Что такое турбокомпрессор, из чего он состоит и как работает?

Турбокомпрессор в автомобиле — это устройство, которое увеличивает мощность двигателя, заставляя его сжигать больше топлива и воздуха, без увеличения его рабочего объема. Он решает основную проблему атмосферных двигателей: ограниченное количество воздуха, которое может попасть в цилиндры при естественном всасывании.

Турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов, которая иначе просто бы выбрасывалась в атмосферу, чтобы принудительно закачивать больше воздуха в цилиндры двигателя.

Турбокомпрессор состоит из двух главных частей: турбины и компрессора, которые связаны между собой. Эти компоненты, вместе с валом и подшипниками, образуют систему, способную работать в экстремальных условиях.

Турбина — это та часть турбокомпрессора, которая приводится в движение выхлопными газами двигателя. Она напоминает колесо с лопатками, которое расположено в корпусе. Выхлопные газы выходят из двигателя с высокой скоростью и температурой, ударяются о лопатки турбины и заставляют её вращаться. Именно турбинное колесо превращает энергию выхлопа в механическую энергию вращения. Турбина работает в условиях экстремально высоких температур, до 1000 °C, что требует использования специальных жаропрочных сплавов, таких как никелевые или титановые. Из-за этого турбина является одной из самых дорогих частей турбокомпрессора.

Компрессор — это вторая важнейшая часть турбокомпрессора, которая находится на впуске воздуха в двигатель. Он также имеет колесо с лопатками, но его задача — не улавливать энергию, а сжимать воздух. Компрессор и турбина соединены одним валом. Когда турбина вращается, она заставляет вращаться и компрессор. Компрессор засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и подает в двигатель под давлением. Сжатый воздух содержит больше кислорода в том же объеме, что позволяет двигателю сжечь больше топлива за один рабочий цикл и, соответственно, выработать больше мощности.

Турбинное и компрессорное колеса соединены общим валом. Этот вал вращается на огромной скорости, которая может достигать 250 000 оборотов в минуту. Чтобы вал выдерживал такие нагрузки и не перегревался, он вращается в специальных подшипниках. Для их смазки используется моторное масло из двигателя, которое подается под давлением. Именно поэтому качество и своевременная замена масла имеют очень важное значение для обеспечения долгой и беспроблемной работы турбокомпрессора!

Вспомогательными элементами являются интеркулер и вестгейт. Интеркулер — это радиатор, который охлаждает сжатый воздух после компрессора. При сжатии воздух сильно нагревается и его плотность уменьшается. Охлаждение возвращает ему плотность, что позволяет подать больше кислорода в двигатель. Вестгейт — это клапан, который регулирует давление наддува. Если давление становится слишком высоким, он открывается и выпускает часть выхлопных газов мимо турбины, чтобы не допустить её чрезмерного раскручивания и защитить двигатель от повреждений.

1. Выхлопные газы из двигателя под высоким давлением и температурой попадают в турбинный корпус.
2. Газы ударяют в лопатки турбинного колеса, заставляя его вращаться с очень высокой скоростью.
3. Вращение через вал передается на компрессорное колесо.
4. Компрессорное колесо всасывает атмосферный воздух через воздушный фильтр.
5. Лопатки компрессора разгоняют воздух и за счет центробежной силы сжимают его.
6. Сжатый (но горячий) воздух выходит из компрессорного корпуса и направляется в интеркулер.
7. В интеркулере воздух охлаждается, увеличивая свою плотность и содержание кислорода.
8. Охлажденный сжатый воздух поступает во впускной коллектор двигателя.
9. ЭБУ, видя увеличенный поток воздуха, увеличивает подачу топлива, что приводит к значительному росту мощности и крутящего момента.
10. Вестгейт и его актуатор контролируют максимальное давление наддува, сбрасывая лишние газы мимо турбины.
11. Блоу-офф клапан защищает компрессор от помпажа при сбросе газа.
12. Масло из двигателя непрерывно подается для смазки и охлаждения подшипников вала, а в водяных турбинах дополнительно используется охлаждающая жидкость.

