Вряд ли Вы слышали про шведского инженера Альфреда Бучи, но Вы определенно знакомы с его работой, потому что давно, еще в 1925 году, он был первым кто разработал турбину. Результатом был незамедлительный прирост мощности, что на тестовом двигателе Бучи составило 40%. Этот фак был фактически забыл вплоть до поздних 70-х годов, когда возникла необходимость в увеличении мощности (в основном этого требовали Saab и Porsche), вот тогда то и пригодилось запылившееся изобретение. С тех пор, применение турбин стало довольно популярным.
Японские автомобили не являются исключением, большинство современных автомобилей имеют комплектации с турбиной.
Почему же турбины способствуют увеличению мощности?
Это довольно просто понять, турбированный двигатель работает в точности как атмосферный, но объем проходящего сквозь него воздуха больше. Атмосферные двигатели называются так потому, что они "дышат" обычным атмосферным воздухом, как Вы и я. В теории, чтобы улучшить производительность атмосферного двигателя, нужно обеспечить ему больший поток воздуха, с необходимым количеством топлива для образования правильного состава смеси, и тогда большее количество сгоревшего топлива обеспечит больше энергии. Типичные способы такго тюнинга — это распределительные валы, обеспечиваюшие больший подъем клапанов, или же просто больше клапанов на цилиндр, это позволяет увеличить и мощность и момент. И неважно, насколько эффективным будет впуск — двигатель питается только воздухом затекающим в него естественным путем (без давления).
Но предположим, что мы установим некоторый внешний насос, который будет загонять воздух в цилиндры и создавать там давление выше атмосферного. И тогда, в двигателе окажется гораздо больше воздуха, чем было до этого, и при достаточном количестве топлива (чтобы отношение топливо/воздух не изменилось), мы получим гораздо больше мощности с того же двигателя. Такой насос может улучшить наполняемость цилиндров где-то на 50%, соотвественно нам потребуется на 50% больше топлива, но мы получим на 50% больше мощности, что гораздо лучше чем обеспечивают другие тюнинговые комплектующие. Это конечно теория. На практике бывают две формы насосов, это приводимый в движении двигателем компрессор (supercharger) и приводимый в движении выхлоными газами — т.е турбина (turbocharger).
В современных моделях турбины находят довольно часто применение, и вот почему. Это позволяет производителю построив один двигатель, и добавив к нему турбину, получить новую модель, достаточно "горячую", чтобы назвать ее спортивной. Так 2-х литровый 146 л.с. eclipse gs становится турбированной 210 л.с. eclipse gts (gsx), а 140 л.с. Lancer становится 280 л.с. Lancer Evolution. Если же по какой либо причине, Mitsubishi не могла бы использовать турбины, то чтобы достичь такой мощности ей пришлось бы делать двигатели объемом 2.7-3.0 литра, что потребывало бы 6 цилиндров, ну и конечно сказалось бы на цене.
Турбины на практике
Для простоты, Вы можете считать турбину насосом, который приводится в действие выхлопными газами, который с силой выбрасываются двигателем. Внутри турбины расположено турбинное колесо, лопасти которого приводятся в действие выхлопными газами. Это колесо соединено коротким валом с колесом компрессора, которое находится в отдельном корпусе, но из-за соединения валом вращается с такой же скоростью. Вращаясь, компрессорное колесо всасывает воздух в двигатель, что и способствует созданию дополнительного давления.
