Что такое турбина авто и как она работает

Неэффективно и слишком дорого

Было бы большой ошибкой думать, что наддувный мотор – это что-то более-менее современное. Даже сто лет назад было очевидно, что чем больше топлива сгорит в цилиндрах, тем мощнее будет двигатель при том же объёме. А с низким КПД моторов начала прошлого века тема повышения мощности стояла очень остро. Попытки «дунуть» в мотор предпринимали и такие отцы-основатели автомобильной индустрии, как Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель. И обе эти попытки были по-своему замечательными хотя бы потому, что свой первый патент на систему наддува двигателя с принудительным зажиганием Даймлер получил ещё в 1885 году, а Дизель попытался реализовать наддув уже на втором своём моторе в 1896 году. Однако оба эксперимента провалились: литровая мощность у моторов действительно выросла, но устройства для наддува получались слишком сложными и дорогими.

А теперь оторвёмся от земли и устремим ищущий взор в небо. В начале прошлого века выяснилось, что самолётам компрессор необходим гораздо больше, чем автомобилям: на высоте нескольких тысяч метров воздух оказался настолько разреженным, что моторы аэропланов работали вполсилы. С этим надо было что-то делать, и выход был найден: всё решалось с помощью установки механического компрессора. Его было проще сделать, чем турбину, он был компактнее первых турбин, и в самолётах показал себя очень даже хорошо. А так как самолётные двигатели в те времена обычно делали автопроизводители, то они совершенно логично решили попробовать компрессоры на автомобильных моторах. Серийно они появились на Мерседесах и Фиатах в 1923 году, но только на очень дорогих спортивных моделях – например, на Mercedes-Benz 10/40 1923 года.

Так как краткость – сестра таланта, мы пропустим долгую историю совершенствования механических приводных компрессоров и турбин середины и второй половины прошлого века. Это очень интересная история, но в ней можно застрять надолго. Лучше попробуем понять, почему в разное время (в том числе и наше) производители метались и до сих пор мечутся между механическими компрессорами и турбонаддувом (или турбокомпрессорами) и никак не могут выбрать, что в итоге больше подходит автомобилям.

Совершенству нет предела

Если коротко, то ни тот, ни другой механизм далеко не идеальны, но при этом каждый из них имеет свои плюсы. Начнём с простого приводного компрессора – хотя бы потому, что в виде агрегата наддува массово он появился раньше турбины.

Он хорош тем, что намного проще устроен, а значит, обходится дешевле и при установке, и в ходе эксплуатации. Он не страдает от высокой температуры отработавших газов и не имеет слишком быстро вращающихся элементов. Ему не требуется отдельное охлаждение и при его установке нет необходимости серьёзно изменять систему смазки. Да и к качеству масла в моторе он тоже относится равнодушно. Кроме того, он начинает работать сразу с минимальных оборотов коленвала, то есть, обеспечивает прирост тяги с самых «низов». И ещё ему не требуется какой-то сложной системы управления, и это тоже его серьёзное преимущество.

К сожалению, недостатков у него тоже много. Самый очевидный – это необходимость отбирать мощность у двигателя для обеспечения собственной работы. А это приводит ещё и к росту расхода топлива. Понятно, что для спортивных автомобилей и автомобилей с объёмными моторами, претендующими на звание люксовых, достаточно высокий расход топлива не критичен. Поэтому нет ничего странного в том, что компрессоры стали популярными, например, в моделях Mercedes-Benz, Aston Martin, Jaguar, Alfa Romeo. Этим автомобилях до недавнего времени нужно было обеспечивать комфорт их владельцу, а не экономить топливо. Так что там они пришлись ко двору.

Второй существенный недостаток приводного компрессора – это его низкий КПД. Да, он обеспечивает прибавку тяги с самого низа, позволяя разгоняться быстро и плавно, но взрывной динамики при росте оборотов такой компрессор не даст, а прибавка мощности в итоге получается не слишком впечатляющей.

Турбина в некоторых моментах заметно превосходит приводной компрессор. Во-первых, она приводится в действие практически «бесплатно» – давлением отработавших газов, а значит, не отбирает мощность у двигателя и не делает его более прожорливым, а зачастую даже наоборот. Во-вторых, у неё намного выше КПД, и прирост литровой мощности с ней более существенный. 

