История развития и перспективы турбонагнетателей

История технического разития автомобильных турбин

Учитывая огромное количество турбированных автомобилей, которые сегодня выпускаются мировым автопромом, трудно поверить, что еще 50 лет назад о турбонагнетателе никто не слышал — принудительная индукция была известна только специалистам.

При этом нельзя отрицать тот факт, что турбокомпрессоры оказали огромное влияние на автомобилестроение. На современных дорогах встречаются различные классы и типы машин, оборудованные турбиной. Это бюджетные бестселлеры, такие как VW Golf, и элитные Ferrari 488, за которыми выстраивается очередь на несколько лет вперед.

Первый турбированный двигатель

Турбонаддув был изобретен вскоре после двигателя внутреннего сгорания и повсеместно применялся в авиационной промышленности. Но размеры компрессоров не позволяли использовать их в автомобилях. Высокая эффективность принудительной индукции сделало только вопросом времени оптимизацию турбонаддува под габариты и возможности легковых автомобилей.

Можно предположить, что эксперименты по активному внедрению турбин начали проводить европейские производители, и это действительно так. Старый Свет выпустил немало моделей с турбонаддувом, среди них Porsche 930, Saab 99 Turbo и BMW 2002 Turbo. Но первопроходцами в этой области европейцы не были.

Пионерами в попытке получить прирост мощности двигателя с помощью турбокомпрессоров стал североамериканский гигант General Motors. В 1962 году эта система была установлена на Oldsmobile Cutlass. Принудительная индукция увеличила производительность 3,5-литрового мотора V8. На такой эксперимент конструкторы пошли, потому что автомобилю реально не хватало мощности.

После успешной обкатки нововведения GM начал сотрудничество с известным производителем компрессорного оборудования Garrett. В том же 1962 году создается легендарный мотор Jetfire V8. Он стал доступен в виде опции на F-85 Cutlass, который также был выпущен в 1962 году.

Внедрение турбокомпрессора в массовое производство создало множество проблем для конструкторов в 60-х годах прошлого столетия. Дело в том, что двигатель Jetfire имел степень сжатия 10.25:1, что делало его уязвимым при детонации топливной смеси.

Несмотря на то, что Jetfire V8 сделал Oldsmobile значительно быстрее, чем стандартные модификации, он не пользовался спросом из-за высокой стоимости. Покупателю за прирост мощности нужно было доплачивать 300 долларов, что в 60-е годы прошлого столетия было очень дорого. Еще одна проблема делала турбированный двигатель коммерчески не жизнеспособным – сырая система впрыска «Жидкости Turbo-Rocket». Именно эти факторы не позволили развить технологию.

Было продано менее 4000 автомобилей, оборудованных Jetfire V8. Такой низкий уровень продаж вынудил GM прекратить комплектацию Oldsmobile турбокомпрессорами. Так, через год прекратилась история первого тюнингового мотора, который по техническим причинам не нашел дальнейшего развития.

Продолжение развития технологии принудительной индукции

Хотя Jetfire V8 не стал удачным бестселлером, инженеры не могли не заметить его потенциал. Уже в 1965 году на рынке появился второй автомобиль, оборудованный турбокомпрессором. Им стал американский 4x4. International Harvester Scout. Он комплектовался 2,5-литровым 4-цилиндровым силовым агрегатом, который с турбиной выдавал на 20% больше крутящего момента – 110Нм, и выпускался с 1965 по 1967 год. Главным плюсом этого двигателя стало отсутствие необходимости впрыска смеси воды и этанола. Увеличение производительности было возможно при использовании стандартного топлива – бензина.

Но вскоре разработчики IH решили, что такой двигатель не дает существенных преимуществ, и турбированный «Comanche» ушел в историю. Ему на смену пришел стандартный 4-цилиндровый мотор объемом 3,2 литра. Фактически он мог выдавать такую же мощность, как и собрат с системой принудительной индукции, но расходовал значительно больше топлива.

Но даже энергетический кризис 1974 года не смог спасти турбокомпрессор. Понадобится еще 10 лет для того, чтобы система принудительной индукции прижилась на автомобильном рынке.

Факторы, способствующие развитию систем турбонаддува

К 1973 году автопроизводители увидели потенциал турбин в том, чтобы делать автомобили очень быстрыми. В этом же году был запущен в производство легендарный BMW 2002 Turbo. Однако скоростной 2002 Turbo страдал от технических проблем с турбиной, высокого потребления топлива, и даже считался не безопасным. В результате, как и Jetfire, 2002 Turbo выпускался всего один год, прежде чем был снят с производства.

Следующим на авансцену вышел 911 Turbo от Porsche. Его первая модификация стала самым быстрым серийным автомобилем в мире — это стало прорывом для двигателей с турбонаддувом. После релиза Saab 99 Turbo в 1978 году стало понятно, что принудительная индукция не собирается уходить из автомобилестроения.

Первый турбированный дизель

В 1978 году технология получила развитие — Buick начал оборудовать V6 Regal турбонаддувом. Что еще более важно — в этом году появился турбодизель. Компания Mercedes-Benz выпустила 300SD для продажи в Соединенных Штатах. Оснащенный турбонагнетателем от Garrett, 300SD изменил дизельный двигатель навсегда.

При этом продолжились горячие споры относительно целесообразности использования такой технологии. Так как цикл сгорания дизельного топлива зависит от высокой степени сжатия, принудительная индукция представляет собой простой способ улучшить силу и эффективность двигателя. Вскоре стало очевидным, что турбодизели гораздо лучше подходят для применения в автомобильной промышленности, чем их атмосферные аналоги. Поэтому не удивительно, что с момента оснащения Peugeot 604 турбодизелем в 1979 году такими стали около половины двигателей на дорогах Европы.

Зачем останавливаться на одном?

В 1981 году конструкторы Maserati решили, что если можно поставить один турбокомпрессор на автомобильный двигатель, то почему не попробовать установить два. Результат был метко назван Biturbo. Хотя это был не очень хороший автомобиль, он стал первой твин-турбированной машиной. Задумка была в том, что с помощью двух турбин, работающих параллельно друг с другом, можно сократить запаздывание их включения в работу. На практике идея не всегда срабатывала, но твин-турбо, несомненно, дали двигателям внушительный прирост мощности.

В 1986 году Porsche на модели 959 продемонстрировал еще один способ установки двух нагнетателей с целью уменьшения запаздывания их включения. Конструкторы расположили турбины друг за другом. В отличие от параллельной компоновки, где два турбокомпрессора работают независимо друг от друга, такое размещение позволяет эффективно использовать принудительную индукцию как на низких, так и на высоких оборотах. Четвертое поколение Supra показало менее 1% отказов при расположении турбин друг за другом. Это действительно высокий показатель надежности.

Перспективное развитие технологии турбонаддува

За последние 55 лет турбокомпрессоры претерпели значительные изменения. Они стали почти такими же сложными, как двигатели, на которые устанавливаются. Крыльчатки с переменной геометрией лопастей и системы дополнительного разгона – это только вершина технологического айсберга.

На пороге следующий этап эволюции – принудительная индукция будет усилена электрическими системами. На них возлагаются большие надежды. В то время, как современные турбины используют часть энергии выхлопных газов для питания компрессора, электрические аналоги буду направлять ее в конденсатор. Это устройство действует по принципу батареи и использует накопившийся заряд для разгона турбины. Такое нововведение позволит свести к минимуму запаздывание турбонаддува.

Введение новой технологии в массовое производство потребует некоторого времени, но как показывает история, ждать не долго, так как автопроизводители упорно работают над задачей создания максимально эффективного турбкомпрессора.