Всеобщее наддувательство
Узлы и агрегаты постоянно совершенствуются. Исследователи рассказали о том, какими будут турбонагнетали ближайшего будущего и зачем нужны турбины гибридным автомобилям.
Один из ведущих производителей автомобильных турбин – Honeywell – рассказал о том, какими он видит моторы будущего. Представители компании прогнозируют, что через пять лет доля транспортных средств с турбированными двигателями составит 47%. Кроме того, автогигантам потребуются инновации, которые улучшат характеристики силовой установки в целом и упростят ее. Также технологии придется подстраивать под нужды каждого конкретного рынка.
Свои наблюдения Honeywell опубликовала в масштабном исследовании в преддверии Международного автосалона во Франкфурте. Именно на этой выставке представлены последние достижения в области применения турбин на дизельных, бензиновых и гибридных транспортных средствах. Причем технология используется при производстве как бюджетных автомобилей, так и машин класса люкс.
Сплошные сайзинги
Согласно исследованию, сегодня компании уже не гонятся за даунсайзингом (уменьшением объема двигателя при использовании наддува). Все более популярным становится так называемый райтсайзинг (англ. right – правильный + size – размер). Этот подход также предусматривает использование турбины при более продуманной подгонке всех параметров мотора для работы с наддувом.
На выходе должен получиться автомобиль с хорошими динамическими показателями и относительно небольшим расходом топлива, как того требуют все более ужесточающиеся экологические ограничения.
«Как показывает статистика, для технологий турбо наступает золотой век, – указал высокопоставленный менеджер Honeywell Терренс Хан. – Существует заметный спрос на более продвинутые турботехнологии, которые не ограничиваются одним мотором».
Автомобильные компании обращаются к таким фирмам, как Honeywell, для того чтобы удовлетворить потребности по созданию эффективных 3-цилиндровых двигателей, снять больше «лошадей» с 4-цилиндровых моторов. В скором времени, по словам Хана, ожидается рост спроса на системы рекуперации и E-boost для гибридных транспортных средств с продвинутыми силовыми установками.
На трех цилиндрах
Специалисты компании прогнозируют рост доли машин с 3-цилиндровыми моторами в ближайшие пять лет. Это станет глобальной тенденцией для автомобилей низкого и среднего ценового сегмента с небольшим расходом топлива, отметили в Honeywell. Процент таких автомобилей будет увеличиваться до 2020 года в среднем на треть.
К этому времени во всем мире будет продано около 7 млн транспортных средств с 3-цилиндровыми турбированными двигателями. Учитывая данный тренд, производители разрабатывают турбины, способные выдерживать более высокие нагрузки в отсутствие четвертого цилиндра.
При этом на моторы с четырьмя цилиндрами будет приходится 75% мировых продаж машин с турбонаддувом. Объемы реализации в этой категории будут расти в среднем на 7% в год за рассматриваемый период.
Технологии будущего
В компании выделяют ряд технологий, которые станут наиболее востребованными в ближайшие несколько лет.
Концерны будут проявлять повышенный интерес к турбокомпрессорам изменяемой геометрии (VNT). В Honeywell отмечают, что последнее поколение турбокомпрессоров технологии VNT характеризуется образцово-быстрым откликом в переходных режимах, эффективностью работы на низких оборотах, высокой надежностью, малым весом и разнообразием вариантов исполнения.
Востребованной будет система Twin Scroll. К примеру, на автомобилях BMW она подразумевает использование одного турбокомпрессора, приводимого в действие турбовентиляторами, расположенными в двух выхлопных трубах. Как и вариант с двумя меньшими по размеру раздельными турбокомпрессорами, такая схема двойного наддува обеспечивает ускоренное нагнетание давления и, как следствие, более высокую «отзывчивость» двигателя. Однако система на основе технологии Twin Scroll более компактна и имеет меньшую массу. В результате улучшаются динамические характеристики, увеличиваются мощности, снижается расход топлива.