На практике, на малых оборотах двигателя — не выделяется достаточно много газа и в выпускном коллекторе есть небольшое обратное давление. Выхлопные газы выходят сквозь зазоры турбинного колеса (крыльчатки) при этом практически не раскручивая ее. В такой ситуации двигатель находится не на давлении, дополнительного воздуха не поступает — вообщем он работает как атмосферный. Когда дроссельная заслонка открывается больше, объем выхлопных газов увеличивается и как результат турбина раскручивается, такую стадию принятю называть — раскруткой турбины (spool up). Если педаль газа удерживается нажатой, турбинная крыльчатка раскручивается все быстрее, так как она соединена валом с крыльчаткой компрессора, то она в свою очередь тоже крутится быстрее и загоняет больше воздуха в двигатель, чем в атмосферный. Эта стадия называется на наддуве (on boost). Далее, так как в двигатель поступило больше воздуха, соотвественно компьютер подает туда больше топлива, и как результат объем выхлопных газов увеличивается, проходя через турбинную крыльчатку они раскручивают ее еще больше, что вызывает дальнейший рост давления наддува. И если этот процесс оставить без контроля — то довольно легко повредить двигатель. Чтобы этого не случилось, турбины оборудуют контролирующим обходным клапаном (wastegate), который позволяет выхлопным газам идти в обход турбиной крыльчатки — сразу на выпуск. Обходной клапан приводится в действии чуствительным к вакууму механическмим устройством, соленоидом (actuator). Соленоид открывает обходной клапан, при определенном уровне давления. В японских автомобилях этот соленоид часто работает с совместно с электронным контроллером наддува.
Большинство японских автомобилей работает на давлении около 10psi (0.7-0.8 bar), что означает увеличение количества воздуха на более чем 50% в сравнении с атмосферным двигателем. Чем больше воздуха поступает, тем больше мощности получается за счет увеличения количества сгораемого топлива, вот почему увеличение наддува — так хорошо сказывается на производительности.
Размер имеет значение
Итак, это была вступительная часть, перейдем к спецификациям. Турбины как известно бывают большими и маленькими, корпус турбины — чем-то напоминающий улитку — это наиболее видимая часть турбины, отсюда и идет классификация на большие и маленькие. Размер компрессора определяет сколько воздуха турбина сможет закачать в двигатель, и это также определяет величину турбоямы (turbo lag).
Чтобы понять, что такое турбо яма, вспомните о том что турбина — это насос. И как любой насос, ему нужно сначала наполнится, а потом начать качать. Логически, маленький насос наполняется быстрее, чем большой. Но маленький насос не может прокачать столько же воздуха сколько и большой, зато он начинает работать быстрее. Таким образом — маленькая турбина будет более отзывчива, в то время как большая — будет производить больше мощности. Другой фактор, который следует принимать во внимание, это то что маленькая турбина имеет меньший вес, и ее крыльчатка имеет меньше инерции, соотвественно еще проще раскрутить, но потом она становится ограничивающим фактором и не может пропускать через себя больше воздуха чем определенный объем. Соотвественно максиальная мощность у маленькой турбины меньше, но и турбояма тоже меньше. Вот почему, Вы никогда не увидите 1000 сильный Nissan Skyline с маленькой турбиной.
Отношение А/R
Итак, мы разобрались с размерами турбины. Пора поговорить о выборе правильно отношения A/R в зависимости от объема двигателя. Отношение A/R — призвана описать размеры турбины в цифрах, что в буквальном смысле есть область/радиус (area/radius). В частности область — это вход турбины, а радиус это радиус центральной части. Обычно это отношение находится в пределах 0.5-1.0. В терминах размеров, турбина с отношением 0.5 будет раскручиваться гораздо быстрее чем турбина с отношением 1.0, но конечно же турбина с большим A/R будет способна создать больше наддува и больше мощности.
Поэтому правильный выбор A/R очень важен — особенно для производителей. Выбор слишком маленького A/R позволит быстро выходить на наддув, еще на низких оборотах двигателя, но при этом максимальное давление будет достигнуто достаточно рано и придется сбрасывать излишки открывая обходной клапан. Кроме этого, если очень долго перекручивать турбину — это плохо скажется на надежности. Если же A/R слишком большой, то двигатель будет страдать от большой турбоямы, а турбина будет врашаться очень медленно и выходить на наддув уже в конце диапазона оборотов, что сделает автомобиль не отзывчивам на нажатием газа и тяжелым в управлении.
