Турбонаддув — принцип действия, достоинства и недостатки

Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи — видео об особенностях и принципах работы турбонаддува.

Содержание статьи:

• Для чего нужен турбонаддув
• Устройство и принцип работы турбонагнетателя
• Преимущества турбонаддува
• Недостатки
• Видео об особенностях и принципах работы турбонаддува

Автомобильный двигатель должен обладать такими характеристиками, которые позволили бы ему не отставать от современности. Технические усовершенствования с каждым годом даются все труднее, потому что велосипед-то изобретать никому не хочется, а улучшать качество мотора необходимо.

Поэтому весьма неплохим решением является использование системы принудительного нагнетания воздуха в камеру сгорания. Самые последние инженерные конструкции охватывают не только улучшение принудительного нагнетания воздуха в топливную систему, но и установку такого же устройства в систему выхлопа отработанных газов.

Для чего нужен турбонаддув

Чтобы понимать важность работы турбонаддува и принцип его действия, необходимо знать, что двигатель не может потреблять топливо в чистом виде. Для вспышки бензина в герметичной емкости нужен воздух, иначе двигатель работать не будет.

То есть, в камеру сгорания должна поступать смесь, состоящая из топлива и воздуха в нужной пропорции. В цилиндре эта смесь сгорает. Появившиеся в результате сгорания газы совершают свою главную работу и затем удаляются через систему выхлопа.

Проще говоря, с помощью турбонаддува воздух сжимается, и в камеру сгорания он поступает в большем количестве, нежели при атмосферном давлении.

Устройство и принцип работы турбонагнетателя

Главная деталь нагнетателя, выполняющая основную функцию – это крыльчатка с лопастями. Вращаясь с огромной скоростью (200 тыс. оборотов в минуту) и действуя как компрессор, она закачивает воздух в турбинную камеру.

После этого происходит сжатие воздуха, за счет чего объем, который этот воздух занимает, уменьшается. Однако давно известно, что по законам физики во время сжатия воздух имеет свойство нагреваться. И это является главным недостатком системы турбонаддува.

Разумеется, эта проблема не могла пройти мимо внимания конструкторов. Решая эту задачу, специалисты попробовали использовать промежуточное охлаждение воздуха на пути его перехода в двигатель.

В результате появился интеркулер. В этом устройстве применяется эффект теплообменника, который имеет свойство охлаждать воздух за счет хладагента. Интеркулер способен увеличить мощность мотора до 20%, и при этом он еще снижает вероятность детонации выхлопных газов.

Особой разницы между турбонаддувом бензиновых и дизельных двигателей почти нет. Отличие лишь в степени наддува. Дизельные двигатели требуют большего давления, и поэтому они оснащены более мощными нагнетателями воздуха. В бензиновых моторах установлены нагнетатели меньшей мощности, потому что при слишком большом давлении в камере сгорания может возникнуть детонация.

Преимущества турбонаддува

«Дармовая» дополнительная мощность. Существует расхожее мнение: наличие добавочной турбины на выхлопном коллекторе мотора порождает добавочную энергию, которая должна вращать точно такую же турбину на впуске, в результате чего выхлопные газы становятся бесплатным источником энергии для нагнетателя.

Однако эта концепция весьма спорная, потому что существует так называемое сопротивление выпуска. Автомобильные конструкторы многие десятилетия добивались снижения этого сопротивления, потому что именно в этом случае повысится мощность двигателя.

Для этого в систему монтируется специальное генерирующее устройство, которое значительно снижает выходное сопротивление. Поэтому было бы неправильным считать работу турбонаддува на дармовой энергии. «Дешевая придаточная энергия» — это будет звучать более точно.

В техническом отношении этот процесс не представляет ничего сложного. Нагнетатель представляет собой устройство, состоящее из двух колес – компрессорного и турбинного. Турбинное колесо захватывает выхлопные газы, приводящие его в движение. В результате начинает вращаться и компрессорное колесо, которое и служит для сжатия воздуха.

Компрессор в обязательном порядке контактирует с системой охлаждения, потому что в процессе действия его температура поднимается довольно высоко. Сила наддува регулируется с помощью перепускного клапана. В случае необходимости он может переводить часть выхлопа мимо турбины, чтобы понизить внутрисистемное давление.

Повышение мощности двигателя без увеличения его объема и массы. Технология турбонаддува позволяет повышать мощность двигателя без увеличения объема цилиндров и их количества. В результате легкие и небольшие по размеру моторы приобретают отличные характеристики, и, кроме этого, сокращается общая масса автомобиля, уменьшаются тормозной путь и время разгона.

