ЗАЧЕМ ТУРБИНА ИЗМЕНЯЕТ ГЕОМЕТРИЮ?
Турбонаддув давно и прочно прижился на двигателях, обеспечивая турбированным моторам преимущество над атмосферными "собратьями" такого же рабочего объема в мощности, крутящем моменте и удельном расходе топлива. Однако эффективен турбонаддув далеко не во всем диапазоне оборотов двигателя.
При малой частоте вращения коленчатого вала турбокомпрессор практически не добавляет мощности силовому агрегату. Например, "подхват" у бензиновых моторов с наддувом обычно начинается только после набора 2-3 тыс. об/мин, когда энергия и скорость истечения выхлопных газов вырастают до уровня, позволяющего наиболее полно реализовать потенциал мощности турбодвигателя. Но при дальнейшем увеличении оборотов коленчатого вала наступает предел - когда нагнетатель начинает создавать слишком большое давление во впускном коллекторе. Возникает опасность разрушения различных деталей двигателя из-за чрезмерно увеличившихся тепловых и механических нагрузок на них.
Внешне турбокомпрессор Garett с электродвигателем выглядит как серийное изделие, но пока остается концептуальным решением
Справиться с последней проблемой просто. Достаточно поставить перед турбиной перепускной клапан, и при повышении давления до критических величин он направит часть выхлопных газов мимо турбокомпрессора, в атмосферу, снижая тем самым обороты колеса турбины. Платить за это, впрочем, приходится существенным понижением КПД системы турбонаддува, так как отработанные газы, обходя турбину, уносят с собой неиспользованную энергию и ухудшают показатели удельного расхода топлива. И что делать с неэффективностью турбонаддува при малой частоте вращения коленвала? К тому же турбодвигателю свойственна запоздалая реакция на управляющее воздействие, пауза, называемая "турбоямой". Это когда водитель "утопил" педаль акселератора в пол - а дальше приходится ждать, пока топливная смесь сгорит в цилиндре, окажется в выхлопной трубе и как следует раскрутит турбину.
Устройство современного турбокомпрессора: 1 - поворачивающая направляющая лопатка; 2 - колесо турбины; 3 - вал; 4 - подшипниковый узел; 5 - улитка компрессора; 6 - колесо компрессора; 7 - уплотнение
Чтобы турбодвигатель одинаково резво отзывался на нажатие педали акселератора как при 1,5 тыс., так и при 5 тыс. оборотов, в 1950-е годы был придуман турбокомпрессор с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины. Примечательно, что первый опыт использования такой конструкции на легковых автомобилях, несмотря на проблемы, создаваемые "турбоямой", например при совершении обгонов, датируется 1990 годом, когда Fiat установил турбокомпрессор с изменяемой геометрией на модели Croma с 2-литровым турбодизелем с непосредственным впрыском топлива. Почему автопроизводителям понадобилось почти 40 лет, чтобы увидеть преимущества "изменяемой геометрии", - тайна сия велика есть. Однако Fiat будто прорвал некую плотину, и сегодня, по крайней мере, в Европе турбокомпрессоры с управляемым сопловым аппаратом становятся практически стандартным оборудованием, прежде всего, для дизельных легковых автомобилей и коммерческого грузового транспорта. Фактически половина всех европейских турбодизелей объемом от 1,2 до 4,0 литров уже оснащаются турбинами с изменяемой геометрией. В связи с ужесточающимися экологическими требованиями у таких турбокомпрессоров имеются хорошие перспективы на будущее и для бензиновых двигателей.
Сейчас существуют две различные схемы изменения геометрии соплового аппарата. В первой выхлопные газы, прежде чем попасть на колесо турбины, проходят через систему поворачивающихся лопаток. В зависимости от того, под каким углом лопатки расположены в конкретный момент, изменяется угол атаки, с которым выхлопные газы бьют по лопастям турбины. Это позволяет изменять скорость вращения ротора, а значит, и давление наддува. Во второй схеме направляющих лопаток нет, а изменяется проходное сечение на входе перед турбиной.
При низких оборотах двигателя и небольшом потоке выхлопных газов сечение уменьшается, в результате этого увеличивается скорость, с которой газы попадают в турбину и бьют по ее лопастям. На предельных скоростных режимах работы двигателя площадь проходного, наоборот, увеличивается. В результате турбокомпрессор защищает себя от превышения оборотов и поддерживает давление наддува на уровне, необходимом двигателю.
Изменение положения направляющих лопаток или площади сечения соответствует режиму работы двигателя и управляется пневмоприводом, а в последнее время - электроникой. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией могут обходиться без использования упомянутого выше перепускного клапана. Способность таких турбокомпрессоров создавать необходимое давление наддува при самых низких оборотах двигателя также значительно снижает количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ.
Перепускного клапана турбине уже мало. Требуется еще и сопловой аппарат с изменяемой геометрией
Но турбины с изменяемой геометрией не лишены недостатков. В эксплуатации на механизм управления сопловым аппаратом осаждается сажа, из-за чего он начинает заедать или вообще теряет подвижность. Существуют варианты, как этого избежать. Например, компания Garett предложила связать с колесом компрессора электродвигатель, подключаемый в работу, когда энергии выхлопа оказывается недостаточно для создания необходимого по ситуации давления наддува. Работой электродвигателя управляет электронный блок, который контролирует и изменяет обороты, до которых электрический "помощник" раскручивает колесо компрессора. Однако пока этот и другие варианты остаются концептуальными решениями и на практике еще не используются. | 
