Развитие систем, сглаживающих последствия турбоям

Развитие систем, сглаживающих последствия турбоям

После решения о запрете мощных автомобилей раллийных гонок группы В были предприняты шаги по ограничению мощности до 300 л.с. Это было достигнуто посредством сокращения диаметра впускного отверстия компрессора, таким образом количество воздуха, которое попадало и сжималось в компрессор, было уменьшено. Хотя эти обязательные ограничения в 34 мм действительно снизили мощность, на первый план выступила проблема турбоям. Для решения этой проблемы пришлось использовать точную подгонку деталей турбокомпрессора, новые технологии конструкции турбокомпрессоров, а также эффективные системы, сглаживающие последствия турбоям, и при этом не ставящие под сомнение надежность турбокомпрессоров.

Ранние попытки инженеров «Формулы-1» по созданию систем сглаживания последствий турбоям были приостановлены после введения правил относительно топлива, а также частых случаев повреждения турбокомпрессоров. К 1993 году, примерно после десятилетия развития технологий конструкции турбокомпрессоров, а в особенности технологии изготовления материалов для турбин, начался новый этап. Теперь корпус турбокомпрессора и крыльчатка, изготовленные из более «экзотичных» материалов, могли выдерживать значительно более высокие температуры. Раньше температура выше 950°С означала окончательный выход турбокомпрессора из строя, однако в начале 1990-х годов максимально допустимая температура была увеличена до 1100°С (в наше время создаются турбокомпрессоры, которые могут выдерживать, хоть и в течение короткого промежутка времени, температуру до 1250°С). Это позволило использовать дожигатели топлива в турбокомпрессорах, чтобы заставлять их вращаться с высокой частотой в любой момент резкого открытия дроссельной заслонки.

Функционирование типичной системы показано на рис. 3.7. Существуют различные способы решения этой проблемы, и предпочтения водителя также влияют на окончательный выбор. Некоторые предпочитают агрессивную систему с давлением наддува, возрастающим моментально. Другие предпочитают постепенное увеличение, особенно при движении по грязи или гравию, поэтому система всегда подлежит точной настройке посредством программирования электронного блока управления.

Рис.3.7. Система, сглаживающая последствия турбоям, работает по принципу турбореактивного двигателя: воздух под давлением подается в выпускной коллектор с топливом и отработанными газами при очень высокой температуре.

Клапан системы рециркуляции отработанных газов используется для отвода воздуха в турбокомпрессор, чтобы предотвратить возникновение турбоям.

Стандартная система при активации пошлет сигнал к электронному блоку управления о повышении интенсивности подачи топлива как минимум на 15% в любой момент, когда почувствует, что дроссельная заслонка открыта менее чем на 1/4, а частота вращения двигателя превышает 2000 об/мин. Электронный блок управления затем устранит опережение зажигания (будет использоваться стандартная схема зажигания, часто примерно на 10° до верхней мертвой точки) и выборочно сократит длительность зажигания на каждом цилиндре на 75% (при стопроцентном сокращении это приведет к заливанию свечей зажигания), позволяя топливу попадать в выпускной коллектор несгоревшим.

В то же время модифицированный клапан системы рециркуляции отработанных газов будет открываться, приводимый в действие соленоидом (управляется электронным блоком управления), который открывает клапан между клапаном системы рециркуляции отработанных газов и вакуумным бачком. При открытом клапане системы рециркуляции отработанных газов воздух под давлением со стороны компрессора будет попадать в выпускной коллектор. Здесь, около впускного отверстия турбокомпрессора, несгоревшее топливо будет воспламеняться под действием воздуха.

Это горение (наподобие того, что происходит в турбореактивном двигателе) создает тепло и давление, достаточное для вращения турбокомпрессора, создавая дополнительное давление наддува в 1,4 бар, пока дроссельная заслонка закрыта. Когда дроссельная заслонка начинает открываться, давление наддува быстро падает до 0,5 бар. Как только дроссельная заслонка откроется более чем на 1/4, электронный блок управления остановит работу системы, пропуская поток отработанных газов, чтобы увеличить скорость вращения турбокомпрессора, повышая давление наддува до 1,9 бар на низкой частоте вращения двигателя.

Производители серийных автомобилей начинают использовать турбонаддув

Говоря о достижениях производителей гоночных автомобилей, не стоит забывать или игнорировать производителей серийных автомобилей, которые задумались о производстве автомобилей с турбированными двигателями. Это было бы недальновидно, особенно если вы заинтересованы в оптимизации технических характеристик вашего автомобиля. Мировые производители вкладывают миллионы с целью добиться симбиоза оптимальных технических характеристик, расхода топлива и надежности. Мы можем многому научиться, внимательно изучив успехи, которых они добились, а также направление, в котором эта технология будет развиваться дальше.

Первый серийный автомобиль с турбированным двигателем был выпущен компанией Oldsmobile, подразделением компании GM. Появившись впродаже в 1962 году, он получил название F85 Jetfire Turbo Rocket. Двигатель V8 объемом 3,5 л был разработан подразделением компании GM Buick (позже двигатель был продан компании Leyland и использовался при создании английских автомобилей Rover, Range Rover и австралийского P76). С высокой степенью сжатия (10,25:1) и максимальным давлением наддува 0,4 бар при частоте вращения двигателя 2200 об/мин мощность двигателя увеличивалась со 185 л.с. до 215 л.с., но, что более важно, крутящий момент увеличился на 100 Н•м при частоте вращения 3200 об/мин. Турбокомпрессор компании Garett был оснащен колесом турбины диаметром 61 мм, изготовленным из никелевой стали сдобавлением стеллита и кобальта. Крыльчатка компрессора диаметром 63,5 мм была отлита под давлением, а вал турбины опирался на подшипники скольжения.

На двигатель устанавливался карбюратор Rochester с боковым забором воздуха, чтобы предотвратить детонацию, использовалась система впрыска воды. С целью предотвращения замерзания использовалась смесь воды и спирта в пропорции 50/50, которая получила название «ракетное топливо» от представителей компании Oldsmobile. В прошлом в данное «ракетное топливо» специалисты компании Oldsmobile добавляли специальные смазочные присадки, так как компания GM столкнулась с проблемой коррозии гильз цилиндров, что происходило, скорее всего, потому, что владельцы автомобилей не хотели покупать дорогую оригинальную смесь и предпочитали использовать смесь чистой воды (с высоким содержанием минералов) и спирта.

Система впрыска воды активировалась, когда давление наддува приближалось к значению 0,07 бар. Чтобы не допустить повышения давления наддува до предельно допустимого значения, в случае заклинивания перепускного клапана в закрытом положении воздушная заслонка, приводимая в действие пневмокамерой и расположенная между карбюратором и впускным отверстием компрессора, закрывалась, перекрывая воздушный поток.

Через несколько месяцев отделение компании GM Chevrolet выпустило намного более успешную модель автомобиля Corvair Monza Spyder. Он был оснащен оппозитным двигателем с воздушным охлаждением объемом 2,3 л, который в заводском исполнении имел мощность 90 л.с. при частоте вращения двигателя 4400 об/мин. Установка турбокомпрессора Garett с давлением наддува 0,48–0,55 бар увеличила мощность до 150 л.с. при частоте вращения 4400 об/мин и крутящий момент 290 Н•м при частоте вращения 3200 об/мин. Подобное Развитие систем, сглаживающих последствия турбоям было достигнуто посредством установки турбокомпрессора больших размеров, чем тот, который использовался в автомобиле Oldsmobile, хотя Corvair обладал двигателем в три раза меньше по размерам. Диаметр турбинного колеса увеличился до 75,5 мм, а диаметр крыльчатки компрессора – до 76,2 мм. После нескольких других модификаций мощность возросла до 180 л.с. в 1965 году.

