Зачем нужен турбонаддув – Так ли страшна турбина? Как правильно ездить с турбомотором и сколько может стоить ремонт

Содержание

что это такое в автомобиле, принцип работы, плюсы и минусы

В массовом сознании слова «турбо», «турбонаддув», «турбированный двигатель» прочно ассоциируются со спортивными машинами и мощными двигателями. При этом, немногие представляют себе устройство и принцип работы турбонаддува. Хотя ничего особенного сложного в нём нет.

Что такое турбонаддув в автомобиле

турбина в автомобилеТурбонаддув это специальная система, которая закачивает (наддувает) дополнительный воздух в цилиндры двигателя. Такая система используется не только в автомобильных двигателях, но и в авиационных, тепловозных, корабельных, и многих других. Широкое распространение турбонаддува вызвано тем, что это очень простой и дешёвый способ повышения мощности двигателя. Турбировать можно почти любой автомобильный двигатель, даже если это изначально не предусмотрено конструкцией.

Устройство турбонаддува относительно простое:

  • турбокомпрессор;
  • охладитель воздуха;
  • набор патрубков;
  • выпускной коллектор;
  • ряд датчиков и клапанов.

Полный комплект не занимает много места, его установка не требует серьезной переработки силового агрегата. Поэтому поставить турбонаддув на свою машину может любой желающий. Цены на турбосистемы сильно разнятся, в зависимости от мощности, эффективности, фирмы-производителя.

Принцип работы турбонаддува

Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы, которые выбрасывает двигатель, попадают на турбину и придают ей вращение. Турбина, в свою очередь, передаёт крутящий момент компрессору, он засасывает воздух и сжимает его. После этого сжатый воздух направляется в цилиндры двигателя. Опционально в эту схему вносится промежуточный охладитель воздуха — интеркулер. Он снижает температуру сжатого компрессором воздуха, соответственно уменьшая его объём. Это избавляет от неприятных эффектов вроде детонации, и повышает общую эффективность системы.

пПринцип работы турбонаддува

Смысл закачивания дополнительного воздуха становится ясен, если вспомнить принцип работы двигателя внутреннего сгорания. В его цилиндрах сгорает топливо-воздушная смесь, этот процесс толкает поршень, который проворачивает коленвал. Но, для эффективного сгорания смеси важно соблюдать правильное соотношение топлива и воздуха, поэтому нельзя повысить мощность просто добавив в смесь больше топлива. Вместе с увеличением количества топлива нужно увеличивать и количество воздуха.

Это можно сделать увеличив объём цилиндра, чтобы в него помещалось побольше воздуха. Но можно пойти другим путём — повысить плотность воздуха, загоняемого в цилиндры. Тогда с той же единицы рабочего объёма двигателя можно снимать ощутимо большую мощность. Хороший пример — спорткары, где каждый литр объёма может выдавать более 150 л.с. Конечно, помимо турбонаддува там используют ещё массу ухищрений. Но вполне реально получить 105-115 л.с. на литр с помощью одного только турбирования. 

Что такое турбояма или турболаг

Принцип работы турбонаддува заключается в том, что двигатель «разгоняет» себя за счёт своей же работы. Эта особенность вызывает появление такой проблемы как турбояма или турболаг. Она проявляется в виде провала мощности, который появляется после резкого нажатия на педаль газа.

На заре турбированных моторов доходило до смешного — слишком резко и сильно нажав на педаль «газа», можно было полностью заглушить его. Сейчас сложная механическая и электронная начинка не даст этому произойти, но эффект турбоямы с неприятным провалом мощности всё равно остаётся. Особенно этим страдают дешевыё турбо-системы или неправильно установленные и настроенные.

Чтобы сгладить турболаг, используют хитрые электронные системы упреждающего наращивания оборотов. Они регистрируют резкие нажатия на педаль акселератора и раскручивают компрессор электроприводами, не дожидаясь, когда «проснётся» турбина. Цена таких решений, как правило, немаленькая, поэтому они встречаются в осномном только на спортивных авто. 

Плюсы и минусы турбонаддува

Использовать турбонаддув имеет смысл только в том случае, если крайне необходимо придать автомобилю более динамичный, спортивный характер. Это действительно отличный способ минимальными затратами повысить мощность двигателя. Турбирование увеличивает максимальную скорость машины и улучшает ее динамику.

При этом турбонаддув позволяет обходиться меньшим объемом топлива по сравнению с двигателем такой же мощности и большего объёма. На эту деталь нужно обратить самое пристальное внимание, так как сам по себе турбонаддув не уменьшает, а увеличивает расход топлива. Потому что при росте количества воздуха в цилиндрах нужно соответствующе нарастить подачу топлива.

Помимо увеличенного расхода горючего, турбонаддув имеет следующие недостатки:

  • турбокомпрессор вращается на огромных оборотах и сильно нагревается, что отрицательно сказывается на его долговечности;
  • непредусмотренное изначально увеличение мощности усиливает износ всех частей двигателя;
  • турбонаддув предъявляет повышенные требования к качеству топлива и моторных масел;
  • турбирование включает в себя изменения настроек работы двигателя, фаз газораспределения;

Похожие статьи

Мощный и экономичный. Почему так привлекает столетняя идея турбонаддува двигателей?

Получение высоких показателей современных двигателей стало возможным благодаря применению наряду с микропроцессорной системой коррекции подачи топлива и совершенствованию смесеобразования применению регулируемого турбонаддува. Как к этому пришли?