Экономичность. Расход топлива у двигателей, оснащенных системой турбонаддува, в разы меньше, нежели расход топлива у мотора такой же мощности с простым атмосферным нагнетанием воздуха. Это объясняется тем, что в цилиндрах с турбонаддувом на один ход поршня тратится намного меньше топлива за счет полного его сгорания. То есть, бедная смесь компенсируется дополнительным напором воздуха, и в результате мощность увеличивается.

Недостатки

Зависимость от оборотов. «Турбояма». Проблема заключается в следующем: нет активного ускорения при разгоне на малых оборотах. Динамика разгона слабая, уступающая даже машинам с атмосферным нагнетанием. А все дело в том, что при малых оборотах энергия выхлопных газов слабая, и, соответственно, турбина нагнетателя тоже вращается слабо, создавая минимальное давление смеси в камере сгорания. То есть, нужный эффект от турбонаддува возникает только при высоких оборотах двигателя.

Кроме этого, есть еще одна проблема: медленность процесса нагнетания воздуха. Действительно, для того, чтобы создать нужное давление на впуске, необходимо некоторое время. Специалисты проводят инженерные исследования в этой области, и уже в какой-то степени удалось уменьшить этот интервал в динамике работы нагнетателя.

Помимо этого, наличие вариатора или автоматической трансмиссии дает возможность машине во время разгона автоматически переключаться на пониженную передачу. За счет этого вредные последствия от инертности нагнетателя ликвидируются.

Сегодня имеются следующие способы решения проблемы инертности турбонаддува:

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

При двойном турбонаддуве применяются две небольшие турбины, которые в совокупности работают намного быстрее, чем одна с номинальным размером. Число цилиндров распределяется между этими турбинами поровну. Аналогом такой системы может быть применение нескольких компрессоров, которые приходят в движение на разных оборотах мотора, каждый в своем режиме.

Турбина с адаптивной геометрией способна изменять размер впускного канала и тем самым регулировать силу потока выхлопных газов, что также повышает эффективность работы системы.

Комбинированный наддув состоит из турбокомпрессора и механического нагнетателя. Нагнетатель создает нужное давление на малых оборотах, но как только обороты возрастают до определенной величины, в работу включается турброкомпрессор.

Высокая температура. Как уже было сказано, сжатие воздуха влечет за собой его нагрев, что отражается на работе мотора не самым лучшим образом. Поэтому зачастую приходится подключать дополнительное охлаждение, и на это уходит часть энергии.

Однако несмотря на перечисленные недостатки, турбонаддув – это отличное средство для повышения мощности и эффективности ДВС, а также его экономичности. Кроме того, многолетний опыт специалистов показывает, что варианты усовершенствования этой системы еще не исчерпаны.

Видео об особенностях и принципах работы турбонаддува:

Турбонаддув описание,принцип работы,устройство,фото .

Турбонаддув — один из методов агрегатного наддува, основанный на использовании энергии отработавших газов. Включает в себя технологии как одноступенчатого, так и многоступенчатого наддува (последовательного или параллельного). Также сочетается с технологиями турбокомпаунда, комбинированного наддува (twincharger) и турбины переменной геометрии (VGT).

Турбонаддув был запатентован Альфредом Бюхи в 1911 году в патентном ведомстве США. Применялся сначала в судовых и авиационных двигателях. На легковом автомобиле впервые применен в 1937 году (Cord 812).

Принцип турбонаддува

Турбонаддув построен на принципе сжатия поступающего в двигатель воздуха с помощью компрессора, сопряженного с турбиной, приводимой в движение энергией выхлопных газов.

Турбонаддув применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Поскольку ДВС является тепловой машиной (см. школьный курс физики), а прошедший через компрессор воздух разогревается от сжатия до 200 градусов Цельсия, турбонаддув предусматривает его промежуточное охлаждение.

Intercooler

Интеркулер устанавливается между компрессором и впускным коллектором и обеспечивает снижение температуры наддувочного воздуха с 200 до 50-60 градусов и необходим как для поддержания степени сжатия, так и для физического повышения эффективности ДВС как тепловой машины. Охлаждение воздуха на 10 градусов дает около 3% прироста мощности двигателя, в целом эффект от интеркулера составляет порядка 20% прироста мощности двигателя. Однако интеркулер создает сопротивление для поступающего воздуха и тем самым снижает давление наддува.

Различают два типа охладителей: воздушный и водяной. Благодаря своей простоте наибольшее распространение получили интеркулеры воздушного типа. Конструктивно он представляет собой теплообменник, состоящий из системы изогнутых «змейкой» труб и находящихся между ними пластин:

Изгиб труб «змейкой» увеличивает общую длину теплообменника и улучшает охлаждение воздуха, однако каждый изгиб трубы создает сопротивление проходящему в ней потоку воздуха и тем снижает давление наддува. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу. В качестве материала для труб и пластин используется алюминий, обладающий высокой теплопроводностью (реже — медь).

