Снижение массы и увеличение относительной отдачи автомобильных двигателей во всём мире привело к повальному внедрению турбонаддува.
Процент турбированных дизелей уже повысился практически до абсолютного значения, а бензиновые двигатели в безнаддувном варианте применяются на перспективной технике разве что в бюджетном сегменте. Выявить причины такого явления поможет экскурс в теоретические основы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Пути повышения удельных характеристик ДВС
Всякое усовершенствование типичного атмосферника неизбежно заходит в тупик из-за взаимоисключающих факторов. Хорошая тяга на низких оборотах и большая мощность на высоких потребуют увеличения рабочего объёма, что добавит массу и расход.
Дополнительные потери вызовет инертность массивного двигателя. Сложности с организацией процессов горения повлекут добавку числа цилиндров, а значит сложность и стоимость двигателя резко возрастёт. Не говоря уже об экологии.
Но самым сложным оказалось обеспечить хорошее наполнение цилиндров. Отдача ДВС прямо зависит от количества подаваемой в рабочие объёмы горючей смеси.
Но перепад, за счёт которого и наполняется надпоршневое пространство, ограничен атмосферным давлением.
На спортивных двигателях выходили из положения применяя резонансный наддув, когда синхронизированные перепады давлений на впуске и выпуске буквально заталкивали свежую смесь и выхватывали в выхлопную трубу отработавшие газы.
Но, как известно из физики, все резонансные явления имеют ярко выраженную зависимость от частоты. То есть мощность обеспечивалась только при номинальных, то есть максимальных оборотах.
На средних и низких такие моторы работают плохо, а на приемлемых холостых просто глохнут. Для спорта это подходит, а в гражданской эксплуатации подобными двигателями невозможно управлять.
Некоторую добавку обеспечивали многоклапанные системы, но и они были не в состоянии обеспечить равномерную тягу во всём диапазоне оборотов.
Попытки увеличить степень сжатия, повысив таким образом КПД двигателя, тоже имеют своё ограничение, поскольку детонационные свойства бензинов широкого потребления невысоки.
Наддув, как выход из положения
Самым логичным решением выглядит подача рабочей смеси под избыточным давлением. Это было реализовано в компрессорных двигателях, где для предварительного сжатия смеси применялись механические нагнетатели, обычно роторного типа.
Компрессоры приводились во вращение от коленчатого вала. Такие двигатели иногда применяются и сейчас.
Оставалось устранить единственный недостаток компрессоров – потери мощности на его привод. Двигатель расходует очень много воздуха, и чтобы его сжать, нужны немалые расходы полезной энергии.
Тогда и обратили внимание на бесплатный её источник – бесполезно выпускаемые в атмосферу горячие выхлопные газы.
Турбированные двигатели и их преимущества
Энергия выхлопа утилизировалась установленной на их пути небольшой турбиной, на валу которой размещался центробежный нагнетатель. В таком виде турбонаддув работает до сих пор, усложняясь лишь технологически.
Полученное почти неограниченное давление способно обеспечить любой уровень наполнения цилиндров. Ограничением является лишь прочность используемых деталей.
Простой пример – если хороший атмосферный мотор бюджетной легковушки объёмом 1,6 литра выдаёт 120-130 лс, то с такого же объёма двигателя Формулы 1 снимается более 800. И это не предел, там ограничения вводятся искусственно.
Важным свойством турбодвигателей стало программированное распределения крутящего момента по нагрузочной характеристике.
Современные моторы способны создавать свою максимальную тягу уже с 1500 оборотов в минуту, далее с ростом скорости вращения повышается лишь мощность. Это очень удобно при практической эксплуатации.
Уменьшение объёма и хорошая управляемость турбированного двигателя позволили резко снизить расход топлива. Обычные сегодня показатели турбодизелей на фоне старых атмосферников выглядят фантастикой.
А коэффициент полезного действия таков, что проблемой стало разогревание двигателя и салона автомобиля до рабочей температуры в холодное время года.
Вопросы сложности и ненадёжности моторов с турбиной практически решены. Несмотря на высокие обороты турбокомпрессора, современные системы смазки справляются с проблемой долговечности подшипников вала.
А быстродействующее электронное управление наддувом сводит к минимуму дополнительные нагрузки в частичных и переходных режимах.
Делитесь своим мнением в комментариях, ставьте лайки и подписывайтесь на наш канал.
Рекомендуем прочитать наши статьи: