Двигатель с турбонаддувом.

Турбо или атмосферник, кто быстрее?

С тех пор, как начали появляться первые турбины на тюнингованных автомобилях, возникает вопрос — кто быстрее, автомобили с турбонаддувом или атмосферники с большими распредвалами? 

Ответ однозначен — правильно собранный турбо мотор не оставит никакого шанса самому «злому атмо». 
Самый мощный атмосферный двигатель на данный момент применяется в боллидах Формула-1, с одного литра объёма двигателя снимается около 300 л/с.

Для примера: правильно собранный турбо мотор выдаёт до 900 л/с с литра объёма, при наддуве 5,5 атмосфер. Такие моторы применялись на Формуле-1 во времена турбо-эры с 1977 по 1988 г, с мотора объёмом 1,5 литра снимали от 700 до 1400 л/с. Подобные моторы сейчас применяются в драг рейсинге класса «top fuel» в США, с мотора объёмом 8,2 литра снимается 7000 л/с.

От куда же берутся эти лошадиные силы? Ведь обычный мотор внутреннего сгорания имеет около 60 л/с с литра.
Стандартный двигатель расчитан на езду в городских условиях, с крутящим моментом на низких оборотах. Такая компоновка имеет свои ограничения в максимальной скорости и мощности. Цилиндры двигателя имеют большой потенциал для увеличения мощности не увеличивая объёма двигателя.

Как сильно можно повысить мощность двигателя с помощью турбины? При увеличении наддува в 1 атмосферу, мощность увеличится почти на 100%. Другими словами если двигатель имел изначально 100 л/с, тогда при давлении турбонаддува 3 атмосферы (3 бар), его мощность увеличится до 300 л/с. Крнечно двигатель должен быть подготовлен к такой нагрузке: сильно возрастает тепловой режим работы мотора — Повысятся температура клапанов, поршней, масла, охлаждающей жидкости, выпускной системы. Все элементы должны быть подготовленны к условиям возросшей температуры. Увеличится нагрузка на поршни, шатуны, коленвал, блок двигателя, сцепление, трансмиссию. Все элементы автомобиля должны быть выбраны в соответствии с возросшей мощностью.

Степень сжатия на турбо моторах должна уменьшаться в зависимости от давления наддува. В действительности высокая степень сжатия при использовании высокооктанового топлива даёт не такую уж большое увеличение мощности, как разница в цене на топливо. В случае увеличения степени сжатия на единицу — мощность возрастает почти на 1,5%. Естественно существует топливо с октановым числом 150 — метиловый спирт. Использование его в атмосферном двигателе позволяет применять степень сжатия 1:15, однако прибавка мощности с высокооктановым топливом очень мала. Это означает что не стоит экономить на уменьшении степени сжатия на турбо моторах, и в моторах с закисью азота. На мощных турбо моторах степень сжатия находится в пределах 7-8, в зависимости от применяемого топлива. Детонация быстро разрушает мотор, так что лучше меньше, чем больше.

Турбины ТКР.

Турбины произведённые в России и странах СНГ имеют обозначение — ТКР. Есть несколько типов, которые отличаются размерами и производительностью, а так же КПД от 43 до 77%. Они используются на дизельных двигателях разной мощности, серийное применение на бензиновых двигателях данных турбин пока отсутствует.

Возможно ли использование турбин ТКР на бензиновых двигателях? Крнечно. Не сгорят ли лопасти турбины, созданные для дизельных двигателей, на бензиновом моторе, ведь температура горения бензина выше чем солярки? Случаев сгорания лопастей турбины от дизеля на бензиновом двигателе в практике не было. Температура выхлопных газов в первую очередь передаётся поршням, клапанам, блоку цилинров, выпускному коллектору, и только потом — турбине.

Турбины Garrett.

Довольо популярными в использовании на серийных дизельных и бензиновых двигателях получили турбины Garrett, производящиеся на 14 заводах по всему миру. Так же они активно применяются в автоспорте и тюнинге. Существуюттурбины Garrett не только с подшипниками скольжения (бронзовые втулки) как на ТКР, но и с шарикоподшипниками, У которых в обозначении есть буква «R», например GT42R. Шарикоподшипники не такие чувствительны к масляному голоданию, повышенным оборотам, имеют меньшее трение, следовательно быстрее раскручиваются. А так же существуют турбины с каналом для охлаждения подшипника с помощью охлаждающей жидкости, что хорошо сказывается на их сроке службы.

Расход воздуха турбинами и степень повышения наддува.

Все турбины имеет определённую производительность накачки воздуха. Наибольшее давление наддува получается на оптимальных оборотах ротора, превышать которые не стоит, в ином случае могут пострадать подшипники турбины. На данной схеме показана производительность турбин ТКР. К примеруа: расход воздуха 0.10 кг/с равняется 130 л/с мощности двигателя. К примеру турбина ТКР-6, которая применяется на машинах типа «Бычок», «Валдай», выдаёт максимально 150 л/с.
На ТКР-6 диаметр компрессорного колеса 60 мм, а на ТКР-10 соответственно 100 мм, это видно из маркировки турбин.
В этой схеме представлен расход воздуха турбин Garrett в фунтах/мин и степень повышения давления (атм). Расход воздуха 50 фунтов в минуту равняется около 410 л/с конечной мощности двигателя.

Турбину для тюнинга желательно выбирать с запасом мощности, что бы она работала не на пределе своих возможностей. У больших турбин немного больше турболаг (провал), но у них гораздо больший потенциал конечной мощности в сравнении с маленькими турбинами. Маленькая турбина при достижении своего пика перестает повышать мощность двигателя, и стравливает выхлопные газы в обход крыльчатки (при наличии клапана вестгейт), иначе разрушается, при отсутствии клапана.
Клапан вестгейт (Wastegate).

Обходной клапан вестгейт создан для защиты подшипника турбины и двигателя от разрушения. Поток выхлопных газов пытается раскрутить крыльчатку до бесконечности, тем самым нагнетая всё большие и большие потоки воздуха в двигатель. Следовательно воздух увеличивает количество рабочей смеси, что ведет за собой увеличение потока выхлопных газов. Турбина раскручивается ещё быстрее. Получается замкнутый цикл.

В случае если данный цикл не остановить, турбина набирает обороты в разы больше максимальных 100000 об/мин, и подшипник разрушается. Появляется люфт, и крыльчатка начинает задевать о корпус турбокомпрессора, мгновенно приходя в негодность. А так же неконтролируемое повышение мощности может навредить двигателью.
Существует два вида обходных клапанов: встроенный и внешний. Встроенный крепится не посредственно на турбине, и имеет заслонку, позволяющую отводит часть выхлопных газов, при достижении определённого уровня давления, в обход турбины, в глушитель. Но его возможности ограниченны, он не в силах отводить слишком большие потоки выхлопных газов.

Внешний клапан выполняет те же функции, но устанавливается на выпускной коллектор. По достиженнию определенного уровня давления компрессора, открывается, и стравливает выхлопные газы с выпускного коллектора, в обход турбины — в глушитель, не позволяя раскручиваться турбине больше положенного.