Число турбонаддувов

Шутки про двухцилиндровый двигатель с четырьмя турбинами отражают тенденцию последних лет двадцати: даунсайзинг массовых моторов при усложнении и совершенствовании систем наддува. А всегда ли много турбокомпрессоров — это хорошо, и где разумные границы их числа?

Две турбины на четыре цилиндра

Теоретически, для четырёхцилиндрового ДВС вполне достаточно одного турбонаддува. Да и более крупные двигатели, с шестью или восемью цилиндрами, могут нормально работать с одной турбиной. Только там сложнее организовать выпускные и впускные тракты. Ведь от выпускного канала в головке блока до турбины в идеале должно быть как можно более короткое расстояние (чем ближе установлен, тем эффективнее работает этот узел). Накручивать лишние “круги” от компрессорной части турбонаддува до входа в цилиндр тоже не стоит, хотя по пути ещё нужно встроить охладитель наддувочного воздуха.

И всё же, существуют примеры серийной установки двух турбонаддувов на “четвёрку”. Скажем, Subaru Legacy B4 1998 года (2.0, до 280 сил). “Четвёрка” тут оппозитная. Потому может показаться, что две симметричные турбины инженеры просто развели по двум половинкам мотора. Но нет. Тут последовательный наддув. Оба турбокомпрессора отвечали за весь двигатель, но работали в разных условиях.

Первый, небольшого размера и с малой инерцией, вступал в действие на низких нагрузках и оборотах коленвала (уже при 2000 об/мин), более или менее устраняя проблему турболага и поднимая крутящий момент на низах. Второй турбокомпрессор, более производительный, просыпался при 4000 об/мин и начинал дышать полной грудью к 4500 об/мин, дополнительно повышая отдачу. Ради согласованной работы двух компрессоров и чтобы они не мешали друг другу на переходном режиме (когда включается вторая турбинка) пришлось предусмотреть запутанную систему управляющих и перепускных клапанов и каналов, и хитрый софт управления ими.

В современных машинах можно встретить другие методы устранения проблемы турболага и почти полного бездействия турбокомпрессоров на низах. К примеру, электрический наддув. Электромотор с собственным компрессорным колесом установлен последовательно с классическим турбонаддувом (а то и с двумя последовательно размещёнными турбокомпрессорами).

В некоторых конструкциях электродвигатель стоит на валу между турбинным колесом и компрессорным. В любом случае, на разгоне такой моторчик получает короткий импульс от мощной батареи, очень быстро выводя турбину на высокие обороты. При обычном движении система действует как простой турбонаддув, работающий от выхлопных газов.

Другое решение — турбокомпрессоры типа twin-scroll. Здесь турбина одна, но к ней идут два раздельных газовых тракта от двух групп цилиндров, оканчивающихся двумя разными по размеру соплами в корпусе турбины (улитке). Это минимизирует паразитные потери, устраняя ненужное взаимодействие в потоке газов (ведь цилиндры работают по очереди и давление на выходе из них скачет), а ещё улучшает реакцию турбины в зоне низких оборотов.

Последнюю задачу можно решить и по другому — за счёт турбины с изменяемой геометрией соплового аппарата. Поворотные лопатки меняют размеры сопла так, чтобы оно эффективно работало и с малым потоком выхлопных газов на низах, и с высоким потоком на верхах. Ещё есть отдельный вид ДВС, в которых турбонаддув сочетается с механическим приводным компрессором (оптимальные для высоких и для низких оборотов коленвала соответственно).

Вернёмся к числу турбокомпрессоров. Почему бы не увеличить его сколь угодно?

С одной стороны, если у вас несколько одинаковых маленьких турбинок, вместо одной крупной, то каждая — легче и потому будет быстрее раскручиваться. С другой, растут сложность (подводящие и отводящие каналы, перепускные и регулирующие клапаны) и стоимость. Последнее обстоятельство не критично для многоцилиндровых двигателей, ведь обычно они применяются в не самых дешёвых моделях. И тут начинаются новые поиски.

Четыре на шесть

Четыре турбокомпрессора на шестнадцатицилиндровом моторе, как в современных Bugatti, вряд ли кого-то удивит. А вот для шестицилиндровых ДВС это редкость.

Четыре турбонаддува вместо привычных двух компания Porsche пробовала устанавливать на купе 911 Turbo серии 991 в виде эксперимента. Но выгода от четырёх небольших турбинок на оппозитной трёхлитровой “шестёрке” не перевесила рост сложности системы и проблем с компоновкой узлов. Хотя включённые по последовательной схеме турбокомпрессоры обеспечили опытному двигателю больше мощности и больше крутящего момента, чем аналогу с двумя турбинами.

Сложности не остановили от похожего шага авторов первого в мире квадротурбодизеля. Это была рядная “шестёрка” 3.0 B57D30S0 от BMW, причём серийная! Она применялась на баварских моделях (пятая и седьмая серии, X5, X6, X7) с 2016 по 2020 годы. Этот мотор нам встречался в обзоре рекордных форсировок. Ещё бы — в нём было 400 сил с завода (133,6 л.с./л) и до 460 л.с. после вмешательства тюнинг-ателье (153,7 л.с./л — очень много для дизеля).

