Раніше дизельні двигуни славилися своєю ефективністю, але були повільними. Так, вони економно витрачали паливо, але їм не вистачало динаміки. Ця вистава кардинально змінилася. У чому причина? Популярність турбокомпресорів.
Сучасні дизельні двигуни характеризуються вибуховим моментом, що крутить, і швидкою реакцією. Це пов’язано не лише з однією деталлю. Важливу роль грає система прямого упорскування високого тиску. Однак турбокомпресор є «серцем», яке надає руху двигуну. Цікаво, що турбонаддув не є унікальною особливістю дизельних двигунів. Команди Формули-1 використовують цю технологію протягом багатьох років, щоб вичавити більше кінських сил зі своїх агрегатів. Технологія є універсальною. Однак її застосування в автомобільній промисловості значно розвинулося.
Механізм примусового наддуву
Щоб зрозуміти важливість турбокомпресора, необхідно знати, як двигун виробляє потужність. Вона виникає внаслідок згоряння. Точніше, згоряє суміш палива та повітря. Більше суміші означає більше потужності.
Історично інженери досягали цього двома способами. Вони збільшували об’єм циліндра. Вони додавали циліндри. Замість рядної чотирициліндрової установки встановлювався двигун V8. Двигун великого робочого об’єму. Ці методи працюють. Але вони додають вагу та складність.
Існує третій спосіб. Можна примусово подати більше повітря у існуючі циліндри. Це завдання турбокомпресора.
Двигуни без наддуву покладаються на атмосферний тиск, щоб затягнути повітря всередину, тоді як турбовані двигуни використовують вихлопні гази для забору повітря. Це замкнутий цикл ефективності. Енергія вихлопу, яка інакше розсіялася в атмосфері, вловлюється. Вона обертає турбіну. Турбіна приводить у дію компресор. Компресор нагнітає щільне повітря на камеру згоряння.
Покроковий процес
Якщо візуалізувати цей процес, то легко зрозуміти, як він працює. Це відбувається не за помахом чарівної палички. Це результат певної серії фізичних подій.
- Потік вихлопних газів: Гарячі вихлопні гази залишають двигун і б’ють по лопатках турбіни. Тиск змушує турбіну обертатися із неймовірно високою швидкістю.
- Стиск: Турбіна з’єднана з колесом компресора через вал. Коли турбіна обертається, компресор засмоктує навколишнє повітря та стискає його.
- Охолодження: Стиснення повітря нагріває його. Гаряче повітря менш щільне. Для вирішення цієї проблеми повітря направляють через інтеркулер (проміжний охолоджувач). Це знижує температуру. Холодне повітря більш щільне. Висока щільність повітря означає, що в одному кубічному сантиметрі міститься більше молекул кисню.
- Запалення: Щільне холодне повітря надходить у циліндр. Форсунка впорскує дизельне паливо цього середовища під тиском. Результатом стає потужніше вибухове згоряння.
«Головна перевага – щільність. Охолодження стисненого повітря максимізує кількість кисню, доступного для згоряння, без збільшення розмірів двигуна.
Подолання гістерези за допомогою турбіни зі змінною геометрією
Ранні турбокомпресори мали недоліки. Затримка (турболог). Це не програмний збій. Це фізика. На низьких оборотах двигуна потік вихлопних газів слабкий. Його недостатньо, щоб швидко розкрутити турбіну. Водій натискає на педаль газу. Двигун коливається. Потім раптово турбіна розкручується. Потужність приходить із запізненням.
Інженери вирішили цю проблему, використовуючи турбіни зі змінною геометрією (VGT). Лопатки всередині корпусу турбіни можуть змінювати власний кут. На низьких оборотах лопатки звужують вихлопний канал. Це збільшує швидкість газу. Турбіна обертається швидше, незважаючи на малий обсяг потоку. На високих обертах лопатки відчиняються. Це запобігає задуванню двигуна через протитиск.
Ця технологія усуває «мертву зону» між холостим ходом та піковою потужністю. Вона зробила дизельні двигуни чуйними таким чином, як вони ніколи не були раніше.
Двоступеневий підхід BMW
Деякі виробники хочуть піти далі. BMW представила систему з двома турбокомпресорами із змінною геометрією в моделі 535d. Це двоступінчасте встановлення. Вона використовує два турбокомпресори різного розміру.
Маленька турбіна миттєво розкручується на низьких обертах. Вона забезпечує миттєвий крутний момент та швидке прискорення для міської їзди. Вона ефективно працює в діапазоні низьких швидкостей, що складно досягти великих турбін.
У міру збільшення оборотів та робочого об’єму двигуна більший турбокомпресор стає ефективнішим. Він справляється з вимогами високої витрати повітря за високошвидкісної їзди. Система безшовно перемикається між двома агрегатами. Результатом є потужна продуктивність у всьому діапазоні обертів. На низьких оборотах немає затримок.
