Конструкция и принцип работы турбонаддува

Конструкция и принцип работы турбонаддува

Устройство и особенности турбины

Агрегат состоит из двух устройств — турбины и компрессора. Задача первой преобразовывать энергию выхлопных газов, а второго — подавать сжатый воздух в цилиндры. «Крыльчатки» — главные составляющие части этой системы, представляют собой два лопастных колеса (компрессорное и турбинное).

По своей сути компрессор — это насос, его единственная задача заключается в подаче сжатых атмосферных воздушных масс в цилиндры.

Кислород необходим для сжигания топлива, чем больше его поступит, тем больше силовой агрегат сможет сжечь.

В результате это приводит к значительному увеличению мощности движка без физического увеличения объёма или количества цилиндров. Система турбонаддува состоит из следующих компонентов:

  • корпус компрессора;
  • корпус турбины;
  • корпус подшипников;
  • компрессорное колесо;
  • турбинное колесо;
  • ось или вал ротора.

В турбонаддуве основным элементом выступает ротор, который защищается корпусом и крепится к специальной оси. И сам ротор, и корпус турбины изготавливаются из термостойких сплавов — это необходимо из-за того, что они находятся в постоянном контакте с газами высокой температуры.

Ротор и крыльчатка вращаются в разных направлениях с большой скоростью — такое решение обеспечивает их плотный прижим друг к другу. Принцип работы в следующем:

  1. Отработанные газы поступают в выпускной коллектор.
  2. Затем — в специальный канал, расположенный в корпусе нагнетателя, который выполнен в форме улитки.
  3. В «улитке» газы разгоняются до большой скорости и подаются на ротор.

Благодаря такому принципу и обеспечиваются вращение турбины. Что касается оси турбонагнетателя, то она крепится на специальных подшипниках скольжения и смазывается за счёт поступления жидкости из моторного отсека.

Утечка смазочной жидкости предотвращается благодаря наличию прокладки и уплотнительным кольцам. Кроме того, дополнительную герметизацию обеспечивают смешанные и отдельные потоки отработанных газов и воздуха.

Такое технологическое решение не обеспечивает гарантии в 100%, что выхлоп не попадёт в сжатый воздух, однако система этого и не требует.

Конструкция и принцип работы турбонаддува Закажи звонок

или перезвони 7 (921) 932-25-54

Что ещё входит в систему турбонаддува

Турбина — сложный агрегат, инженерам потребовалось несколько десятилетий, чтобы довести систему до ума. Только на первый взгляд решение компенсировать потери КПД за счёт выхлопных газов кажется простой. Даже после создания устройства у него долгое время наблюдались определённые проблемы.

Например, не удавалось решить проблему турбоямы — задержки после нажатия на педаль газа и запуском ротора. Решение нашлось в виде использования двух клапанов.

Один из них использовался для вывода излишек воздуха, а второй предназначался для выхлопных газов.

Кроме того, современные турбины имеют изменённую геометрию лопаток, что серьёзно их отличает от подобных устройств второй воловины XX столетия.

Можно выделить ещё одну проблему, которая заключалась в излишней детонации — с ней тоже успешно справились современные инженеры. Проблема заключалась в том, что температура в рабочих секторах цилиндров резко увеличивалась во время нагнетания воздуха, особенно в последней стадии такта. Решение нашлось в установке интеркулера (промежуточного охладителя воздуха).

Интеркулер — устройство для охлаждения наддувочного воздуха. Он выполняет сразу две функции — препятствует детонации и не даёт уменьшиться плотности воздуха. В результате удалось сохранить работоспособность всей системы.

Также стоит отметить и другие важные составляющие турбины.

Регулировочный клапан. Отвечает за поддержание заданного уровня давления, излишки давления поступают в приёмную трубу.

Перепускной клапан. Используется для вывода излишних воздушных масс обратно во впускные патрубки — это нужно для снижения мощности при её избытке.

