Вони джерело величезної потужності, і багато в чому мистецтво і чорна магія. Отже, поговоримо про них докладніше, про турбінах.
Навряд чи Ви чули про шведського інженера Альфреда Бучі, але Ви безумовно знайомі з його роботою, тому що давно, ще в 1925 році, він був першим хто розробив турбіну. Результатом був негайний приріст потужності, що на тестовому двигуні Бучі склало 40%. Цей фак був фактично забув аж до пізніх 70-х років, коли виникла необхідність у збільшенні потужності (в основному цього вимагали Saab і Porsche), ось тоді то і стало в нагоді припасти пилом винахід. З тих пір, застосування турбін стало досить популярним.
Японські автомобілі не є винятком, більшість сучасних автомобілів мають комплектації з турбіною.
Чому ж турбіни сприяють збільшенню потужності?
Це досить просто зрозуміти, турбований двигун працює в точності як атмосферне, але обсяг проходить крізь нього повітря більше. Атмосферні двигуни називаються так тому, що вони "дихають" звичайним атмосферним повітрям, як Ви і я. У теорії, щоб поліпшити продуктивність атмосферного двигуна, потрібно забезпечити йому більший потік повітря, з необхідною кількістю палива для освіти правильного складу суміші, і тоді більшу кількість згорілого палива забезпечить більше енергії. Типові способи такго тюнінгу - це розподільні вали, обеспечіваюшіе більший підйом клапанів, або ж просто більше клапанів на циліндр, це дозволяє збільшити і потужність і момент. І неважливо, наскільки ефективним буде впуск - двигун живиться тільки повітрям затікає в нього природним шляхом (без тиску). autorelease.ru
Але припустимо, що ми встановимо деякий зовнішній насос, який буде заганяти повітря в циліндри і створювати там тиск вище атмосферного. І тоді, в двигуні виявиться набагато більше повітря, ніж було до цього, і при достатній кількості палива (щоб ставлення паливо / повітря не змінилося), ми отримаємо набагато більше потужності з того ж двигуна. Такий насос може поліпшити наповнюваність циліндрів десь на 50%, відповідно нам потрібно на 50% більше палива, але ми отримаємо на 50% більше потужності, що набагато краще ніж забезпечують інші тюнінгові комплектуючі. Це звичайно теорія. На практиці бувають дві форми насосів, це приводиться в рух двигуном компресор (supercharger) і приводиться в рух вихлонимі газами - тобто турбіна (turbocharger).
У сучасних моделях турбіни знаходять досить часто застосування, і ось чому. Це дозволяє виробникові побудувавши один двигун, і додавши до нього турбіну, отримати нову модель, досить "гарячу", щоб назвати її спортивної. Так 2-х літрова 145 к.с. Імпреза стає турбированной 221 к.с. Импрезой WRX, а 140 к.с. Lancer стає 260 к.с. Lancer Evolution. Якщо ж з якої-небудь причини, Subaru і Mitsubishi не могли б використовувати турбіни, то щоб досягти такої потужності їм довелося б робити двигуни об'ємом 2.7-3.0 літра, що потребивало б 6 циліндрів, ну і звичайно позначилося б на ціні.
Турбіни на практиці
Для простоти, Ви можете вважати турбіну насосом, який приводиться в дію вихлопними газами, який з силою викидаються двигуном. Усередині турбіни розташоване турбінне колесо, лопаті якого наводяться в дію вихлопними газами. Це колесо сполучене коротким валом з колесом компресора, яке знаходиться в окремому корпусі, але через з'єднання валом обертається з такою ж швидкістю. Обертаючись, компресорне колесо всмоктує повітря в двигун, що і сприяє створенню додаткового тиску.