Чтобы помочь двигателю выдерживать увеличивающиеся механические и тепловые нагрузки, инженеры компании Chevrolet «упрочнили» базовый двигатель по нескольким параметрам. Они установили модифицированные клапанные пружины и подшипники двигателя. Выпускные клапаны начали изготавливать из стали нимоник. Механизм регулировки опережения зажигания был модифицирован, чтобы поддерживать постоянный угол опережения 24°, пока частота вращения двигателя не превысит 3800 об/мин без использования наддува. Как только давление наддува возрастало до 0,13 бар, ресивер смещал угол опережения зажигания в сторону отставания на 9°, до 15° до верхней мертвой точки. Как только частота вращения двигателя увеличивалась до 4000 об/мин, центрифуга увеличивала угол опережения на 12° до частоты вращения 4500 об/мин.

Десять лет спустя, в 1973 году, компания Porsche начала создание оппозитного шестицилиндрового двигателя с воздушным охлаждением для модели 911, используя опыт создания спортивных гоночных автомобилей 917 мощностью 1200 л.с. в серии Can-Am. В начале 1975 года началось производство двигателя, объем которого постепенно увеличился с 2 л до 3 л (95х70,4 мм). Без промежуточного охладителя степень сжатия достигала 6,5:1, а максимальное давление наддува – 0,8 бар, при этом мощность двигателя составляла 260 л.с. при частоте вращения 5500 об/мин, а крутящий момент – 343 Н•м. В 1978 году объем двигателя был увеличен до 3,3 л (97х74,4 мм), к тому же был установлен небольшой промежуточный охладитель, что позволило увеличить степень сжатия до 8:1. С тем же максимальным давлением наддува и распредвалом, что и в трехлитровом турбированном двигателе, мощность увеличилась до 300 л.с. при частоте вращения 5500 об/мин, а максимальный крутящий момент составил 412 Н•м. Без промежуточного охлаждения температура впускного заряда составляла 125°С при максимальном давлении наддува, и специалисты компании Porsche утверждали, что установка промежуточного охладителя позволила увеличить мощность на 5%.

Основной модификацией в двух турбированных двигателях по сравнению со стандартным двигателем модели 911 была установка кулачков сзакругленным профилем и меньшей длительностью открытия клапанов, высота подъема клапанов и перекрытие также уменьшились. В двигателе объемом 2,7 л с мощностью 210л.с. использовались достаточно радикальные кулачки с фазами газораспределения 64°/76° и высотой подъема 11,6 мм для впускного клапана и 64°/44° и 10,3 – для выпускного, с перекрытием 108°. Двигатель объемом 3 л с мощностью 200 л.с. был дефорсирован для продажи в США. Высота подъема клапанов осталась той же, но фазы газораспределения были укорочены до 24°/76° для впускных клапанов и 66°/26° для выпускных клапанов с перекрытием 50°. В двигателях объемом 3л и 3,3 л были установлены кулачки с еще более закругленным профилем, что уменьшило фазы газораспределения до 22°/62° для впускного и 52°/20° для выпускного клапана, а высоту подъема – до 9,7 для впускного клапана и до 8,9 мм для выпускного клапана, с перекрытием 42° (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Характеристики кулачков в двигателе автомобиля Porsche 911

После появления автомобиля Porsche 911 с двигателем объемом 3,3 л компания SAAB также решила выпустить первый автомобиль стурбированным двигателем, как это сделало отделение компании GM Buick. Однако после достаточно скромного начала на протяжении 1970-х годов мы видим повальное увлечение автомобилями с турбированными двигателями.

Компанию SAAB можно по праву считать пионером в создании турбированных двигателей.