Стравливающий клапан. Если дроссель закрывается и нет датчика массового расхода воздуха, клапан будет возвращать излишки воздуха обратно в атмосферу.

Патрубки. Герметичные отрезки трубы. Одни используются для подачи воздуха, вторые для подачи смазочного масла.

Выпускные коллекторы. Должны быть совместимы с турбокомпрессором.

Принцип работы

Для начала нужно разобраться с двумя терминами.

Турбоподхват — состояние, при котором быстро вращающийся ротор увеличивает подачу воздуха в цилиндры, благодаря чему повышается мощность силового агрегата.

Турбояма — короткая задержка, которая возникает в работе турбины при повышении количества поступившего топлива во время нажатия педали газа. Задержка появляется из-за того, что ротору необходимо некоторое время, пока газы его не разгонят.

Турбонаддув повышает давление выхлопных газов за счёт более интенсивной работы мотора, но в то же время увеличивается и давление наддува.

При достижении критических величин может произойти поломка, а потому этот процесс необходимо контролировать. За регулировку давления отвечают клапана, а мембрана и пружина следят за предельно допустимыми значениями.

При достижении определённой величины мембрана открывает клапан для стравливания давления.

Работа турбины на дизельном двигателе нуждается в контроле давления, который осуществляется следующими процессами:

  • если поступило слишком много воздуха, компрессор (используя клапан) освобождается от излишков;
  • клапан стравливает давление в случаях, когда воздуха поступило слишком много — при этом агрегат работает стабильно и забирает ровно столько воздуха, сколько требуется.

Конструкция и принцип работы турбонаддува

Работа турбокомпрессора на дизельном двигателе

Работа осуществляется по следующие схеме:

  1. Компрессор нагнетает сжатый атмосферный воздух.
  2. Воздушная масса смешивается с топливом и поступает в цилиндры.
  3. Полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется, что приводит поршни в движение.
  4. Параллельно с этим процессом появляются отработанные газы, которые направляются в выпускной коллектор.
  5. Скопившиеся в корпусе газы значительно увеличивают скорость.
  6. Вращение переходит (по валу) на компрессорный ротор, он втягивает новую порцию воздуха.

Получается интересное взаимодействие. Ротор вращается быстрее — больше поступает воздуха. Чем больше воздуха поступает — тем быстрее вращается ротор.

Конструкция и принцип работы турбонаддува

Минусы турбины на дизельном двигателе

Как и любое устройство, у турбины есть свои положительные характеристики (которые были описаны выше), так и недостатки.

К минусам можно отнести в первую очередь увеличенный расход топлива, особенно это касается неправильно отрегулированных агрегатов.

Второй минус — чувствительность к качеству топлива, что особенно актуально в российских условиях. Дело в том, что некачественный дизель может привести к детонации. Отметим и другие недостатки:

  • общее удорожание двигателя;
  • повышенная требовательность к моторному маслу;
  • масло и фильтры приходится менять чаще (примерно каждые 5-6 тыс. км);
  • нужно часто менять воздушный фильтр;
  • ресурс турбины на дизельном двигателе значительно ниже, чем на бензиновом (из-за более высокой температуры выхлопа);
  • средний ресурс агрегата составляет 200-250 тыс. км, после чего потребуется замена или, как минимум, капитальный ремонт;
  • достаточно сложный ремонт, провести его среднестатистическому автовладельцу самому не получится.

Однако стоит отметить, что плюсы всё-таки перевешивают минусы. В противном случае турбины не пользовались бы такой большой популярностью.

Основные неисправности — признаки и причины

Сразу стоит оговориться, что основная причина поломок — это несвоевременное техническое обслуживание агрегата, его рекомендуется проводить минимум один раз в год. Следующая причина — низкое качество масла, либо его несвоевременная замена.

Третья — попадание в устройство посторонних предметов (например, мелких камушков). Наконец, четвёртая — банальный износ отдельных компонентов турбины, ведь у каждого оборудования есть свой срок эксплуатации.