Первое практическое применение турбокомпрессоры получили на крупных судовых и стационарных дизельных двигателях в 1920-х годах, что позволило значительно увеличить их мощность. Это было обусловлено особенностями дизельных моторов: они работали на относительно низких оборотах и имели стабильную нагрузку, что идеально подходило для ранних турбин.

Коренной перелом в автомобильной индустрии произошёл в 1938 году, когда на швейцарском заводе Saurer был изготовлен первый дизельный грузовик с турбиной. Этот опыт продемонстрировал, что турбонаддув может быть успешно применён в наземном транспорте для повышения мощности и эффективности, что сделало грузоперевозки более выгодными.

После экспериментов на гоночных автомобилях в 1950-х годах, турбокомпрессоры появились на серийных легковых автомобилях в начале 1960-х. Американские производители стали пионерами в этой области. Первыми серийными автомобилями с турбированным бензиновым двигателем стали Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza Spyder, выпущенные в 1962 году. Несмотря на технологический прорыв, эти модели не стали массово популярными из-за проблем с надёжностью и сложностью обслуживания, что заставило автопроизводителей на время отказаться от этой технологии.

В Европе турбонаддув получил новое рождение в 1970-х годах, когда BMW выпустила модель 2002 turbo в 1973 году, а Porsche — 911 Turbo в 1974 году. Эти модели доказали, что турбина может не только повышать мощность, но и стать ключевой частью имиджа высокопроизводительных автомобилей.

Первым серийным легковым автомобилем с турбодизельным двигателем стал Mercedes-Benz 300 SD, выпущенный в 1978 году. За ним в 1981 году последовал Volkswagen Golf Turbodiesel. В отличие от ранних бензиновых турбированных двигателей, дизельные турбокомпрессоры оказались более надежными и экономичными. Их массовое внедрение в Европе было обусловлено необходимостью повышать топливную эффективность и снижать выбросы, что впоследствии сделало дизельные автомобили с турбонаддувом стандартом в Европе и других частях мира. Эта технология позволила дизельным двигателям достичь высокого крутящего момента на низких оборотах, что сделало их идеальными для повседневного вождения.

Турбокомпрессоры прошли сложный путь эволюции, превратившись из ненадежных и громоздких агрегатов в высокотехнологичные системы, ставшие неотъемлемой частью современных двигателей.

Раннее развитие и первые применения (до 1960-х годов)

Первоначальной целью было повышение мощности двигателей без значительного увеличения их объема и массы, особенно в авиации. Здесь турбокомпрессоры решали проблему потери мощности на большой высоте из-за разреженного воздуха.

Ключевые разработки:

• 1905 г. Швейцарский инженер Альфред Бюхи запатентовал принцип турбонаддува, используя энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха.
• 1920-е гг. Активное применение в авиации (General Electric для биплана LePere) и на крупных судовых дизельных двигателях (лайнеры «Danzig» и «Preussen»).
• 1938 г. Появление первого турбодизеля для грузового автомобиля на швейцарском заводе «Swiss Machine Works Sauer».

Ранние турбины были громоздкими, с низким КПД, изготавливались из обычных сталей, что ограничивало их жаропрочность.

Первые опыты на легковых автомобилях и проблемы (1960-е – 1970-е годы)

Стремление автопроизводителей повысить мощность спортивных и массовых моделей, не увеличивая объем двигателя.

Ключевые модели:

• 1962-1963 гг. Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire — первые серийные легковые автомобили с турбонаддувом. Низкая надежность и «турбояма» (задержка отклика) привели к их быстрому исчезновению с рынка.
• 1973 г. BMW 2002 Turbo — попытка европейского производителя создать мощный компактный автомобиль.
• 1974 г. Porsche 911 Turbo — закрепление тренда на спортивные турбированные автомобили.