 

Конструкторы решают задачи прежде всего повышения мощности ДВС. Это достаточно просто решить путем увеличением количества сгораемого топлива. Но статистика информирует, что на современном уровне развития техники затраты на эксплуатацию автомобиля составляют 31,7% от всех расходов. Причем более 60% расходов на эксплуатацию составляют расходы на нефтепродукты.

 

Способы повышения мощности двигателя

 

Не вникая в подробности теории ДВС, следует отметить, что мощность поршневого двигателя определяется его рабочим объемом (числом цилиндров), частотой вращения коленчатого вала и средним эффективным давлением в цилиндрах.

 

Увеличение мощности путем увеличения частоты вращения коленчатого вала проблематично вследствие ухудшения наполнения цилиндров свежим зарядом и стремительным возрастанием нагрузок от действия центробежных и инерционных сил (особенно на двигателях с большим рабочим объемом).

Мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем большее давление газов на поршень и, соответственно, больший крутящий момент и мощность.

 

 

Больше мощность – выше экономичность

 

Конструкторы работают в направлении чтоб не просто повысить мощность двигателя, а при существующей размерности цилиндров получить в них большую литровую мощность (мощность на единицу рабочего объема), то есть форсировать двигатель. Для форсирования двигателя существует много способов, но наиболее действенным является форсирование по наддуву.

 

Дело в том, что впуск свежей смеси в цилиндры ДВС происходит под действием разряжения, создаваемого при движении поршня к НМТ. Таким образом, в конце впуска давление в цилиндре «атмосферного» двигателя без наддува всегда будет меньше атмосферного. Соответственно, поскольку в зависимости от массы поступившего воздуха определяется количество впрыскиваемого топлива, мощность ДВС будет недостаточно высокой.

Чтобы повысить мощность, необходимо увеличить не только подачу топлива, а и соответствующую массу воздуха.

 

18 столетие – назад в будущее

 

Идея повышения наполнения цилиндров ДВС не новая. Она такая же старая, как и история самих двигателей внутреннего сгорания: оба «прародителя» современных двигателей, Г. Даймлер и Р. Дизель, выразительно представляли, что предварительное сжатие воздуха, который поступает в цилиндры, позволяет получить прибавку мощности. Более того, оба делали попытки применить наддув в конструкции своих двигателей.

 

Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler) еще в 1885 году придумал, как подавать в двигатель больше воздуха. Идея умного швейцарца простая, как все гениальное. Как ветер вращает крылья мельницы, так и отработанные газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много.

 

Турбина получает вращение от выхлопных газов, а соединенный с ней компрессор, работая как «вентилятор», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры.

Однако, при существующем к тому времени развитии науки и техники, создать совершенную конструкцию не удалось. И это надолго отдалило идею турбонаддува.

В турбокомпрессоре турбина получает вращение от выхлопных газов, а соединенный с ней компрессор, работая как «вентилятор», нагнетает воздух под давлением в цилиндры двигателя.

 

Не все так просто

 

Несмотря на воображаемую простоту самой идеи и конструкции газонаддува, создание работоспособных агрегатов турбонаддува вместе с устройствами регуляции на практике оказалось задачей непростой. Для ее решения были нужны глубокие теоретические и прикладные исследования, а также создание высокотехнологических производственных процессов. Это было связано с тем, что вал турбокомпрессора вращается с частотой свыше 100 000 мин-1. При этом температура крыльчатки турбины, которая взаимодействует с отработанными газами, близкая к 1000 °С, тогда как со стороны короткого вала, в зоне крыльчатки компрессора, она в пять раз меньше. Понятно, что даже обеспечение кратковременной работы такого устройства — проблема.

Температура крыльчатки турбины, которая взаимодействует с отработанными газами, близкая к 1000 °С.

И все же проблемы турбонаддува на двигателях постепенно развязывались. Применять турбонаддув на серийных автомобильных двигателях начала немецкая компания BMW, выпустив в 1973 году модель BMW 2002 turbo. Учуяв выгодную технологию по стопам BMW пошли Porshe (911-я 1974 года) и Saab (Saab-99 1978 годы). А вскоре – и весь мир..

 

Установленные на них турбокомпрессоры обеспечивают при впускании небольшое (от 0,25 до 0,55 кгс/см2) избыточное давление. Благодаря этому крутящий момент двигателя достигает максимума уже при частоте вращения коленчатого вала 1600 — 1800 мин-1. Кроме того, они отличаются рекордной экономичностью и отвечают последним экологическим стандартам.

 

 

Прогресс турботехники привел к тому, что в настоящее время часть даже легковых автомобилей с турбонаддувними двигателями составляет приблизительно половину общего числа автомобилей в возрасте до 5 лет и продолжает увеличиваться. Из них порядка 20 % — бензиновые автомобили, другие — дизельные. Такое соотношение не случайно. Дизели существенно лучше приспособленные к наддуву вообще и к турбонаддуву в частности.

 

Цель оправдывает средства

 

Почему же в наши дни так привлекает двигателестроителей столетняя идея турбонаддува двигателей?

Двигатель, оборудованный турбокомпрессором имеет высокую удельную мощность и крутящий момент. Использование трубонаддува дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата (любой мощности) при меньших габаритах и массе, чем в случае применения «атмосферного» двигателя. Отсюда вытекает еще одно важное следствие: у турбодвигателя лучшая топливная экономичность. Ведь он более компактный и даже при одинаковой мощности с «атмосферным» двигателем, более эффективно расходует топливо. У него меньшая теплоотдача, насосные потери и относительные потери на трение. Экономии топлива способствует и более высокий крутящий момент, при низких частотах вращения коленчатого вала. Кроме того, у турбодвигателя лучшие экологические показатели. Меньшее потребление топлива «при других равных» означает меньшие суммарные выбросы вредных веществ.