Теперь опишем признаки, которые могут говорить о неисправности.

Чёрный дым из выхлопной трубы. Топливо сгорает в интеркулере или нагнетающей магистрали. Скорее всего — неисправность системы управления.

Сизый дым. Возможно, из-за нарушения герметизации турбины масло просачивается в камеру сгорания.

Белый дым. Сливной маслопровод загрязнился, потребуется его чистка.

Повышенный расход топлива. Воздух не доходит до компрессора.

Увеличен расход масла. Нужно проверить стыки патрубков — возможно, нарушена герметичность.

Уменьшение динамики разгона. Скорее всего вышла из строя система управления, из-за чего возник недостаток кислорода.

Посторонний свист, скрежет или шумы. Это может быть изменение зазора ротора, дефект в корпусе, утечка воздуха между двигателем и турбиной, либо загрязнение маслопровода.

Всегда нужно соблюдать правила эксплуатации агрегата — это снизит вероятность появления поломки и продлит срок службы устройства. Следует придерживаться нескольких простых правил:

  • следите за качеством топлива и масла;
  • не забывайте вовремя менять масло и фильтры;
  • начинайте движение только после того, как движок прогреется;
  • после прекращения движения нужно дать мотору поработать на холостых, а не сразу его выключать.
Читайте также:  Почему троит дизельный двигатель: возможные причины

И, конечно же, следует регулярно проходить ТО.

Конструкция и принцип работы турбонаддува

Что делать, если турбина сломалась

Если обнаружилась неисправность первое, что нужно сделать — провести диагностику. Причём чем раньше, тем лучше. Если вовремя заменить неисправную деталь, удастся избежать более серьёзных проблем.

Например — зачастую автовладелец не обращает внимание на лёгкое постукивание думая, что это не имеет значения, в результате через какое-то время приходится покупать новую турбину, хотя изначально можно было обойтись небольшим ремонтом.

Следует отметить, что недостаточно знать, как работает турбина на дизеле — нужно идеально разбираться во всех её компонентах.

Только обладая соответствующими навыками, опытом и оборудованием получится провести качественный ремонт.

Именно поэтому рекомендуем не пытаться самостоятельно отремонтировать агрегат (можно сделать только хуже), а обратиться в компанию «Дизель-Мастер». Специализируемся на ремонте турбин с 1998 года, а потому знаем о них всё.

5 причин обратиться именно к нам:

  1. В наличие высокоточное диагностическое оборудование (стенды Bosch и Delphi);
  2. В штате — специалисты с большим практическим опытом подобных работ.
  3. Быстрый ремонт в течение дня без потери в качестве.
  4. Используем только оригинальные комплектующие и ремкомплекты.
  5. Предоставляем официальную гарантию на комплектующие и выполненный ремонт.

При первых признаках дефекта — обратитесь к нам. Установим причину неисправности и предложим эффективный, экономичный способ её решения.

Описание и принцип работы турбонаддува двигателя

Среди всех возможных вариантов наддува двигателя внутреннего сгорания наибольшее распространение получил турбонаддув, в котором воздух подается в цилиндры при помощи специального устройства – турбокомпрессора (турбины).

Вращение турбины осуществляют отработавшие газы, что позволяет существенно увеличить мощность двигателя без увеличения частоты оборотов последнего. Помимо этого, турбонаддув позволяет получать большие значения крутящего момента при небольшом расходе топлива.

В сравнении с классическими конструкциями при аналогичной мощности турбированный двигатель имеет более компактные габаритные размеры.

Устройство системы 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.

Конструкция и принцип работы турбонаддуваПринцип работы турбины

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 турбонаддува

Конструкция и принцип работы турбонаддуваСхема работы турбонаддува двигателя

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.

В свою очередь, управление приводом осуществляется электронным блоком управления, который считывает информацию с датчика давления.