Работа четырёх турбокомпрессоров была далеко не линейной. В обычных условиях воздух в ДВС подавали два крупных турбокомпрессора низкого давления (раздельных) и один малый турбонагнетатель высокого давления. Ещё одна турбинка высокого давления подключалась при превышении коленвалом 2500 оборотов. Малые нагнетатели были установлены в один корпус и снабжены каждый изменяемой геометрией сопла.

А при интенсивном разгоне с низов оба турбокомпрессора низкого давления выключались из воздушного тракта и мотор снабжала только пара малых турбокомпрессоров высокого давления, которые намного быстрее набирали обороты, получая в своё распоряжение все выхлопные газы.

В том движке у компрессоров низкого давления была собственная отдельная система охлаждения. Плюс в моторе были две самостоятельные системы рециркуляции отработанных газов, впрыск под давлением более 2500 бар. Всё это позволило получить больше мощности и момента, в сравнении с предшествующим дизелем (в котором были “лишь” три турбонаддува), лучшую приемистость с одновременным сокращением расхода топлива и токсичности.

Квадротурбодизель оказался эффективнее и чище предшественника. Но повышенная сложность и высокая цена всё же его погубили — немцы отказались от этого двигателя после четырёх лет выпуска. За “старшего” в серийной линейке дизелей баварцы оставили агрегат 3.0 даже не с тремя, а с двумя турбокомпрессорами.

Два на три

Шестисотсильный двигатель Tiny Friendly Giant на суперкаре Koenigsegg Gemera (2020) — ещё один пример высокофорсированного ДВС. Три цилиндра с редкой системой газораспределения без распредвалов: у каждого клапана — свой пневмо-гидравлический актуатор, что даёт широчайшие возможности в смене фаз, и даже рабочего цикла (Миллер/Отто). Рабочий объём — два литра. И тут два турбонаддува.

Первый турбонаддув присоединён к первому выпускному клапану в каждом из трёх цилиндров, а второй — ко второму выпускному в каждом из цилиндров. На низких нагрузках открывается только первый выпускной клапан и работает один турбокомпрессор, а при высоких нагрузках в дело вступает и второй. Поскольку Gemera — гибрид, и там есть ещё три электродвигателя, так что общая мощность модели — 1723 силы. Но это уже другая история.

Три на четыре

Три нагнетателя на бензиновую «четвёрку» из линейки Drive-E в виде эксперимента поставила компания Volvo в 2014 году. Схема была последовательно-параллельной: сперва в воздушном тракте шёл электрический компрессор (устранявший турболаг при разгоне), а за ним стояли два классических турбонагнетателя (один питался выхлопными газами от первого и четвёртого цилиндров, другой — от второго и третьего). Сюда добавили ещё разных ухищрений, например, впрыск топлива под давлением 250 бар. Итог: 450 л.с. с двух литров рабочего объёма.

Четыре на четыре и три на три

В 2006 году британская фирма Owen Developments создала Quad Turbo Kit (в коллаже слева) — первый комплект «квадротурбо» для четырёхцилиндрового мотора. Однако индустрию он не заинтересовал. В 2017 году американцы Джим Кларк и Дик Фотч предложили свою схему индивидуального турбонаддува для каждого цилиндра (справа). Идея была проиллюстрирована схемами трёхцилиндрового агрегата с тремя турбонаддувами, но могла быть распространена на любое число цилиндров.

Здесь в цилиндре один выпуск, питающий рядом установленный турбокомпрессор. А воздух в цилиндр подаётся по двум каналам с индивидуальными дроссельными заслонками — одна открывается на низких оборотах, вторая подключается на высоких.

Общая же идея и у Owen, и у Кларка — уменьшение размера каждой из турбин. За счёт этого сокращается момент инерции и такие турбокомпрессоры легче раскручиваются. Правда и доля выхлопных газов для их работы тоже сокращается, ведь на каждую турбину приходится поток лишь от одного цилиндра. Ну и вопрос стоимости остаётся спорным — четыре турбокомпрессора, даже небольших по размеру, для четырёхцилиндрового двигателя — явно не лучшее решение в плане финансов.

Восемь на восемь

Различные тюнинг-ателье и просто гаражные самодёлки в последние годы являют и более экстремальные примеры — восемь турбонаддувов для восьмицилиндрового мотора. Авторам таких конструкций приходится решать кучу проблем с компоновкой турбин (рассматриваются разные варианты их размещения), подводом выхлопа и воздушным трактом, промежуточным охлаждением и подачей масла для смазки турбокомпрессоров.

В итоге, как например у серого Мустанга с ютуб-канала Boosted Lifestyle (тут стоит свапнутый мотор LS с восемью наддувами, снятыми с Фольксвагенов), всё работает и машина едет. Но постоянно возникают неполадки со смазкой, уплотнениями разных соединений, падением давления в отдельных компрессорах. В общем, тут кажется куда больше веселья, чем реальной пользы.