Турбояма, ее природа и современные способы устранения.
Удивительно, почему я до сих пор не написал на эту тему, хотя в видеообзорах о турбояме и о ее природе говорил часто. Ну лучше поздно, чем никогда. И как всегда без лишней воды, доступным и понятным языком!
Природа явления, почему турбина не включается мгновенно.
Чтобы понять суть турбоямы, нужно вспомнить, как работает турбокомпрессор. Его задача — нагнетать в цилиндры больше воздуха, чем обычный атмосферный двигатель может засосать самостоятельно. Движущей силой выступает энергия выхлопных газов: они раскручивают крыльчатку турбины, которая находится на одном валу с компрессорным колесом, сжимающим воздух на впуске.
Один из ключевых момент здесь — инерция. Крыльчатки турбокомпрессора сделаны из металла и вращаются с колоссальными скоростями (до 200 000 оборотов в минуту и выше). Чтобы разогнать этот вал из состояния покоя или низких оборотов до эффективной скорости, нужно время и достаточный поток выхлопных газов.
Когда двигатель работает на холостом ходу или при равномерном движении на низких оборотах, поток выхлопных газов слабый и нестабильный. Турбина крутится вхолостую, практически не создавая избыточного давления (наддува). Водитель резко открывает дроссельную заслонку — начинается подача топлива, обороты коленчатого вала растут, но выхлопных газов для мгновенной раскрутки турбины все еще недостаточно. Требуется несколько циклов работы двигателя, чтобы поток выхлопа набрал силу и разогнал турбокомпрессор. Именно этот отрезок времени, когда дроссель открыт, а ожидаемого подхвата еще нет, и ощущается как провал — турбояма.
От чего зависит «глубина» турбоямы или точнее- скорость отклика на педаль акселератора турбированного автомобиля?
Глубина и длительность провала не одинаковы для всех турбомоторов. На нее влияют три главных фактора:
- Размер и момент инерции турбины. Чем крупнее турбокомпрессор, тем тяжелее его крыльчатки и тем больше энергии требуется для их раскрутки. Огромные турбины на мощных грузовых и тюнингованных моторах обеспечивают высокое давление наддува на верхах, но страдают колоссальным лагом — иногда подхват наступает только после 4000–5000 оборотов. И наоборот: маленькая турбина с легкой крыльчаткой выходит на наддув быстро, почти без задержки, но её возможностей не хватает для работы на высоких оборотах.
- Объем и конструкция двигателя. Двигатели большого объема производят больше выхлопных газов даже на низких оборотах, что сокращает время раскрутки турбины. Конструкция выпускного коллектора также играет роль: чем короче и ровнее путь газов от выпускных клапанов до «горячей улитки» турбины, тем меньше потери энергии и быстрее отклик.
То же самое касается воздушных магистралей и интеркулера, чем короче путь от компрессора, тем быстрее отклик. По этой причине на многих автомобилях применяют интеркулеры с водяным охлаждением, что позволяет значительно сократить длину воздушных трактов, разместив сам интеркулер максимально близко к турбине и впускному коллектору.
- Степень форсирования. Если с мотора снимают высокую мощность с помощью высокого наддува, турбина по определению не может быть маленькой и легкой, что неизбежно увеличивает лаг. Это касается случаев с одной турбиной, но обо всем по порядку!
Инженерные методы борьбы с задержкой
Смириться с турбоямой как с неизбежным злом конструкторы не могли, поэтому за десятилетия развития турбонаддува появились эффективные способы если не уничтожить ее полностью, то свести к почти незаметному минимуму.
- Twin-Scroll (двойная горячая улитка) или двойной корпус турбины. Вместо одного общего канала подачи газов к турбине используют два, разделяя цилиндры по группам так, чтобы импульсы от выпускных клапанов не мешали друг другу, а складывались в более плотный и мощный поток. Это значительно ускоряет раскрутку.
В корпусе турбины установлены подвижные лопатки, которые меняют угол атаки и сечение канала для выхлопных газов. На низких оборотах лопатки поворачиваются, создавая узкое сопло: поток ускоряется и сильнее бьет по крыльчатке, быстро ее раскручивая. На высоких оборотах сопло расширяется, притормаживая скорость потока выхлопных газов и предотвращая чрезмерное давление наддува. Эта технология практически победила лаг на дизельных двигателях, а в последние годы внедряется и на бензиновых.
- Последовательный наддув.
Используются две турбины: маленькая (быстрая) работает на низких оборотах, а большая подключается на высоких, обеспечивая мощный наддув и устраняя провал во всем диапазоне. Бывают системы с тремя и даже четырьмя турбокомпрессорами.
- Электрический нагнетатель.
Самый современный метод. Компрессор с электроприводом мгновенно, за доли секунды, заполняет паузу в наддуве, пока выхлопные газы только начинают раскручивать основную турбину. Такой подход полностью убирает лаг и делает отклик на педаль газа практически мгновенным.
Это экстремальный способ, о котором я тоже недавно писал, применяемый на раллийных машинах. В выпускной коллектор на такте выпуска впрыскивается дополнительное топливо, которое воспламеняется прямо перед турбиной, поддерживая ее вращение даже при закрытом дросселе. Ресурс узлов при этом резко снижается, зато задержки нет совсем.
Так ощущается ли турбояма сегодня?
На современных гражданских автомобилях инженерам удалось практически полностью замаскировать турбояму. Сочетание малообъемных турбомоторов с легкими и сверхбыстрыми турбинами, системами изменяемой геометрии и интеллектуальным управлением двигателем делает отклик на газ очень похожим на атмосферный. Разумеется, при резком старте с холостых оборотах, на механической коробке передач момент заминки еще можно уловить, но это уже скорее легкое недоразумение, а не досадный пинок под зад после долгой паузы.
Турбояма, а точнее ее почти полное отсутствие на современных автомобилях, стало отличным примером того, как технология развивается через преодоление собственных врожденных недостатков. Сегодня это уже не приговор мощному мотору оснащенному турбокомпрессором, а лишь эхо его устройства, успешно заглушаемое точным инженерным расчетом и современными технологическими решениями.
МастерТурбо Москва.
Роман Дмитриев.
+7 (916) 933-24-24.
г. Москва ул. Автомоторная 1/3