Многие слышали о таком явлении, как турбояма, а те, кто эксплуатирует турбированный автомобиль, наверняка с ним сталкивались. Буквально недавно я писал статью на эту тему — «Что такое турбояма». Теперь хочу рассказать, как в современном автомобилестроении инженеры по всему миру борются с этим явлением и действительно побеждают его!
Немного окунёмся в природу турбоямы
Чтобы понять методы борьбы, нужно разобраться в физике процесса. Турбокомпрессор работает не от коленвала напрямую, а использует кинетическую и тепловую энергию отработавших газов.
При низкой нагрузке, например на холостом ходу, поток выхлопа слаб. Крыльчатке турбины просто не хватает силы, чтобы раскрутиться до рабочих 100–150 тысяч оборотов в минуту и создать необходимое давление на впуске. Водитель давит на газ, дроссельная заслонка открывается, но турбокомпрессору нужно время, чтобы раскрутить ротор. Этот промежуток между командой и откликом и есть турбояма.
Методы борьбы делятся на три глобальные категории: 1) механические (улучшение «дыхания»), 2) электронные (умное управление) и 3) инженерно-гибридные (использование постороннего источника энергии).
Способ 1: уменьшаем инерцию
Самый очевидный, но компромиссный способ — уменьшить массу вращающихся частей.
- Облегчённые крыльчатки: использование титана, алюминидов титана или, в некоторых моделях, специального углепластика. Колесо турбины из керамики вместо жаропрочной стали позволяет турбине быстрее раскручиваться.
- Керамические шарикоподшипники:
Переход с подшипников скольжения (бронзовых втулок) на шариковые (ball bearing) с использованием керамических шариков в конструкции подшипника сильно снижает трение. Такая турбина выходит на необходимые рабочие обороты на 20–30% быстрее.
- Уменьшение диаметра рабочих колёс (колеса турбины и колеса компрессора): маленькая турбина за счёт маленьких и лёгких крыльчаток «спулится» (набирает наддув) почти мгновенно, но она «сдувается» на высоких оборотах. Это классический городской вариант, где важны «низы».
Способ 2: аэродинамика с секретом (Twin-Scroll и VGT)
Здесь инженеры манипулируют потоком газов.
Twin-Scroll (корпус турбины с раздвоенным сечением).
Корпус турбины разделён на два канала, которые подают выхлопные газы от разных групп цилиндров (например, 1–4 и 2–3). Потоки разделены и подаются на крыльчатку без лишних завихрений и рассинхронно. Это ускоряет поток и позволяет использовать турбину покрупнее без значительной задержки на низах.
Изменяемая геометрия (VGT/VNT).
В корпусе турбокомпрессора установлены поворотные лопатки. На низких оборотах они почти перекрывают проход, резко ускоряя поток газа и быстрее раскручивая ротор. Об этом я уже давно писал. Эта система позволяет без привязки к реальной нагрузке на двигатель добиваться нужного наддува в любой момент времени.
Способ 3: битурбо, твин-турбо
Вопреки мифу, две турбины не всегда означают «одна дует, другая подхватывает».
Параллельная схема: две маленькие турбины питаются от своих групп цилиндров. Инерция снижена — отклик быстрее, чем у одной большой.
Последовательная схема: вершина эволюции дизельных и бензиновых моторов (как знаменитая система 2JZ-GTE или современные турбодизели BMW). На низких оборотах работает одна маленькая турбина (мгновенный отклик). С ростом оборотов и нагрузки, перепускные клапаны плавно подключают вторую, большую. Переход становится незаметным, обеспечивая тягу с самых низов.
Способ 4: антилаг (ALS)
Система, пришедшая из ралли, где нет места гражданским нормам экологии, и практически неприменима в гражданских автомобилях.
Принцип, более подробно описанный в отдельной статье, упрощённо выглядит так: при сбросе газа в цилиндры продолжает подаваться топливо, но зажигание смещается на катастрофически поздний угол. Смесь воспламеняется не в цилиндре, а в выпускном коллекторе, непосредственно перед турбиной, создавая ударную волну. Турбина не теряет обороты. На выходе — стрельба из выхлопа, чудовищный нагрев и быстрый износ турбины и всей выхлопной системы. На гражданских машинах встречается крайне редко, в основном в режиме «спорт+» у некоторых экстремальных моделей.
Способ 5: электрификация наддува
Электричество позволило разорвать связь между оборотами ДВС и мощностью наддува.
Электронный компрессор (eBooster):
Используется электромотор в сочетании с классическим турбокомпрессором. Он раскручивает электрокомпрессор до нужных оборотов за 0,3–0,5 секунды, мгновенно заполняя провал, пока не выйдет на рабочие обороты основная турбина. Минус — требует 48-вольтовой бортовой сети, а значит, дополнительный аккумулятор и усложнение всей схемы электропитания.
Электрическая турбина (MGU-H):
Это новейшее направление наддува, о котором я расскажу в ближайшее время. Гибрид гоночных технологий Формулы-1. Электромотор находится на валу между турбиной и компрессором. На низах он помогает раскрутить вал (антилаг), а на верхах — отбирает избыточную энергию, работая генератором. Такая схема лишена задержки. Уже применяется на дорожных суперкарах (Mercedes-AMG, Ferrari, McLaren).
Способ 6: софт и программное устранение турбоямы
Помимо «железа», бороться с ямой помогает настройка двигателя.
Управление фазами зажигания: на выходе из турбоямы при резком газе блок управления специально «зажимает» зажигание, вызывая кратковременное сгорание смеси в выпуске. Это создаёт тепловой толчок, подхлёстывающий турбину без вреда, характерного для жёсткого антилага (ALS), — только дозировка меньше и сам режим настроен более мягко.
Настройка педали газа. Часто отклик притупляет не столько турбина, сколько электронная дроссельная заслонка, настроенная на экономию. Спорт-режим меняет алгоритм открытия дросселя, делая его более острым.
Способ 7: комбинированный наддув — компрессор + турбокомпрессор
Попытка совместить лучшее из двух миров. Инженеры Volkswagen (двигатели TSI) механически соединили нагнетатель типа Roots (привод от коленвала) и турбокомпрессор. Технология откровенно дорогая и сложная, но имеет место быть.
С первых оборотов воздух сжимает механический компрессор, давая крутящий момент на низах.
С 2500–3500 об/мин эстафету перехватывает турбина, а механический нагнетатель отключается электромагнитной муфтой.
Схема, повторюсь, дорогая и сложная, но турбояма таким образом устраняется достаточно эффективно.
Что хочу сказать напоследок!
Я рассказал не обо всех схемах устранения турбоямы, но об основных, которые применяются в современном автомобилестроении.
Куда идёт мир? Как по мне, на текущий момент перспективная и неплохая схема — это гибридные автомобили, где ДВС с турбонаддувом выполняет роль генератора, а электромоторы непосредственно передают крутящий момент на колёса автомобиля. Да, в этой схеме тоже есть уязвимости, но прогресс не стоит на месте, и эти недостатки будут со временем устранены.
А бесконечное усложнение схемы наддува, всё больше похоже на конструктор для умных инженеров, где борьба за сотые доли секунды и экономию граммов топлива выливается в сложнейший клубок узлов и механизмов с ограниченным ресурсом и огромной стоимостью.