История автомобильной турбины; от изобретений Бючи до современности

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.

Принцип работы турбонаддува

Немного физики. Перед автомобильными конструкторами стоит извечная проблема повышения мощности двигателя. Еще со школьной скамьи мы помним, что мощность мотора находится в прямой зависимости от объема сжигаемого за рабочий цикл топлива. Иначе говоря, чем больше горючего сжигается, тем большую мощность получают. Но не все так просто на пути увеличения количества лошадиных сил под капотом – как правило, здесь конструкторов-мотористов поджидает немало проблем.

Как известно, процесс горения топлива проходит в присутствии кислорода, поэтому
в цилиндрах фактически сгорает не топливо, а смешанные в определенном соотношении топливо и воздух. Особенности процесса топливного горения зависят, например, от состава горючего или режима работы мотора, и некоторых других факторов. К примеру, в случае бензиновых двигателей топливо и воздух находятся в соотношении один к 14–15, то есть воздуха требуется довольно много. Увеличить подачу топлива – не проблема, чего не скажешь о столь значительном увеличения подачи воздуха.
В основе работы обычного ДВС лежит разница между давлением непосредственно в цилиндрах и атмосферным столбом, благодаря чему необходимый воздух попадает в двигатель самостоятельно. В этом случае получается прямая зависимость между объемом цилиндра и кислородом, который попадает в него на каждом цикле. По этому пути пошли американцы – выпущенные ими огромные двигатели имеют умопомрачительный расход горючего.

Как загнать в цилиндр больше воздуха? Первый способ увеличить в определенном объеме количество воздуха придумал немецкий инженер-конструктор Готлиб Вильгельм Даймлер. Это та самая светлая голова, чье имя стало частью названия знаменитой автомобильной марки Daimler Benz AG. 1885 год был ознаменован рождением нового мотора, который при своем незначительном весе и небольших размерах обеспечивал большую мощность. Воздух в него закачивался посредством специального нагнетателя, представляющего собой вентилятор (компрессор). Получив вращение напрямую от вала двигателя, он загонял сжатый воздух в цилиндры.
В начале XX века швейцарскому инженеру-изобретателю Альфреду Бюхи удалось пойти еще дальше. Под его руководством в производственной фирме Sulzer Brothers проходили работы по разработке дизельных двигателей. С одной стороны ему категорически не нравились большие и тяжелые, к тому же маломощные моторы, с другой – не хотелось использовать и идею вращения приводного компрессора за счет энергии движка. Это и привело к поискам нового решения нагнетания воздуха. Так, в 1905 году впервые в мире было запатентовано новое устройство нагнетания, основанное на использовании энергии выхлопных газов в качестве движителя.

Идея турбонаддува – проста, как, впрочем, и все гениальное. Аналогично работе ветра по вращению крыльев мельницы, колесо с лопатками здесь крутят отработавшие газы. Ротор турбины, как называют маленькое колесо с большим количеством лопаток, и колесо компрессора посажены на один вал. Полученную конструкцию, турбонагнетатель или турбокомпрессор (лат. turbo – вихрь, compressio – сжатие) можно условно разделить на:

• ротор – вращается под действием выхлопных газов
• и компрессор – будучи соединенным с ротором, он выступает в роли вентилятора, нагнетающего дополнительный воздух в цилиндры.

Воздух, попадающий в цилиндры турбомотора, часто нуждается в дополнительном охлаждении. В этом случае, загнав туда больше кислорода, можно будет повысить его давление, поскольку уже в цилиндре ДВС сжать холодный воздух гораздо легче, чем горячий. При прохождении через турбину воздух за счет сжатия и разогретых выхлопными газами деталей турбонаддува нагревается. Его охлаждают с помощью промежуточного охладителя, интеркулера. Это радиатор, который установлен по ходу движения воздуха межу компрессором и цилиндрами мотора. При прохождении через интеркулер воздух отдает тепло атмосфере и охлаждается. А уже холодный, более плотный воздух можно загонять в цилиндр в большем объеме.
Получается определенная цепочка – большее количество выхлопных газов, попавших в турбину, заставляет ее быстрее вращаться, а больший объем дополнительного воздуха, поступающего в цилиндры, повышает мощность.
Решение это – довольно эффективное, поскольку по сравнению, допустим, с приводным нагнетателем требуется значительно меньше затрат энергии двигателя (порядка 1,5%) на самообслуживание наддува. Это легко объясняется тем, что источником энергии ротора турбины является не замедление выхлопных газов, а их охлаждение – выхлопные газы после турбины идут так же быстро, но они более холодные.
Более того, на сжатие воздуха затрачивается даровая энергия, что способствует повышению КПД двигателя. К тому же, возможность получить большую мощность с рабочего объема поменьше приводит к меньшим потерям на трении, меньшей массе мотора (следственно и машины в целом).

Как работает турбокомпрессора (турбины) автомобиля.

Если сказать по-простому, турбина нагнетает в двигатель дополнительные воздушные массы, обогащая смесь максимально возможным объемом воздуха (под давлением направляет его в цилиндры). Благодаря чему стандартная турбина может увеличить выходную мощность авто от 10 % до 20%.