Проблемы: Низкая надежность, перегрев турбин, высокий расход топлива и турболаг (турбояма) из-за инерционности системы.

Прорыв: распространение на дизельные двигатели (конец 1970-х – 1980-е годы)

Нефтяной кризис 1973 года и ужесточение экологических норм заставили искать способы повышения эффективности, а не только мощности. Дизельные двигатели, с их высоким КПД, но невысокой литровой мощностью, стали идеальным кандидатом для турбонаддува.

Ключевые модели:

• 1978 г. Mercedes-Benz 300 SD — первый серийный легковой турбодизель. Турбина позволила совместить экономичность дизеля с мощностью, достаточной для комфортной езды.
• 1981 г. Volkswagen Turbodiesel — массовое распространение технологии.

Дизельные двигатели с их более холодным выхлопом предъявляли менее жесткие требования к жаропрочности турбин, что способствовало повышению их надежности и снижению стоимости.

Технологическая революция и борьба с недостатками (1990-е – 2000-е годы)

Этот этап характеризовался активной борьбой инженеров с главными недостатками турбонаддува: турболагом и перегревом и стремлением сделать турбированные двигатели более отзывчивыми, надежными и пригодными для повседневной эксплуатации.

Ключевые инновации:

• Турбины с изменяемой геометрией (Variable Geometry Turbo, VGT) появились сначала на дизелях. Подвижные лопатки направляющего аппарата оптимизируют поток газов на разных оборотах, значительно снижая турболаг и улучшая эластичность двигателя.
• Двухступенчатый наддув (Twin-Turbo и последовательные системы). Использование двух турбин разного размера (маленькая для низких оборотов, большая для высоких) позволило значительно расширить рабочий диапазон мощности. Пионером стал Porsche 959 (1987 г.).
• Применение жаропрочных сплавов (например, инконель), керамических подшипников и шарикоподшипниковых картриджей (у IHI) снизило инерцию вала и повысило долговечность. Внедрение систем жидкостного охлаждения центрального корпуса для борьбы с перегревом после остановки двигателя.
• Точный контроль над давлением наддува, актуаторами и системами сброса (blow-off valve, wastegate) через ЭБУ двигателя, что оптимизировало работу всей системы.

Эра даунсайзинга и повсеместное распространение (2010-е годы – настоящее время)

Жесткие экологические нормы (Евро-6 и т.п.) и борьба за снижение выбросов CO2 стали ключом к даунсайзингу — уменьшению рабочего объема двигателя без потери мощности. Маленький двигатель с турбиной потребляет меньше топлива в режиме частичных нагрузок, но при необходимости обеспечивает высокую мощность.

Современные тренды:

• Турбины стали стандартом для бензиновых и дизельных двигателей любого класса — от малолитражек до гиперкаров.
• Комбинирование классической турбины с электрокомпрессором, который устраняет турболаг на самых низких оборотах, пока турбина не вышла на эффективные обороты.
• Технологии Twin-Scroll (двойной спиральный канал), которые разделяют потоки выхлопных газов от разных цилиндров, чтобы минимизировать их взаимное влияние и улучшить продувку.

Преимущества турбированных двигателей

• Турбокомпрессор позволяет двигателю сжигать больше топлива и воздуха, что значительно увеличивает мощность без необходимости увеличения физического объема двигателя. Например, увеличение наддува на 1 атмосферу может повысить мощность на 100% 1. Это особенно полезно для грузовых автомобилей, которым требуется высокий крутящий момент для перевозки тяжелых грузов.
• Турбированные двигатели часто более экономичны, особенно на средних и низких оборотах, поскольку турбина обеспечивает более эффективное сгорание топлива. Это приводит к снижению расхода топлива, что особенно важно для дизельных грузовиков, выполняющих длинные рейсы.
• Благодаря более полному сгоранию топлива, турбированные двигатели выделяют меньше вредных веществ, таких как CO2, и соответствуют строгим экологическим стандартам, таким как «Евро-4» и выше.
• Турбина позволяет использовать меньшие по объему двигатели без потери мощности. Это снижает общий вес автомобиля и улучшает баланс между мощностью и экономичностью.

