Турбоистория

Турбо: история и современность

Автомобильный двигатель с принудительным наддувом воздуха – экзотика, атрибут исключительно «суперкаров», «пожиратель топлива», «головная боль» автовладельца и работников автосервиса. Насколько справедливы эти устоявшиеся представления?

Действительно, отношение к моторам с принудительным наддувом, мягко говоря, неоднозначное. И не только у рядовых автолюбителей, но и в среде специалистов, занимающихся обслуживанием и ремонтом автомобильных двигателей. Более того, сами разработчики моторов далеко не сразу сумели правильно оценить перспективность применения наддува и разработать эффективную технику для легкового автотранспорта. Подтверждением этому служит долгая и бурная история наддува ДВС, полная достижений и провалов.

Турбоистория

История наддува так же стара, как и история самих двигателей внутреннего сгорания. Известно, что оба «прародителя» современных ДВС, и Готлиб Даймлер, и Рудольф Дизель, отчетливо представляли, что предварительное сжатие воздуха, поступающего в цилиндры, позволяет получить прибавку в мощности. Оба еще в конце 19-го века предпринимали попытки применить наддув в конструкции своих двигателей и оба потерпели неудачу. Что касается эффективной мощности, она действительно возрастала, но на КПД «первобытных» бензиновых и дизельных моторов наддув сказывался отрицательно. Это сейчас понятно, что виноват был не сам принцип наддува, а его реализация. Тогда же результаты экспериментов дали основание сделать отрицательный вывод о пользе применения наддува. Дизель был наиболее категоричен и назвал воздействие предварительной компрессии на работу двигателя чрезвычайно вредным.

Неудачи первых экспериментов надолго отодвинули идею предварительного наддува. Робкие попытки вернуться к ней предпринимались еще до начала Первой мировой войны. Бензиновые двигатели с наддувом изредка появлялись на гоночных автомобилях и тепловозах. Война активизировала разработки в этой области, и наддувные авиационные моторы помогали самолетам компенсировать потерю мощности из-за уменьшения плотности воздуха при полетах на больших высотах. Усилиями немецкой фирмы MAN в середине 20-х годов были разработаны первые дизельные двигатели с наддувом. Применялись они в основном на судах, в том числе, подводных лодках, и локомотивах.

Одной из причин, сдерживавших распространение ДВС с принудительным наддувом, был продолжительный поиск конструкторами оптимального способа его реализации. Вначале «эпохи наддува» и на протяжении 20-30-х годов для предварительного сжатия воздуха в ДВС применялись механические нагнетатели, компрессоры. Соответственно, моторы с механическим наддувом назывались компрессорными. Для компрессорного наддува использовались устройства различной конструкции: шиберные, поршневые, винтовые, центробежные, типа Рутс и их комбинации.

Механические нагнетатели получили распространение вследствие того, что существовавшие в те времена технологии позволяли освоить их промышленное производство. Компрессоры неплохо справлялись с задачей повышения литровой мощности как бензиновых, так и дизельных двигателей, но имели один существенный недостаток. Для привода самого компрессора требуется мощность. Ее механические нагнетатели отнимают у двигателя, что не способствует увеличению его КПД. Несмотря на это, период с середины 20-х и по 50-е годы прошлого века прошел под знаменем господства механического наддува. Естественно, он применялся, прежде всего, там, где фактор экономичности стоял на последнем месте, а именно, в спорте, как автомобильном, так и мотоциклетном.

Более полувека тому назад конструкторам удавалось создавать спортивные компрессорные моторы, выходные характеристики которых и сегодня кажутся фантастическими. Так, в начале 50-х фирма Alfa Romeo разработала ставший впоследствии знаменитым двигатель Alfetta. Восемь цилиндров в ряд со скромным суммарным рабочим объемом всего в 1,5 л развивали феноменальную мощность до 425 л.с! Огромная удельная мощность в 285 л.с./л достигалась благодаря двум, расположенным последовательно, рутс-нагнетателям. То, что было приемлемо для спортивных автомобилей, не очень хорошо по вышеупомянутой причине вписывалось под капот серийного автомобиля с его небольшим двигателем. Тем не менее, компрессорные моторы применялись на некоторых моделях Aston Martin, Jaguar, Mercedes-Benz, VW.