Чтобы не оказаться за бортом, производители японских мотоциклов (Honda, Yamaha, Suzuki и Kawasaki) тоже решили не отставать, чтобы эйфория и драйв, которые были неотъемлемой частью образа турбированных двигателей, ассоциировались и с их продукцией. Четырехцилиндровый двигатель Kawasaki объемом 738 см³ был технологически «продвинутым» агрегатом с электронным секвентальным впрыском топлива и датчиком детонации. Работая при давлении наддува 0,7 бар, двигатель имел мощность 96 л.с. при частоте вращения 9500 об/мин и крутящий момент 86 Н•м при частоте вращения 6500 об/мин (измерения выполнены на балансирном валу, мощность на коленвале будет примерно на 10% выше). Это были впечатляющие характеристики для двухклапанного двигателя с кулачками с закругленным профилем. В заводском исполнении фазы газораспределения впускного и выпускного клапанов составляли соответственно 50/80° и 74°/42° с перекрытием 92° и подъемом клапанов 8,% мм, в турбированных двигателях фазы газораспределения впускного и выпускного клапанов составляли соответственно 34°/64° и 56°/24° (угол развала кулачков составил 105,5°, а опережение – 0,5°) с перекрытием всего 58° и высотой подъема 7,5 мм. К тому же в турбированных двигателях впускные клапаны были на 1 мм меньше (33 мм), а выпускные клапаны – на 2 мм (28 мм), следовательно, диаметр каналов также был уменьшен.

Попытки сделать турбированные двигатели более простыми и удобными в использовании

Стоит обратить внимание на производителей автомобилей, так как именно они стояли у истоков нового этапа поистине грандиозного развития, которое само по себе не было бы настолько значимым, но в сочетании с другими инновациями позволило сделать гигантский скачок по направлению к созданию нового поколения турбированных двигателей. По большей части эти модификации не были направлены на Производители серийных автомобилей начинают использовать турбонаддув двигателя, скорее, производители стремились сделать автомобили более комфортными с точки зрения вождения посредством увеличения приемистости двигателя и прочности турбокомпрессора. Следовательно, во второй половине 1990-х годов большая часть автомобилей с турбированными двигателями была оснащена достаточно качественным оборудованием, обеспечивающим наддув. Больше не было впечатления, что эти автомобили просто подверглись тюнингу для получения невиданной мощности, что было совершенно бесполезно с точки зрения ежедневной эксплуатации.

Компания Buick, скорее всего, была первым производителем, выпустившим подобный автомобиль в 1978 году. Это был Regal с двигателем V6 и объемом 3,8 л. В заводском исполнении мощность двигателя была достаточно скромной и достигала всего 1005 л.с. при частоте вращения 4300 об/мин. На этот базовый двигатель был установлен турбокомпрессор, чтобы увеличить мощность автомобиля, выполнявшего роль «пейс-кара» во время гонки Indy 500 в 1976 году. При использовании блока цилиндров, коленвала и шатунов в заводском исполнении мощность двигателя достигла 315 л.с. при давлении наддува 1,5 бар. Это подтолкнуло конструкторов компании Buick приступить к созданию серийного автомобиля с турбированным двигателем V6 с мощностью, как у V8, и расходом топлива, как у V6.

При этом необходимо было сохранить стандартную степень сжатия 8:1 (стандартное неэтилированное топливо – с октановым числом 91 по моторному методу). Конечно же, если нужно было избежать детонации и сократить расход топлива, очень важно было создать эффективную систему управления зажиганием. Распределителя с механизмом опережения зажигания и элементов управления, смещающих угол опережения, оказалось недостаточно. Поэтому решено было использовать распределитель в заводском исполнении с механическими и вакуумными устройствами регулировки опережения зажигания, а также электронное устройство смещения угла опережения в сторону отставания. Во время работы датчик детонации, расположенный на корпусе термостата на впускном коллекторе, посылал сигнал к электронному блоку управления при обнаружении условий детонации. В свою очередь электронный блок управления посылал сигнал на модуль зажигания, который после этого смещал угол опережения зажигания в сторону отставания. В электронном блоке управления запрограммированы различные значения смещения угла опережения зажигания в сторону отставания.

