Турбина на ВАЗ 2110

Турбонаддув для "десятки"

Автомобили стояли на стоп-линии. Водитель соседней машины был молод, и в глазах его читалось желание показать возможности своего "Volvo-460". 16-клапанный, объемом 1,6 л двигатель его автомобиля придавал ему уверенность в своих силах. В общем-то, у него были на то основания, поскольку я сидел хоть и в последнем крике отечественного автомобилестроения - "ВАЗ-2110", но с двигателем, не дававшим, с его точки зрения, мне шансов на победу.Вызов был принят. Стартовали мы одновременно. Я вдавил педаль акселератора в пол и, подобно пушечному снаряду, уже летел навстречу следующему перекрестку.Его удивленный взгляд мне удалось поймать в зеркале заднего вида, что не могло не порадовать. Он не знал, что "восемьдесят третий" мотор моей "десятки" оборудован турбонаддувом.



Газотурбинный нагнетатель, или просто турбонаддув, был известен уже в начале века. Швейцарский инженер Альфред Бюхи ставил первые опыты до первой мировой войны на авиационных двигателях. Однако основной проблемой для широкого применения турбонаддува было отсутствие недорогой технологии высокоточного литья из высокопрочных материалов. Первое более широкое применение турбокомпрессоров на серийных легковых автомобилях произошло на заводах в Баварии в 1973 году. Автомобили BMW "2002 turbo" открыли глаза наиболее прозорливым фирмам. В ряду "компрессорных" машин появились Porsche 911 и SAAB-99 в 1974 и 78 годах. После 1980 г. технологические преграды рухнули, началась эра массовой "турбанизации".

Как известно, количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь при пуске. Соотношение масс, составляющее примерно 1 кг топлива на 15 кг воздуха, должно выдерживаться очень строго, дальнейшее обогащение смеси приводит к уменьшению мощности. Чтоб преодолеть эту преграду, необходимо подать в цилиндр больше воздуха, нагнетая его под избыточным давлением. В этом случае, при увеличении давления воздуха на 30%, происходит адекватный рост мощности и разгонной динамики.

Принцип действия газотурбинного компрессора достаточно прост. На выпускной коллектор крепится корпус турбины, внутри которой находится турбинное колесо, а с ним соосно крепится компрессорное колесо. Под действием потока выхлопных газов турбина раскручивается, момент с помощью вала передается на компрессорную крыльчатку, а та, засасывая воздух через воздушный фильтр, под давлением подает его в карбюратор, увеличивая наполнение цилиндров.

Таким образом, в один и тот же объем цилиндров мы закачиваем большее количество рабочей смеси. Поскольку в обычном двигателе сгорает лишь 25% от закачанного в цилиндр топлива из-за недостатка кислорода. Улучшая наполняемость воздухом, происходит пропорциональное увеличение сжигания бензиновой смеси, что приводит к росту КПД двигателя. Таким образом, за один и тот же промежуток времени по сравнению с безнаддувным двигателем мы закачиваем большее количество топлива, при этом увеличивая моментные характеристики, которые отражаются на разгонной динамике. Как это отражается на поведении машины, мы уже знаем (см. ситуацию на перекрестке).Идея проста, но для легкового автомобиля воплотить ее в жизнь весьма сложно. Скажу только, что лишь несколько автомобильных фирм берутся за изготовление турбокомпрессоров. Название производителей можно пересчитать по пальцам одной руки.

Основная сложность установки и адаптации турбонаддува на бензиновым двигателе заключается в том, что температура выхлопных газов, которую должна выдерживать турбина, равна 900-950 С, а рабочие обороты ротора с крыльчаткой исчисляются десятками и даже сотнями тысяч оборотов в минуту. В то же время ограниченные возможности объема подкапотного пространства требуют от производителей уместить агрегат в эти рамки. Таким образом, агрегат должен обладать высокой жаропрочностью, быть компактным, тщательно отбалансированным и в то же время недорогим. В качестве мировых лидеров можно назвать следующие фирмы: Garret (США), KKK (Германия), IHI (Япония), и, что отрадно, теперь такими возможностями обладает и отечественная промышленность. При этом по соотношению "цена-качество" ничуть не уступая зарубежным аналогам.

Что же конкретно дает турбонаддув? Испытания обычного 1,5-литрового карбюраторного двигателя ВАЗ-21083 с установленным на нем турбонаддувом показали следующие результаты. При качественном сцеплении и покрышках время разгона до "сотни" сокращается на 5 секунд по сравнению с исходным мотором. То же происходит и с эластичностью, т.е. время разгона на фиксированной передаче (IV) от 60 до 100 км/час уменьшается также на 5 секунд.Мощностные характеристики, полученные при испытаниях двигателя в НАМИ, приведены в таблице 1.

таблица 1

Базовый с Т.Н.

n = 5.600
Ne = 70 л/c 90 л/с

n = 3.500
Ne = 51.5 л/c 70 л/с

n = 2.000
Ne = 20 л/c 27 л/с

И это с учетом того, что турбина настроена на экономичный вариант, т.е. давление воздуха увеличено на 0,3 кг на см2, что не отражается на моторесурсе двигателя. Такого повышения давления вполне достаточно, кроме того, оно позволяет при работе на номинальных оборотах снижать расход топлива до 20%.

Ближайшим достойным соперником "наддутого" двигателя будет 16-клапанный силовой агрегат с таким же объемом. За счет оптимизации рабочих процессов пиковая мощность у них приблизительно одинаковая, а вот по разгонной динамике последний явно уступает своему "турбо"-оппоненту.
таблица 2

Базовый
с Т.Н.

AUDI

41.000 DM
47.500 DM

SAAB
38.900 DM
51.950 DM

VOLVO-460
V=1,8 л
30.700 DM
V=1,7 л
36.000 DM

Не вдаваясь подробно в технические характеристики, отмечу, что во всем мире "турбо" оценивается дороже в среднем на 3-4 тысячи долларов от стоимости аналогичного безнаддувного автомобиля.

Нельзя не отметить и некоторых сложностей, вызванных установкой на двигатель турбонаддува.

Во-первых, турбонаддув все-таки достаточно дорогое удовольствие. Во-вторых, оснащенная турбиной машина требует тщательного за ней ухода. То есть более частую замену масла, фильтров, свечей. Необходимость установки качественного сцепления. Ведь все перечисленные расходные материалы, производимые нашей промышленностью, рассчитаны на условия эксплуатации, характерные для обычных двигателей, и не отвечают характеристикам, требуемым для двигателей с турбонаддувом. В-третьих, ротор устанавливается в подшипниках скольжения, которым приходится выдерживать частоты вращения до 200 тысяч об./мин. Поэтому они нуждаются в обильной и качественной смазке. Но масло еще и охлаждает их, и если условия смазки ухудшаются, т.е. отложения снижают пропускную способность магистралей, то масло застаивается в подшипниковом узле, что увеличивает тепло напряженность и вызывает его закоксовывание. В этом случае подшипник остается сухим, в результате чего следует задир и выход подшипника из строя. Вот почему после долгой работы двигателя под нагрузкой (например, буксование в глубоком снегу), перед тем как его заглушить, требуется дать ему поработать на холостом ходу минуту-другую. Это должно стать правилом. И последний минус – преодоление водных преград. Поскольку чугунная часть корпуса турбины сильно разогревается во время работы, существует опасность ее повреждения при попадании на нее большого потока воды.

При установке турбо наддува двигатель начинает испытывать большие нагрузки. Причем рост тепло напряженности и механических нагрузок пропорционален увеличению давления наддува. Обходясь скромной форсировкой двигателя на 30%, ресурс мотора сохраняется на атмосферном уровне. Безболезненно повысить давление позволяет промежуточный охладитель наддувочного воздуха.