Интеркулер воздушного типа устанавливается в свободном месте в подкапотном пространстве:

• в центральной части за передним бампером (в бампере выполняется соответствующий вырез);
• над двигателем под капотом (в капоте выполняется воздухозаборник специальной формы);
• в боковой части передних крыльев слева и справа (в крыльях выполняются воздухозаборники специальной формы).

Интеркулер водяного типа имеет перед воздушным типом следующие преимущества:

• компактность и потому возможность установки в любом свободном месте в подкапотном пространстве;
• лучшая теплопроводность воды (охлаждающей жидкости) относительно воздуха и потому значительно более высокая эффективность.

Недостатком интеркулера водяного типа является сложность конструкции, которая помимо водяного теплообменника включает воздушный радиатор для охлаждения воды, водяной насос, систему патрубков, электронный блок управления. Вместе с системой охлаждения двигателя они образуют двухконтурную систему охлаждения.

По причине сложности конструкции интеркулер водяного типа применяется достаточно редко, в случаях, когда воздушный охладитель применить невозможно (например, на некоторых компактных двигателях TSI).

Особенности турбонаддува бензиновых двигателей

Особенностями турбонаддува на бензиновых двигателях являются:

• возможность наступления детонации, которая связана с увеличением массы воздуха в цилиндре и, следовательно, температуры в конце такта сжатия;
• высокая температура отработавших газов (около 1000 градусов Цельсия против 600 градусов для дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Поэтому конструкцией турбодвигателей предусмотрена пониженная степень сжатия и работа на высокооктановых марках топлива.

Принципиальные особенности турбонаддува в целом

Турбонаддув не имеет жесткой связи с коленвалом двигателя, однако эффективность его работы сильно зависит от оборотов двигателя (т.е. от энергии выхлопных газов). Выше обороты двигателя — выше энергия отработавших газов — быстрее вращение турбины — больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя. Т.о. турбонаддув есть система с положительной обратной связью.

В силу конструкции, турбонаддув имеет следующие принципиальные особенности:

• задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag);
• резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерцией турбины (для ее раскрутки при резком увеличении энергии выхлопных газов требуется некоторое время). Существуют следующие способы решения этой проблемы:

• применение турбины с изменяемой геометрией (VGT);
• применение двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
• комбинированный наддув (twincharger).

Турбононаддув начинает свою работу с первыми оборотами двигателя и заканчивает её уже после того, как двигатель остановился. При первых вспышках в цилиндрах выхлопные газы из коллектора сразу же попадают в улитку турбины и начинают вращать вал с крыльчатками. Пока обороты двигателя невелики, давление выхлопных газов недостаточно, и компрессор вращается на холостом ходу, не создавая излишнего сопротивления на всасывании (просто перемешивает воздух). При росте оборотов двигателя на панели загорается зеленая лампочка «TURBO» (если она есть), и водитель чувствует ощутимый толчок в спину. Это означает, что турбина вышла на свои рабочие обороты (110-115 тысяч об/мин). Теперь компрессор не просто месит воздух, а эффективно сжимает его и посылает в двигатель. При этом блок управления двигателем подает в цилиндры больше топливной смеси, резко (на 50-70%) возрастает мощность и, соответственно, расход топлива.

Турбокомпрессор работает в условиях высоких температур и оборотов (скорость на концах лопаток приближается к звуковой). Поэтому сразу со стартом двигателя масляный насос подает масло по системе каналов под давлением на подшипники турбокомпрессора, и вал турбины начинает вращаться на масляном клине. Свою порцию масла получает и упорный подшипник. Чем больше обороты двигателя, тем больше масла поступает на вал турбины и его подшипники. Эти подшипники изготовлены из специально подобранных материалов с оптимальными зазорами. При меньших зазорах возникает опасность подклинивания подшипников при тепловом расширении, при больших — опасность срыва масляного клина и работы в условиях полужидкостного трения, к тому же возникает перекос вала и интенсивный износ уплотнительного кольца. Поскольку зазоры в парах вал — подшипник, подшипник — корпус очень малы и соизмеримы с размерами ячеек масляного фильтра, турбонаддув предъявляет особые требования к чистоте масла и состоянию масляного фильтра.