В реальности подбор правильного A/R — уже не проблема для японских производителей. Большинство автомобилей имееют турбины с наибольшим возможным A/R, что означает что есть определенная турбояма, но всегда есть потенциал для подачи большего давления, чем на заводских установках. И это отличная новость когда дело касается тюнинга. Можно увеличить наддув, не опасаясь при этом сломать турбину.
Крыльчатка турбины
Как уже говорилось, крыльчатки находятся внутри корпуса турбины. Корпус создан таким образом, чтобы облегчить процесс трансформации энергии проходящих газов во вращение. Турбинная крыльчатка направляет выхлопные газы от середины к краям, а компрессорная наоборот как бы втягивает воздух к середине. Размер компрессорной крыльчатки ограничен размерами корпуса, хотя бывают незначильельные отклонения в размере крыльчатак (это у так называемых гибридных турбин). Обычно крыльчатки производят из стали, но уже сейчас предпринимаются попытки снизить вес этой детали, и такие производители как Nissan и Toyota применяют керамические элементы. К сожалению, керамика не так надежна как сталь, и если давление превысит допустимый максимум — последствия будут печальными. В таких случаях, когда давление значильно выше заводских настроек лучше использовать турбины со стальными крыльчатками.
Турбинный вал
Турбинный вал, это критический компонент, так как он связывает турбинную и компрессорную крыльчатки. Он выполняет просто адскую работу — скорость вращения достигает 100 тыс. оборотов и даже больше, при этом температура выхлопных газов не редко переваливает за 1000 градусов, поэтому вал постоянно смазывается маслом, поступающим от двигателя. Однако такой дизайн может вызвать определенные проблемы, так как турбина получается зависимой от работы двигателя, а ведь турбина может вращаться по инерции еще несколько минут после выключения двигателя. Стоит один раз такому случиться и турбина придет в негодность. Высокие температуры — часто приводят к тому, что масло превращается в твердую массу и перестает делать свою работу. Вот почему, важно дать турбине поработать в спокойном режиме после тяжелой поездки хотя бы минуту или две.
Подшипники
Центральная часть турбины, называемая картриджем, представляет немалый интерес. Картридж призван играть роль подшипника для турбинного вала, позволяя ему свободно вращаться и внося свой вклад в смазку, благодаря наличию небольших дырочек через которые поступает масло.
Большинство производителей выпускают 270 градусные подшипники, которые представлюят собой практически завершенный металлический диск. Это обеспечивает увеличенную поддержку вала с одной из сторон. Почему же такие подшипники используются — они дешевы и довольно надежны, но если давление становится больше — то тут определенно есть что улучшить.
Современные турбины используют шариковые подшипники, пионером в этой области стала компания Garrett, впервыем применившая такие подшипники для дизельных двигателей. Это позволило сократить турбояму, за счет снижения трения, поэтому многие тюнинговые компании стали производить турбины на основе шариковых подшипников, турбины с которыми быстрее раскручиваются и более отзывчивы. Интересно заметить, что Mitsubishi Evolution FQ-400 использует турбину с двойными шариковыми подшипниками. Однако не все эксперты уверены в пользе шариков.
Соленоид (actuator)
Не все придают значение этому механическому устройству, однако соленоид тоже является важной компонентой. Обычно он оперерует за счет "замера" воздуха на впускном коллекторе, и приводит в действие обходной клапан турбины. Обычно он работает в паре с контроллером наддува или компьютером (ECU) позволяя аккуратно управлять создаваемым избыточным давлением. Электронная составляющая позволяет отслеживать давление более точно, кроме того в критических случаях давление можно изменить быстрее, например если в бак залито низкооктановое топливо. Соленоиды маркируются на определенное услилие пружины, чем больше усилие тем позже будет открыт обходной клапан. Поэтому если учесть что заводские настройки сделаны с некоторым запасом, то Вы можете легко увеличить давление заменив соленоид на более жесткий, это позволит недорого повысить уровень наддува в двигателе.
Вот в кратце и все что нужно знать о работе турбин.
