Что такое турбонаддув и зачем он нужен

Все мы знаем, как "валят" турбированные машины. Но четкого представления, что такое турбина и как она работает, не имеют многие даже бывалые водители. В данной заметке предлагаю разобрать этот вопрос досконально и простым языком. Сначала, как обычно, немного теории. Итак.

Чтобы быстрее ехать, двигателю нужно больше топлива. Однако, "не бензином единым"! ;) Для эффективной работы любого ДВС, состав смеси в любой момент времени должен быть примерно одинаковым по соотношению воздух/топливо. Конечно, это соотношение для разных моторов и на разных режимах несколько варьируется, но считается, что для среднестатистического двигателя эта цифра составляет 14.7/1. То есть, именно при смешивании 14.7 частей воздуха и 1 части бензина, сгорание будет наиболее полным и, соответственно, эффективным. Такая условно-идеальная смесь называется стехиометрической.

Итак, мы неспешно едем, поршни засасывают в цилиндры необходимое количество воздуха (оно дозируется дроссельной заслонкой), а форсунки впрыскивают долю бензина - соответствующую данному количеству воздуха. Но вот, нам необходимо резко ускориться - мы давим педаль газа в пол. Поршни начинают двигаться всё быстрее, воздуха в каждый такт впуска поступает всё больше, а форсунки льют бензин всё обильнее, чтобы поддерживать идеальное соотношение смеси. И тут - засада... :) После достижения определенных оборотов, воздух уже просто не успевает наполнять цилиндры необходимым объемом до того, как закроются впускные клапаны. Это первый вариант. Или, второй сценарий: воздух-то "зайти" успел, но на эффективность это уже не сильно влияет: для продолжения роста мощности при данном объеме цилиндра, воздуха нужно больше, чем физически может "засосать" из атмосферы поршень на такте впуска.
СпрОсите, почему нельзя просто залить больше топлива? Можно. Вот только смесь уже будет не стехиометрической (помните?) - а значит, сгорание будет не полным. Расход топлива будет расти, а эффективность - нет.

Турбокомпрессор в разрезе. Отработанные газы, проходя через "горячую" часть (красным) раскручивают вал, на котором также сидит и крыльчатка "холодной" части (синим). Она забирает воздух с улицы, сжимает его и он, уже под давлением, поступает в двигатель.

Что же делать?

Можно пойти по старому-доброму проторенному пути: увеличить рабочий объем двигателя. Воздуха будет поступать больше, а значит - и топлива можно будет сжечь тоже больше. Вырастет мощность. И всё бы хорошо, да вот только минусов у такого решения тоже хватает. Во-первых, это масса двигателя (теряем в экономичности). Во-вторых, это его возросшие габариты и инертность всех движущихся частей (труднее скомпоновать под капотом и тяжелее раскручивать). Ну и куча других факторов: экологичность, объем заправочных жидкостей, удобство обслуживания, и т.п.

А можно просто загнать больше воздуха в цилиндр не меняя его объем. Как? А очень просто - "вдуть" принудительно. :) Вот для этого-то и придумали такую штуку как агрегатный наддув. Иными словами, компрессор (это общее название расхожего понятия "турбина", ибо есть различные варианты её исполнения) - это устройство, которое нагнетает воздух в цилиндры принудительно, создавая увеличенное по сравнению с атмосферным, давление. Кстати, наверняка слышали про "атмосферники": да-да, это обычные двигатели без наддува, у которых давление поступившего в цилиндры воздуха примерно равняется атмосферному.

Общая схема турбонаддува. Газы раскручивают вал турбины, турбина подает воздух под давлением в радиатор охлаждения (интеркулер), после чего он, уже охлажденный, поступает через дроссельную заслонку во впускной коллектор и далее в цилиндры.

Что на выходе?

Как вы уже догадались, применение компрессора позволяет повысить мощность двигателя не увеличивая его рабочий объем. То есть снова возвращаемся к началу нашего повествования. Загнали больше воздуха в цилиндр - получили возможность "влить" в него больше топлива, не отклоняясь от примерного соотношения 14.7 / 1. Получили более мощный заряд смеси и, как следствие, более мощный её "взрыв" на такте рабочего хода. Мощность увеличилась. Profit!

Как и в любом техпроцессе, здесь есть вагон и маленькая тележка нюансов и вариантов технической реализации данной схемы. Например, компрессор может работать от выхлопных газов (турбокомпрессор), а может приводиться ремнем (механический компрессор). В качестве механизма сжатия воздуха может выступать крыльчатка (центробежный компрессор), а может червячная пара ("шнеки Лисхольма"). Может иметь регулируемые лопатки для изменения давления в разных режимах, а может не иметь. И так далее. Описание всех этих тонкостей займёт не одну страницу и не имеет смысла в рамках данного опуса.

Механический компрессор (винтовой нагнетатель) системы Лисхольма. Приводится ремнём

Минусы двигателей с наддувом:

• Как обычно, стоимость. Лишние детали, лишняя электроника, общее усложнение конструкции ДВС.
• Относительная прихотливость турбины (на сегодняшний день, это наиболее распространенный вид компрессора). Но только относительная, а не те страшные сказки, которые вам нарисуют на форумах. Просто нужно почаще менять масло и лить не абы что, а предусмотренный производителем продукт, не подделанный в подвале.
• Ресурс. Да, он несколько снижен по сравнению с атмосферными моторами, это факт. Компрессорные моторы в процессе эксплуатации, как ни крути, подвергаются бОльшим нагрузкам, нежели их атмосферные собратья.

А теперь, плюсы:

• КПД. Основной аргумент. Увеличение мощности по сравнению с безнаддувным мотором такого же объема может достигать 20-50%, и даже больше. Но всегда нужно помнить, что чудес не бывает, и чем выше мощность наддУвного мотора - тем ниже его ресурс.
• Расход топлива. Здесь, правда, до сих пор не утихают священные войны среди "адептов" двух школ, но современная регулируемая турбина позволяет уверенно ехать на средних оборотах там, где атмосферник вынужден будет крутиться в зоне высоких. А учитывая, что современные турбодвигатели уже сплошь и рядом оснащены непосредственным впрыском - более высокая экономичность становится очевидна даже непросвещенному в технических деталях водителю.
• Экологичность. Поддержание максимально-стехиометрического состава смеси даже на высоких оборотах, позволяет ей наиболее полно и без лишней "сажи" сгорать в цилиндрах, обеспечивая более чистый выхлоп.

Резюмируя:

На данный момент, турбонаддув стал обыденностью даже на относительно недорогих автомобилях, и продолжает своё внедрение всё ниже по классовой лестнице машин. И несмотря на сниженный ресурс (кого это нынче волнует), более высокую стоимость и сложность, плюсов у данного типа двигателей всё же больше. Так что, друзья: всем бУста и качественного масла! ;)

Надеюсь, кому-то было полезно!

P.S.: Друзья, буду очень рад лайкам и подписке! Вам не сложно, а мне поможет развивать это дело для вас.