Долговечность подшипников скольжения, в отличие от подшипников качения, не очень зависит от частоты вращения. Коэффициент трения у правильно рассчитанных и работающих в условиях жидкостной смазки подшипников скольжения равен 0,001-0,005. Однако, при неблагоприятных условиях работы (высокая вязкость масла, высокие скорости, малые зазоры) коэффициент трения достигает 0,1-0,2, что приводит к снижению оборотов турбины, снижению эффективности наддува и повышению нагарообразования из-за ухудшения теплоотвода. Подшипники скольжения надёжно работают при температуре не более 150 градусов Цельсия. При более высоких температурах возникает опасность разрыва масляного слоя в результате разжижения масла. Кроме того, при высоких температурах обычные минеральные масла быстро окисляются и теряют свои смазочные свойства. При полужидкостной смазке непрерывность масляного слоя нарушена, и поверхности вала и подшипника на отдельных участках соприкасаются своими микронеровностями. При граничной системе смазки поверхности вала и подшипников соприкасаются полностью или на участках большой протяженности, разделительный масляный слой вообще отсутствует.

Поэтому, если в дороге в машину пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживёт, а вот турбонаддув — не факт. Приехав, домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.

Самые тяжелые моменты для турбонаддува — это запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нём имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам, нагрев разных деталей турбонаддува и их тепловое расширение идут с разной скоростью, и тепловые зазоры еще не установились. Поэтому не спешите, дайте двигателю и турбонаддуву прогреться.

В процессе работы крыльчатка турбины и вал сильно нагреваются (около 600 градусов для дизеля и около 1000 градусов для бензинового мотора). Пока двигатель вращается, масляный насос создает давление и масло, поступающее для смазки подшипников, снимает нагрев с вала. Но при остановке двигателя останавливается и масляный насос. Давление масла в системе сразу же падает до нуля. Но вал с крыльчатками, который имеет приличный вес и вращается с очень большой скоростью, мгновенно остановиться не может. Теплоотвод прекращается. Возникает полужидкостная смазка, переходящая в граничную. Масляная плёнка, покрывающая детали, разогревается до температуры горения. Идёт интенсивное нагарообразование в районе уплотнительного кольца и несколько меньшее — в районе подшипников и на внутренних поверхностях корпуса турбонаддува. Плюс перегрев, расплавление, схватывание и заедание подшипника, грязное масло, и в результате — интенсивный износ. А допустимый износ подшипников составляет всего 0,03-0,06мм в зависимости от модели турбонаддува.

Никогда не глушите турбодвигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В автомобилях Nissan турбонаддув работает в более напряжённом тепловом режиме, чем, например, Toyota. В этом вопросе значительно помогает турботаймер, автоматически глушащий двигатель через заданное время (водитель в этой время уже запер машину и ушел). Он установлен не на всех автомобилях, но представлен во многих охранных сигнализациях.

Если у вашей машины пошёл интенсивный белый дым из глушителя и упала мощность — турбонаддув надо срочно сдавать в ремонт или менять на новый, потому что в нём изношены подшипники и уплотнительное кольцо около крыльчатки турбины. В результате масло под давлением устремляется в выхлопную трубу, где испаряется и вылетает наружу, создавая дымовую завесу. Расход масла может возрасти до 2-3 литров на 100 км пробега.

Бывает и так, что дымовой завесы нет, но автомобиль не может развить мощность, лампочка «TURBO» не загорается, у дизельных двигателей появляется постоянный чёрный дым под нагрузкой — всё это говорит о том, что скорее всего турбонаддув тоже изношен, и к тому же основательно забит нагаром, поэтому компрессор из-за повышенного сопротивления вращению не развивает рабочих оборотов, а двигателю не хватает воздуха.

VGT, Variable-geometry turbocharger, также VNT, Variable Nozzle Turbine — обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения сечения входного канала. Необходимость такого изменения обусловлена тем, что оптимальное сечение при низких и при высоких оборотах существенно разное. При большом сечении турбокомпрессор плохо работает на низких оборотах, при маленьком — на высоких. Таким образом, изменение сечения позволяет турбине подстраиваться под нагрузку с максимальной эффективностью.

VGT чаще встречаются на дизельных двигателях, т.к. более надежны при относительно низких рабочих температурах, характерных для дизельных двигателей. Конструктивно VGT отличаются наличием кольца из специальных лопастей особой аэродинамической формы. В маломощных двигателях (легковые автомобили, гоночные автомобили и малотоннажные грузовики) сечение регулируется изменением ориентации этих лопастей. В двигателях высокой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом либо перемещаются вдоль оси камеры (VGT со скользящими лопастями). Движение лопастей осуществляется с помощью мембранного вакуумного привода, серво-, гидро- либо пневмопривода.

1. направляющие лопатки;
2. кольцо;
3. рычаг;
4. тяга вакуумного привода;
5. турбинное колесо.

Twin- и Biturbo

Система турбонаддува с двумя турбокомпрессорами. Изначально предназначалась для преодоления инерции системы, т.н. турбоямы. В настоящее время позволяет повышать выходную мощность двигателя и поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов.

Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую.

Twin Turbo – торговое название, синоним — Biturbo. В некоторых источниках под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.

Параллельный Twin Turbo

Включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Поток отработавших газов равномерно разделяется между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам.

Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Смысл такой системы в том, что две маленькие турбины имеют меньшую инерцию, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры эффективно работают в большем диапазоне оборотов двигателя.

Последовательный Twin Turbo

Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).

1. перепускной клапан наддува (bypass);
2. клапан управления подачей воздуха;
3. датчик разности давлений;
4. клапан управления подачей отработавших газов;
5. вторичный турбокомпрессор;
6. интеркулер;
7. первичный турбокомпрессор;
8. перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.

Система последовательного Twin Turbo также минимизирует турбояму. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.

Двухступенчатый турбонаддув

Самой совершенной в техническом плане является система двухступенчатого турбонаддува (с 2004 года применяется на ряде дизельных двигателей Opel). Другой производитель — компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.

Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.

1. охладитель наддувочного воздуха;
2. перепускной клапан наддува (bypass);
3. турбокомпрессор ступени высокого давления;
4. турбокомпрессор ступени низкого давления;
5. перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико, и большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.

С ростом оборотов турбокомпрессоры работают совместно. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все сильнее. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.

При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят в большую турбину, раскручивая ее до максимальных оборотов и обеспечивая максимальное давление наддува. Малая турбина останавливается, т.к. в таких условиях начинает мешать, создает препятствие для воздуха, и через открытый перепускной клапан наддува сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.

Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя и наилучшим образом разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах.

Twincharger

Объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем (т.к. эффективность турбины в этой зоне низкая). С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Устройство турбокомпрессора

Турбокомпаунд

Принцип турбокомпаунда состоит в утилизации дополнительной тепловой энергии выхлопных газов, которая в простых турбо- и атмосферных двигателях буквально вылетает в трубу, посредством еще одной турбины и механического ее привода на коленвал двигателя. КПД обычного грузового турбодизеля большого объема составляет около 44%, еще 21% съедает система охлаждения. Турбокомпаунд частично улавливает энергию тех 35%, которые покидают двигатель вместе с выхлопом. Особенность турбокомпаунда в том, что прибавка момента и мощности двигателя происходит без дополнительного расхода топлива.

Был впервые применен фирмой Scania в 1990 году на дизельном двигателе DTS 11 01 объемом 11 литров.

1. Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700 градусов Цельсия.
2. Выхлопные газы используются для привода традиционного турбокомпрессора, в котором энергия используется для повышения эффективности сгорания топлива и, как следствие, мощности и крутящего момента двигателя. Затем выхлопные газы, вместо того, чтобы впустую уйти в атмосферу, направляются в блок турбокомпаунда.
3. На входе в блок турбокомпаунда выхлопные газы сохраняют высокую температуру (около 600 градусов); их энергия используется для разгона второй турбины примерно до 55000 об/мин. На выходе из этой турбины температура газов снижается приблизительно до 500 градусов, после чего они отводятся через обычную систему выпуска и глушитель.
4. Вращательное движние турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств — механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда.
5. К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.
6. Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным.

Турбинный двигатель на автомобиле: его преимущества и недостатки

Вопросы, рассмотренные в материале:

• В чем отличия турбинных двигателей на автомобиле от обычных
• Какой принцип действия у турбинного двигателя на автомобиле
• В чем преимущества и недостатки турбинного двигателя

Автовладельцы наверняка слышали об автомобилях, комплектация которых предполагает наличие турбированного двигателя. Такие двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют как почитателей, так и противников. В этой статье поговорим о том, в чем заключаются преимущества и недостатки турбинных двигателей на автомобиле.

Особенности турбинного двигателя на автомобиле

Страны, в которых большинство пользуются автомобильным транспортом, ведут активную борьбу за экономию топлива и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу. Благодаря этому турбинные двигатели среднего и малого объема на автомобилях приобретают все больший спрос.

Впервые турбинные ДВС увидели свет в 1905 году, однако легковые автомобили начали комплектоваться такими моторами со второй половины прошлого века. Что это – турбинный двигатель на автомобиле? Турбонаддув представляет собой систему, нагнетающую в цилиндры атмосферного двигателя дополнительный воздух, что увеличивает среднее эффективное давление в цилиндрах. За счет этого повышается мощность ДВС, при этом его конструкция остается неизменной.