Чтобы добавить двигателю резвости на низких оборотах и убрать впечатление турбоям, был разработан новый распредвал. Выпускной кулачок сохранил заводские спецификации длительности открытия клапана 277° и высоты подъема 9,3 мм, но на впускном кулачке высота подъема клапана сократилась с 9,7 до 8,2 мм. Угол открытия впускного клапана не был изменен, поэтому значение перекрытия осталось тем же. При этом момент закрытия клапана происходил на 24° раньше, поэтому длительность открытия сократилась с 270° до 246°.

В результате мощность составляла 165 л.с. при частоте вращения 4000 об/мин, а крутящий момент – 359 Н•м при частоте вращения 2800 об/мин смаксимальным давлением наддува 0,6 бар без промежуточного охлаждения. Но на этом никто не остановился. Развитие продолжалось, и в 1986 году технические характеристики мощности двигателя были улучшены до 235 л.с. при частоте вращения 4400 об/мин, а крутящий момент вырос до 447 Н•м при частоте вращения 2800 об/мин. В более поздних двигателях использовались электронная система управления двигателем ссеквентальным впрыском топлива (в исходном двигателе использовался четырехкамерный карбюратор) и дроссельная заслонка с электронным управлением. В более поздних двигателях допускалось превышение максимального давления наддува до 1 бар в течение двух секунд, затем оно снижалось до стандартного значения в 0,9 бар. Оптимизации технических характеристик способствовала установка воздушного промежуточного охладителя с вспомогательным вентилятором, установленным на коленвале, который снижал температуру впускного заряда примерно на 52°С.

В 1979 году компания Porsche выпустила модель 924 с турбированным двигателем, который был оснащен новым запатентованным устройством. Компания Porsche описывала штуцер, установленный в корпусе турбокомпрессора компании KKK, как предохранительный клапан. Разработанный на основании опыта создания гоночных автомобилей, клапан открывался, когда водитель выполнял перегазовку, когда давление в компрессоре моментально снижалось до атмосферного. Это позволяло турбокомпрессору продолжать вращаться с высокой частотой при минимальном сопротивлении. Затем, как только водитель отпускал педаль акселератора и дроссельная заслонка закрывалась, выхлопные газы начинали увеличивать скорость вращения турбокомпрессора, который и так вращался на высоких оборотах, таким образом предотвращая возможность возникновения турбоям (см. рис. 3.8).

Рис. 3.8. Предохранительный клапан автомобиля Porsche 924 открывается, когда резкий скачок давления наддува вместе с разрежением коллектора, проходящим через мембрану (что происходит вследствие резкого закрытия дроссельной заслонки), преодолевают давление пружины и заставляют клапан открыться, при этом давление наддува попадает во впускное отверстие компрессора.

В 1981 году компания SAAB добавила аббревиатуру APC к описанию измененного подхода к турбокомпрессорам. Специалисты компании обнаружили, что в небольших автомобилях с малолитражным турбированным двигателем технические характеристики были примерно равны техническим характеристикам атмосферного двигателя. Компания SAAB объявила, что отличным решением может стать система APC (Automatic Performance Control), или система автоматического управления техническими характеристиками. План состоял в следующем: необходимо было снизить степень сжатия 8,5:1 и фазы газораспределения до заводского значения. Использование системы APC было на то время достаточно радикальным решением.

Без наддува двигатель должен был показывать те же технические характеристики, что и двигатель в заводском исполнении. Затем при возникновении давления наддува, когда датчик детонации обнаруживал детонацию, он посылал сигнал на электронный блок управления. Оттуда сигнал посылался на соленоид перепускного клапана, который пульсировал с частотой 12 раз в секунду, чтобы он открыл перепускной клапан и снизил давление наддува, пока детонация не прекратится.

При различных рабочих условиях двигатель может выдерживать значительно более высокое давление наддува. Например, температура окружающей среды и рабочая температура двигателя могут быть низкими, или автомобиль может быть заправлен топливом с октановым числом 98, а не 95 по моторному методу. В таком случае давление наддува может быть увеличено посредством перепускного клапана с электромагнитным управлением, благодаря которому он будет закрыт, если разрежение в коллекторе очень высокое.