Однако и минусы у турбокомпрессора тоже есть. Его себестоимость выше, чем приводного компрессора: он сложнее технологически, требует более высокой точности сборки и применения дорогостоящих материалов. А кроме того, внедрение турбины в мотор обходится дороже, чем установка приводного нагнетателя. Основная проблема заключается в том, что турбина требует качественного охлаждения воздуха и эффективной смазки, а установка интеркулера для воздуха и изменение системы смазки ощутимо усложняют общую конструкцию. Вдобавок турбина получается  чувствительной к качеству масла, что тоже не красит её по сравнению с компрессором. 

К тому же не надо забывать о том, что чем выше обороты коленвала, тем больше добавочного воздуха даст турбина. С одной стороны, это хорошо: такая зависимость обеспечивает существенный прирост динамики именно тогда, когда это требуется особенно сильно. Но с другой, это может привести к очень тяжёлому режиму работы двигателя, граничащему с детонацией и перегревом. Приходится очень тщательно оберегать мотор от передува с помощью вестгейта (клапана, который выпускает излишки отработавших газов в горячей части турбины), а саму турбину спасать от помпажа с помощью байпасного клапана, который выпускает избыточный воздух обратно во впуск, или клапана блоу-офф, который этот воздух отправляет просто наружу, в атмосферу. И вдобавок в программном механизме защиты двигателя предусматривают защиту от передува с помощью ограничения подачи топлива в критическом режиме. В итоге всё это получается сложнее и дороже, чем немудрёный приводной нагнетатель. 

Ну и, наконец, пресловутая турбояма. На низких оборотах давления отработавших газов не хватает для того, чтобы заставить турбину раскрутиться до рабочих оборотов и создать какое-либо существенное давление наддува, и этот диапазон оборотов – это и есть турбояма. То есть, на низких оборотах турбина оказалась не слишком эффективной и в этом отношении заметно уступала приводному компрессору.  

Очевидно, что ни тот, ни другой вариант нельзя назвать идеальным. Что можно придумать, чтобы хотя бы немного приблизить механизм наддува к образцовому? Можно совершенствовать компрессоры, а можно попытаться их объединить, использовав их сильные стороны. И тот, и другой путь иногда приводят к появлению чудесных агрегатов, поражающих воображение одновременно и своей гениальностью, и сложностью.

А теперь – и с электричеством

До конца прошлого века в мире наддува правили бал приводные компрессоры: наддувные моторы в дешёвых машинах практически не использовались, и двигатель с более надёжным и менее капризным приводным компрессором доставался тем, кто мог себе позволить достаточно дорогой и не слишком экономичный автомобиль с хорошей тягой во всём диапазоне оборотов. Как правило, такой двигатель был большого объёма, и всем на это было плевать – статусная вещь не обязана экономить бюджет владельца на топливе или чём-то ещё. Но во временем многое менялось, и турбокомпрессор стал отбирать популярность у приводного. Факторов много: это и развитие технологий, которые позволяли сделать турбину более долговечной, и экологические требования, направляющие развитие моторов в сторону сокращения объёма и топливной экономичности. Всё острее появлялась необходимость делать мотор легче, меньше, но с высокой удельной мощностью. А для этого больше подходит турбина. Вот только что делать с основным её недостатком в виде турбоямы?

Как мы уже говорили, причина появления турбоямы – низкое давление отработавших газов, которое не раскручивает крыльчатку турбины достаточно быстро. Повысить это давление невозможно, поэтому первым делом принялись за «улучшайзинг» крыльчатки. Так появились крыльчатки с изменяемой геометрией и технология TwinScroll. Изменяемая геометрия и TwinScroll помогли достаточно эффективно устранить два недостатка турбокомпрессора: турбояму и избыточное давление наддувного воздуха на высоких оборотах. В первом случае изменяемое актуатором положение лопаток регулирует давление отработавших газов, позволяя одной турбине работать за две: большую в диапазоне низких оборотов и маленькую – при высоких. Ну а TwinScroll предполагает наличие двух газовых каналов для одной крыльчатки, которые включаются в работу в зависимости от оборотов коленвала. Для недорогих массовых наддувных моторов этих технологий вполне достаточно, чтобы свести к минимуму турбояму и сделать мотор небольшого объёма тяговитым и экономичным. Большего от этих турбин и не требуется.

Lancia Delta S4 ’1985–1986

Lancia Delta S4 ’1985–1986

Lancia Delta S4 ’1985–1986

Ярким примером стала Audi SQ7, в которой к привычным турбокомпрессорам добавили электронаддув. Принцип работы простой: на низких оборотах компрессорное колесо приводится в действие электромотором, на высоких – отработавшими газами, причём электропривод в этот момент отключается (он становится избыточным). Подобное решение применяется не только Audi, но и, например, Mercedes: из свежих примеров можно вспомнить недавний Mercedes-AMG GT 43.

При этом возникает вопрос: а почему бы не сделать турбину с чисто электрическим приводом? А потому, что основное преимущество классической турбины – возможность вращать её отработавшими газами без дополнительных затрат. Любое усложнение конструкции приведёт к её удорожанию и потенциальному снижению ресурса. В массовых автомобилях этого всегда стараются избежать. Другое дело – автоспорт, но там используются гораздо более серьёзные решения.

Вспомним, например, технологию MGU-H из Формулы-1, которая применяется уже около десяти лет. MGU-H (Motor-Generator Unit-Heat) предполагает наличие мотор-генератора в составе турбокомпрессора. Такой мотор-генератор может при необходимости раскрутить турбину в условиях недостатка давления отработавших газов, а при его избытке – рекуперировать энергию для гибридной установки. Очевидно, что в гражданской массовой машине ничего подобного устанавливать не имеет никакого смысла: это дорого и избыточно. 

Впрочем, есть производители, для которых «дорого» – синоним «хорошо». Яркий пример – Ferrari, которая в прошлом году запатентовала мотор с компрессорной установкой, состоящей из двух одинаковых турбин и одного электродвигателя, который установлен соосно турбинам ровно между ними и в случае необходимости мгновенно приводит их в действие даже в отсутствие достаточного давления отработавших газов. И, судя по всему, это не просто мотор, а мотор-генератор, и всё это похоже как раз на формульную технологию MGU-H, потому что в описании патента сказано, что колёса задней оси приводятся в движение двигателем внутреннего сгорания, а передние – электротягой. В отношении Ferrari такое заимствование из автоспорта кажется совершенно естественным.

Есть ли будущее?

Сейчас существует не так уж много сейчас моторов, в которых используется приводной нагнетатель. И все они большого объёма и с порядочным топливным аппетитом. А тенденции сейчас таковы, что моторам приходится становиться маленькими и экономичными. И, что ещё хуже, одноразовыми. Полуторалитровому моторчику серийной машины турбокомпрессор подходит намного больше, чем приводной: тысяч 150 проездит, изменяемая геометрия с твинскроллом избавит от турбоямы, расход топлива минимальный, крутящий момент и мощность вполне достаточны, чтобы потребители остались довольны характеристиками автомобиля.

Dodge Challenger SRT Hellcat ’2014–2018

Dodge Challenger SRT Hellcat ’2014–2018

Jeep Grand Cherokee SRT8 ’2012–2013

Dodge Charger SRT Hellcat ’2020–н.в.

Чтобы не совсем сильно расстроиться, напомним про один современный уникальный компрессорный двигатель – Mazda Skyactiv-X 2.0. Уникальный он не только тем, что при очень скромном объёме и рядной четырёхцилиндровой компоновке может похвастаться приводным нагнетателем, но и тем, что имеет воспламенение от сжатия. И он бензиновый. Кого я там выше посчитал ещё теми затейниками? Итальянцев? Видимо, зря. 

Как видим, приводные компрессоры становятся чем-то исключительным и встречаются, как правило, на эксклюзивных редких автомобилях. Но пока ещё встречаются. Будут ли от них отказываться в будущем? Конечно, будут. Однако есть подозрение, что связано это не с прожорливостью компрессорных моторов, а с общей неизбежной гибридизацией и электрификацией автомобилей. Электромотору приводной компрессор не нужен. Впрочем, турбина ему не нужна тоже. 

В гибридный автомобилях компрессор тоже места себе не найдёт. Задача гибридов – быть не только мощными, но и экономичными. А для этого больше подходит турбина, установленная на маленьком моторчике. Немного грустно, но никуда от этого не деться.