Функционирование мотора с турбонаддувом обеспечивается благодаря приводному нагнетателю, который пользуется энергией отработанных газов. Газы заставляют вращаться колесо турбины, а она, в свою очередь, используя роторный вал, приводит в движение колесо компрессора. Нагреваемый воздух сжимается колесом, а затем поступает в интеркулер, где охлаждается, после чего направляется в цилиндры.

Существует мнение, что благодаря турбинным двигателям автомобили отличаются экономичностью в городском цикле (об этом говорят производители) в сочетании со значительной пиковой мощностью при достижении максимальных оборотов (об этом также пишут автомобильные компании). В связи с этим автопроизводители начали укомплектовывать выпускаемые автомобили этим типом ДВС, поскольку данное решение позволяет соблюдать ужесточающиеся экологические стандарты и при этом сохраняет привычный уровень мощности, а в ряде случаев предлагает даже более высокий.

В настоящее время турбинными двигателями оснащаются различные типы автомобилей, их можно встретить в спорткарах, кроссоверах, внедорожниках и пикапах.

Турбинные двигатели для автомобилей совершили прорыв в современном производстве силовых агрегатов. Задача их создателей заключалась в увеличении мощности ДВС при сохранении прежнего объема. А поскольку турбинами предполагалось комплектовать автомобили массового сегмента, они должны были обладать высокой надежностью.

Для направления тепловоздушной смеси в камеру сгорания в турбодвижке используется давление. Это позволяет увеличить крутящий момент и мощность мотора в целом. Турбиной оснащаются двигатели небольшого объема, использующие малое количество топлива, которые должны отвечать строгим стандартам экологичности. В этих ДВС турбина включается в работу за счет остающейся в выхлопных газах остаточной энергии. Газы приводят к образованию принудительного давления в цилиндрах, в которых топливовоздушная смесь готовится к последующей работе.

Рекомендуем

Изначально турбинами оснащались дизельные автомобили, так как конструктивные особенности турбонаддува при установке на бензиновый силовой агрегат приводили к снижению надежности мотора и увеличению стоимости. Позднее турбины претерпели конструктивные изменения, позволившие устанавливать их также и на бензиновые ДВС большинства авто, выпускаемых массово.

Принцип работы турбинного двигателя на автомобиле

В зависимости от устройства и принципа действия ДВС бывают:

• атмосферными;
• турбированными.

Разница между ними заключается в том, что в систему турбонаддува входит компрессор, интеркулер, регулятор давления наддува и пр. Основным элементом является турбокомпрессор, который отвечает за повышение давления в системе впуска воздуха. Интеркулер необходим для охлаждения воздуха и увеличения его плотности.

Система находится под управлением регулятора наддува – перепускного клапана, который контролирует давление газов. Ограничивая их количество, клапан создает оптимальное давление в системе.

Турбокомпрессор функционирует следующим образом:

• Пройдя сквозь воздушный фильтр, воздух достигает входного отверстия.
• Воздух сжимается, процент содержания в нем кислорода повышается; за счет нагрева воздуха уменьшается его плотность.
• Воздушная масса выходит из турбинного компрессора, попадает в интеркулер, где охлаждается.
• Через дроссель и впускной коллектор сжатый воздух попадает в цилиндры двигателя.
• Часть образовавшихся при работе двигателя выхлопных газов подается турбиной обратно в коллектор турбины; за счет этого воздушного потока приводится в движение вал, на одном из концов которого находится компрессор.
• После этого воздух начинает повторно сжиматься.

Бензиновые и дизельные турбинные двигатели на автомобилях практически идентичны, разница заключается только в уровне наддува. Для дизельных ДВС необходимо большее давление, в связи с этим они комплектуются более мощными нагнетателями воздуха. Бензиновым двигателям достаточно нагнетателей меньшей мощности, поскольку излишнее давление в камере сгорания может привести к детонации.

1. Бензиновый турбинный двигатель на автомобиле представляет собой ДВС с искусственно увеличенным благодаря турбине уровнем сжатия воздуха в камерах. За счет повышения этого параметра увеличивается мощность мотора и ряд других характеристик.

Создав самый первый силовой агрегат, инженеры начали попытки увеличения его мощности без значительного изменения объема мотора. Казалось бы, решить эту задачу очень просто, позволив ДВС более эффективно «дышать». Дополнительный объем воздуха, поступающий в цилиндры принудительно, под давлением, способен улучшить параметры сгорания топливовоздушной смеси.

За счет большего объема воздуха топливо может прогорать полностью, тем самым повышая мощность. Однако внедрение новых технологий происходило медленно. Изначально турбокомпрессоры устанавливались только на большие двигатели кораблей и авиации.

