Турбоямой называют ситуацию, когда турбированный двигатель не реагирует на резкое нажатие педали газа мгновенным увеличением тяги. Водитель ожидает ускорения, но мотор сначала лишь постепенно набирает обороты, и только спустя некоторое время начинает активно разгонять автомобиль. Иными словами, между нажатием на педаль и появлением полноценной тяги возникает задержка — тот самый турболаг.
Во время ускорения турбина и компрессор должны обеспечить цилиндры дополнительным количеством воздуха. Это позволяет двигателю быстро увеличить отдачу. Сам компрессор с такой задачей в целом справился бы, пусть и с определёнными задержками и потерями. Но турбина ограничена особенностями собственного привода: именно поэтому характерный эффект турбоямы связан с системами газотурбинного наддува.
Чем пытаются заменить турбину
Конструкторы давно используют разные способы, позволяющие обойти задержку в работе турбонаддува. Один из вариантов распространён на многих американских двигателях с наддувом: компрессор получает механический привод непосредственно от коленчатого вала, как правило через ремень. Схема довольно примитивная, однако для короткого 10-секундного заезда её возможностей вполне достаточно.
Другой вариант находится на противоположном конце шкалы — компрессор приводится мощным высокооборотным электродвигателем, обычно постоянного тока.
У обоих решений есть очевидное преимущество: турбояма практически отсутствует. Однако полностью бесплатным такой результат не бывает. Механический привод забирает полезную энергию у коленвала, а электрический расходует заряд мощных батарей. При этом значительная часть энергии выхлопных газов фактически теряется, что снижает общий КПД двигателя.
Почему появляется провал тяги
Причина турбоямы скрыта в устройстве самой турбины. В наиболее простом варианте газовая турбина состоит из рабочего колеса с неподвижно закреплёнными лопатками. Вокруг них находится диффузор, а в месте подвода потока установлен сопловой аппарат. Его лопатки устроены по сути аналогично, но ориентированы в противоположную сторону.
И сопловой аппарат, и рабочие лопатки турбины имеют определённый угол относительно направления движения газового потока. Причём этот угол для каждого элемента свой.
Точная настройка характеристик позволяет уменьшить провал мощности в нескольких диапазонах оборотов. Но подобная работа требует серьёзных затрат. Разработка и выпуск турбин с изменяемой геометрией лопаток остаются дорогими и технологически сложными задачами, поэтому позволить себе такую конструкцию могут далеко не все производители.
В результате вместо глубокой оптимизации турбины нередко выбирается более узкий рабочий диапазон. Производитель настраивает её так, чтобы примерно в пределах 2000–3500 об/мин двигатель обеспечивал приемлемую тягу, экономичность и ресурс хотя бы в 200 тыс. км.
На меньших оборотах и возникает характерная «яма». Для многих производителей этот диапазон считается переходным, поэтому работа механики на нём не оптимизирована. Выхлопных газов при этом может быть достаточно, но турбина ещё не способна эффективно использовать их энергию.
Проблема заключается и в геометрии лопаток: они рассчитаны на значительно более высокие скорость и температуру потока. Чтобы турбина начала работать в своём эффективном диапазоне, её необходимо сначала раскрутить. А тяжёлое турбинное колесо обладает заметной инерцией, поэтому мгновенно изменить его скорость вращения невозможно.
Как производители борются с турбоямой
Самый известный вариант — установка сразу двух турбин вместо одной. Такие системы называют Bi-Turbo или Twin-Turbo. На V-образном двигателе, например, можно разместить по одной турбине на каждый ряд цилиндров. Параллельная схема считается достаточно простой и эффективной и особенно удобна там, где важны компактность и рациональная компоновка.
Другой вариант — Sequential Twin Turbo, то есть последовательная схема с маленькой и большой турбинами. Они работают не одновременно в одном режиме, а последовательно подключаются к работе двигателя. Одним из известных примеров такого решения является мотор Toyota 2JZ-GTE.
Среди современных решений получили распространение и турбины с электрическим бустером. Такая система позволяет практически избавиться от провала тяги, однако требует большого количества электроэнергии. Поэтому подобная конструкция особенно подходит автомобилям с гибридной силовой установкой.
Есть и более распространённый способ борьбы с турбоямой — изменение настроек прошивки электронного блока управления. В момент появления провала система впрыска увеличивает подачу топлива в камеру сгорания и тем самым меняет состав выхлопных газов.
В результате в выхлопном потоке становится больше непрореагировавших продуктов разложения бензина — СО и Н₂. Они способны практически мгновенно увеличить мощность, воздействующую на турбину. Но подобное решение имеет серьёзную обратную сторону:
- ускоряется закоксовка поршней и поршневых колец;
- повышается риск прогара катализатора.
Поэтому программная борьба с турбоямой способна дать быстрый эффект, но сопровождается дополнительной нагрузкой на двигатель и выпускную систему.
Изменяемая геометрия — сложнее, но эффективнее
Для полноценной борьбы с провалом тяги требуется более сложная механика: поворотные лопатки рабочего колеса и регулируемый сопловой аппарат. Такая конструкция позволяет изменять параметры работы турбины в зависимости от условий и эффективнее использовать энергию газового потока.
Подобная технология применяется рядом ведущих моторостроительных компаний. В частности, Porsche первой использовала поворотную геометрию турбины на бензиновом двигателе — в модели 911 Turbo.
Правда, за эффективность приходится платить сложностью. Такая турбина дороже и труднее в производстве, а её разработка требует специалистов соответствующего уровня. В штате приходится содержать около десятка квалифицированных и опытных инженеров, связанных с авиационным турбостроением.
Зато затраты на такую конструкцию, как отмечается в исходном описании, окупаются с лихвой.