В современном мире к автомобилям предъявляют жесткие требования. При смене поколений они должны стать мощнее, быстрее и при этом экономичнее. Поэтому инженеры вовсю "шаманят" с системой турбонаддува. Благодаря их стараниям из условного двигателя внутреннего сгорания объемом в 1 литр удалось "выжать" порядка 150 вполне реальных "лошадок". Постараемся разобраться, как такое возможно.

 

"Двойная турбина" и "турбины-близнецы"

Кто хотя бы немного знаком с устройством силового агрегата, знает, что габаритному и мощному мотору необходимо большое количество воздуха в цилиндрах. Справиться с этой задачей способна турбина, причем увеличенная в размерах и максимально шустрая.

Вес крыльчатки турбины напрямую зависит от ее величины. Чем мощнее турбина, тем тяжелее крыльчатка. Когда водитель нажимает на газ, дроссельная заслонка открывается и в цилиндры отправляется необходимое количество топлива. Это приводит к появлению большого количества выхлопных газов, которые раскручивают турбину. Но на раскрутку требуется энергия. Возникает, как говорят, "турбояма" - провал при наборе оборотов двигателя из-за инерции турбины.

 

Чтобы сэкономить время на «раскачку» турбины и минимизировать ущерб от «турбоямы», в современном моторостроении используют две технологии — twin-turbo ("турбины-близнецы") и bi-turbo ("двойная турбина"). Их иногда путают. Например, Maserati и Mercedes AMG имеют модели с пометкой «Biturbo», на самом деле в этих автомобилях используется система twin-turbo.

Первоначально под twin-turbo подразумевалась конструкция, разделяющая выхлопные газы на два одинаковых "отряда", каждый из которых направлялся «нести службу» на свою, небольшую турбину. Благодаря такому распределению уменьшался вес крыльчаток, сокращалось время "раскачки", а также упрощался сам силовой агрегат (можно было задействовать более простые турбокомпрессоры).

Конструкция bi-turbo отличается тем, что к впуску последовательно присоединены две разные по размеру турбины — одна меньше, другая, соответственно, побольше. Первая обеспечивает эффективную тягу "на низах", при небольшой нагрузке, и хорошо раскручивается. Как только нагрузка возрастает, в дело вступает большая турбина, а дроссельные заслонки в это время отключают ее маленькую "сестру". Проблема - усложнение всего узла. Ведь там "налеплено" множество трубок, плюс дроссельные заслонки. Эти технологии сильно влияют на цену силового агрегата. Но для форсированных двигателей альтернативы пока не придумали.

 

Перепускной клапан: простой или электронный?

Для сброса избыточного давления в системе «турбина-двигатель» используется перепускной клапан (wastegate). Клапаны тоже бывают разные. Поначалу от клапана ничего фантастического не требовалось, он открывался, когда давление справлялось с натяжением рабочей пружины. Лишние газы отводились, давление падало.

Затем для wastegate задачку усложнили. Он стал подчиняться не только давлению, но и электронике, которая следила за происходящим (температура, режим движения, детонация и так далее). Благодаря особо точной системе регулировке клапана, турбина даже на небольших оборотах оказывалась способна работать максимально эффективно. Недостаток: невысокие показатели надежности. Ведь электронике приходится трудиться в неблагоприятных условиях: тут и температура зашкаливает, и вибрация сильная.

  

Twinscroll

Мысль, как увеличить эффективность турбины и при высоких и при низких нагрузках, не "раздваивая" ее, долго не давала конструкторам покоя. И решение было найдено. Турбинное колесо взяли, да и разделили на две части. Собственно, twinscroll переводится как "двойная улитка".

Это привело к тому, что одна часть турбины сделалась эффективнее при малой нагрузке, а другая — при высокой. Преимущество такой системы: конструкция получается не слишком сложной, а КПД системы увеличивается. Недостаток: из-за "жесткого" разделения турбины агрегат все-таки не способен реализовать максимум возможностей.

  

Механика турбин

Подшипники качения лучше, чем подшипники скольжения, уменьшают трение. С такими подшипниками турбина крутится быстрее и легче. А если подшипники и керамические подшипники, то они отличаются еще и надежностью и долговечностью, не будучи восприимчивы к перегреву и сильной вибрации.

Всю прелесть керамических турбин по полной программе оценили в автомобильном спорте. Понятно, что турбины с керамическими подшипниками получаются существенно дороже. Тем не менее, ими постепенно стали оснащать и серийные авто.

  

Итог

Новые технологии через короткий промежуток времени перестают быть эксклюзивными. А значит, теряют в цене и становятся более доступными для массового производства. Даже система Twinscroll постепенно выходит "в народ", а уж без twin-turbo не обходится практически не один серьезный V-образный силовой агрегат. Проблемы, конечно, остаются. Главная из них — невысокий запас прочности турбин, дороговизна их ремонта и обслуживания. Но ведь приходится чем-то жертвовать ради технического прогресса!

Павел Жуков