Для чего на двигателях внутреннего сгорания применяют турбонаддув


Турбонаддув – назначение, устройство и принцип работы

Турбонаддув – это такой способ агрегатного наддува, при котором подача воздуха в цилиндры двигателя происходит под давлением, нагнетаемым действием энергии отработавших газов. Сегодня такой метод – самый эффективный, призванный увеличивать мощность двигателя, не повышая объёма его цилиндров и частоты вращения коленчатого вала.

Кроме этого, использование турбонаддува даёт экономию топлива в соотношении расхода к мощности и уменьшает токсичность отработавших газов, осуществляя более полное сгорание топлива.

Применение турбонаддува

Применение система турбонаддува находит на обоих типах двигателей – и на бензиновых, и на дизельных. Однако на последних она гораздо эффективнее за счёт их более высокой степени сжатия и сравнительно небольшой частоты вращения коленчатого вала.

Использование же турбонаддува для бензиновых двигателей ограничено, во-первых, вероятностью наступления детонации, обусловленной значительным увеличением оборотов двигателя, а во-вторых, перегревом турбонагнетателя из-за повышенной температуры отработавших газов – около 1000°С, в то время как у дизелей она составляет порядка 600°С.

Устройство

Основная часть компонентов турбонаддува – это типовые элементы впускной системы. Присутствие же в системе турбокомпрессора, интеркулера и конструктивно новых элементов управления становится отличительной особенностью именно турбонаддува.

Хотя конструкции отдельных систем турбонаддува и различаются, можно обозначить их общие компоненты. Помимо вышеперечисленных турбокомпрессора, интеркулера и элементов управления это воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельная заслонка, впускной коллектор, напорные шланги и соединительные патрубки, а в некоторых системах ещё и впускные заслонки.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — главный конструктивный компонент системы турбонаддува. Он нагнетает воздух во впускную систему.

Его устройство выглядит следующим образом:

Устройство турбонагнетателя:1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо, находясь в специальном теплоустойчивом корпусе, превращает энергию потока отработавших газов в энергию вращения и перенаправляет её на компрессорное колесо. С его помощью воздух всасывается, сжимается и подаётся в цилиндры двигателя. Оба эти колеса жёстко закреплены на роторном валу, вращающемся на подшипниках скольжения плавающего вида. Интеркулер является радиатором жидкостного или воздушного типа. Он охлаждает сжатый воздух, увеличивая его плотность и давление.

Главный элемент управления системой турбонаддува – это регулятор давления наддува, он, по сути, является перепускным клапаном (wastegate). Его задача – ограничивать энергию отработавших газов и направлять часть их потока в обход турбинного колеса. Таким образом, достигается оптимальная величина давления наддува. Привод перепускного клапана – электрический или пневматический. Для его срабатывания система управления двигателем подаёт сигнал от датчика давления наддува.

Как работает турбонаддув

Принцип работы турбонаддува берёт за основу использование энергии отработавших газов. Их струя заставляет вращаться турбинное колесо, передающее вращение через роторный вал компрессорному колесу. С помощью последнего происходит сжатие воздуха и его нагнетание в систему.

Принцип работы турбонаддува

Интеркулер охлаждает воздух, нагретый при сжатии, после чего тот подаётся в цилиндры двигателя.

Хотя система турбонаддува и не связана жёстко с коленчатым валом, её эффективность напрямую зависит от частоты оборотов двигателя. Увеличение оборотов коленчатого вала ведёт к повышению энергии отработавших газов и, соответственно, частоты вращения турбины, что влечёт за собой более интенсивное поступление воздуха в цилиндры двигателя.

О отрицательных особенностях турбонаддува

Конструкция системы турбонаддува обуславливает некоторые отрицательные особенности, возникающие при её работе.

Одна из них – эффект «турбоямы» (turbolag): при резком нажатии на педаль акселератора увеличение мощности двигателя происходит с задержкой. Причина этого в инерционности системы: нужно определённое время для увеличения давления в наддуве, если на газ нажали резко. Избежать этой ситуацию становится возможным, либо применяя турбину с изменяемой геометрией, либо используя два турбокомпрессора, работающих параллельно или последовательно (bi-turbo или twin-turbo), либо задействовав комбинированный наддув.

Второй неприятный момент – это «турбоподхват»: вслед за преодолением «турбоямы» происходит резкое увеличение давления в наддуве.

Турбина с изменяемой геометрией или VNT турбина, способна оптимизировать движение потока отработавших газов, меняя размер входного канала. Наиболее распространены такие турбины в серийных системах турбонаддува дизельных двигателей известных автопроизводителей (например, TDI у Volkswagen).

Турбонаддув с двумя параллельно работающими турбокомпрессорами находит большее применение для мощных V-образных двигателей. При этом на каждый ряд цилиндров двигателя работает свой турбокомпрессор. Выигрыш получается за счёт распределения инерции с одной большой турбины на две маленькие.

В случае установки двух турбин в последовательном режиме выигрыш производительности достигается путём работы разных турбокомпрессоров для разных значений оборотов двигателя. Изредка встречаются случаи установки трёх турбокомпрессоров последовательно (triple-turbo, например, у BMW), ещё реже – четырёх (quad-turbo у Bugatti).

При комбинированном наддуве (twincharger) совместно используется турбонаддув и механический наддув. Сжатие воздуха при низких оборотах коленчатого вала происходит с помощью механического нагнетателя. С увеличением оборотов в работу включается турбокомпрессор, а при достижении их определённой частоты работа механического нагнетателя прекращается (например, TSI у Volkswagen).

Видео — как работает турбина:

Применение турбонаддува особенно эффективно для дизельных двигателей мощных грузовиков: расход топлива увеличивается ненамного, зато мощность двигателя и крутящий момент заметно повышаются.