На практиці, на малих обертах двигуна - не виділяється достатньо багато газу і в випускному колекторі є невелике зворотне тиск. Вихлопні гази виходять крізь зазори турбінного колеса (крильчатки) при цьому практично не розкручуючи її. У такій ситуації двигун знаходиться не на тиску, додаткового повітря не надходить - взагалі він працює як атмосферне. Коли дросельна заслінка відкривається більше, обсяг вихлопних газів збільшується і як результат турбіна розкручується, таку стадію прийнято називати - розкручуванням турбіни (spool up). Якщо педаль газу під час натискання, турбінна крильчатка розкручується все швидше, так як вона з'єднана валом з крильчаткою компресора, то вона в свою чергу теж крутиться швидше і заганяє більше повітря в двигун, ніж в атмосферне. Ця стадія називається на наддуванні (on boost). Далі, так як в двигун надійшло більше повітря, соотвественно комп'ютер подає туди більше палива, і як результат обсяг вихлопних газів збільшується, проходячи через турбінну крильчатку вони розкручують її ще більше, що викликає подальше зростання тиску наддуву. І якщо цей процес залишити без контролю - то досить легко пошкодити двигун. Щоб цього не сталося, турбіни обладнають контролюючим обхідним клапаном (wastegate), який дозволяє вихлопних газів йти в обхід турбіною крильчатки - відразу на випуск. Обхідний клапан приводиться в дію чутливим до вакууму механіческмім пристроєм, соленоидом (actuator). Соленоїд відкриває обхідний клапан, при певному рівні тиску. У японських автомобілях цей соленоїд часто працює з спільно з електронним контролером наддуву.
Більшість японських автомобілів працює на тиск близько 10psi (0.7-0.8 bar), що означає збільшення кількості повітря на більш ніж 50% в порівнянні з атмосферним двигуном. Чим більше повітря надходить, тим більше потужності виходить за рахунок збільшення кількості горючого палива, ось чому збільшення наддуву - так добре позначається на продуктивності.
Розмір має значення
Отже, це була вступна частина, перейдемо до специфікаціям. Турбіни як відомо бувають великими і маленькими, корпус турбіни - чимось нагадує равлика - це найбільш видима частина турбіни, звідси і йде класифікація на великі і маленькі. Розмір компресора визначає скільки повітря турбіна зможе закачати в двигун, і це також визначає величину турбоями (turbo lag).
Щоб зрозуміти, що таке турбо яма, згадайте про те що турбіна - це насос. І як будь-який насос, йому потрібно спочатку наповниться, а потім почати качати. Логічно, маленький насос наповнюється швидше, ніж великий. Але маленький насос не може прокачати стільки ж повітря скільки і великий, зате він починає працювати швидше. Таким чином - маленька турбіна буде більш чуйна, в той час як велика - буде виробляти більше потужності. Інший фактор, який слід брати до уваги, це те що маленька турбіна має меншу вагу, і її крильчатка має менше інерції, соотвественно ще простіше розкрутити, але потім вона стає обмежуючим фактором і не може пропускати через себе більше повітря ніж певний обсяг. Соотвественно максіальная потужність у маленької турбіни менше, але і турбояма теж менше. Ось чому, Ви ніколи не побачите 1000 сильний Nissan Skyline з маленькою турбіною.
Отже, ми розібралися з розмірами турбіни. Пора поговорити про вибір правильно відносини A / R в залежності від об'єму двигуна. Ставлення A / R - покликана описати розміри турбіни в цифрах, що в буквальному сенсі є область / радіус (area / radius). Зокрема область - це вхід турбіни, а радіус це радіус центральної частини. Зазвичай це відношення знаходиться в межах 0.5-1.0. У термінах розмірів, турбіна з відношенням 0.5 буде розкручуватися набагато швидше ніж турбіна з відношенням 1.0, але звичайно ж турбіна з великим A / R буде здатна створити більше наддуву і більше потужності.
Тому правильний вибір A / R дуже важливий - особливо для виробників. Вибір занадто маленького A / R дозволить швидко виходити на наддув, ще на низьких оборотах двигуна, але при цьому максимальний тиск буде досягнуто досить рано і доведеться скидати надлишки відкриваючи обхідний клапан. Крім цього, якщо дуже довго перекручувати турбіну - це погано позначиться на надійності. Якщо ж A / R занадто великий, то двигун буде страждати від великої турбоями, а турбіна буде врашаться дуже повільно і виходити на наддув вже в кінці діапазону оборотів, що зробить автомобіль не чуйний на натисканням газу і важким в управлінні.