Особенности эксплуатации турбированных двигателей

На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название “турбояма”. Сущность явления заключается в следующем:

  • Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
  • Турбина вращается в соответствующем режиме.
  • При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
  • После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.

Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка – “турбояма”. Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Виды систем турбонаддува

Производители разработали различные способы избавления от “турбоямы”:

  • Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
  • Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
  • Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
  • Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.

Что такое турботаймер и для чего он необходим

Конструкция и принцип работы турбонаддуваТурботаймер

Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему – возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.

Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.

Достоинства и недостатки системы турбонаддува

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.

(7

Турбонаддув: как устроен и как работает

Алексей Федоров

автомеханик со стажем

Профиль автора

Чем больше топливовоздушной смеси поступит в цилиндры, тем выше будет КПД двигателя.

Подать больше топлива не проблема: достаточно установить более производительный топливный насос и форсунки. С воздухом сложнее: в конце такта впуска в цилиндре атмосферного двигателя он будет разреженным.

Система турбонаддува использует энергию отработавших газов и делает так, чтобы воздуха в цилиндрах было больше. Атмосферный двигатель 1,6 л 103 л. с. прослужит дольше турбированного 1 л. Но последний при этом будет более экономичным и экологичным при той же мощности.

Разберемся, как устроена система турбонаддува и как она работает.

Что вы узнаете

Рассылка для автолюбителей и тех, кто подумывает ими статьГлавное о том, сколько стоит владеть машиной, к чему быть готовым и как отстаивать свои права, — в вашей почте дважды в месяц. Бесплатно

Турбонаддув встречается и на бензиновых, и на дизельных двигателях. На последних значительно чаще.

Работа дизельного двигателя регулируется количеством топлива, которое распыляют форсунки в цилиндры. Дроссельной заслонки нет, воздух в них поступает свободно.

На холостом ходу и в режиме частичной нагрузки дизельный ДВС работает отлично.

В режиме средней и полной нагрузки подача топлива увеличивается, а воздуха столько же: топливо в избытке, смесь переобогащенная, двигатель теряет эффективность.

Турбонаддув компенсирует недостаток воздуха. Благодаря турбине дизельный двигатель легкового автомобиля работает фактически в том же рабочем диапазоне оборотов, что и бензиновый.

Система турбонаддува состоит из турбокомпрессора, интеркулера, а также из регулировочных и предохранительных клапанов. Дальше мы поговорим о компонентах системы турбонаддува, поймем, где их искать, а также разберемся, как все это работает.

У турбокомпрессора есть холодная и горячая части — обе похожи на улитку. Такая форма позволяет наиболее эффективно направлять потоки газов. Улитки соединены через картридж — корпус для вала, с одной стороны которого закреплено колесо турбины, а с другой — колесо компрессора. В корпусе картриджа есть масляные каналы и каналы для охлаждающей жидкости.

Горячая часть турбины работает с выхлопными газами высокой температуры — обычно 500—1000 °С. Улитка здесь отлита из чугуна с добавлением никеля, крыльчатка турбины — из жаропрочного сплава стали, никеля и хрома — инконеля. Холодная часть работает с воздухом из атмосферы, поэтому улитку и крыльчатку чаще всего отливают из алюминия.

Турбокомпрессор или турбокомпрессоры — если их два или больше — ставят там, откуда выходят отработавшие газы. Вот какие могут быть варианты:

  1. один турбокомпрессор: обычно на рядных двигателях с тремя или четырьмя цилиндрами. Включается, когда энергии выхлопных газов достаточно, чтобы раскрутить турбинное колесо, — в среднем и высоком диапазоне оборотов двигателя;
  2. два разных турбокомпрессора, которые стоят один за другим. Систему можно встретить на рядных двигателях с четырьмя или больше цилиндрами. Маленький работает в низком диапазоне оборотов двигателя. При средних и высоких оборотах он выключается и начинает работать большой турбокомпрессор;
  3. два одинаковых по размерам и характеристикам турбокомпрессора, которые почти всегда стоят по отдельности. В рядном шестицилиндровом двигателе будет по одному на три цилиндра, в V-образном или оппозитном — по одному турбокомпрессору на головку блока цилиндров.
Читайте также:  Прокладки в двигателе автомобиля: для чего нужны и какие бывают

Одна и та же конфигурация с двумя турбокомпрессорами у одного производителя может называться «Битурбо», у другого — «Твинтурбо».