Для всех нас (производителей авто и простых пользователей) все это означает лишь одно – при минимальном размере агрегата двигателя мы можем получать более высокую мощность. Это позволяет при минимальном количестве рабочих цилиндров получать максимально возможную мощность. Представьте, маленький движок в три цилиндра и объемом в литр, будет иметь 90 л.с. Как следствие, минимально возможный расход топлива, и высокий уровень экологичности. Ведь выхлопные газы используются вторично.

Наличие би-турбины может превратить любой маленький авто в пулю смерти, главное, чтобы двери не отлетели). Только представьте себе Фиат 500 с мощностью в 100 л.с.

Функции турбины (турбокомпрессора)?

Основная функция турбины – подача большого объема воздушных масс. Непосредственной частью агрегата являются специальные лопатки, которые загоняют воздух под огромным давлением (обороты работы узла от 200 000 до 240 000 в мин.) в двигатель. Чем больше кислорода, тем больше сила реакции сгорания, значит, увеличивается и мощность узла. Как вы уже поняли, используются для этого процесса выхлопные газы двигателя. Благодаря чему, экологичность такого агрегата становится максимальной. Это еще одна причина того, почему в современном миру тубро двигатели получили такое распространение. Ведь с каждым годом требования к экологической чистоте двигателей только увеличиваются. И производителя обязаны решать этот вопрос.

Мощности турбокомпрессора.

Помимо стандартных турбин, на рынке существуют комплектации битурбо и твин турбо. Исходя из названия, мы понимаем, что отличаться они будут количеством турбокомпрессоров. В битурбированной версии используется 2 ТКР и располагаются они параллельно друг другу, в твин турбо таких механизмов 3. Работают они на огромных оборотах. Принцип таких турбин одинаковый – подача воздуха в двигатель, вот только оптимальный режим работы у каждого разный. Битурбированный вариант будет оптимально работать на низких и средних оборотах. В то время, как твин турбо показывает свой оптимальный режим работы только на предельных перегрузках двигателя. Понятно, что такие «сумасшедшие» узлы устанавливаются только на спортивных авто. В жизни вам просто не где применять такую мощь, да и опасно это.

Пример битурбированого V-образного двигателя. Агрегат от БМВ.

Как и у каждого механизма, турбина имеет свои недостатки.

Одним из самых распространенных является – турбояма. Самый простой способ ощутить, что это такое вы можете если начнете «рвать» с места на машине с коробкой автомат. Вначале, вам будет казаться, что машина не едет, и только несколько мгновений спустя, авто сорвется с места на всех порах. Вот эти несколько секунд это и есть турбояма.

Причина этого явления проста. Когда вы начинаете выжимать гашетку, лопатки турбины разгоняются, набирая обороты, этот процесс требует некоторого времени. Именно в тот период двигатель насыщается необходимым объемом кислорода. Сейчас производители справляются с этой проблемой, устанавливая в турбину 2 перепускных клапана.

Об основных причинах поломки турбины и ее ремонте мы поговорим в следующем материале.

Audi R8 V10 от Heffner Performance. Д ва турбонагнетателей, доводящих мощность суперкара до фантастических 725 л.с. ( в стоке у авто 225 л.с.)

Турбо-яма

Минусом работы турбированного агрегата, является такое явление как «турбо-яма» (подробнее здесь). При низких оборотах турбина раскручивается не сильно, а поэтому не способна нагнетать большое количество воздуха. Если вы резко давите на педаль газа — то нужно какое-то время чтобы отработанные газы дошли до крыльчатки турбины и раскрутили ее! Однако пройдет немного времени, 1 – 2 секунды, прежде чем произойдет «выстрел» динамики.

В народе это явление называется турбо-ямой, то есть прежде чем резко ускориться, нужно подождать 1 или 2 секунды, пока раскрутится турбина.

Конечно, сейчас есть такое понятие как «ТВИН-ТУРБО» или «БИ-ТУРБО» – к обычной турбине подсоединяют еще одну, как правило – механическую (а с недавнего времени и электрическую), которая работает на низких оборотах, нагнетая нужное количество воздуха на низах, затем когда обороты вырастают, включается основная. Таким образом, турбо – яма побеждается.

Концепция непрерывного цикла горения д-ра Ханса фон Охайна

Ханс фон Охайн был немецким авиаконструктором, получившим докторскую степень по физике в Геттингенском университете в Германии, позже став младшим ассистентом Хуго фон Поля, директора Физического института университета.

В то время фон Охайн исследовал новый тип авиационного двигателя, для которого не требовался винт. Ему было всего 22 года, когда в 1933 году он впервые задумал двигатель внутреннего сгорания с непрерывным циклом. В 1934 году фон Охайн запатентовал конструкцию реактивного двигателя, очень похожую по концепции на концепцию сэра Уиттла, но отличающуюся внутренним устройством.

По взаимной рекомендации Хьюго фон Поля фон Охайн присоединился к немецкому авиастроителю Эрнсту Хейнкелю, в то время искавшему помощь в разработке новых двигателей для самолетов, в 1936 году. Он продолжил разработку своих концепций реактивного движения, успешно испытав стендовые испытания одного из своих двигателей Сентябрь 1937 г.

Хейнкель спроектировал и построил небольшой самолет, известный как Heinkel He178, в качестве испытательного стенда для этой новой силовой установки, которая впервые взлетела 27 августа 1939 года.

Фон Охайн продолжил разработку второго улучшенного реактивного двигателя, известного как He S.8A, который впервые поднялся в воздух 2 апреля 1941 года.