели, на которые устанавливаются. Крыльчатки с переменной геометрией лопастей и системы дополнительного разгона – это только вершина технологического айсберга.

На пороге следующий этап эволюции – принудительная индукция будет усилена электрическими системами. На них возлагаются большие надежды. В то время, как современные турбины используют часть энергии выхлопных газов для питания компрессора, электрические аналоги буду направлять ее в конденсатор. Это устройство действует по принципу батареи и использует накопившийся заряд для разгона турбины. Такое нововведение позволит свести к минимуму запаздывание турбонаддува.

Введение новой технологии в массовое производство потребует некоторого времени, но как показывает история, ждать не долго, так как автопроизводители упорно работают над задачей создания максимально эффективного турбкомпрессора.