Итак, в первой половине 20-го века в двигателях с принудительным наддувом воздуха «правили бал» механические нагнетатели, компрессоры. Тем временем, в тени их славы тихо и незаметно родился и возмужал их конкурент, которому предстояло сыграть революционную роль в деле наддува ДВС. История свидетельствует, что в 1905 году выпускник Швейцарского технического университета Альфред Бюхи получил от Федерального патентного ведомства США свой первый патент. Патент касался принципа предварительного сжатия рабочей среды поршневой машины за счет частичного использования энергии отработавших газов. Впоследствии Бюхи запатентовал еще несколько изобретений, в том числе, конструкцию устройства, объединявшего на одном валу крыльчатки компрессора и турбины, работающей на выхлопных газах двигателя. Так родилась идея газотурбонагнетателя или турбокомпрессора.

Инкубационный период» этого изобретения длился очень долго. Первое практическое применение турбонаддува на транспортных двигателях состоялось лишь в 1925 году. Турбонагнетатели прошли примерно такой же путь, как и компрессоры. Вначале они применялись на судовых двигателях, в конце 30-х – на моторах грузовиков. Дебют турбокомпрессоров на серийных легковых автомобилях состоялся гораздо позже, лишь в начале 60-х, когда концерн General Motors представил на рынок две модели автомобилей с турбонагнетателями: Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire. Как оказалось, их премьера было несколько преждевременной. Большой расход топлива, невысокий крутящий момент и низкая надежность турбомоторов привели к тому, что через год эти модели были сняты с производства, дискредитировав идею турбонаддува.

Несмотря на кажущуюся простоту самой идеи и конструкции газотурбонагнетателя, создание работоспособных агрегатов турбонаддува вкупе с устройствами регулирования – задача непростая. Ее решение требует глубоких теоретических и прикладных исследований, а также применения высокотехнологичных процессов в производстве. Представьте, вал турбокомпрессора вращается с частотой 200 000 мин-1 и даже больше. То есть, пока вы делаете один вдох, турбонагнетатель совершает более 3 000 оборотов! При этом температура крыльчатки турбины, взаимодействующей с выхлопными газами, «зашкаливает» за тысячу градусов, в то время как с другой стороны небольшого вала, в зоне крыльчатки компрессора она раз в пять меньше. Понятно, что даже обеспечение работоспособности такого устройства – проблема, не говоря уже о ресурсе в 200-300 тысяч километров пробега автомобиля

И все же проблемы применения турбонаддува в двигателях легковых автомобилей постепенно решались. Достаточно компактное устройство, к тому же утилизирующее «дармовую» энергию выхлопных газов, обеспечивало немалые преимущества: небывалый рост удельной мощности и крутящего момента, которые зачастую было невозможно достичь другими способами. Именно эти факторы имели первостепенное значение в середине прошлого века. Как многие другие технические новации, турбонаддув прокладывал себе дорогу в «серию» через автоспорт. Гонки «Формулы-1», соревнования в Индианаполисе, на которых апробировалась турботехника, стали важным этапом ее опытной отработки и доказали, что расчет на турбонаддув оправдан.

Из спорта газотурбонагнетатели пришли на легковые автомобили. Первопроходцем в практическом применении турбонаддува стала немецкая фирма Porsche cо знаменитой моделью 911 Turbo, сошедшей с конвейера в 1975 году. За Porsche последовали такие автопроизводители, как Alfa Romeo, Audi, BMW. Общепризнан тот факт, что наибольший вклад во внедрение турбонаддува в практику серийного производства автомобильных двигателей внесла шведская фирма SAAB. Свой первый автомобиль с турбированным мотором, SAAB 99 Turbo она представила в 1977 году, а к массовому применению турбокомпрессоров приступила с 1984 года. До 1990 года порядка 80% автомобилей SAAB оборудовались системой турбонаддува. С 1996 года их доля возросла до 95%. SAAB знаменит не только тем, что делает ставку на «турбо» и играет роль первопроходца в этой высокотехнологичной отрасли. Его новые разработки, о которых будет сказано ниже, позволили по-новому взглянуть на место турбонаддува в современной автотехнике и понять, что наддув не всегда тождественен росту мощности.

Серийный выпуск турбодизелей первой освоила фирма Mercedes-Benz в 1978 году. Позже этим направлением активно занялись французские моторостроители, Peugeot и Citroen. Таким образом, к началу 80-х годов в линейке практически каждого автопроизводителя легковых автомобилей присутствовали одна или несколько моделей с турбодвигателем. В то же время, механические нагнетатели сдали свои позиции, хотя говорить о бесперспективности их применения на небольших ДВС пока преждевременно.