В 1985 году компания Porsche на своем автомобиле модели 944 с турбированным двигателем усовершенствовала систему компании SAAB. Кроме системы управления перепускным клапаном компания Porsche решила использовать функцию «овербуст». На короткие промежутки времени максимальное давление наддува можно было увеличить на 10%, чтобы улучшить технические характеристики ускорения. Датчик детонации был подсоединен к электронному блоку управления зажигания DME (Digital Motor Electronics) Bosch, который мог смещать угол опережения зажигания для каждого цилиндра отдельно, чтобы обеспечить высокие технические характеристики и при необходимости защиту от детонации. Например, если детонация наблюдается во всех четырех цилиндрах, перепускной клапан понизит давление наддува, однако если детонация наблюдается только в одном из цилиндров, угол опережения зажигания будет смещен в сторону отставания для соответствующего цилиндра. Вситуации, когда в двух цилиндрах происходит детонация, блок управления будет анализировать входные сигналы. На основании этих сигналов он может не менять давление наддува и сместить угол опережения зажигания в сторону отставания в двух цилиндрах, где наблюдается детонация, или снизить давление наддува и увеличить угол опережения зажигания в оставшихся двух цилиндрах, таким образом поддерживая оптимальные технические характеристики.

Использование других систем, оптимизирующих технические характеристики, позволило этому двухклапанному двигателю объемом 2,5 л вырабатывать мощность 217 л.с. при частоте вращения 5800 об/мин и крутящий момент 329,5 Н•м при частоте вращения 3500 об/мин (в 1989 году эти значения возросли до 274л.с. и 350 Н•м). Промежуточный охладитель помог снизить температуру впускного заряда со 130°С до 50°С в идеальных условиях. Чтобы сохранить тепловую энергию выхлопных газов для быстрого раскручивания турбинного колеса, на выпускные каналы были установлены плотные керамические вкладыши (они также обеспечивали охлаждение головки блока цилиндров, предотвращая теплоотдачу), а выпускные коллекторы представляли собой двустенные стальные трубы. С целью обеспечения надежности центральная часть турбокомпрессора охлаждалась посредством воды. Другим важным шагом вперед был переход от механического к электронному впрыску топлива. Хотя переход от карбюраторов к механическому впрыску топлива значительно оптимизировал систему питания и технические характеристики двигателя, следующий шаг к электронному впрыску топлива на 944 модели принес еще больше положительных моментов. Была достигнута дозированная подача топлива, что привело к увеличению чувствительности дроссельной заслонки и снижению вероятности возникновения турбоям. Так же, когда система DME смещала угол опережения зажигания в сторону отставания. Турбокомпрессор можно было защитить от воздействия слишком высоких температур, увеличив подачу топлива.

На выпускные каналы автомобиля Porsche 944, оснащенного турбированным двигателем, устанавливались вкладыши, чтобы обеспечить более быструю реакцию турбокомпрессора.

Развитие конструкций турбокомпрессора

В начале 1987 года компания Buick выпустила автомобиль модели Regal GNX V6 с модифицированным турбокомпрессором. Турбокомпрессор компании Garett показал, в каком направлении будет происходить развитие турбокомпрессоров, чтобы устранить проблему турбоям. Установив легкое турбинное колесо из оксидной керамики, которая обычно весит в два раза меньше, чем стандартные турбинные колеса из сплавов стали, компания Garett установила, что инерционность можно уменьшить примерно на 40%. Испытания в условиях эксплуатации доказали, что это сократило вероятность возникновения турбоям на 30%.

Рис. 3.9. Керамическое турбинное колесо с меньшей инерционностью может ускоряться быстрее, что способствует быстрому увеличению давления наддува и сокращает вероятность возникновения турбоям.