Двигатель Volvo D16K обеспечивает мощность в 750 л.с. с крутящим моментом в 3550 Нм. Можно выбрать 3 уровня мощности и 4 варианта крутящего момента, каждый из которых полностью соответствует требованиям стандарта Евро-6.

 

Наддув также приводит к снижению температуры камеры сгорания и, соответственно, уменьшению образования окислов азота. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет сместить границу возникновения дымности, то есть более эффективно бороться с выбросами частиц сажи. Не было бы наддува, известные проблемы с применением на дизелях каталитических нейтрализаторов просто закрыли бы им дорогу в будущее. Дизели без наддува с трудом дотягивают к нормам «Евро-2».

 

Наконец, турбодвигатель способствует улучшению комфортабельности. Компрессор в магистрали впуска и турбина в выпускной системе существенно снижают шумность работы двигателя и обеспечивают акустический комфорт. Он дополняется удобством управления. Высокий, равномерно распределенный по частоте вращения крутящий момент добавляет двигателю большую эластичность.

 

 

Наддув + интеркуллер

 

Но при сжатии в компрессоре воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе становится меньше чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания и, как результат, реальная мощность ниже расчетной и повышенный расход топлива. Чтоб создать условия для сгорания в цилиндрах большего количества топлива, принимают дополнительные меры для увеличения коэффициенту наполнения. С этой целью воздух, который сжимается в компрессоре, перед подачей в цилиндры двигателя охлаждается в интеркуллере, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Охлаждение надувочного воздуха в интеркуллере осуществляется путем обдувки его внешней ребристой поверхности воздушным потоком или за счет жидкостной системы охлаждения.

Воздух, который сжимается в компрессоре, перед подачей в цилиндры двигателя охлаждается в интеркуллере, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом.

Приблизительные расчеты показывают, что понижение температуры наддувочного воздуха на 10° позволяет увеличить его плотность приблизительно на 3%. Это, в свою очередь, увеличивает мощность двигателя приблизительно на такой же процент, так что, например, охлаждение воздуха на 33° даст увеличение мощности приблизительно на 10%.

 

С другой стороны, охлаждение воздушного заряда приводит к понижению температуры в начале такта сжатия и позволяет реализовать ту же мощность двигателя при уменьшенной степени сжатия в цилиндре. Следствием этого является уменьшение температуры отработанных газов, что положительно отражается на уменьшении тепловой нагрузки деталей камеры сгорания.

Охлаждение надувочного воздуха в интеркуллере осуществляется путем обдувки его внешней ребристой поверхности воздушным потоком или за счет жидкостной системы охлаждения.

 

Будущее наступает сегодня

 

На современных автомобилях, тракторах средней и большой мощности, а также других самоходных машинах, как правило, устанавливаются двигатели, оснащенные турбокомпрессорами. Именно, использование турбокомпрессоров обеспечивает их высокие технико-экономические показатели и уменьшает расход топлива на номинальных нагрузках в отличие от их безнаддувных аналогов.

 

В целом уменьшение степени сжатия, например у дизеля, до 15 и уменьшения размеров турбины улучшают типично слабые стороны двигателя с турбонаддувом, а именно: позволяют увеличить крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала и сократить время выхода на новый режим работы при резком ускорении.

 

Ускорение повышения давления наддува при увеличении частоты вращения современного двигателя происходит в результате сравнительно малого момента инерции ротора турбокомпрессора, поскольку для наддува применяется турбокомпрессор малой размерности. В результате ускорения поступления воздуха в камеру сгорания при работе на переходных режимах обеспечивается хорошая приемистость двигателя и полнота сгорания топлива и, соответственно, уменьшается его расход.

 

 

 

Применяются регулируемые турбокомпрессоры типа WGТ в которых предусмотрены дополнительные конструктивные устройства для изменения скорости отработанных газов на входе в колесо газовой турбины. Они обеспечивают простоту регулировки давления наддува посредством клапана, перепуская часть отработанных газов, мимо турбины. Существуют и другие типы регулируемых турбокомпрессоров, в которых применяется изменение направления потока газов либо дополнительные клапаны в магистрали подачи воздуха. Но об этом отдельная статья.

Современный турбокомпрессор – это высокотехнологичное достижение инженерной мысли.

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (ТИГ) – тип турбокомпрессоров, характеризующийся возможностью изменения сечения на входе колеса турбины с целью оптимизации мощности турбины для заданной нагрузки. Это обусловлено тем, что оптимальное сечение при низких оборотах существенно отличается от оптимального сечения при высоких оборотах. Если сечение классического турбокомпрессора слишком большое, то на низких оборотах эффективность турбокомпрессора будет низкой. Если сечение слишком маленькое, то эффективность будет низкой на высоких оборотах.

 

За счет возможности изменения сечения турбокомпрессоры с изменяемой геометрией улучшают отклик, повышают мощность и крутящий момент, снижают потребление топлива и количество вредных выбросов

 

Использование регулируемого наддува позволяет существенно улучшить характер изменения крутящего момента, подняв уровень максимальных величин и сместив их в зону сниженных частот вращения двигателя.