Преимущества и недостатки турбинных двигателей

Владельцы автомобилей с турбинными двигателями говорят о следующих преимуществах турбины:

1. Дополнительная бесплатная мощность двигателя автомобиля. Считается, что благодаря турбине на выхлопном коллекторе ДВС возникает добавочная энергия, вращающая аналогичную турбину на впуске. Таким образом, выхлопные газы используются в качестве бесплатного источника энергии для нагнетателя.

Впрочем, назвать эту теорию бесспорной нельзя, поскольку выпуск обладает так называемым сопротивлением. Инженеры на протяжении десятков лет работали над тем, чтобы снизить это сопротивление, поскольку в противном случае мощность двигателя не увеличится.

Для этого система комплектуется специальным генерирующим устройством, существенно уменьшающим выходное сопротивление. Соответственно, считать, что энергия, используемая турбонаддувом, является бесплатной, нельзя. Скорее ее можно считать дешевой.

Рекомендуем

Технически процесс достаточно прост. Нагнетатель является устройством, конструкция которого включает в себя два колеса – компрессорное и турбинное. Колесо турбины начинает вращаться за счет выхлопных газов, а затем приводит в движение компрессорное колесо, служащее для сжатия воздуха.

Компрессор взаимодействует с системой охлаждения автомобиля, так как в процессе эксплуатации он сильно нагревается. Для регулирования силы наддува используется перепускной клапан. При необходимости снизить давление внутри системы часть выхлопных газов пускается в обход турбины.

Автомобили с турбинным двигателем являются более экономичными, они потребляют в несколько раз меньше топлива, чем требуется авто с атмосферными моторами аналогичной мощности. Объяснить это можно тем, что один ход поршня в цилиндре турбинного силового агрегата за счет полного сгорания топлива расходует меньшее количество горючего. То есть мощность возрастает за счет насыщения топливовоздушной смеси дополнительным объемом воздуха.

Рассуждая о том, плохо или хорошо иметь автомобиль с турбинным двигателем, отметим и недостатки такого мотора:

1. Зависимость работы турбины от оборотов. При разгоне авто на малых оборотах двигателя турбина не запустится, активного увеличения скорости не произойдет. Динамика разгона будет даже меньше, чем у ТС с обычными атмосферными моторами. На малых оборотах энергия выхлопных газов невелика, следовательно, вращение турбины нагнетателя будет слабым, а давление в камере сгорания – минимальным. Эффект от использования турбинного двигателя возникает лишь при высоких оборотах силового агрегата.
2. Процесс нагнетания воздуха происходит достаточно медленно. Создание необходимого давления на впуске требует определенного количества времени. Благодаря работе инженеров, занятых решением этой проблемы, интервал в работе нагнетателя стал несколько меньше.
3. Если комплектация авто предусматривает АКПП или вариатор, то при разгоне трансмиссия может автоматически перейти на более низкую передачу, уменьшая негативные последствия от инертности нагнетателя.

На сегодняшний день справиться с проблемой инертности турбинного двигателя на автомобиле можно за счет:

• битурбонаддува (двойного наддува);
• турбины с адаптивной геометрией;
• комбинированного наддува.

Двойной турбонаддув предполагает использование двух небольших турбин, работающих в итоге быстрее по сравнению с одной, но большей по размеру. На каждую турбину приходится равное число цилиндров двигателя. В качестве аналогии можно рассмотреть несколько компрессоров, начинающих работать в своем режиме при разных оборотах ДВС.

Турбина с адаптивной геометрией за счет изменения размера впускного канала может регулировать силу потока выхлопных газов, тем самым увеличивая эффективность работы турбинного двигателя автомобиля.

Конструкция комбинированного наддува включает турбокомпрессор и механический нагнетатель. При работе двигателя на малых оборотах давление создается за счет нагнетателя, но при увеличении оборотов до определенной величины включается турбинный компрессор.

Ранее отмечалось, что из-за сжатия воздуха температура в системе существенно возрастает, что отрицательно сказывается на ДВС. Чтобы избежать негативных последствий, используется дополнительное охлаждение, расходующее часть энергии.

Хотя у турбинного двигателя на автомобиле и есть определенные недостатки, все же он отлично повышает мощность, эффективность и экономичность силового агрегата. К тому же, специалисты полагают, что существуют дополнительные возможности усовершенствования турбомоторов.

Считается, что более простые двигатели являются более надежными. Исходя из этой логики, атмосферные ДВС должны быть более долговечными вследствие своей большей простоты. У турбинных двигателей на автомобилях больше элементов, соответственно, они имеют более сложное строение. Несмотря на их достаточно высокую надежность, в случае возникновения проблем с мотором затраты на его ремонт будут выше из-за более сложной конструкции.

