Раньше дизельные двигатели славились своей эффективностью, но были медлительными. Да, они экономно расходовали топливо, но им не хватало динамики. Это представление кардинально изменилось. В чем главная причина? Популярность турбокомпрессоров.
Современные дизельные двигатели характеризуются взрывным крутящим моментом и быстрой реакцией. Это связано не только с одной деталью. Важную роль играет система прямого впрыска высокого давления. Однако турбокомпрессор является «сердцем», которое приводит в движение двигатель. Интересно, что турбонаддув не является уникальной особенностью дизельных двигателей. Команды Формулы-1 используют эту технологию на протяжении многих лет, чтобы выжать больше лошадиных сил из своих агрегатов. Технология универсальна. Однако ее применение в автомобильной промышленности значительно развилось.
Механизм принудительного наддува
Чтобы понять важность турбокомпрессора, необходимо знать, как двигатель вырабатывает мощность. Она возникает в результате сгорания. Точнее, сгорает смесь топлива и воздуха. Больше смеси означает больше мощности.
Исторически инженеры достигали этого двумя способами. Они увеличивали объем цилиндра. Они добавляли цилиндры. Вместо рядной четырехцилиндровой установки устанавливался двигатель V8. Двигатель большого рабочего объема. Эти методы работают. Но они добавляют вес и сложность.
Существует третий способ. Можно принудительно подать больше воздуха в существующие цилиндры. Это и есть задача турбокомпрессора.
Двигатели без наддува полагаются на атмосферное давление, чтобы затянуть воздух внутрь, тогда как турбированные двигатели используют выхлопные газы для забора воздуха. Это замкнутый цикл эффективности. Энергия выхлопа, которая в противном случае рассеялась бы в атмосфере, улавливается. Она вращает турбину. Турбина приводит в действие компрессор. Компрессор нагнетает плотный воздух в камеру сгорания.
Пошаговый процесс
Если визуализировать этот процесс, легко понять, как он работает. Это происходит не по волшебству. Это результат определенной серии физических событий.
- Поток выхлопных газов: Горячие выхлопные газы покидают двигатель и ударяют по лопаткам турбины. Давление заставляет турбину вращаться с невероятно высокой скоростью.
- Сжатие: Турбина соединена с колесом компрессора через вал. Когда турбина вращается, компрессор засасывает окружающий воздух и сжимает его.
- Охлаждение: Сжатие воздуха нагревает его. Горячий воздух менее плотный. Для решения этой проблемы воздух направляют через интеркулер (промежуточный охладитель). Это снижает температуру. Более холодный воздух более плотный. Высокая плотность воздуха означает, что в одном кубическом сантиметре содержится больше молекул кислорода.
- Воспламенение: Плотный холодный воздух поступает в цилиндр. Форсунка впрыскивает дизельное топливо в эту среду под давлением. Результатом становится более мощное взрывное сгорание.
«Главное преимущество — плотность. Охлаждение сжатого воздуха максимизирует количество кислорода, доступного для сгорания, без увеличения размеров двигателя.»
Преодоление гистерезиса с помощью турбины с изменяемой геометрией
Ранние турбокомпрессоры имели недостатки. Задержка (турболаг). Это не программный сбой. Это физика. На низких оборотах двигателя поток выхлопных газов слабый. Его недостаточно, чтобы быстро раскрутить турбину. Водитель нажимает на педаль газа. Двигатель колеблется. Затем, внезапно, турбина раскручивается. Мощность приходит с опозданием.
Инженеры решили эту проблему, используя турбины с изменяемой геометрией (VGT). Лопатки внутри корпуса турбины могут изменять свой угол. На низких оборотах лопатки сужают выхлопной канал. Это увеличивает скорость газа. Турбина вращается быстрее, несмотря на малый объем потока. На высоких оборотах лопатки открываются. Это предотвращает «задувание» двигателя из-за противодавления.
Эта технология устраняет «мертвую зону» между холостым ходом и пиковой мощностью. Она сделала дизельные двигатели отзывчивыми таким образом, каким они никогда не были раньше.
Двухступенчатый подход BMW
Некоторые производители хотят пойти дальше. BMW представила систему с двумя турбокомпрессорами с изменяемой геометрией в модели 535d. Это двухступенчатая установка. Она использует два турбокомпрессора разного размера.
Маленькая турбина раскручивается мгновенно на низких оборотах. Она обеспечивает мгновенный крутящий момент и быстрое ускорение для городской езды. Она эффективно работает в диапазоне низких скоростей, что сложно достичь с большими турбинами.
По мере увеличения оборотов и рабочего объема двигателя более крупный турбокомпрессор становится более эффективным. Он справляется с требованиями высокого расхода воздуха при высокоскоростной езде. Система бесшовно переключается между двумя агрегатами. Результатом является мощная производительность во всем диапазоне оборотов. На низких оборотах нет задержек.