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель

Теоретические аспекты

С самого своего появления, автомобили, стараниями своих создателей, претерпевают модернизации и более всего в вопросах мощности двигателей. Так как этот параметр напрямую связан с рабочим объемом мотора а также с качеством подаваемой воздушно-топливной смеси, для увеличения мощности есть два пути — либо увеличить объем агрегата (в современном массовом автомобилестроении этот способ не очень популярен), либо каким-то образом нагнетать в цилиндры больше воздуха.

Первый способ не популярен по понятным причинам — вместе с увеличением объема цилиндров возрастет и расход горючего, кроме того, сам агрегат существенно прибавит в размерах и массе, что тоже не всегда приемлемо. Поэтому автомобильными инженерами был найден способ увеличить подачу воздуха в цилиндры.

Конструкция «турбины»

В первую очередь мы хотим отметить, что больших различий в конструкции турбонаддувов для разных моделей машин нет. Есть лишь вариации в размерах и дизайне некоторых узлов. По словам инструкторов по вождению, большинство автомобилистов используют термин «турбина», хотя это не совсем верно.

Турбиной называют одну из составляющих турбонаддува, состоящую из корпуса, системы уплотнений, вала с крыльчатками, двух улиток (в них вращаются крыльчатки), одного упорного и двух опорных подшипников скольжения. Сюда же крепится пневмопривод, который приводит в работу перепускной клапан.

Когда на выходе давление воздуха превышает оптимальное, то пневмопривод, который открывает клапан, срабатывает, таким образом, какая-то небольшая часть выхлопных газов выходит напрямую в выхлопную систему, и из-за этого обороты турбины становятся меньше.

Турбина — это крыльчатка на валу, приводящая во вращение компрессор. Турбина изготавливается из жаростойкого сплава, вал — из среднелегированной стали, а компрессор — из алюминия. Напомним, что данные детали не ремонтируются, а просто заменяются. Исключением является вал, который иногда получается перешлифовать и сделать под него новые подшипники.

Какие бывают виды турбонаддува

Есть несколько способов нагнетания большего количество воздуха в двигатель:

  • резонансный наддув — реализуется без нагнетателя за счет кинетической энергии воздуха во впускных коллекторах;
  • механический наддув — подача воздуха увеличивается благодаря применению механического компрессора, который, в свою очередь, приводится в движение двигателем автомобиля;
  • газотурбинный наддув — турбину приводит в движение поток отработавших газов.

В первом случае наддув происходит лишь за счет особенной формы и размера впускных коллекторов без применения каких-либо нагнетателей. Поэтому мы не будем описывать его в этом материале, а остановимся подробнее на двух других вариантах, которые, на наш взгляд, заслуживают особого внимания.

Какие бывают виды турбонаддува

На практике турбонаддув применяется как на моторах, использующих дизельное топливо, так и на бензиновых. Однако наиболее часто эта система встречается именно на дизельном двигателе, поскольку для них характерна высокая степень сжатия, меньшая температура выхлопа и низкие обороты коленчатого вала. Более высокая степень сжатия обеспечивает повышение мощности турбированного двигателя и увеличивает его КПД.

В бензиновых моторах температура отработавших газов выше, что может спровоцировать эффект детонации, приводящий к быстрому износу поршневой группы. Для предотвращения этого явления необходимо использовать бензин с более высоким октановым числом, что не всегда является экономически выгодным.

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

  • Воздухозаборник
  • Воздушный фильтр
  • Перепускной клапан — регулирует подачу отработавших газов
  • Дроссельная заслонка — регулирует подачу воздуха на впуске
  • Турбокомпрессор — повышает давление воздуха во впускной системе. Состоит из турбинного и компрессорного колес  
  • Интеркулер — охлаждает воздух, способствуя лучшему наполнению цилиндров и снижению вероятности детонации
  • Датчики давления — фиксирует давление наддува в системе
  • Впускной коллектор — распределяет воздух по цилиндрам
  • Соединительные патрубки — необходимы для крепления элементов системы между собой

Принцип работы системы турбонаддува заключается в следующем:

  • Отработавшие газы двигателя, проходя через турбокомпрессор, раскручивают турбинное колесо
  • Вращение турбинного колеса передается компрессорному, поскольку они закреплены на одном валу
  • Компрессор сжимает воздух, поступающий  из воздухозаборника, и направляет его в интеркулер
  • В интеркулере воздух охлаждается и поступает на впуск в цилиндры двигателя

В турбокомпрессоре предусматривается возможность регулировки давления выхлопных газов на лопасти турбины с целью не допустить превышение давления наддува в системе. Это осуществляется с помощью перепускного клапана, который приводится в движение пневмо- или электроприводом.

Подводя итоги, можно выделить плюсы и минусы использования на моторе турбонаддува. В числе достоинств:

  • увеличение мощности двигателя
  • повышение КПД двигателя
  • снижение расхода топлива

К минусам можно отнести:

  • Низкий крутящий момент на малых оборотах двигателя
  • Более высокая стоимость
  • Более сложное обслуживание и эксплуатация

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

  • воздушный заборник и фильтр;
  • дроссельная заслонка;
  • турбинный компрессор;
  • интеркулер;
  • коллектор впускной;
  • соединительные патрубки;
  • напорные шланги

Турбинный компрессор (нагнетатель)

Основной элемент устройства турбонаддува, который предназначен для увеличения рабочего давления воздушной массы в системе впуска. Турбокомпрессор состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу. Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах.

Турбинное колесо используется для переработки энергии, выделяемой отработанными газами. Колесо и его корпус изготавливаются из высокопрочных и жароустойчивых материалов – стальных и керамических сплавов.

Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС.

Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по канальцам, расположенным в подшипниковом корпусе.

Интеркулер

Интеркулер – воздушный или жидкостной радиатор, который применяется для своевременного охлаждения предварительно сжатого воздуха, вследствие чего происходит увеличивается давление и плотность воздушного потока.

Регулятор давления наддува

Ключевым элементом управления турбонаддувом является регулятор давления наддува, который по сути своей является перепускным клапаном. Основным назначением клапана является сдерживание и перенаправление части вырабатываемых газов в обход турбинного колеса для снижения давления наддува.

Перепускной клапан может быть оснащен приводом электрического или пневматического типа. Активация клапана происходит вследствие приема сигналов от датчика давления.

Предохранительный клапан

Клапан предохранительный используется для предотвращения скачков давления воздушной массы, которое часто возникает при быстром закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление либо стравливается в атмосферу, либо переподается на вход компрессора.

Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.

Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.

Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.

Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.

Интеркулер

Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

  • турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель
  • механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель

Турбина

Очевидно, что для понимания устройства достаточно взглянуть на фото. Принцип работы турбонаддува также достаточно ясно продемонстрирован на видео. Более подробно остановимся на перепускном клапане и предназначении интеркуллера, который обязателен для эффективной работы авто с турбонаддувом.

В момент резкого закрытия дроссельной заслонки на больших оборотах двигателя во впускном тракте создается сильный помпаж. Колесо компрессора «холодной» части (впускной) турбины продолжает по инерции вращаться, создавая в перекрытом заслонкой канале избыток давления.

двигатель с турбонаддувом

Происходит резкое замедление компрессорного колеса, что автоматически ведет к замедлению турбинного колеса в выпускном тракте и созданию сильного противодействия выхлопным газам. Для предотвращения такого эффекта предназначен перепускной клапан, который либо сбрасывает избыток давления в атмосферу (Blow-off), либо перенаправляет поток опять на вход по направлению вращения турбинного колеса (Bypass).

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса.

Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Механический наддув — способ увеличения подачи воздуха в двигатель посредством использования компрессора. Принцип работы компрессора выглядит следующим образом: когда двигатель начинает работать, его коленвал приводит в действие весь механизм. То есть механический наддув работает с первых моментов запуска мотора автомобиля.

Несомненным плюсом такой системы можно назвать, то что воздух принудительно нагнетается в цилиндры на любых оборотах двигателя (даже самых низких) и давление, соответственно возрастает с увеличением оборотов коленчатого вала. Поэтому автомобилям с механическими компрессорами не знакомо такое понятие, как «турбояма».

Но такое устройство имеет и свои отрицательные стороны. Дело в том, что на приведение в движения компрессора мотор автомобиля расходует некоторую часть своей мощности, что снижает в итоге его КПД. Кроме того, для установки механического наддува нужно больше места в подкапотном пространстве. Также такое устройство создает повышенный уровень шума.

Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель

Нагнетание воздуха в мотор при помощи компрессора стало использоваться в автомобилестроении гораздо раньше, нежели применение газотурбинного механизма. Тем не менее, несмотря на некоторую устарелость, подобные устройства все еще можно встретить на современных автомобилях (ярким примером выступает компания Mercedes-Benz, на свежевыпущенных машинах которой до сих пор красуются шильдики «Kompressor»).

Плюсы и минусы турбонаддува

Что касается экологичности турбомоторов: хотя среди отечественных автолюбителей еще не так развита «экологическая сознательность», не следует забывать и о том, что турбированные моторы наносят меньше вреда окружающей среде. Все потому что в камере сгорания турбированного двигателя температура несколько меньше, поэтому снижается образование оксида азота, к тому же топливо сжигается более полно.

Впрочем, не обошлось и без недостатков. Первое о чем следует знать — турбина требует к себе бережного отношения. Пока мотор заведен на подшипники масло подается под давлением. Как только мотор заглушен масло к подшипникам поступать прекращает. Если мотор эксплуатировался под большими нагрузками, система наддува может перегреться и выйти из строя.

Дабы не допустить перегрева, прежде чем глушить турбированный двигатель, ему следует дать поработать несколько минут на холостых оборотах. Многие современные автомобили оснащаются с завода специально предназначенными для этого устройствами — турботаймерами.

Есть еще один немаловажный момент — на малых оборотах мотора эффективность турбины очень мала. Также следует упомянуть об эффекте турбоямы — турбина откликается на нажатие педали акселератора с некоторой задержкой. Турбонаддув может эффективно работать только в узком диапазоне оборотов мотора, кроме того, большое значение имеет размер самой турбины.

Для увеличения продуктивности этой системы многие автопроизводители устанавливают на свои автомобили две турбины разного размера или пару одинаковых турбин. Турбины разного размера позволяют существенно расширить диапазон эффективной работы турбонаддува — после того как первая турбина начинает терять продуктивность в работу вступает вторая.

Две одинаковые турбины позволяют увеличить производительность, улучшить разгонную динамику и уменьшить эффект турбоямы. Для снижения этого эффекта автопроизводители прибегают к таким ухищрениям, как снижение массы движущихся частей турбины. Благодаря этому турбине нужно меньше времени чтобы раскрутиться.

Что такое турбонаддув?

Сегодня мы поговорим о том, как небольшой по своим размерам механизм, с виду очень похожий на улитку, способен повысить мощность двигателя в несколько раз. Мы спросили автоинструкторов, что же такое турбонаддув, как с данным механизмом обращаться, и вот что они нам рассказали.