Высокие нагрузки могут ускорить износ ряда узлов ДВС, что, соответственно, приведет к сокращению срока службы силового агрегата в целом. Сама турбина также подвергается повышенным нагрузкам: высокая скорость вращения лопаток, большой нагрев – все это способно привести к выходу ее из строя спустя 100–150 тыс. км. Конечно, не последнее значение имеют используемые смазочные материалы, топливо, качество самой турбины и т. п. Ну и стоимость турбокомпрессоров достаточно высока.

Отзывы водителей о турбинных двигателях

А что говорят водители о турбомоторах? Обратимся к отзывам автовладельцев о турбинных двигателях на автомобиле.

1. Расход топлива не отличается

– Турбина – отличная вещь, обычно включается, когда обороты поднимаются до 3 000. Значит, если сильно не разгоняться, то охлаждение не нужно, да и расход топлива будет таким же, как у обычного мотора.

Турбины живут долго при аккуратном уходе

– Нормальный уход и своевременная замена масла в двигателе – залог длительной службы классических турбин даже на бензиновых ДВС, они вполне смогут пройти 1,5–2 сотни тысяч и даже больше. Стоят турбины от 20 до 60 тыс. рублей, к тому же можно выбрать новую, б/у или китайский аналог. Чаще всего поломки не касаются механики турбины. На новых аппаратах ставят актуаторы управления, вот они из-за жестких условий эксплуатации чаще всего и выходят из строя.

Как долго турбина будет работать, зависит от условий эксплуатации автомобиля. Если она поломалась, отремонтировать чаще всего возможно, однако стоить это будет весьма недешево.

Рекомендуем

– Дизельные автомобили все должны быть с турбинными двигателями. Их легко тюнинговать, а работают они долго. Современные авто с турбомоторами разгоняются, конечно, очень быстро, даже если литраж маленький. Проблема одна – греются плохо и сами, и салон прогревают тоже неважно. У меня был 1,4 TSI – зимой не жарко было.

Низкие обороты турбине не страшны

– Современные автомобили с турбинными двигателями не предполагают каких-то особых условий эксплуатации. Раньше нельзя было сразу глушить машину, нужно было дать турбине остыть. Низких оборотов турбина не боится. Хотя сейчас моторы усовершенствованы и системы охлаждения на современные ДВС ставят инновационные, долго с включенной турбиной ездить не стоит, ресурс турбонагнетателя снижается.

Из-за резких ускорений и торможений турбина не страдает, поскольку у современных узлов есть клапаны сброса давления, которые ограничивают подачу воздуха и предотвращают детонацию, а также перепускной клапан, который поддерживает постоянное вращение компрессорного колеса, чтобы избежать эффекта турбоямы, оставив последующий быстрый отклик.

Не жмите газ для быстрого прогрева

– Пока двигатель не прогреется хотя бы до +50…+60 °С, не стоит его сильно нагружать. А вот когда прогреется, зазоры тепловые достигают заданных параметров, смазка и масло моторное тоже прогреваются. В общем, только заведя машину, не стоит сразу жать на газ, чтобы она быстрее прогрелась. В таком случае отработанные газы (а они горячие) начнут воздействовать на турбину, а из-за того, что масло недостаточно прогрето, оно хуже циркулирует в системе, что в итоге приводит к перегреву и повышенному износу турбины.

Глушить машину сразу после динамичной поездки не стоит

– Не надо глушить автомобиль с турбинным двигателем сразу после поездки, если во время езды вы активно использовали турбину, разогревая ее до сотен градусов. Если во время езды турбина подвергалась высоким нагрузкам, то пусть мотор 3–5 минут поработает на холостых оборотах. В этом случае работает масляный насос, масло циркулирует, отводит тепло и разводит смазку по турбине, которая по инерции вращается.

Эксплуатация ДВС на высоких оборотах приводит к тому, что турбокомпрессор совершает 100, а то и 250 тыс. оборотов в минуту. Если сразу двигатель выключить, то из-за перепада температуры в турбине, она быстрее из строя выйдет. Жар от турбины попадает в корпус подшипника, от этого карбонизируется масло, появляются отложения в системе подшипников, вал турбины повреждается. Но если эксплуатировать автомобиль в спокойном режиме, в городе в том числе, то никаких ограничений по времени выключения двигателя нет.

Источник Источник Источник http://fastmb.ru/auto_shem/1762-turbonadduv-princip-deystviya-dostoinstva-i-nedostatki.html
Источник http://seite1.ru/zapchasti/turbonadduv-opisanieprincip-rabotyustrojstvofoto/.html
Источник Источник http://rad-star.ru/pressroom/articles/turbinnyj-dvigatel-na-avto/