Интеркулер — это радиатор для охлаждения сжатого воздуха. Бывает воздушный и жидкостной.

Воздушный интеркулер работает на открытом воздухе. Через его каналы проходит сжатый разогретый воздух, который потом поступает в цилиндры ДВС. А набегающий воздух с улицы идет через соты: все работает так же, как в случае с радиатором охлаждения двигателя.

Такие интеркулеры чаще всего устанавливают перед основным радиатором или под ним. Иногда его располагают над двигателем, в этом случае на капоте будет явно выраженный воздухозаборник.

Проблемы воздушных интеркулеров:

  1. Соты забиваются грязью, воздух проходит хуже, появляются проблемы с охлаждением.
  2. Может потерять герметичность из-за механических повреждений или коррозии. Сжатый воздух уходит, давление наддува снижается, мощность падает.
  3. Даже будучи абсолютно чистым, может перегреться, если машина стоит в пробке. Встречного потока воздуха нет, сжатый воздух не охлаждается, эффективность интеркулера падает. Но восстанавливается, когда машина начинает двигаться с достаточной для охлаждения скоростью.

Жидкостной интеркулер — радиатор с охлаждающей жидкостью внутри впускного коллектора и с собственным контуром охлаждения. Такой интеркулер сильно экономит подкапотное пространство, вдобавок уменьшает объем впускного тракта от турбины до двигателя. Благодаря такой конструкции турбокомпрессор раньше выходит на рабочее давление.

Машина с жидкостным интеркулером ведет себя практически одинаково и в жару, и в мороз. Минус — более сложная конструкция: нужен дополнительный радиатор, чтобы охладить горячий антифриз из интеркулера.

Жидкостной интеркулер Фольксвагена Тигуана с двигателем 1.4 TSI. Закреплен во впускном коллекторе десятью винтами, из него выходят патрубки охлаждающей жидкости. Машина после ДТП, передняя часть разобрана
Радиаторам тоже досталось, зато хорошо видно, что их три

Актуатор турбины управляет регулировочным клапаном — вестгейтом. Или, в простонародье, калиткой. Как только в горячей части турбины возникает максимально допустимое давление наддува, актуатор открывает вестгейт. Часть выхлопных газов проходит мимо крыльчатки турбины. Благодаря этому она не разгоняется больше, чем необходимо.

На конце тяги актуатора есть резьба, которая позволяет отрегулировать положение вестгейта. В нормальном состоянии он должен быть плотно закрыт
Выход из горячей части турбины: вестгейт слева, крыльчатка — справа

Если резко сбросить газ, обороты двигателя упадут быстро, дроссельная заслонка закроется. Но турбокомпрессор продолжит быстро вращаться по инерции и создавать повышенное давление. Если это произойдет, вал может сместиться, а масляный клин — разрушиться. Возникнет трение, детали картриджа износятся.

Перепускной клапан, байпас. Когда водитель резко отпускает газ, дроссельная заслонка закрывается, давление на впуске растет, а клапан открывается и перепускает сжатый воздух обратно — в зону до турбины, к воздушному фильтру. Нагрузки на крыльчатку не избежать, но такая система позволяет хорошо амортизировать такие толчки и перенаправлять уже сжатый воздух обратно во впуск.