Недостатки турбированных двигателей

• Турбокомпрессоры добавляют сложности в конструкцию двигателя, что делает их более дорогими в производстве и ремонте. Кроме того, требуются качественные масла и более частая замена расходников.
• Задержка между нажатием на педаль газа и моментом, когда турбина начинает нагнетать давление (турбо-яма), часто заметна, особенно на старых моделях. Это происходит из-за необходимости раскрутки турбины выхлопными газами.
• Турбина увеличивает давление и температуру в цилиндрах, что может привести к дополнительному износу деталей двигателя. Это требует более тщательного обслуживания и использования качественных материалов.
• Дополнительные компоненты, такие как турбина, интеркулер и системы управления, увеличивают риск поломок. Например, проблемы с турбиной могут привести к дорогостоящему ремонту.

Пионеры и современные лидеры рынка турбокомпрессоров прошли долгий путь от экспериментальных образцов до высокотехнологичных систем, без которых сегодня немыслим автомобильный мир. Вот ключевые игроки, определившие развитие этой отрасли.

Пионеры массового производства

• Garrett (Honeywell) — Американская компания, основанная в 1936 году, стала одним из первых массовых производителей турбокомпрессоров. В 1953 году её турбина успешно прошла испытания для тракторов Caterpillar, а в 1962 году оборудовала первые серийные легковые автомобили Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza. Garrett долгое время оставался лидером рынка, особенно в сегменте легковых автомобилей.
• KKK (Kühnle, Kopp & Kausch) — Немецкая компания, основанная в 1899 году, начала выпуск турбин в 1928 году. В 1970-х годах совместно с Porsche разработала турбокомпрессоры для легендарного 911 Turbo, что положило начало массовому увлечению наддувом в автомобилестроении. Бренд KKK как единая компания больше не существует. Его автомобильное подразделение по производству турбокомпрессоров принадлежит BorgWarner
• Schwitzer — Американский производитель, основанный в 1918 году как подразделение немецкой компании Kopp & Kausch. Выпустил первый турбокомпрессор в 1928 году, а в 1954 году начал поставки для Caterpillar. В 1990-х годах компания стала пионером в производстве турбин с изменяемой геометрией.
• Holset (Cummins Turbo Technologies) — Британская компания, основанная в 1952 году, стала пионером в использовании автоматизированного проектирования и первой в мире внедрила технологию изменяемой геометрии турбины (VGT) для грузовых автомобилей.

Современные лидеры рынка

• BorgWarner — Американский гигант, поглотивший бренды KKK и Schwitzer. Является одним из лидеров в производстве турбокомпрессоров для легковых и грузовых автомобилей. Компания известна своими инновациями, включая системы с электронным управлением геометрией турбины, и ежегодно производит миллионы турбин.
• Garrett (Honeywell) — Сохраняет лидирующие позиции на рынке, особенно в сегменте легковых автомобилей. Продукция компании отличается высоким качеством и надёжностью, а её турбокомпрессоры используются ведущими автопроизводителями мира.
• MHI (Mitsubishi Heavy Industries) — Японский концерн, выпускающий турбокомпрессоры для собственных автомобилей Mitsubishi, а также для таких марок, как Volvo, BMW, SAAB и Chrysler. Отличается широким модельным рядом и высокой технологичностью.
• IHI Corporation — Японская компания, специализирующаяся на производстве турбокомпрессоров с шариковыми подшипниками, которые обеспечивают феноменальную стабильность работы. Поставляет продукцию как для легковых, так и для коммерческих автомобилей.
• Holset (Cummins Turbo Technologies) — Остаётся ключевым игроком на рынке турбин для грузовиков и спецтехники. Её продукты известны своей долговечностью и эффективностью, а технология изменяемой геометрии продолжает совершенствоваться.