Турбокомпрессоры, наиболее мощные в пропорции к мощности двигателя, применяются для дизелей тепловозов. По абсолютному же значению, самые мощные турбокомпрессоры устанавливаются в судовые двигатели (до десятков тысяч киловатт).

(Пока оценок нет) Загрузка...

avto-i-avto.ru

Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают проблемы.

Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

А вот так выглядит интеркулер.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.

Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 50-х годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Турбина twin-scroll имеет двойную «улитку» турбины — одна эффективно работает на высоких оборотах двигателя, вторая — на низких

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Турбина с изменяемой геометрией.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

www.drive.ru

Турбонаддув: устройство турбокомпрессора

Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах.

Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя. Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя.

Небольшой прирост или солидное увеличение мощности

Существует несколько способов форсирования силовой установки без турбонаддува. Можно произвести ряд доработок конструкции головки блока цилиндров, обеспечить установку спортивных распредвалов, поставить фильтр нулевого сопротивления, улучшить продувку и тем самым обеспечить подачу большего количество воздуха в цилиндры при  езде в режиме максимально высоких оборотов.

Вполне можно и вовсе не стремится менять количество поступающего в мотор воздуха, а вместо этого увеличить степень сжатия и перейти на использование горючего с более высоким октановым числом. Доступно даже расточить цилиндры и нарастить их объем. Это также позволит увеличить КПД Вашего мотора.

Все указанные способы уместны и работают, но только тогда, когда мощность планируется увеличить всего на 15-20%.

Если речь заходит о кардинальных изменениях и значительном увеличении мощности мотора, тогда без компрессора уже не обойтись. Наиболее эффективным методом будет установка турбокомпрессора. Более того, установка турбонаддува способна увеличить мощность  любого специально подготовленного для таких возросших нагрузок мотора.

В предыдущих статьях мы поверхностно  перечислили основные элементы системы турбонаддува. Теперь давайте подробнее рассмотрим те главные этапы и процессы, когда сначала воздух проходит в системе с установленным турбокомпрессором, а затем отработавшие газы приводят в действие компрессор. Для примера возьмем турбокомпрессор дизельного ДВС.

  • В самом начале пути воздух пропускается через воздушный фильтр и оказывается на входе в турбокомпрессор;
  • Внутри турбонагнетателя попавший туда воздух проходит процесс сжатия. При этом возрастает количество необходимого для эффективного сгорания топливно-воздушной смеси кислорода на единицу объема воздуха. В этот самый момент сжатия проявляется нежелательный в данном случае эффект нагрева воздуха от сжатия и снижение его плотности;
  • Для охлаждения после сжатия в турбокомпрессоре воздух попадает в интеркулер. В интеркулере температура воздуха практически полностью возвращается на начальный уровень. Благодаря охлаждению достигается как увеличение плотности воздуха, так и снижается вероятность появления детонации от использования последующей топливовоздушной смеси;
  • За интеркулером охлажденный воздух минует дроссельную заслонку и оказывается во впускном коллекторе. Последним этапом становится такт впуска, когда рабочая смесь окажется в цилиндрах двигателя;
  • Объем цилиндра представляет собой неизменную постоянную величину, которая зависит от его диаметра и хода поршня. Благодаря турбокомпрессору этот объем активно заполняется сжатым и охлажденным воздухом. Это означает, что количество кислорода в цилиндре сильно возрастает по сравнению с атмосферными моторами. Не трудно догадаться, что чем большее количество кислорода поступило, тем больше горючего можно сжечь за рабочий такт. Сгорание большего количества горючего в результате приводит к заметному увеличению итоговой мощности мотора;
  • После эффективного сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя наступает такт выпуска. На этом такте отработавшие газы уходят в выпускной коллектор через выпускные клапаны. Весь этот поток разогретого (от 500С до 1100С  зависимо от типа двигателя) газа проникает в турбину и начинает воздействовать на турбинное колесо. Колесо под давлением выхлопных газов передает энергию на вал турбины, а на другом конце вала находится компрессор.

Так и происходит процесс сжатия свежей порции воздуха для следующего рабочего такта. Одновременно происходит падение давления отработавших газов, а также снижается температура выхлопа. Это получается по причине того, что часть энергии газов уходит на обеспечение работы турбокомпрессора на другой стороне вала турбины;

Дополнительные элементы системы турбонаддува

Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы  уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их  более подробно.

Клапан Blow-off

Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge.

Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха.

Последствия после циклических скачков  давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который  прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят  опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом  переходном режиме.

Блоуофф  реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.

Клапан Wastegate

Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор.

Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием.

Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии  этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов.

  • Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке.
  • Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».

Выбираем турбину для мотора

Правильный подбор турбокомпрессора является главным моментом в процессе постройки качественного турбомотора. Подбирать турбину следует на основе многих данных.

Первым и основным фактором при выборе является та мощность, которую Вы хотите получить в итоге от мотора. Очень важно подходить к этому показателю разумно и реально взвешивать возможности ДВС применительно к той или иной степени наддува.

Мы знаем, что мощность силовой установки напрямую зависит от количества топливно-воздушной смеси, которая попадет в цилиндры за единицу времени. Нужно в самом начале определить желаемый показатель мощности. Только затем можно осуществлять выбор турбины, которая будет способна обеспечить достаточный поток воздуха для получения  итогового показателя запланированной отдачи от построенной силовой установки.

Вторым по значимости показателем при выборе турбины становится скорость ее выхода на эффективный наддув. Более того, этот выход на наддув сопоставляется с минимальными оборотами двигателя, на которых и будет происходить нагнетание. Чем меньше турбина или меньше сам горячий хаузинг (улитка), тем больше шансов на улучшение этих показателей. Учтите, что максимальная мощность при этом однозначно будет ниже по сравнению с турбиной большего размера.