Конструкция «турбины»

В первую очередь мы хотим отметить, что больших различий в конструкции турбонаддувов для разных моделей машин нет. Есть лишь вариации в размерах и дизайне некоторых узлов. По словам инструкторов по вождению, большинство автомобилистов используют термин «турбина», хотя это не совсем верно.

Турбиной называют одну из составляющих турбонаддува, состоящую из корпуса, системы уплотнений, вала с крыльчатками, двух улиток (в них вращаются крыльчатки), одного упорного и двух опорных подшипников скольжения. Сюда же крепится пневмопривод, который приводит в работу перепускной клапан. Заметим, что в некоторых моделях его нет. Основная цель перепускного клапана заключается в регулировке оборотов турбины и производительности компрессора.

Когда на выходе давление воздуха превышает оптимальное, то пневмопривод, который открывает клапан, срабатывает, таким образом, какая-то небольшая часть выхлопных газов выходит напрямую в выхлопную систему, и из-за этого обороты турбины становятся меньше.

Турбина — это крыльчатка на валу, приводящая во вращение компрессор. Турбина изготавливается из жаростойкого сплава, вал — из среднелегированной стали, а компрессор — из алюминия. Напомним, что данные детали не ремонтируются, а просто заменяются. Исключением является вал, который иногда получается перешлифовать и сделать под него новые подшипники.

Для чего нужен турбонаддув?

Как известно, для горения топлива нужен кислород. В цилиндрах сгорает топливно-воздушная смесь, а не топливо. Топливо смешивается с воздухом не на глазок, а в определенном соотношении. Например, для бензиновых двигателей — это 1:15 (топливо и воздух соответственно).

Как видно из примера, воздуха требуется довольно много. При увеличении подачи топлива, подача воздуха увеличивается. Стандартные двигатели получают его из-за небольшой разницы давлений в атмосфере и самом цилиндре. Данная зависимость прямая, ведь чем больше объем цилиндра, тем в него попадет больше кислорода.

Выхлопные газы, идущие из двигателя автомобиля, вращают определенным образом ротор турбины, а он приводит в движение другой механизм — компрессор, который доводит сжатый воздух непосредственно в цилиндры.

Но перед этим воздух проходит сквозь интеркулер, тем самым охлаждаясь.

Итак, чем больше в турбину попадает выхлопных газов, тем быстрее эта турбина вращается, то есть в цилиндры поступает больше воздуха, и соответственно мощность становится выше.

Почему турбонаддув столь непопулярен?

На «самообслуживание» наддува нужно совсем немного энергии мотора (около 1,5%). Кроме того, даровая энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха, увеличивает КПД двигателя. Отсюда меньшие потери на трение, небольшой вес двигателя. Казалось бы, машины с турбонаддувом должны быть более экономичными, а это именно то, чего конструкторы хотели добиться. Но не все так гладко, как кажется на первый взгляд.

Скорость вращения турбины иногда достигает 200 000 об/мин, к тому же температура газов может достигать 1000°C. А чтобы сделать турбонаддув, способный выдерживать большие нагрузки долгое время, нужны не только значительные материальные средства, но и время.

Именно поэтому турбонаддув был широко распространен лишь в авиации во время 2-ой мировой войны. В 50-х г.г. прошлого столетия американская фирма Caterpillar стала использовать турбонаддув в тракторах, а Cummins — в своих грузовиках. Лишь в 1962 году турбонаддувами оснастили Chevrolet Corvair Monza и, взять хотя бы, Oldsmobile Jetfire.

Очевидные минусы

Дороговизна и сложность конструкции турбонаддува не являются основными недостатками данного устройства. Эффективность функционирования турбины зависит от оборотов мотора. Если обороты небольшие, и выхлопных газов мало, то ротор раскручивается слабо. В этом случае компрессор практически не дает цилиндрам дополнительный воздух. Именно поэтому бывает так, что до 3 000 оборотов двигатель не дотягивает, и «выстреливает» лишь после 4-5 тысяч. Это называется турбоямой.

Кстати, чем больше турбина, тем дольше она раскручивается, а это значит, что двигатели, оснащенные турбинами высокого давления, и с довольно высокой мощностью страдают турбоямой, как правило, в первую очередь.

У турбин, обеспечивающих низкое давление, подобных провалов тяги практически нет, однако и мощность они могут поднять не очень сильно. От турбоямы поможет избавиться схема с последовательным наддувом. В этом случае на малых оборотах начинает работать малоинерционный турбокомпрессор, который увеличивает тягу на «низах», а на высоких оборотах с повышением давления на выпуске включается другой механизм.

В прошлом столетии последовательный наддув применялся на суперкаре Porsche 959. В настоящее время можно упомянуть фирмы Land Rover и BMW. В случае бензиновых двигателей, к примеру, на Volkswagen, роль «заводилы» отдана приводному нагнетателю.

Пара «улиток»

На рядных двигателях часто ставится одиночный турбокомпрессор пара «улиток» (twin-scroll), где есть двойной рабочий аппарат. В каждую из этих «улиток» выхлопные газы попадают от различных групп цилиндров. При этом оба механизма дают газы одновременно на одну турбину, довольно эффективно раскручивая ее как на больших, так и на малых оборотах.

Чаще всего по-прежнему используется пара одинаковых турбокомпрессоров, которые параллельно обслуживают отдельные группы цилиндров.

Видеоматериал о том, как проверить давление турбонаддува в движении при помощи манометра:

Удачи на дорогах!

В статье использовано изображение с сайта mashintop.ru

Выбираем современный двигатель: почему турбо лучше, чем обычный?

       Новые автомобили все реже оснащаются двигателями без наддува, благо турбины позволяют развивать большую мощность при малом объеме. Российские водители, тем не менее, относятся к турбомоторам с опаской. И очень зря.

Турбированные и атмосферные двигатели — в чем разница?

Разница в том, каким образом в цилиндры двигателя поступает воздух.

    • Атмосферный мотор

Воздух идет сам туда, где ниже давление. У атмосферного мотора воздух идет в цилиндры под действием создаваемого на такте впуска разрежения — поршень опускается и втягивает за собой воздух. Проще не бывает.

    • Наддувный мотор

Чтобы нагнать в цилиндры больше воздуха, в помощь разнице давлений приходит принудительный наддув. Грубо говоря, на впуске ставят «большой вентилятор». О конструкции таких систем поговорим вкратце чуть ниже.

Зачем двигателю нужен наддув?

Чтобы повысить мощность двигателя, нужно сжечь в нем больше топлива — зависимость простая. А вот чтобы сжечь больше топлива, нужно подать в цилиндры много воздуха, почти по кубометру на каждый литр бензина. Вопрос лишь в том, как заставить его это сделать? Основных способов два:

фото-3.jpg
    • Увеличить объем. Это напрашивается само собой, и долгое время конструкторы шли этим путем: увеличивали количество цилиндров, их объем и конфигурацию. Так появились авиационные W12 и V16 с рабочим объемом в сотню литров с гаком и американские семилитровые V8 для автомобилей.… Сейчас мы не будем вдаваться в подробности и лишь констатируем, что путь этот сложный. В определенный момент большой мотор становится слишком тяжелым, а дальнейшее увеличение — нецелесообразным.
    • Увеличить количество сжигаемого топлива, не наращивая объем двигателя. Действительно, почему бы с силой не загнать в цилиндры просто побольше воздуха, чтобы можно было сжечь много бензина? Тут-то на помощь приходит наддув.

2.jpg

Двигатель W12 разработки Volkswagen Group ставился в разные годы на Audi A8L, Volkswagen Phaeton, Volkswagen Touareg, Bentley Continental Flying Spur и другие премиум-модели. Фото: w12cars.com


Какие есть основные типы наддувов?

В основном используют два способа повысить давление на впуске выше атмосферного.
  • Механический нагнетатель. На впуске стоит воздушный насос — компрессор, который приводится в движение от коленчатого вала мотора. Просто, но двигателю приходится его крутить и тратить на это часть мощности.
ce093f5592f1df2efaeee11fc67ba21a-995x0-90.jpg
  • Турбокомпрессор, который использует энергию выхлопных газов. Он представляет собой сдвоенный корпус из двух металлических «улиток», в котором на одном валу крутятся две крыльчатки. Одну из них раскручивает поток выхлопных газов, вырывающийся из выпускного коллектора. Вторая крутится, так как находится на одном валу с первой, — она «загоняет» атмосферный воздух во впускной коллектор.
Мы не будем сейчас вдаваться в достоинства и недостатки каждой из схем, а также описывать историю их создания и развития — это тема для отдельного материала. Здесь нам важно определиться, насколько наддувные моторы хороши.
1d859e83fbab5318ee0061cc6946dffd-995x0-90.jpg


Какие преимущества есть у наддувного мотора?

Высокая максимальная мощность. Как мы уже поняли, за счет наддува можно увеличить количество сжигаемого топлива, а значит, и повысить мощность мотора при неизменном объеме. Мощность можно увеличить в разы, но обычный показатель — 20–100% для серийных двигателей. Стабильный крутящий момент. В обычном атмосферном моторе давление на впуске, а следовательно, и количество сжигаемого топлива меняется в зависимости от оборотов мотора. На каких-то оборотах наполнение максимально, и двигатель работает с полной отдачей. На других наполнение цилиндров хуже, и момент, развиваемый двигателем, меньше. В современном турбомоторе наполнением цилиндра занимается турбина, а управляет турбиной электроника. Появляется возможность всегда подавать столько воздуха, сколько нужно для максимально эффективного сгорания смеси, и столько, чтобы «железо» двигателя выдержало нагрузку. Это позволяет создавать знаменитую «полку» крутящего момента. Такое название произошло от вида графика момента, который на турбомоторах действительно похож на ровную полку. Низкий расход топлива. Казалось бы, парадокс. Наддув позволяет впрыскивать больше топлива, но при этом обеспечивает экономичность. Каким образом? Дело в том, что рабочий объем турбомоторов меньше, и в целом они легче. С наддувом двигатель прекрасно тянет с самых низов, а на малых оборотах меньше потерь энергии на трение и выше КПД. В результате при неспешном движении турбомотор экономичнее. А при большой нагрузке расход топлива никто не считает, не зря же есть выражение «ехать на все деньги», тем более мало кто постоянно ездит в экстремальных режимах.

9dea70b282777c2ada45fffb72f4fa1f_small.jpeg

На графике замера мощности и крутящего момента Skoda Fabia RS TSI видно, что в диапазоне с 2 000 до 4 500 оборотов двигатель развивает 250 ньютон-метров. Это и называется «полкой крутящего момента».


Почему люди боятся наддувных моторов?

С полной определенностью можно сказать, что двигатели с наддувом стоят на более высокой ступени эволюции, чем «атмосферники». И все-таки на сегодняшний момент большинство выпускаемых и продаваемых авто оснащены именно классическими двигателями, причем не только в «отсталой» России, но и в «просвещенной» Европе, не говоря уже про США. Почему же? Ресурс турбин невелик. В среднем турбина на бензиновом моторе служит максимум до 120–150 тысяч километров, а ремонт обходится недешево. Механический приводной нагнетатель в теории «неубиваем», но это умирающий вид, и там, где он применяется, о ресурсе не заботятся. Двигатель работает в более суровых условиях. Температура и давление в цилиндрах у наддувных моторов гораздо выше, а значит, и изнашиваются они сильнее. Это компенсируется тем, что турбодвигатели изначально строят с более высоким запасом прочности всех систем. Впрочем, вполне справедливо, что двигатель сложнее, у него больше датчиков, больше трубопроводов, больше всего греющегося и протекающего, и любая поломка в системе управления может повредить сам мотор или турбину. Говорят, что у турбина дает нестабильную тягу. Действительно, на старых наддувных моторах турбина «отзывалась» не сразу — нужно было время на то, чтобы выхлопные газы раскрутили крыльчатку, и получалось то, что назвали «турболагом». Теперь, с внедрением новых технологий (о них подробнее расскажем позже), эта проблема решена. «Пуристы», поборники атмосферных двигателей утверждают, что все равно нет идеальной связи между движением педали газа и тягой, но для рядовых водителей эти тонкости будут неочевидными. Говорят, что турбированные моторы звучат менее «благородно», чем атмосферные. Действительно, турбина делает звук выхлопа не столь ярким и «породистым». Но в полной мере это можно отнести разве что к «большим» моторам — рядным шестеркам или V8. Их звучание признается за некий идеал, и добавление к ним турбокомпрессора резко меняет звук. По мнению аудиофилов, «от выхлопа» звук становится нечетким и размазанным. Турбина работает как глушитель, сглаживая пики давления выхлопных газов и создавая свои собственные гармоники. Если речь об обычных рядных «четверках», то нельзя сказать, что выхлоп такого мотора изначально звучит особенно хорошо, с добавлением к нему турбины он становится тише, но вряд ли теряется уникальность. На помощь фанатам хорошего звука мотора приходят специалисты по акустике выхлопа. Выхлопные системы современных машин, что с наддувом, что без — плод серьезной работы, и особенности звука в первую очередь зависят от качества настройки системы и пожеланий покупателя.

engine1-1024x682.jpg

Фото: prmpt.org


Почему некоторые производители спорткаров до сих пор не признают наддува?

Действительно, без турбин и нагнетателей прекрасно обходятся такие «уважаемые» автомобили, как Toyota GT86, Renault Clio RS и Honda Civic Type R. Основных причин на то несколько:
  • Высокую мощность можно получить и без турбины, но при условии, что двигатель будет развивать ее только на очень высоких оборотах. Например, 201 л.с. на той же Honda Civic Type R доступны лишь при 7 800 оборотах в минуту, что очень много для негоночного мотора.
  • Система наддува сильно увеличивает вес и размер маленьких моторов — ее невозможно сделать действительно компактной. Для спорткаров это немаловажно.
  • Многим нравится «крутильный» характер атмосферных моторов, отсутствие всяких возможных задержек и влияния температуры воздуха, «чистота» реакций и звука.
  • Во многих гоночных дисциплинах запрещены моторы с турбонаддувом, зато есть традиции форсирования атмосферных моторов.
  • На «атмосферниках» — более мощное торможение двигателем под сброс газа, что заметно на малоразмерных моторах и, опять-таки, важно для спорткаров.
  • В Японии и США, где в основном еще сохраняются безнаддувные «зажигалки», нет столь строгих ограничений по расходу топлива, как в Европе. Мотор с турбиной дороже, но может выдавать высокую мощность при низком расходе и на любой высоте, хоть на вершинах Альп. Мотор без турбины проще, менее требователен к обслуживанию, особенно когда очень высокая мощность не нужна, да и высоким расходом топлива и малой тягой в «негоночном» режиме можно пренебречь. И не стоит недооценивать силу традиций национального автомобилестроения.
Впрочем, мало-помалу наддув отвоевывает место под капотом спортивных автомобилей. Сначала Формула-1 отказалась от «атмосферников», а в марте 2014 года дебютировала первая в современной истории турбированная модель Ferrari — California T, которая получила «улитку» после долгого перерыва со времен 288 и F40.


Турбомотор — брать или не брать?

Если вы покупаете новый автомобиль, то однозначно брать. Турбодвигатель, как мы уже говорили, при прочих равных мощнее и экономичнее, а «убить» его при грамотной эксплуатации вы просто не успеете. Если же вы выбираете подержанную машину, то обратите внимание на пробег и состояние мотора. Если что-то будет указывать на то, что хозяин любил «отжигать» за рулем и километраж при этом выше 100 000 километров, то самое время присмотреться к расценкам на новые моторы и турбины. Задумайтесь, зачем был нужен двигатель с турбонаддувом первому владельцу. Некоторые машины берут с турбомотором только для того, чтобы постоянно «валить». В общем, с покупкой подержанной машины с турбодвигателем нужно быть осторожным вдвойне. О том, как правильно содержать мотор с наддувом и сколько стоит его починить, читайте в нашей следующей публикации. Если не хотите пропустить этот материал, подпишитесь на рассылку свежих статей внизу.


Читайте также:


Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о