История
В начале прошлого века швейцарский инженер Альфред Бюхи, заведующий разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, разработал первое устройство нагнетания, использующее в качестве движителя энергию выхлопных газов. Будучи главным инженером научно-исследовательского отдела компании, г-н Бюхи в 1915 г. предложил первый прототип турбодизеля. К сожалению, он не был достаточно эффективным. Уже в 1917 г. ограниченное число турбонагнетателей было испытано на авиационных моторах в условиях Первой мировой войны. Это позволило самолету забираться более высоко, сохраняя необходимую мощность мотора. Немногим позже турбины появились и на судовых дизелях. В 1920 г. компании Mercedes и Fiat начинают свои исследования в области турбонаддува. Автомобильные турбонагнетатели сначала появились на грузовиках. Первый такой мотор был построен компанией Swiss Machine Works Saurer. В годы Второй мировой войны турбонагнетатели широко использовались и в авиации, и на военном транспорте.
В 1952 г. автомобиль с турбодизелем впервые принял участие в гонках Indianapolis-500. А первыми серийными турболегковушками стали Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket и Chevrolet Corvair Monza (1962–1963 гг.). Не умаляя заслуг г-на Бюхи, стоит сказать, что массовое внедрение турбонагнетателей произошло благодаря работам Вильяма Вулленвебера конца 50-х–начала 60-х годов. Именно его конструкция является прародителем современных турбонагнетателей. Такие известные компании, как Garrett (США), Holset (Англия), KKK (Германия), IHI и Mitsubishi (Япония), в свое время приобрели лицензию на право использования его конструкции. Нужно отметить, что механические нагнетатели уже тогда применялись с успехом. Вот почему турбонагнетателям приходилось отвоевывать свою нишу на этом рынке. После первого топливного кризиса в 1973 г. турбодизели стали все чаще использоваться на коммерческом транспорте. Экономия топлива покрывала высокие затраты на сами устройства турбонагнетания. На их распространение повлияли и высокие нормы по токсичности, принятые в 80-х годах. В 1975 г. появился легендарный Porsche 911 Turbo. А годом позже 2-литровая турбированная версия Saab показывает такие же возможности, что и 3-литровая, но атмосферная.
В 1978 г. Renault начинает турбоэру в гонках Формулы-1. В то же время Buick, Saab и Mercedes начинают массовое производство автомобилей с турбонагнетателями. В настоящее время турбонагнетатели прочно заняли свое место под капотами автомобилей. Причем чаще всего можно встретить именно турбодизели. По возможностям они стали все более приближаться к своим бензиновым собратьям, сохраняя при этом главные преимущества – низкий расход топлива и хорошую экологичность. Бензиновые же моторы все чаще оснащаются турбинами не с позиций скорости и мощи, но как средство снижения расхода горючего и вредных выбросов.
Как известно, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют низкий КПД. Дизельные моторы более эффективны, но и они не лишены недостатков. Так уж получается, что около 40% энергии, выделяемой при сгорании топлива, рассеивается с выхлопными газами. Почему бы не использовать эти отходы?
Конструкция
Так что же такое турбонагнетатель или турбокомпрессор? Фактически это тот же компрессор, призванный нагнетать воздух, но его привод осуществляется не от коленчатого вала через ременную передачу, а используя энергию потока отработавших газов. Работа турбонагнетателя предельно проста. Выхлопные газы, проходя в турбину, приводят во вращение ротор. Колесо центробежного компрессора жестко закреплено на оси ротора и вращается с той же скоростью. Нужно сразу сказать, что сама компрессорная часть может быть различной по конструкции, но именно центробежный тип стал превалирующим. Чем большей энергией обладают выхлопные газы, тем быстрее вращаются колеса турбины и, соответственно, компрессоры. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, тем выше мощность. При этом частота вращения турбокомпрессора может быть очень и очень высокой – 150 тыс. об/мин и более. Колесо турбины соединено с валом сваркой трением.