Возможно, более значимой стала конструкция турбокомпрессоров с регулируемым соплом. Эта технология раньше успешно использовалась на дизельных двигателях, но на бензиновых двигателях с высокими температурами выхлопных газов механизм заклинивало. Теперь же, благодаря значительному прорыву в развитии технологий, появилась возможность сделать так, чтобы сторона турбинного колеса вела себя так, как будто она имеет меньшие размеры, чтобы обеспечить нормальные технические характеристики при низкой частоте вращения двигателя. Но по мере увеличения частоты вращения турбокомпрессор должен был увеличивать интенсивность потока и работать на полную мощность с соответствующим улучшением мощности и уменьшением расхода топлива.

Механизм с регулируемым соплом компании Garett состоял из большого количества лопаток, которые работали по принципу регулируемых жалюзи. При низкой частоте вращения двигателя система электронного управления наддувом перемещала лопатки в закрытое положение, заставляя выхлопные газы проходить через отверстие значительно меньших размеров (сопло) и быстро раскручивать турбинное колесо. Затем по мере увеличения частоты вращения двигателя и давления наддува лопатки постепенно открывались, не позволяя турбинному колесу вращаться быстрее и не допуская увеличения давления наддува до предельно допустимого значения. В данном случае этот механизм работал более эффективно, чем перепускной клапан, что устраняет необходимость в нем в подобных конструкциях.

Другая модификация, которая впервые появилась также в этом году, была не слишком значима для тех, кто интересовался только турбированными двигателями, но важна для тех, кто интересовался тюнингом для оптимизации технических характеристик автомобиля. Когда компания Ford выпустила специальную серию автомобилей RS500 Sierra Cosworth с целью получения сертификации для спортивных гонок, при конструкции двигателей было воплощено несколько новаторских идей. Одной из них стал переход на два комплекта форсунок. Один комплект был установлен в стандартном месте, в задней части клапана, где происходит воспламенение топлива. Эти первичные форсунки обеспечивали подачу достаточного количества топлива для нормальной работы двигателя, однако они были слишком маленькими, чтобы впрыскивать достаточное количество топлива, когда мощность возрастала. Форсунки больших размеров не могли стать решением проблемы, так как интенсивность впрыска топлива без использования наддува при движении на крейсерской скорости была бы слишком высокой. Поэтому конструкторы решили установить второй ряд форсунок в крышке вентиляционного корпуса, разместив их таким образом, чтобы они впрыскивали топливо во впускные отверстия внутренних труб. Второй комплект форсунок настроен таким образом, чтобы срабатывать при необходимости, когда интенсивность воздушного потока становится слишком высокой. Так как второй комплект форсунок был установлен на впускные отверстия труб, впрыскиваемое топливо охлаждало впускные каналы и увеличивало плотность заряда.

До 1990 года несколько производителей выпустили «экзотические» малолитражные автомобили с хорошей приемистостью, оснащенные двумя турбокомпрессорами. Однако в 1990 году ситуация изменилась, когда компания Nissan и европейское отделение компании GM запустили всерийное производство автомобили с двумя турбокомпрессорами. Автомобиль Opel Lotus Omega (Vauxhall Lotus Carlton) был зарегистрирован как самый быстрый четырехдверный седан серийного производства со скоростью 282 км/ч. Его оппозитный двигатель объемом 3,6 л обладал мощностью 377 л.с. при частоте вращения 5200 об/мин и крутящим моментом 468 Н•м при частоте вращения двигателя 4200 об/мин со степенью сжатия 8,2:1, максимальным давлением наддува 0,7 бар и водяным промежуточным охладителем. Двигатель V6 объемом 3,6 л автомобиля Nissan по сравнению с ним казался «малышом» с более скромными показателями: мощность – 280 л.с. при частоте вращения 6400 об/мин, крутящий момент – 371,5 Н•м при частоте вращения 3600 об/мин, степень сжатия – 8,5:1, воздушный промежуточный охладитель и переменные фазы газораспределения клапанов (впервые на турбированных двигателях). Последняя опция при низкой частоте вращения двигателя обеспечивала более высокое давление в цилиндре с соответствующим увеличением мощности, а при высокой частоте вращения период перекрытия клапанов увеличивался, что позволяло увеличить мощность.