Двигатель Фольксвагена 1.4 TSI CAXA. Перепускной клапан — байпас — в черном корпусе, прикручен к холодной улитке. Байпас связан с блоком управления двигателя через разъем и может открываться не при возрастании давления, а как только закроется дроссельная заслонка. Это существенно снижает риск критических нагрузок

Редукционный клапан, блоу-офф. Работает по тому же принципу: открывается при достижении предела допустимого давления, но выбрасывает наружу сжатый воздух, а это также снижает нагрузку на крыльчатку турбины. В процессе слышен характерный свист — его ценят любители автомобильного тюнинга.

Автопроизводители чаще используют байпас: он не создает излишнего шума под капотом. Это преимущество, если речь идет о семейном или рабочем автомобиле.

Блоу-офф на патрубке подвода сжатого воздуха, синий шланг подключен к нему же. Когда давление на впуске возрастает, давление через этот шланг передается на мембрану внутри редукционного клапана. Он открывается и стравливает избыточное давление наружу. Такие часто используют в автоспорте либо в тюнинге, чтобы получить от турбины «пшик». Источник: taro911_Photographer / Shutterstock

Как звучит блоу-офф разных производителей. Источник: канал «AJS Нюансы Тюнинга» на «Ютубе»

Поток отработавших газов в турбированном двигателе первым делом попадает на турбинное колесо, а только потом — в выхлопную трубу. Крыльчатка турбинного колеса преобразует энергию во вращение и через ось передает его на крыльчатку колеса компрессора. В свою очередь, она засасывает воздух в центре и разгоняет его по радиусу.

Форма улитки на горячей стороне помогает эффективно улавливать поток отработавших газов. На холодной стороне — собирать атмосферный воздух и направлять его дальше по каналам интеркулера. Ось при этом работает в масляном клину и развивает до 150 000 оборотов в минуту.

Изменяемая геометрия турбины — решение, которое позволяет направлять потоки выхлопных газов на крыльчатку турбины под разным углом. Работают специальные подвижные лопатки. Когда давление выхлопных газов низкое, они встают под острым углом и почти смыкаются.

Газы попадают на крыльчатку под более острым углом, скорость потока увеличивается, турбина работает на низких оборотах. Когда двигатель набирает обороты, давление выхлопа возрастает, лопатки изменяемой геометрии встают в исходное положение и не препятствуют потоку выхлопных газов.

Такая система почти всегда есть на дизельных двигателях: у них невысокий рабочий диапазон оборотов.

Горячая часть справа. Над крыльчаткой турбины есть подвижные лопатки. Источник: dreamnikon / Shutterstock

Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией. Источник: канал «Coupemaniaful» на «Ютубе»

Управление подъемом выпускных клапанов. Клапаны здесь также ускоряют поток выхлопных газов на пути к крыльчатке турбины: приподнимаются на определенную высоту, при которой могут его усилить, когда это необходимо.

Такое техническое решение применили на двигателях 1.8 и 2.0 TSI третьего поколения. Их можно встретить на Шкоде Октавии в кузове A7, в новом Фольксвагене Тигуане или Пассате. При этом есть такие же двигатели, но электроника на них управляет подъемом впускных клапанов. Такие ДВС менее мощные, но более экономичные.

Топливовоздушная смесь поджигается уже с открытым выпускным клапаном, появляется прямой поток горящего пламени. Турбина продолжает благодаря этому работать на высоких оборотах, а из выхлопной трубы вылетают языки пламени.

Обычно это происходит, когда гоночная машина входит в поворот: в этот момент пилот отпустил газ и включилась антилаг-система. На выходе из поворота он выжмет газ, а во впускном коллекторе уже будет сжатый воздух.

  1. Машины с турбонаддувом более дорогие при покупке и в эксплуатации.
  2. Прибавка 30—50% мощности — весомый аргумент в пользу турбированного двигателя.
  3. Почти любой дизельный двигатель на легковой машине — турбированный.

Новости, которые касаются всех, — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь, чтобы быть в курсе происходящего: @tinkoffjournal.

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?

Читайте также:  Как проверить датчик распредвала

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».

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector