Что такое электротурбина

Говоря о системах наддува двигателя, автолюбители зачастую представляют себе систему, в основе которой лежит турбина (турбокомпрессор) – специальный агрегат, использующий энергию отработавших газов для раскручивания крыльчатки и нагнетания атмосферного воздуха. Кто-то может вспомнить механические нагнетатели, отнимающие энергию от силового агрегата. О них мы писали в данном материале. В силу относительной простоты, высокой надежности и пристойного КПД в системах наддува чаще всего используют имено турбины. Автомобильные концерны и сторонние компании придерживаются идеи, что привычную турбину можно и даже нужно улучшить. Сказано – сделано, и инженеры из года в год представляют различные модели электрических турбин. В данном материале Avto.pro разберется в том, что они собой представляют и можно ли устанавливать их на свой автомобиль уже сегодня.

Коротко о системах наддува

Заранее отметим, что данный материал написан и опбликован в середине 2020 года, когда крупные компании и концерны ведут работу над улучшением имеющихся электротурбин (у некоторых это получилось), однако эффективность таких агрегатов высока только на бумаге – достойные внимания образцы, прошедших строгие проверки, можно пересчитать по пальцам. В дальнейшем ситуация может измениться и электротурбины могут вытеснить классические турбокомпрессоры. Чем обусловлена их эффективность? Давайте разберемся.

Перед началом подробного разбора электрических турбин стоит рассказать о более привычных агрегатах. А перед тем как рассказать о них, стоит уделить внимание особенностям работы двигателей внутреннего сгорания. Начнем с рабочих циклов 4-тактного двигателя, который мы возьмем в качестве примера. За четыре такта коленвал успевает сделать два полных оборота. В случае выбранного двигателя такты можно описать так:

1. Впуск. Поршень продвигается вниз, а в камеру сгорания может попасть топливовоздушная смесь (в случае бензинового мотора) или воздух (если мотор дизельный);
2. Сжатие. На этом такте горячая смесь сжимается;
3. Рабочий ход. Горячая смесь зажигается искрой от свечи зажигания или под действием давления впрыска в дизельном агрегате;
4. Выпуск. Поршень продвигается вверх, давая выйти отработавшим газам.

Вдумчивый читатель уже может предложить несколько вариантов доработки двигателя, которые повысят его эффективность. Например, увеличение рабочего объема. Это хороший вариант, однако на практике бесконечное увеличение объема нецелесообразно – агрегат станет слишком большим и тяжелым, а его экологичность и экономичность окажется под большим вопросом. Существует другой вариант – повысить мощностные показатели агрегата без существенного увеличения расхода горючего посредством «адаптации» процесса приготовления топливоздушной смеси. Проще говоря, улучшить способность агрегата всасывать атмосферный воздух. Это и будет называться наддувом двигателя.

Классические турбины и их недостатки

В материале, посвященном турбокомпрессорам, мы писали о том, как устроена одна из наиболее распространенных система наддува. Если вкратце, то в нее входит воздухозаборник, интеркулер, турбина, коллекторы и специальная система охлаждения (масляная или комбинированная). Также система может быть дополнена специальными клапанами. В отдельных случаях автомобиль может комплектоваться сразу двумя турбинами. Основа подобных систем наддува – турбина – имеет ряд недостатков:

• Турболаг (турбояма);
• Повышенные требования к качеству горючего;
• Неоптимальные габариты в случае некоторых моделей;
• Повышенный расход масла.

Наиболее существенным недостатком принято считать турболаг. Под этим термином подразумевают эффект, при котором турбонагнетатель срабатывает с некоторой задержкой. Например, при движении авто с невысокой скоростью и при небольшим оборотах двигателя. Напоминаем, что сама турбина может работать при оборотах более 150 тысяч в минуту. Здесь прослеживается почти прямая зависимость – чем выше нагрузка на двигатель и чем выше обороты, тем больше объемы отработавших газов, энергия движения которых и используется для раскручивания крыльчатки турбины. От эффекта турболага можно избавиться при помощи чип-тюнинга, о котором мы писали в данном материале, а также посредством установки тюнинг-боксов. И то, и другое предусматривает внесение изменений в работу двигателя.

Отдельные претензии к турбокомпрессорам сводятся к их невысокой надежности. На самом деле агрегаты довольно надежны, но при сравнении с механическими нагнетателями становится ясно, что требования к надежности, эффективности работы смежных с турбиной и двигателем систем, а также общий расход масла могут быть ниже. Владельцы авто с турбированным двигателем уже привыкли к особенностям обслуживания подобных агрегатов и знают, что для поддержания их нормальной работы достаточно вовремя проходить ТО и заливать в автомобиль только качественные технические жидкости.

Подробнее об электротурбинах

Интерес к электрическим турбинам (англ.: Electric Turbocharger) во многом обусловлен желанием избавиться от эффекта турболага. Так, например, определенных успехов на поприще разработки таких агрегатов добился Renault. Проблема в том, что французский концерн рассматривает модернизированные турбины как решение для спорткаров. Массовое производство модернизированных турбин было начато на заводах Volvo и Audi. Пойти дальше намерены в Mercedes-Benz. В 2020 году компания почти закончила работу над электрическим турбонагнетателем для всех будущих серийных моделей транспорта.