В реальності підбір правильного A / R - вже не проблема для японських виробників. Більшість автомобілів імєєют турбіни з найбільшим можливим A / R, що означає що є певна турбояма, але завжди є потенціал для подачі більшого тиску, ніж на заводських установках. І це чудова новина коли справа стосується тюнінгу. Можна збільшити наддув, не побоюючись при цьому зламати турбіну.
Як вже говорилося, крильчатки знаходяться всередині корпусу турбіни. Корпус створений таким чином, щоб полегшити процес трансформації енергії проходять газів в обертання. Турбинная крильчатка направляє вихлопні гази від середини до країв, а компресорна навпаки як би втягує повітря до середини. Розмір компресорної крильчатки обмежений розмірами корпусу, хоча бувають незначільельние відхилення в розмірі крильчатак (це у так званих гібридних турбін). Зазвичай крильчатки виробляють зі сталі, але вже зараз робляться спроби знизити вагу цієї деталі, і такі виробники як Nissan і Toyota застосовують керамічні елементи. На жаль, кераміка не така надійна як сталь, і якщо тиск перевищить допустимий максимум - наслідки будуть сумними. У таких випадках, коли тиск значільно вище заводських налаштувань краще використовувати турбіни зі сталевими крильчатками.
Турбінний вал, це критичний компонент, так як він пов'язує турбінну і компресорну крильчатки. Він виконує просто пекельну роботу - швидкість обертання досягає 100 тис. Оборотів і навіть більше, при цьому температура вихлопних газів не рідко перевалює за 1000 градусів, тому вал постійно змащується маслом, що надходять від двигуна. Однак такий дизайн може викликати певні проблеми, тому що турбіна виходить залежною від роботи двигуна, але ж турбіна може обертатися за інерцією ще кілька хвилин після вимкнення двигуна. Варто один раз такому статися і турбіна прийде в непридатність. Високі температури - часто призводять до того, що масло перетворюється в тверду масу і перестає робити свою роботу. Ось чому, важливо дати турбіні попрацювати в спокійному режимі після важкої поїздки хоча б хвилину або дві.
Центральна частина турбіни, звана картриджем, представляє чималий інтерес. Картридж покликана відігравати роль підшипника для турбінного валу, дозволяючи йому вільно обертатися і вносячи свій внесок в мастило, завдяки наявності невеликих дірочок через які надходить масло.
Більшість виробників випускають 270 градусні підшипники, які представлюят собою практично завершений металевий диск. Це забезпечує збільшену підтримку вала з однієї зі сторін. Чому ж такі підшипники використовуються - вони дешеві і досить надійні, але якщо тиск стає більше - то тут безумовно є поліпшити.
Сучасні турбіни використовують кулькові підшипники, піонером у цій галузі стала компанія Garrett, впервием яка застосувала такі підшипники для дизельних двигунів. Це дозволило скоротити турбояму, за рахунок зниження тертя, тому багато тюнінгові компанії стали виробляти турбіни на основі кулькових підшипників, турбіни з якими швидше розкручуються і більш чуйні. Цікаво зауважити, що Mitsubishi Evolution FQ-400 використовує турбіну з подвійними кульковими підшипниками. Однак не всі експерти впевнені в користі кульок.
Не всі надають значення цьому механічному пристрою, однак соленоїд теж є важливою компонентою. Зазвичай він оперерует за рахунок "виміру" повітря на впускному колекторі, і пускає в хід обхідний клапан турбіни. Зазвичай він працює в парі з контролером наддуву або комп'ютером (ECU) дозволяючи акуратно управляти створюваним надлишковим тиском. Електронна складова дозволяє відстежувати тиск більш точно, крім того в критичних випадках тиск можна змінити швидше, наприклад якщо в бак залито низькооктанове паливо. Магніти маркуються на певний услілій пружини, чим більше зусилля тим пізніше буде відкритий обхідний клапан. Тому якщо врахувати що заводські налаштування зроблені з деяким запасом, то Ви можете легко збільшити тиск замінивши соленоїд на більш жорсткий, це дозволить недорого підвищити рівень наддуву в двигуні.
Ось в кратце і все що потрібно знати про роботу турбін.
autorelease.ru