На деле все может оказаться не так плохо, ведь меньшая турбина обеспечивает больший рабочий диапазон в процессе работы двигателя. Такая турбина способна быстрее выходить на наддув при открытии дроссельной заслонки, а итоговый результат в конечном итоге может оказаться даже намного более положительным. Использование же большей турбины с большой максимальной мощностью позволит обеспечить преимущество только в достаточно узком диапазоне работы мотора на высоких оборотах.

Особенности эксплуатации турбокомпрессора

Наиболее частой причиной выхода из строя современных турбокомпрессоров является то, что масло забивает центральный картридж турбины. Закоксовка маслом происходит после быстрой остановки турбомотора после серьезных и продолжительных нагрузок. Дело в том, что усиленный теплообмен между турбиной и разогретым выпускным коллектором сопровождается  отсутствием потока свежего масла и поступлений охлажденного  наружного воздуха в компрессор. Возникает общий перегрев картриджа и  происходит закоксовка оставшегося в турбине масла.

Свести такой негативный эффект к минимуму позволяет решение водяного охлаждения турбины. Магистрали с охлаждающей жидкостью создают теплопоглощающий эффект и снижают  уровень температуры в центральном картридже. Это происходит  даже после полной остановки двигателя и при отсутствии принудительной циркуляции ОЖ. С учетом этого  рекомендуется обеспечить минимум неравномерностей по вертикальной линии подачи ОЖ, а также осуществить разворот центрального картриджа вокруг оси турбины (это можно сделать под углом около 25 градусов).

Дополнительно в ряде случаев потребуется установка «турботаймера». Под этим решением понимается устройство, которое не позволяет двигателю сразу остановиться после того, когда водитель выключил зажигание. Устройство позволяет вынуть ключ, выйти из автомашины, поставить автомобиль под охрану сигнализации, а затем само заглушит мотор спустя заданное количество времени. Для повседневной эксплуатации турботаймер очень удобен, прост и практичен в использовании.

Виды турбин: втулочные и шарикоподшипниковые турбины

Турбины втулочного типа были  сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора.  Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях.

На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.

Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.

Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует  сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем.

Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла,  которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной  остановки двигателя.

Подведем итоги

Использование современных турбин от ведущих производителей позволяет говорить о получении двигателей с выдающимися динамическими показателями. Эффект турбоямы, а также жесткие требования к особенностям эксплуатации турбомоторов за последнее время заметно снизились, возросла надежность массовых систем турбонаддува. Активное использование электронных блоков управления позволило поднять турбокомпрессоры на абсолютно новый качественный уровень.

Такие характеристики позволяют данному решению уверенно опережать большеобъемные атмосферники практически всем. Сегодня  автомобиль с турбонаддувом для многих автовладельцев является мощным, надежным, динамичным и практически идеальным выбором как для повседневной, так и для спортивной езды!

Для того, чтобы окончательно убедиться во всесильности турбокомпрессора, просто посмотрите следующий увлекательный видеоролик. Нам же на этой позитивной ноте пора заканчивать и остается только пожелать читателям стабильного наддува и полного отсутствия турбоям!

krutimotor.ru

Для чего нужна турбина в автомобиле и как она работает

Слово «турбонаддув» хоть раз в жизни слышал, вероятно, каждый автомобилист. Еще в старые советские времена среди гаражных мастеров ходило множество невероятных слухов о колоссальном приросте мощности, даваемом турбонаддувом, однако реально с моторами такого типа в легковых авто никто тогда не сталкивался.

Сегодня же наддувные двигатели прочно вошли в нашу действительность, однако в реальности далеко не каждый может сказать о том, как работает турбина в автомобиле, и какая существует реальная польза либо вред от использования турбины.

Что ж, попробуем разобраться в этом вопросе и узнать, каков принцип работы турбонаддува, а также о том, какие он имеет преимущества и недостатки.

Автомобильная турбина — что это такое

Говоря простым языком, автомобильная турбина представляет собой механическое устройство, подающее в цилиндры воздух под давлением. Задачей турбонаддува является увеличение мощности силового агрегата при сохранении рабочего объема мотора на прежнем уровне.

То есть, по факту, используя турбонаддув, можно добиться пятидесятипроцентного (и даже более) прироста мощности в сравнении с безнаддувным мотором аналогичного объема. Обеспечивается повышение мощности тем, что турбина подает в цилиндры воздух под давлением, что способствует лучшему горению топливной смеси и, как результат, мощностной отдаче.

Чисто конструктивно турбина представляет собой механическую крыльчатку, приводимую в действие выхлопными газами двигателя. По сути, используя энергию выхлопа, турбонаддув способствует захвату и подаче «жизненно важного» для мотора кислорода из окружающего воздуха.

Сегодня турбонаддув выступает самой эффективной в техническом плане системой для повышения мощности мотора, а также достижения малого расхода топлива и токсичности отработанных газов.

Видео — как работает автомобильная турбина:

Турбина одинаково широко применяется как на бензиновых силовых агрегатах, так и на дизелях. При этом в последнем случае турбонаддув оказывается наиболее эффективным ввиду высокой степени сжатия и малой (относительно бензиновых моторов) частоты вращения коленвала.

Кроме того, эффективность применения турбонаддува на бензиновых двигателях ограничена возможностью проявления детонации, которая может возникать при резком увеличении оборотов мотора, а также температура выхлопных газов, которая составляет порядка одной тысячи градусов по Цельсию против шестисот у дизеля. Само собой, что подобный температурный режим способен привести к разрушению элементов турбины.

Конструктивные особенности

Несмотря на то, что турбонаддувные системы у различных производителей имеют свои отличия, существует и ряд общих для всех конструкций узлов и агрегатов.

В частности, любая турбина имеет воздухозаборник, установленный непосредственно за ним воздушный фильтр, заслонку дросселя, сам турбокомпрессор, интеркулер, а также впускной коллектор. Элементы системы соединяются между собой шлангами и патрубками, выполненными из прочных износостойких материалов.

Как наверняка заметили читатели, знакомые с конструкцией автомобиля, существенным отличием турбонаддува от традиционной системы впуска является наличие интеркулера, турбокомпрессора, а также конструктивных элементов, предназначенных для управления наддувом.

Турбокомпрессор или, как его еще называют, турбонагнетатель, представляет собой основной элемент турбонаддува. Именно он отвечает за увеличение давления воздуха во впускном тракте двигателя.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из пары колес – турбинного и компрессорного, которые размещаются на роторном валу. При этом каждое из этих колес имеет собственные подшипники и заключено в отдельный прочный корпус.

Как работает турбонаддув в машине

Энергия отработанных выхлопных газов в двигателе направляется на турбинное колесо нагнетателя, которое под воздействием газов вращается в своем корпусе, имеющем особую форму для улучшения кинематики прохождения выхлопных газов.

Температура здесь весьма высока, а потому корпус и сам ротор турбины вместе с ее крыльчаткой выполняются из жаропрочных сплавов, способных выдерживать длительное высокотемпературное воздействие. Также в последнее время для этих целей используются керамические композиты.

Компрессорное колесо, вращаемое за счет энергии турбины, осуществляет всасывание воздуха, его сжатие и последующее нагнетание в цилиндры силового агрегата. При этом вращение компрессорного колеса также производится в отдельной камере, куда попадает воздух после прохождения через воздухозаборник и фильтр.

Видео — для чего нужен турбокомпрессор и как он работает:

Как турбинное, так и компрессорные колеса, как уже говорилось выше, жестко закрепляются на роторном валу. При этом вращение вала производится с помощью подшипников скольжения, которые смазываются моторным маслом из основной системы смазки двигателя.

Подача масла к подшипникам производится по каналам, которые располагаются непосредственно в корпусе каждого подшипника. Для того, чтобы герметизировать вал от попадания масла внутрь системы, используются специальные уплотнительные кольца из жаростойкой резины.

Безусловно, основной конструктивной сложностью для инженеров при проектировании турбонагнетателей является организация их эффективного охлаждения. Для этого в некоторых бензиновых моторах, где тепловые нагрузки наиболее высоки, нередко применяется жидкостной охлаждение нагнетателя. При этом корпус, в котором расположены подшипники, включается в двухконтурную систему охлаждения всего силового агрегата.

Еще одним важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Его предназначением выступает охлаждение поступающего воздуха. Наверняка многие из читателей этого материала зададутся вопросом о том, зачем охлаждать «забортный» воздух, если его температура и так невелика?

Ответ кроется в физике газов. Охлажденный воздух увеличивает свою плотность и, как результат, возрастает его давление. При этом конструктивно интеркулер представляет собой воздушный либо жидкостный радиатор. Проходя через него, воздух снижает температуру и увеличивает свою плотность.

Важной деталью системы турбонаддува автомобиля выступает регулятор давления наддува, представляющий собой перепускной клапан. Он применяется с целью ограничить энергию отработавших газов двигателя и направляет их часть в сторону от колеса турбины, что позволяет регулировать давление наддува.

Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля. Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления.

Помимо клапана, регулирующего давление наддува, в воздушном тракте непосредственно после компрессора (где давление максимально) может монтироваться предохранительный клапан. Целью его использования является защита системы от скачков давления воздуха, которые могут быть в случае резкого перекрытия дроссельной заслонки двигателя.

Избыточное давление, возникающее в системе, стравливается в атмосферу с помощью так называемого блуофф-клапана, либо направляется на вход в компрессор клапаном типа bypass.

Принцип работы автомобильной турбины

Как уже писалось выше, принцип действия турбонаддува в автомобиле основывается на использовании энергии, выделяемой отработавшими газами двигателя. Газы вращают колесо турбины, которое, в свою очередь, через вал передает крутящий момент колесу компрессора.

Видео — принцип работы двигателя с турбонаддувом:

Тот, в свою очередь, сжимает воздух и осуществляет его нагнетение в систему. Охлаждаясь в интеркулере, сжатый воздух попадает в цилиндры двигателя и обогащает смесь кислородом, обеспечивая эффективную «отдачу» мотора.

Собственно, именно в принципе действия турбины в автомобиле кроются ее достоинства и недостатки, устранить которые инженерам весьма непросто.

Плюсы и минусы турбонаддува

Как уже известно читателю, турбина в автомобиле не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя. По логике, подобное решение должно нивелировать зависимость оборотов турбины от частоты вращения последнего.

Тем не менее, в реальности эффективность работы турбины находится в прямой зависимости от оборотов мотора. Чем сильнее открыта дроссельная заслонка, чем больше обороты мотора, тем выше энергия выхлопных газов, вращающих турбину и, как результат, больше объем воздуха, нагнетаемого компрессором в цилиндры силового агрегата.

Собственно говоря, «опосредованная» связь между оборотами и частотой вращения турбины не через коленвал, а через выхлопные газы, приводит к «хроническим» недостаткам турбонаддувов.

Среди них – задержка роста мощности мотора при резком нажатии на педаль «газа», ведь турбине нужно раскрутиться, а компрессору – дать цилиндрам достаточную порцию сжатого воздуха. Подобное явление называют «турбоямой», то есть моментом, когда отдача мотора минимальна.

Исходя из этого недостатка сразу исходит и второй – резкий скачок давления после того, как двигатель преодолевает «турбояму». Это явление получило название «турбоподхвата».

И главной задачей инженеров-мотористов, создающих наддувные двигатели, является «выравнивание» этих явлений для обеспечения равномерной тяги. Ведь «турбояма», по своей сути, обуславливается высокой инерционностью системы турбонаддува, ведь для приведения наддува «в полную готовность» требуется определенное время.

В результате потребность в мощности со стороны водителя в конкретной ситуации приводит к тому, что мотор не способен «выдать» все свои характеристики одномоментно. В реальной жизни это, например, потерянные секунды при сложном обгоне…

Безусловно, сегодня существует ряд инженерных ухищрений, позволяющих минимизировать и даже полностью исключить неприятный эффект. В их числе:

  • использование турбины с переменной геометрией;
  • использование пары турбокомпрессоров, расположенных последовательно либо параллельно (так называемые схемы twin-turdo или bi-turdo);
  • применение комбинированной схемы наддува.

Турбина, имеющая переменную геометрию, осуществляет оптимизацию потока выхлопных газов силового агрегата за счет изменения в режиме реального времени площади входного канала, через который они поступают. Подобная схема турбин очень распространена в турбонаддувах дизельных моторов. В частности, именно по этому принципу функционируют турбодизели Volkswagen серии TDI.

Схема с парой параллельных турбокомпрессоров используется, как правило, в мощных силовых агрегатах, построенных по V-образной схеме, когда каждый ряд цилиндров оснащен собственной турбиной. Минимизация эффекта «турбоямы» достигается за счет того, что две малые турбины имеют гораздо меньшую инерцию, нежели одна большая.

Система с парой последовательных турбин используется несколько реже двух перечисленных, но она же обеспечивает наибольшую эффективность за счет того, что двигатель оснащается двумя турбинами, обладающими различной производительностью.

То есть при нажатии на педаль «газа» в действие вступает малая турбина, а при росте скорости и оборотов подключается вторая, и они работают суммарно. При этом эффект «турбоямы» практически исчезает, а мощность нарастает планомерно сообразно ускорению и росту оборотов.

При этом многие автопроизводители используют даже не два, а три турбокомпрессора, как например компания BMW в своей схеме triple-turbo. А вот инженеры, проектировавшие суперкар Bugatti, вообще оснастили силовой агрегат сразу четырьмя последовательными компрессорами, что позволило достичь уникальных мощностных характеристик при вполне «гражданском» поведении мотора в рядовых режимах езды.

Схема так называемого комбинированного наддува или, как ее называют автопроизводители, twincharger, подразумевает совместное использование механического и турбонаддува. При малых оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем, а турбина вступает в действие при увеличении числа оборотов. При этом механический нагнетатель отключается. По такой схеме работают наддувные моторы TSI компании Volkswagen.

Как видим, принципы работы турбонаддува достаточно просты и понятны. При этом сегодня автопроизводители всячески делают ставку на турбированные агрегаты малого рабочего объема, которые обеспечивают достаточную мощность при относительной экологической чистоте выхлопа.

Но не следует забывать и еще об одном серьезном недостатке – турбированный мотор испытывает гораздо большие нагрузки и, что вполне закономерно, имеет меньший моторесурс, чем безнаддувный агрегат. Соответственно, взвесив все преимущества и недостатки, и следует выбирать тот или иной силовой агрегат.

Посмотрите принцип работы гидрокомпенсатора клапанов двигателя автомобиля.

Прочитайте статью, рассказывающую о предпусковом подогревателе двигателя Бинар.

Что такое тосол и антифриз https://voditeliauto.ru/poleznaya-informaciya/obsluzhivanie/avtoximiya/antifriz/ili-tosol-raznica.html какая между ними разница.

Видео — что такое турбина:

Может заинтересовать:

voditeliauto.ru

Турбонаддув: принцип действия, достоинства, недостатки

Чтобы отвечать запросам современности, традиционный двигатель внутреннего сгорания должен обладать внушительным набором выдающихся показателей, которые традиционным конструктивным путём достигнуть всё сложнее. Именно поэтому даже в семейных автомобилях всё чаще применяется система принудительного нагнетания, или турбонаддув.

Передовые конструкторские разработки уже направлены не только на совершенствование наддува системы питания двигателя, которая была изобретена более ста лет назад, но и на оснащение аналогичной системой автомобильного выхлопа. Всё это должно вывести характеристики скромных по рабочему объёму моторов на небывалый уровень.

Для того чтобы понять, для чего нужен турбонаддув, а также как он действует, необходимо знать, что для полноценной работы двигателю внутреннего сгорания нужно не только топливо, но и воздух, который обеспечит его горение. Фактически, в камеру сгорания должна поступать топливовоздушная смесь в определённой пропорции. После этого происходит сгорание смеси и по завершении рабочего цикла – удаление выхлопных газов.

Классический турбонагнетатель позволяет добиться увеличения мощности двигателя за счёт создания избыточного давления воздуха в камере сгорания, таким образом повышая воспламеняемость смеси. Турбонаддув фактически создаёт давление, достаточное для того, чтобы сжать воздух и закачать в двигатель большее его количество, чем при атмосферном давлении.

Основной рабочий элемент нагнетателя – лопастная крыльчатка, которая выполняет двойную функцию: засасывает воздух в камеру турбины, а затем, благодаря огромной скорости вращения в 150-200 тысяч оборотов в минуту, создаёт давление, способное уменьшить объём, занимаемый этим воздухом. Как известно из курса физики, в процессе сжатия происходит нагревание воздуха, что можно уже отнести к недостаткам этой системы. Именно необходимость решения данной проблемы вынудила конструкторов прибегнуть к использованию промежуточного охлаждения воздуха, перекачиваемого из турбины в мотор.

Разнос дизельного двигателя. Суть явления, как его избежать и как его остановить?

Устройство для такого охлаждения получило название «интеркулер» и использует принцип теплообменника, понижающего температуру воздуха с помощью охлаждающей жидкости.

Кардинальных отличий между системами турбонаддува, устанавливаемыми на бензиновых и дизельных двигателях, нет, всё зависит только от степени наддува. Как правило, дизельные моторы оснащаются более производительными конструкциями, а бензиновые – создающими небольшое давление наддува. Это обусловлено тем, что при существенном повышении оборотов, происходящем при наличии турбокомпрессора, бензиновые моторы склонны к возникновению детонации, поэтому их системы не столь эффективны.

Преимущества турбонаддува:

Дополнительная «бесплатная» мощность

Принято считать, что установка дополнительной турбины на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания даст дополнительную энергию для вращения аналогичного устройства на впуске, что позволит вместо простого выброса выхлопных газов получить дополнительный источник энергии для турбонаддува.

Утверждение это довольно спорное, поскольку на протяжении десятилетий автомобильные инженеры боролись за снижение сопротивления выпуска, что в свою очередь снижает внутренние потери и повышает мощность мотора. Если вмонтировать в эту систему генерирующее устройство, то мы получим существенный рост сопротивления на выходе из мотора. Таким образом, турбонаддув – это не бесплатная дополнительная энергия, уместнее использовать понятие «дешёвая дополнительная энергия».

Смотрите также: История развития бензиновых двигателей внутреннего сгорания

Механика этого процесса предельно проста. Турбокомпрессор, создающий избыточное давление на впуске, состоит из двух основных элементов – турбинное и компрессорное колесо. Турбинное колесо использует энергию выхлопных газов для того, чтобы создавать крутящий момент для компрессорного, которое и сжимает воздух. Сам компрессор встраивается в контур системы охлаждения двигателя, поскольку в процессе работы его температура достигает высоких величин. Для регулирования степени наддува используется перепускной клапан, который при необходимости может пускать часть выхлопных газов в обход турбины, чтобы снизить давление внутри системы.

Оптимизация соотношения массы двигателя и его веса

Переход на технологию турбонаддува позволил отказаться от необходимости увеличения рабочего объёма и количества цилиндров для повышения мощности двигателя. Это позволяет получить хорошие показатели от небольших и, соответственно, лёгких моторов, в результате чего уменьшается и снаряженная масса автомобиля, и, как следствие, возрастает динамика разгона и сокращается тормозной путь.

Экономичность

Если сравнивать показатели удельного расхода топлива турбированного мотора и атмосферного двигателя аналогичной мощности, то разница в пользу первого будет очевидна. Это обусловлено тем, что на один рабочий цикл затрачивается меньше топлива, за счёт повышения полноты его сгорания. Фактически мы имеем обеднённую смесь, негативные факторы которой полностью компенсируются избыточным давлением воздуха.

Недостатки турбонаддува:

Провал в разгонной динамике или «турбояма»

Суть этого явления заключается в том, что при разгоне с малых оборотов, вместо интенсивного ускорения, мы получаем вялую динамику, зачастую уступающую атмосферным аналогам. Дело в том, что работа турбонаддува напрямую связана с частотой вращения коленвала двигателя (при этом механической связи между этими элементами нет), и если эта величина невелика, то и эффективности от наддува не будет.

Кроме того, определённое влияние на этот процесс оказывает и большая инертность системы надува, поскольку для создания необходимого давления на впуске требуется определённое время. Для решения этой задачи проводится огромная работа, результаты которой уже позволили минимизировать продолжительность такого провала в динамике. Кроме того, переход на автоматическую трансмиссию или использование вариатора позволяет автомобилю автоматически при разгоне переходить на пониженную передачу, что сводит негативное явление к нулю.

Конструктивное решение вышеописанной проблемы инертности наддува сводится к внедрению одного из следующих механизмов:

- битурбонаддув (двойной наддув);- турбина с адаптивной геометрией;- комбинированный наддув.

Двойной турбонаддув (битурбонаддув) заключается в применении двух параллельных систем наддува и базируется на том принципе, что две небольшие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна полноразмерная. Количество цилиндров, для которых каждая из этих турбин создаёт необходимое давление, делится между ними поровну. Разновидностью этой системы является использование нескольких компрессоров, активируемых на разных оборотах двигателя (каждый в своём рабочем диапазоне).

Турбина с адаптивной геометрией позволяет повысить эффективность системы за счёт оптимизации потока выхлопных газов путём изменения площади впускного канала.

Комбинированный наддув представляет собой систему, состоящую из механического нагнетателя, обеспечивающего необходимое давление на малых оборотах, и турбокомпрессора, включающегося в работу по достижении определённой частоты вращения коленвала.

Повышенная температура

Как уже упоминалось выше, сжатие воздуха неразрывно связано с его нагревом, что негативно сказывается на работе двигателя. Ввиду этого, необходимо вводить дополнительную систему охлаждения, которая также является потребителем вырабатываемой энергии.

Смотрите также: BMW представила новое поколение двигателей

Таким образом, турбонаддув является отличным способом повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания за счёт оптимизации процесса сжигания топлива. Несмотря на все недостатки, это эффективный способ достижения высоких показателей мощности и экономичности. Кроме того, работы по совершенствованию этой системы наглядно демонстрируют, что несмотря на её многолетнюю историю, потенциал турбонаддува ещё не исчерпан.

Автор: Сергей Василенков

www.1gai.ru

Воздушный “компресс”. Что нужно знать о современных видах наддува

Лайфхаки

За долгие годы такие термины, как турбина, наддув, компрессор, нагнетатель, успели плотно войти в обиход практически любого автолюбителя. Давайте разберемся, для чего в цилиндры нужно “вдувать” воздух под давлением и какие устройства для этого вообще используют.

Не секрет, что для работы ДВС нужно закачать смесь из топлива и воздуха в каждый цилиндр, а затем воспламенить ее, чтобы произошел микровзрыв, который, в свою очередь, толкнет поршень и запустит циклический процесс. Как же увеличить отдачу? Да просто устроить взрыв помощней. А вот тут нюанс: если топлива мы можем подать сколько угодно, то вот закачать больше воздуха можно только при помощи специального нагнетателя наддува.

Турбонаддув

Самым популярным и простым таким устройством является классический турбонагнетатель, работающий за счет энергии выхлопных газов. Он состоит из двух частей (“улиток”), внутри которых на одном валу стоят две крыльчатки: турбинная в “горячей” части (контактирует с отработавшими газами) и компрессорная в отдельном “холодном” корпусе. Турбинное колесо вращается за счет энергии выхлопных газов двигателя, раскручивая тем самым крыльчатку компрессорного колеса. Вот оно, в свою очередь, всасывает в “холодный” корпус разреженный воздух, сжимает его и направляет прямиком в цилиндры: чем больше обороты мотора, тем выше давление на впуске. Если же воздуха образуется в избытке, то специальный клапан стравливает лишнюю порцию в атмосферу (“блоу-офф“) или направляет его обратно на впуск (“байпас“).

Вроде бы получается, что увеличивать давление наддува с турбиной на выхлопных газах можно до бесконечности: поставил здоровенный нагнетатель и получил большую порцию сжатого воздуха. Но не так все просто... Ведь большая турбина имеет широкие каналы и крыльчатку, которую можно раскрутить только на высоких оборотах мотора. А маленький нагнетатель, наоборот, на низких оборотах работает отменно, но на высоких просто не успевает прокачивать через себя большую порцию воздуха. Именно поэтому автомобильные инженеры “играют” с размерами улиток, устанавливают сразу несколько турбин (большую и маленькую) и используют разные хитрые конструкции, чтобы обеспечить компромисс - хорошую тягу турбомотора во всем диапазоне оборотов без задержек и турбоямы. К слову, последним именуют так называемый провал в работе наддувного двигателя на низких оборотах, когда турбина еще не получает достаточно отработавших газов, чтобы раскрутиться и добавить двигателю дополнительных “лошадок”.

Твинскрольная турбина

Одним из видов компромиссного наддува можно назвать турбину типа Twin Scroll. Она имеет двойную “горячую” часть, внутри которой есть пара параллельных каналов разного диаметра. Каждый из них соединен со своей половиной цилиндров и воспринимает от них персональную порцию выхлопных газов для раскрутки единой крыльчатки турбинного колеса: одна доза выхлопов вращает турбинное колесо на низких оборотах (за счет узкого сечения канала первого “горячего” контура), а другая - подает выхлоп в более крупную улитку, которая эффективно работает на повышенных оборотах. В основном твинскрольные нагнетатели нашли применение на малообъемных современных двигателях, где важно получать оптимальный подхват при любой частоте вращения мотора, а также экономить вес и место под капотом. Из недостатков твинскрольной турбины можно отметить сложность конструкции, дороговизну и низкую эффективность работы на высоких оборотах из-за ограничений размера горячей части.

Турбина с изменяемой геометрией

Самым совершенным видом традиционного наддува, который применяется на автомобилях, можно назвать турбокомпрессор с изменяемой геометрией рабочей части (Variable Geometry Turbocharger). Называется он так, поскольку имеет подвижные лопатки вокруг крыльчатки “горячей улитки”. В зависимости от оборотов двигателя специальный электропривод меняет их угол атаки, имитируя маленькую и большую турбины: на низких оборотах лопатки делают впускной канал “горячки” узким, помогая турбинному колесу быстрее раскрутиться, а по мере увеличения оборотов двигателя тракт приоткрывается, чтобы турбина могла получать необходимую для эффективного наддува порцию выхлопных газов. В отличие от твинскрольного нагнетателя турбокомпрессор с изменяемой геометрией может одинаково эффективно работать на всех уровнях оборотов. Поначалу такой тип наддува устанавливали только на турбодизели, поскольку те выделяют меньше тепла, которое компрессор с изменяемой геометрией не любит. Сейчас же турбину VNT научились использовать и на бензиновых двигателях, в частности, на моторе высокофорсированного спорткара Porsche 911 Turbo.

Механический нагнетатель

Еще до того, как начали применять энергию отработавших газов, для наддува использовали механический нагнетатель (чаще всего его называют просто компрессором или “суперчарджером”). В классическом виде это устройство представляет собой корпус, в котором продолговатые роторы-лопасти расположены параллельно друг другу и соединены ременным приводом с коленчатым валом двигателя. Воздух, проходящий между этими винтообразными роторами, сжимается и направляется в цилиндры.

Основное преимущество механического нагнетателя над традиционной турбиной - давление наддува присутствует даже на холостых оборотах двигателя и растет прямо пропорционально частоте вращения коленвала. Вот поэтому турбоямы у двигателей с компрессором попросту не бывает. Плюс стоит отметить звук: так как отработавшие газы в процессе наддува не участвуют, звучание двигателя не искажается и сохраняет свой первозданный вид.

Впрочем, не так все прекрасно, поскольку механический нагнетатель отбирает львиную долю мощности у двигателя (порой до 30%) и гораздо тяжелее турбины, а сам наддув с ростом оборотов получается неравномерным (высокая эффективность достигается только на высоких частотах). Именно поэтому в наше время компрессоры наддува - вещь немного устаревшая и на серийных автомобилях встречается редко. Сейчас моторы c механическими нагнетателями можно встретить на некоторых моделях Toyota, Land Rover, Cadillac и Audi, которые имеют под капотом объемные двигатели (более двух литров).

Электрический наддув

В эпоху развития электрокаров и различных электронных систем грех не использовать электрическую тягу и для наддува. Конструкция электрического нагнетателя проста: электромотор, который питается от аккумулятора, соединен с валом “холодной” компрессорной части классической турбины. По сути, такая конструкция - идеальный источник нагнетаемого воздуха, поскольку в любой момент может обеспечить максимальное давление на впуске.

Из-за многочисленных трудностей по части бесперебойного питания устройства, на серийные автомобили электротурбину начали ставить только с недавнего времени. В частности, впервые она появилась на “заряженном” кроссовере Audi SQ7, который оснащен 435-сильным четырехлитовым турбодизелем. Электронагнетатель на этом моторе “надувает” воздух в цилиндры только на низких оборотах, а дальше подключаются в работу две классические турбины. Такая схема позволяет получить 900 Нм крутящего момента уже в диапазоне от 1000 (!) до 3 250 об/мин.

Кстати, в автоспорте тоже используют электрическую турбину, но немного для других нужд. Система MGU-H (устаравливается на силовые установки современных болидов Формулы-1) представляет собой электрическое устройство на валу классического турбокомпрессора, которое при необходимости помогает держать турбокомпрессор раскрученным, чтобы в первую очередь избавится от турболага (не путать с турбоямой) - так называемой задержки между нажатием педали газа и попаданием наддувного воздуха в двигатель.

Составные схемы наддува

В погоне за максимальной эффективностью турбодвигателей автомобильные инженеры применяют схемы с несколькими турбинами, а порой даже смешивают вместе разные системы наддува. И все это ради одной цели - получить в одном “коктейле” как можно больше преимуществ и избавится от недостатков.

Отдельного обсуждения заслуживает система Twin turbo или просто - двойной турбонаддув. Все его разновидности можно разбить на три типа (двухступенчатый, параллельный и последовательный), каждый из которых подбирается инженерами для конкретного мотора с учетом его конструкции, характеристик и режимов работы.

Двойной параллельный турбонаддув

Самая простая и популярная схема Twin Turbo представляет собой пару одинаковых турбин, каждая из которых подключена к своей половине цилиндров. Оба турбокомпрессора работают параллельно и отдельно друг от друга, но надувают воздух в единый впускной коллектор.

За счет того, что каждая турбина раскручивается от “своих” цилиндров, параллельная схема наддува работает линейно практически во всем диапазоне оборотов, создавая эффект атмосферного двигателя большего объема. Данный вид турбонаддува можно встретить на большинстве V-образных двигателях (BMW N74 V12 TwinPower Turbo или Mercedes-Benz M278 V8 Biturbo), где нагнетатели чаще всего устанавливаются в развале блока цилиндров для более быстрого отклика турбомотора на нажатие педали газа. Причем на более современных моторах (например, BMW S63TU от X5 M) обе турбины могут быть твинскрольного типа.

Последовательный Twin turbo

Следующая система также имеет два идентичных турбонагнетателя, но подключены они к одному каналу и включаются по очереди, друг за другом. Одна турбина работает постоянно, а вторая активируется электроникой при определенных условиях (нагрузка на двигатель, частота вращения коленвала, положение педали газа и т.д.). Когда блок управления дает команду включить вторую турбину, специальная заслонка открывается и два нагнетателя работают вместе.

Правда, бывает, что двумя турбонагнетателями некоторые автопроизводители не ограничиваются. В частности, компания BMW несколько лет назад установила на свой дизельный мотор сразу три турбины, а двигатели Bugatti Veyron (W16 на восемь литров) и вовсе имеют целый квартет из турбонагнетателей.

Двухступенчатый турбонаддув

Данный схема агрегатного наддува является наиболее сложной и в то же время самой эффективной. Тут две турбины разного размера установлены последовательно (большая идет следом за маленькой), а процессом наддува руководят специальные перепускные клапана. Сначала отработавшими газами раскручивается малая турбина, обеспечивающая тягу двигателя на “низах”, а большой нагнетатель параллельно просто пропускает через себя газы и сжатый воздух, находясь в “боевой” готовности.

Так вот, когда обороты повышаются, крупная турбина начинает работать совместно с маленькой. А когда мотор крутится на высоких оборотах, то открываются дополнительные каналы, позволяющие большому нагнетателю во всю силу выдувать воздух на впуск уже без участия малой турбины. Таким образом, получается что-то вроде адаптивного “живого” наддува, для которого не свойственна турбояма и эффект турболага. Встретить двухступенчатый (или последовательно-параллельный) наддув можно на многих турбодизельных двигателях (Opel 2,0 BiTurbo CDTi или Mercedes-Benz OM651). Почему только агрегаты на солярке? Потому что давление наддува в вышеупомянутой схеме достигает весьма высоких значений, на которые большинство серийных бензиновых турбомоторов не рассчитаны.

Также к данному типу наддува нужно добавить некую комбинированную схему, которую Volkswagen применяет на одной из модификаций своего 1,4-литрового мотора TSI. Такой мотор имеет и классическую турбину, и приводной компрессор. Работают эти устройства следующим образом: до 3.500 об/мин трудится только механический нагнетатель, прикрывая турбояму. А с ростом оборотов электроника открывает специальный клапан и в двигатель уже поступает наддув от основной газовой турбины, которая уже успела раскрутиться.

Вывод

В наше время трудно переоценить пользу, которую наддув привносит в автомобильный мир. Ведь он помогает не только получать практически любую отдачу от мотора, но даже делает мир “зеленее”: применение нагнетателей позволяет уменьшать размеры серийных моторов и тем самым облегчать автомобили, чтобы в конечном счете сократить расходы топлива и количество вредных выбросов в атмосферу. Впрочем, вышеупомянутые возможности - это только начало, поскольку потенциал наддува до конца так еще и не раскрыт…

Алексей Дергачев

autorambler.ru


Смотрите также