Техническое решение от автоконцернов и сторонних компаний, вроде американского Garett, выглядит очень просто: к оси турбины подсоединяется небольшой электродвигатель, питаемый от источника напряжения 48V и подкручивающий колесо в тех случаях, когда есть вероятность возникновения турболага. К примеру, на малых оборотах двигателя. Сама технология не нова и существует несколько вариантов компоновки турбин и электродвигателей. Выделяют два основных варианта:

• Турбина, совмещенная с электродвигателем. Разработка Garrett, также продвигаемая Mercedes-Benz. Электродвигатель может работать и как двигатель, и как генератор;
• Раздельные турбина и электрокомпрессор. Разработка VAG, которая, которая отличается от указанной выше. Такая схема не приспособленная под зарядку АКБ.

В качестве отдельной компоновки стоит выделить раздельную турбину и маломощный электродвигатель во впускной системе. В англоязычных источниках все три компоновки объединяются под термином Electric Turbocharger, однако как читатель уже наверняка догадался, мы не зря заострили внимание на еще одной компоновке. Из-за использования маломощного «вентилятора» такая система не может обеспечить всасывания больший объемов воздуха. Первый и второй варианты – другое дело. Разрабатываемые турбины имеют не только электродвигатель, но и оснащаются специальным нагнетателем, геометрия которого была изменена с целью лучшего сжатия воздуха. Хорошо себя показывают нагнетатели с ребристой внутренней поверхностью.

Наиболее перспективные варианты исполнения электрических турбин предусматривают использование электродвигателя для подкрутки крыльчатки на низких оборотах двигателя и в качестве генератора, когда обороты достаточно велики. Напоминаем, что большинство турбин становятся эффективными лишь при оборотах более 3 тысяч в минуту. Резюмируя, отметим, что электрические агрегаты создавались с целью устранения главного недостатка агрегатов классических – задержки срабатывания, – однако в ходе экспериментов оказалось, что они в целом более эффективны и повышают топливную экономичность силового агрегата.

Выбор электротурбины?

Онлайн-маркетплейсы уже сегодня могут предложить автолюбителям множество электрических турбин. Обратимся к Джеффу Даффу, руководителя отдела разработок Garrett. По его словам, в зависимости от конфигурации двигателя и модели электротурбины можно повысить топливную эффективность автомобиля максимум на 10%, но на испытаниях новые агрегаты повысили эффективность на 2-4%. Их еще нужно доработать. Цель компании: создать агрегат, с которым двигатель всегда будет потреблять идеальную топливовоздушную смесь. Со слов Даффа становится ясно, что мировой производитель агрегатов для систем наддува еще разрабатывает или улучшает имеющиеся электротурбины. Могут ли предлагаемые уже сегодня турбины быть настолько же эффективными, как тестовые образцы Garrett, Volkswagen, Audi, Mercedes-Benz и прочих? Для начала они должны удовлетворять следующим требованиям:

• Зафиксированное в ходе испытаний повышение производительности двигателя;
• Отсутствие эффекта турболага;
• Снижение расхода горючего хотя бы на 2% при тех же мощностных показателях;
• Работа при напряжении 48V. При меньшем напряжении совмещенный с турбиной электродвигатель будет недостаточно эффективен, а вынесенный «вентилятор» будет попросту создавать воздушную пробку.

В основном в продаже встречаются именно «вентиляторы», эффективность которых якобы гарантируется производителем. Редкие фирмы решаются на создание турбин с совмещенным электродвигателем, поскольку их разработка и производство обходится дороже. На практике и те, и другие в подавляющем большинстве случаев неэффективны или недостаточно надежны. Если вы нашли в продаже чудо-турбину, внимательнее изучите характеристики. Если производитель указывает лишь процентные прибавки какого-либо из показателей (даже не указывая методику проверки до и после), это должно вас насторожить. А если не указано потребление, показатели давления, ничего не сказано о применяемости, не уточнено, для каких двигателей агрегат подходит лучше всего (низко- или высокооборотистых), то покупать и устанавливать такую электротурбину точно не стоит. Даже если агрегат окажется эффективным, нет никаких гарантий, что его электрическая часть не выйдет из строя спустя пару недель или месяце эксплуатации.

Вывод

Подавляющее большинство электрических турбин на вторичном рынке не достойны внимания покупателя. Продавцы воспользуются всеми известными маркетинговыми уловками для того, чтобы продать такие агрегаты незадачливому автолюбителю, однако мы гарантируем, что на момент написания данного материала (2020 год) электротурбины еще являются одним из экспериментальных автомобильных агрегатов, которые только предстоит улучшить. В продаже можно встретить достаточно качественные агрегаты, обеспечивающие стабильный прирост мощности и не имеющие эффекта турболага, однако мы все же советуем автолюбителям повременить с покупкой. В ближайшие годы технология ETurbo будет «обкатана» и подобные агрегаты можно устанавливать на свой автомобиль без опасений. Правда, лишь после внесения доработок в электрику.