Поводом для использования систем с двумя турбокомпрессорами стало то, что турбокомпрессору больших размеров необходимо больше времени, чтобы раскрутиться до необходимой скорости, поэтому может возникнуть проблема, связанная с турбоямами. Также в V-образных и оппозитных двигателях один турбокомпрессор необходимо устанавливать сбоку. Поэтому не обойтись без длинной поперечной выхлопной трубы, которая будет подведена к турбокомпрессору. В этой трубе будет теряться львиная доля тепловой энергии, которую можно было бы использовать для раскручивания турбинного колеса. Трудность возникает также с отводом тепла, так как оно будет создавать проблемы, прибавляясь к общей тепловой нагрузке в моторном отсеке, что в конце концов приведет к ненужной нагрузке на систему охлаждения и к повышению температуры впускного заряда.

Два турбокомпрессора меньших размеров могут быть установлены вверху около выпускных каналов, что значительно сократит потерю тепла и увеличит энергию отработанных газов. Турбокомпрессоры меньших размеров обладают меньшей инерционностью, поэтому раскручиваются быстрее, обеспечивая необходимое давление наддува, следовательно, это помогает избежать возникновения турбоям. К тому же турбинные колеса раскручиваются быстрее, когда на них попадают четкие и мощные потоки выхлопных газов. Если поток выхлопных газов будет выходить из большего количества цилиндров, интенсивность импульса будет сглаживаться. И наоборот: если цилиндров меньше, интенсивность импульса будет больше, поэтому турбинное колесо будет раскручиваться быстрее, обеспечивая более высокое давление наддува за более короткий промежуток времени.

На протяжении всех этих лет внутренняя конструкция турбокомпрессоров оптимизировалась таким образом, чтобы корпус, турбинное колесо и компрессор меньших размеров пропускали большее количество воздуха и выхлопных газов. Количество, размер и форма лопастей турбинного колеса также изменялись. Эти изменения были практически незаметны, даже когда о них специально упоминали, так как очень сложно было уловить отличия.

Видимые изменения произошли в начале 1990-х годов, при переходе от подшипников скольжения к шариковым подшипникам для поддержки вала турбинного колеса и крыльчатки компрессора. Компания IHI доказала, что специальные шариковые подшипники могут выдерживать высокие скорости вращения (до 160000 об/мин) и высокие температурные режимы (до 1170°С) в турбокомпрессорах RX6, установленных на автомобили Honda, участвующие в гонках «Формулы-1». Конечно же, после этого компании Mazda и Subaru устанавливали на некоторые двигатели турбокомпрессоры с шариковыми подшипниками. Компания Nissan также вскоре начала использовать шариковые подшипники в своих турбокомпрессорах Garett.

Многие поднимали на смех идею о том, что турбокомпрессоры с шариковыми подшипниками будут вращаться быстрее и проще. Однако компания Nissan путем испытаний установила снижение времени раскручивания турбокомпрессора при давлении наддува 0,4 бар на 20% . На рис. 3.10 показана мощность, затрачиваемая на раскручивание турбокомпрессора. Хотя различия в мощности кажутся незначительными, запомните, что при перегазовке поток выхлопных газов перекрывается. Следовательно, все, что помогает поддержать скорость вращения турбинного колеса икрыльчатки компрессора, улучшит технические характеристики ускорения.

Рис. 3.10. Шариковые подшипники сократили трение, поэтому потери энергии выхлопных газов вследствие трения уменьшились при раскручивании турбокомпрессора до необходимой скорости. Также при закрытии дроссельной заслонки скорость вращения турбокомпрессора не настолько замедлялась, поэтому давление наддува увеличивалось быстрее, как только дроссельная заслонка снова открывалась.