Для пикапов малой и средней грузоподъемности с двигателями рабочим объемом 6,0 л и более выпускается турбокомпрессор VNT DualBoost Turbo, конструкция которого отличается наличием целого ряда инноваций. В их числе – двустороннее колесо компрессора, позволяющее производителям легких грузовых автомобилей добиться от двигателей с одной турбиной отдачи, сравнимой с отдачей двигателей с двумя турбинами.
Еще одной ключевой инновацией в категории грузового транспорта станет применение многоступенчатого турбонаддува для дизельного мотора. Это позволит существенно улучшить характеристики двигателя без выхода за рамки экологических требований. Поэтому к 2020 году можно ожидать, что каждые 12 месяцев на рынке будут появляться более 2 млн легких грузовиков, при производстве которых использовалась данная технология.
В ближайшее время также планируется запуск нового продукта – мотора с двуступенчатым наддувом. Система будет включать два турбокомпрессора изменяемой геометрии, объединенных в один блок.
В будущем доля продаж легкового транспорта с дизельными моторами сохранится на значительном уровне (около 20%). В частности, исследователи ожидают, что количество автомобилей с дизельным двигателем удвоится в Северной Америке. Рост популярности связывают с применением технологии «чистый дизель» и систем дополнительной очистки отработавших газов.
Рост продаж транспортных средств с гибридной силовой установкой составит 4–7% в ближайшие пять лет. При этом около 25% будут оснащаться турбированными моторами. Для сравнения в настоящее время этот показатель составляет 10%. Соответственно все более востребованными будут технологии E-boost и рекуперации. Менее радужные перспективы рисуются для электрокаров. Они составят лишь процент от всех транспортных средств в мире. Причины известны – высокая стоимость батарей и ограниченный пробег между зарядками.
«Популярность наддува продолжает увеличиваться на фоне разработки автопроизводителями глобальных программ по выпуску моторов, которые бы отвечали спросу на разных рынках, – объяснил Хан. – Потребители хорошо принимают технологию и ждут от концернов высочайшего качества и надежности».
В компании также подчеркнули, что на данный момент уже недостаточно просто уменьшать размеры мотора и добавлять к нему турбокомпрессор. Автогигантам приходится искать решения для обеспечения такого динамического режима, при котором мотор мгновенно реагировал бы на действия водителя.
Смелые новинки
Готовятся к выводу на рынок и более смелые новинки. Китайские онлайн-торговцы предлагают множество устройств под названием «электротурбонагнетатель». Доверия такие узлы у потребителя не вызывали. Большинство рассматривало их как бесполезную трату денег. Тем не менее оказалось, что именитые фирмы давно работают в данном направлении.
Та же Honeywell на недавнем Международном автомобильном салоне во Франкфурте представила последнюю разработку – электрический наддув. Ее предполагается использовать для автомобилей на топливных элементах. Силовые установки автомобилей будущего потребуют интеграции электрических и традиционных турбин в систему подачи воздуха транспортных средств.
«Honeywell потратила 10 лет на совместные работы с автопроизводителями по разработки электрических турбонагнетателей, – сказал технический директор подразделения транспортных систем компании Крейг Бэлас. – Мы рассматриваем электрический наддув и технологию топливных элементов как расширение наших возможностей по улучшению характеристик двигателя и выход за границы возможного для силовых установок».
Ключевым фактором для развития рынка электрических турбонегнеталей должен стать переход отрасли на более продвинутую бортовую электрическую систему автомобиля, рассчитанную на 48 В. Хотя для этого потребуется несколько лет, автоконцернам все же придется изменить архитектуру бортовой сети под давлением экологов, прогнозируют специалисты.
«Мы видим отблеск будущего в наших электрических разработках для продвинутых программ автоспорта, – отметил Бэлас. – Сейчас мы сотрудничаем с Scuderia Ferrari в области создания электрического турбонагнетателя интегрированного в гибридную систему. Проект должен улучшить показатели их машины, участвующей в “Формуле‑1". Кроме того, мы сотрудничаем с одной транснациональной компанией по разработке новейшего воздушного компрессора. Он станет ключевым продуктом для транспортных средств, где применяется технология топливных элементов. Причем на рынок эти агрегаты попадут уже очень скоро».
Полная электрификация
По словам разработчиков, полностью электрическая турбина представляет собой один интегрированный узел, который как потребляет, так и производит электричество, необходимое ему для работы, а также узел используется для питания другого оборудования автомобиля. В случае установки на гибридное транспортное средство такая турбина сможет отдавать часть энергии на коленчатый вал. Таким образам система станет более эффективной.
Также ставка делается и на разработку электрического воздушного компрессора. По сути, это электрический насос, с помощью которого через топливные водородные элементы прогоняется воздух.
«Электрификация турбонагнетателей станет ключевой технологией для отрасли в ближайшие десятилетия, – убежден Бэлас. – Электрические воздушные компрессоры дадут толчок к развитию электротранспорта. Подобные машины смогут обеспечивать себя энергией с помощью собственной внутренней водородной станции».
Новые турбины – новые проблемы
Конечно, на бумаге планы производителей выглядят грандиозно, однако не стоит забывать, что наддув для серийных автомобилей всегда был связан с повышенными рисками поломок. В 80-е годы прошлого века ряд моделей с турбированными моторами оказался довольно проблематичным.
Подшипники турбины смазывались во время работы двигателя, после остановки мотора они перегревались, а масло образовывало нагар. По этой причине потребители стали относиться к таким новшествам с осторожностью. Судя по количеству реализованных транспортных средств с турбонагнетателями, на первый взгляд можно сделать вывод, что проблемы остались в прошлом.
К примеру, высокопоставленный представитель General Motors Майк Кейтерберг заявлял, что доработки позволили сделать технологию наддува более надежной. В списке 15 наиболее частых поломок двигателя турбина не значится, заверил он. Контуры смазки и системы охлаждения, работающие после остановки двигателя, снизили серьезность проблемы. Детали агрегата теперь лучше противостоят высоким нагрузкам.
Между тем специалисты говорят, что проблемы все равно возникают. «Традиционные турбированные двигатели, установленные на Audi, Volkswagen и BMW, работают надежно, пока транспортное средство остается относительно новым, – прокомментировал ситуацию изданию «The Traverse City Record-Eagle» представитель влиятельного журнала «Consumer Reports» Дуглас Лав. – Однако по мере старения автомобиля появлялись проблемы. Причем новые турбомоторы, например EcoBoost от Ford, не всегда оказывались надежными с момента покупки».
Владельцы Ford обращались с жалобами в Национальное управление по безопасности движения автотранспорта США (NHTSA) на проблемы при наборе скорости. Нарушения в работе были вызваны образованием конденсата. Управление также засвидетельствовало ряд случаев отказа турбины на машинах BMW 535is и Volkswagen Passat TDI. Изданию также известно о том, что Audi распространила информацию среди автомехаников о случаях выхода из строя турбин на моделях A3 2015 года выпуска.
Наконец, недавние тесты издания WardsAuto продемонстрировали, что моторы с наддувом не такие уж и экономичные, как на бумаге. Испытаниям подвергся новый Ford F‑150 с 2,7-литровым двигателем EcoBoost V6. Согласно данным Агентства по охране окружающей среды США (в его обязанности входит следить за исполнением принятых стандартов и норм), пикап потребляет 9 л на 100 км пути на моноприводе и 10,2 л на полном.
Несколько журналистов издания решили выяснить, действительно ли так хорош F‑150. После пробега в 407 км бортовой компьютер показал расход на уровне 12,3–13,3 л на 100 км. При расчете потребленного топлива по чекам за АЗС и вовсе оказалось, что показатель составил 15 л на 100 км.
Высокая конкуренция заставляет производителей выводить на рынок продукты как можно быстрее. При этом узлы становятся все сложнее. Конечно, старые болячки со временем устраняются, но 100%-й гарантии того, что не появятся новые, не даст никто.
