Содержание
Вы когда-нибудь наблюдали, как мимо вас проезжают автомобили, из выхлопной трубы которых струится сажа? Очевидно, что выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но гораздо менее очевидно, что они при этом тратят энергию. Выхлоп – это смесь горячих газов, выбрасываемых на большой скорости, и вся энергия, которую он содержит – тепло и движение (кинетическая энергия) – бесполезно исчезает в атмосфере. Разве не было бы здорово, если бы двигатель мог каким-то образом использовать эту бесполезную мощность, чтобы машина ехала быстрее? Именно это и делает турбокомпрессор.
Автомобильные двигатели получают энергию, сжигая топливо в прочных металлических цилиндрах. Воздух входит в каждый цилиндр, смешивается с топливом и сгорает, чтобы произвести небольшой взрыв, который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень возвращается внутрь, он выкачивает отработанный воздух и топливную смесь из цилиндра в качестве выхлопных газов. Количество мощности, которое может произвести автомобиль, напрямую зависит от того, насколько быстро он сжигает топливо. Чем больше у вас цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может сжигать каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее она может двигаться.
Один из способов сделать машину быстрее – это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндров в обычном семейном автомобиле. Другой вариант – использовать турбонагнетатель, который нагнетает больше воздуха в цилиндры, чтобы они могли сжигать топливо с большей скоростью. Турбокомпрессор – это простой, относительно дешевый дополнительный комплект, который поможет получить больше мощности от того же двигателя!
Как работает турбонаддув на практике?
Турбокомпрессор представляет собой два маленьких вентилятора (также называемых крыльчатками или газовыми насосами), которые установлены на одном металлическом валу, так что оба вращаются вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной, находится в потоке выхлопных газов из цилиндров. Когда цилиндры пропускают горячий газ мимо лопастей вентилятора, они вращаются, и вал, с которым они связаны (технически называемый узлом вращения центральной ступицы или CHRA), также вращается. Второй вентилятор называется компрессором, и, поскольку он находится на том же валу, что и турбина, он тоже вращается. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому во время вращения втягивает воздух в автомобиль и заставляет его поступать в цилиндры.
Теперь здесь небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, он становится горячее (вот почему велосипедный насос нагревается, когда вы начинаете накачивать шины). Более горячий воздух менее плотный (вот почему теплый воздух поднимается над радиаторами) и менее эффективен для сжигания топлива, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, выходящий из компрессора, был охлажден до того, как он попал в цилиндры. Чтобы охладить его, выходная мощность компрессора проходит через теплообменник, который удаляет лишнее тепло и направляет его в другое место.
Откуда берется дополнительная мощность?
Турбокомпрессоры придают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность поступает не напрямую из отработанных выхлопных газов. С турбокомпрессором мы используем часть энергии выхлопных газов для привода компрессора, что позволяет двигателю сжигать больше топлива. Это дополнительное топливо является источником дополнительной мощности автомобиля. Все выхлопные газы приводят в действие турбокомпрессор, и, поскольку турбокомпрессор не подключен к коленчатому валу или колесам автомобиля, он никоим образом напрямую не увеличивает тяговую мощность автомобиля. Это просто позволяет тому же двигателю сжигать топливо с большей скоростью, что делает его более мощным.
Преимущества и недостатки турбокомпрессоров
Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями, а также почти на любом транспортном средстве (легковом, грузовом, корабле и даже мотоцикле). Основное преимущество использования турбонагнетателя заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность для двигателя того же размера (каждый ход поршня в каждом отдельном цилиндре генерирует больше мощности, чем в противном случае). Однако чем больше мощность, тем больше вырабатываемой энергии в секунду, а закон сохранения энергии говорит нам, что вы должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать соответственно больше топлива. Теоретически это означает, что двигатель с турбонагнетателем не более экономичен, чем двигатель без него. Однако на практике двигатель, оснащенный турбонагнетателем, намного меньше и легче, чем двигатель, производящий такую же мощность без турбонагнетателя, поэтому автомобиль с турбонагнетателем может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Производители теперь часто могут обойтись без установки гораздо меньшего двигателя на тот же автомобиль (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: при хорошей работе они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива. Поскольку они сжигают топливо с большим количеством кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, вызывая меньшее загрязнение воздуха.
Большая мощность при том же размере двигателя – это замечательно, так почему же не все двигатели оснащены турбонаддувом? Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбокомпрессорами, не всегда оказывались столь впечатляющими, как утверждали производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом над своими конкурентами). Одно исследование 2013 года, проведенное Consumer Reports, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом дают значительно худшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические хвастовства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. Есть более эффективные способы экономить топливо, в том числе гибриды, дизели и другие передовые технологии ». Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю – короче говоря, есть еще немало вещей, которые могут пойти не так. Это может сделать обслуживание турбин значительно дороже. По определению, турбонаддув – это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны испытывать более высокие давления и температуры, что может привести к более быстрому выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом служат не так долго.
Кто изобрел турбокомпрессор?
Кому мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бючи (1879–1959), автомобильный инженер, работал в двигательной компании Gebrüder Sulzer в Винтертуре, Швейцария. В его первоначальной конструкции использовался приводной от выхлопа вал турбины для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя. Первоначально он разработал турбокомпрессор за годы до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1905 году, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя.