Этапы развития автомобильных турбокомпрессоров
Всем доброго дня. Решил осветить эту тему, потому что сам являюсь непосредственным свидетелем стремительного прогресса в сфере развития систем наддува для двигателей внутреннего сгорания и свидетелем того, что прогресс нельзя остановить. То, о чём мы ещё вчера даже не могли подумать, сегодня является неотъемлемой частью нашей жизни, и с этим нельзя не согласиться.
Я думаю, почти все, кто читает и смотрит наш блог, уже достаточно осведомлены о том, что такое турбокомпрессор и как он работает, поэтому уделять время этому вопросу не будем. Ну, а если такие всё-таки есть, милости просим: информации у нас предостаточно.
Изобретение и первые применения
Идея использования энергии выхлопных газов для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя принадлежит швейцарскому инженеру Альфреду Бюхи. В 1905 году он получил патент на устройство, которое сегодня мы называем турбокомпрессором. Бюхи потребовалось около десяти лет, чтобы создать первый работающий турбокомпрессор для дизельного двигателя.
Первоначально турбокомпрессоры применялись преимущественно в авиационных и танковых двигателях, а также в судовых дизелях, где вопросы экономичности и мощности стояли особенно остро. В 1950-х годах были разработаны коммерческие турбокомпрессоры для компактных высокооборотных дизелей, которые нашли растущий рынок в грузовом транспорте.
Послевоенный период и первые легковые автомобили
После Второй мировой войны инженеры, накопившие опыт работы с турбонаддувом в военной технике, начали экспериментировать с автомобильными двигателями в 1950–1960-х годах. Сначала турбокомпрессорами стали оснащать грузовые автомобили, а затем, в 60-х годах прошлого столетия, — легковые.
Ключевым моментом стало появление в 1962 году турбокомпрессора Honeywell на модели Oldsmobile F85 Jetfire — первом серийном легковом автомобиле с турбонаддувом.
Однако этот опыт оказался не вполне удачным: технология была ещё недостаточно зрелой, а уровень надёжности оставлял желать лучшего. В течение следующих полутора десятилетий автопроизводители не рассматривали турбокомпрессоры всерьёз для массовых легковых автомобилей. Нерешёнными оставались проблемы с балансировкой ротора, охлаждением самого турбокомпрессора и наддувочного воздуха, и многое другое. По этой причине эпоха настоящего расцвета и массового применения началась значительно позже.
Эпоха турбонаддува: 1970–1990-е годы
Настоящий перелом наступил в 1970-х годах, когда нефтяной кризис и ужесточение требований к топливной экономичности заставили автопроизводителей искать способы повышения эффективности двигателей без потери мощности. Даунсайзинг — уменьшение рабочего объёма двигателя с компенсацией мощности за счёт турбонаддува — стал ответом на новые вызовы.
В этот период турбокомпрессоры прочно обосновались в автоспорте: в Формуле-1 турбомоторы доминировали с конца 1970-х до конца 1980-х годов. Гоночный опыт способствовал совершенствованию конструкции и повышению надёжности.
Одним из важных этапов, стало появление турбин с изменяемой геометрией (VGT — Variable Geometry Turbocharger). Впервые такая система появилась на серийном автомобиле в 1991 году на Fiat Croma. VGT позволила оптимизировать работу турбины во всём диапазоне оборотов двигателя, существенно снизив эффект «турбоямы».
Эволюция турбокомпрессоров наглядно.
Первые массовые турбокомпрессоры, которые устанавливались на грузовые автомобили, были полностью лишены механизмов управления наддувом и охлаждались только маслом, которое использовалось в том числе и для смазки подшипников. Из-за недостаточной балансировки они издавали изрядный свист при наборе оборотов. Нечто подобное можно и сейчас встретить на автомобилях МАЗ с двигателями ЯМЗ, которые в простонародье называют «свистульками» из-за характерного звука турбокомпрессора.
Позже стали использовать пневматические актуаторы, которые срабатывали при достижении определенного давления наддува, что уже стало своего рода зачатком элементов управления. Такая система, безусловно, не была лишена недостатков, но уже позволяла как-то контролировать наддув, избегая передува и избыточных оборотов вращения ротора турбокомпрессора. Но она плохо адаптировалась к сиюминутным потребностям в воздухе в зависимости от моментной нагрузки.
Осознав данную проблему, инженеры внедрили элементы более точного управления наддувом. Например, электрический клапан-соленоид по типу распространённого на VAG N75. Он разрывал цепь непосредственной подачи давления на пневматический актуатор и делал это дозированно по команде ЭБУ двигателя.
Данная схема управления наддувом, до сих пор применяется в современных автомобилях, хотя постепенно отходит из-за наличия определенных недостатков, а именно- задержки в моментном управлении, что сказывается на скорости отклика и влияет на точность регулировки наддува.
Наряду с повсеместным внедрением в дизельные двигатели турбокомпрессоров с изменяемой геометрией соплового аппарата, всё чаще стали применяться электронные блоки регулировки давления наддува.
Эта система позволяет филигранно точно и практически моментально дозировать давление наддува в любой момент времени в зависимости от текущей нагрузки. Ее основным недостатком является меньшая надежность из-за хрупкости электронных компонентов, которые из-за высоких температур, реагентов, проблем с проводкой и т.д., выходят из строя.
На картинке изображен дизельный турбокомпрессор с механизмом изменяемой геометрии, однако на бензиновых турбинах, без механизма изменяемой геометрии, стоят аналогичные актуаторы, которые выполняют ту же функцию.
Наряду с внедрением технологий изменяемой геометрии и электронных актуаторов развивались системы последовательного наддува. В таких системах несколько турбокомпрессоров, отличающихся размерами и производительностью, включаются в работу в определенный момент при определенной нагрузке, полностью удовлетворяя потребности двигателя в воздухе. Эти системы представляют собой сложное сочетание турбокомпрессоров с изменяемой геометрией и классических турбокомпрессоров, оснащенных электронными и пневматическими актуаторами.
Вершина эволюции турбонаддува.
Ранее я уже писал про электротурбокомпрессоры. Они, собственно, на текущий момент и являются вершиной эволюции турбонаддува. Безусловно, как и у всех предшественников, у этой технологии есть свои проблемы, которые постепенно решаются. Но, как часто бывает, во время решения текущих трудностей случайно может появиться совершенно другая технология, о внедрении которой пока никто не задумывается.
Что ж, время покажет. А с учетом скорости развития искусственного интеллекта и технологий мы уже в ближайшее время можем стать свидетелями очередного революционного прорыва, который, возможно, изменит не только представление о наддуве, но и перевернёт понимание фундаментальных принципов работы двигателей внутреннего сгорания.
P.S.
В материале я специально не стал упоминать о компрессорах и электрокомпрессорах, так как это другая технология и к приставке «турбо» она отношения не имеет, хотя они выполняют принципиально ту же функцию, что и турбокомпрессор: нагнетают воздух в камеру сгорания двигателя.
Также я обошёл стороной технологии твин-турбо и твин-скролл, так как они, на мой взгляд, не являются серьёзными технологическими решениями, способными эпохально повлиять на развитие систем турбонаддува.
г. Москва, ул. Автомоторная 1/3
+7 (916) 933-24-24.
Роман Дмитриев.
