Принцип работы турбированного бензинового двигателя

Принцип работы турбины на бензиновом двигателе

Принцип работы турбины на бензиновом двигателе

Количество выпускаемых автомобилей с турбированными двигателями постоянно растет, поскольку подобные авто пользуются спросом на рынке. Однако далеко не все автовладельцы знают, как работает турбина на бензиновом двигателе, хотя и проявляют интерес к этой тематике. Дело тут вовсе не в лени, а в чрезмерно сложной подаче материала, делающей его недоступным для понимания большинства автомобилистов.

Турбина позволяет увеличить мощность небольшого по объему мотора без вреда для него и без увеличения расхода горючего.

Устройство турбонаддува

Турбина двигателя, работающего на бензине, состоит из таких элементов:

  1. Корпус подшипников, размещающий в себе ротор с валом и кольцами с лопастями. Вращаясь, они перенаправляют воздух в цилиндры.
  2. Каналы, проходящие через весь корпус. Их функция заключается в доставке масла к вращающимся и трущимся друг о друга элементам, что способствует увеличению срока их службы.
  3. Подшипник скольжения, гарантирующий плавную работу ротора, смазываемого и охлаждаемого маслом.
  4. Корпус, по форме чем-то напоминающий улитку, защищающий составные элементы механизма от механических повреждений.

Эксплуатация турбины

Устройство турбокомпрессора делает его зависимым от качества масла, поэтому пытаться сэкономить на нем не стоит. Несвоевременная смена масла может стать причиной нарушений в работе механизма. Смешивать разные масла нельзя.

После продолжительной поездки не рекомендуется сразу глушить двигатель. Резкое выключение может сказать на снижении прочности элементов конструкции, вызванном перепадом температуры.

Турбированный мотор: достоинства и недостатки

  • увеличение мощности до 30% и уменьшении расхода топлива (турбомотор будет потреблять меньше горючего, нежели ДВС аналогичной мощности, но без турбины);
  • уменьшение загрязнения окружающей среды;
  • лучшее соотношение веса агрегата к развиваемой мощности;
  • тихая работа механизма;
  • возможность оптимизировать другие параметры двигателя.
  • требовательность к качеству масла и бензина, что в конечном итоге повышает расходы на эксплуатацию авто;
  • сложный ремонт, требующий применения специального оборудования, выполнить который своими силами маловероятно.

Принцип работы турбины: видео

Где используется

Сдерживающим фактором применения турбины на бензиновых моторах является высокая степень детонации.

Она связана с увеличением частоты вращения ДВС и огромной температурой выхлопных газов (до тысячи градусов).

Ввиду этого часто используется турбина на дизельном двигателе. Здесь меньший риск детонации, а температура газов не превышает 600 градусов.

Особенно часто компрессоры встречаются на коммерческом транспорте.

Недостатки

Для работы с турбиной двигателю нужна более крепкая поршневая система и блок. Это влечет за собой дополнительные расходы.

Среди недостатков можно отметить так называемую турбояму (когда мотор не может набрать обороты за нужное время). Причиной данного явления является инерционность компрессора.

Конструкция

  • Центральный корпус;
  • Центробежный компрессор;
  • Улитка.

В конструкцию последней входит турбинное и компрессорное колеса, вал ротора, подшипники скольжения и уплотнительные кольца.

Все это заключено в крепкий металлический термостойкий корпус.

Вспомогательные элементы

Работа турбины невозможна без использования воздушного фильтра, соединительных и масляных шлангов, дроссельной заслонки и интеркулера для охлаждения кислорода, нагнетающегося в камеру под давлением. Чем холоднее воздух в интеркулере, тем лучше сгорает смесь в цилиндрах.

Как работает

Во время работы ДВС вырабатываются выхлопные газы. Они поступают в корпус (горячую часть улитки), где двигаются по лопаткам турбинного колеса. Последнее раскручивается до невероятных скоростей – 100 и более тысяч оборотов в минуту.

Поскольку турбинное колесо жестко соединено с валом, крутящий момент передается на вторую холодную часть турбины.

Та, в свою очередь, начинает захватывать кислород из атмосферы. Он проникает внутрь после того, как пройдет через фильтр.

Далее воздух под давлением попадает во впускной коллектор, где смешивается с топливом и проникает в камеру сгорания.

В качестве материалов для корпуса турбины используются жаропрочные марки стали и железоникелевый сплав.

Чем больше диаметр компрессора, тем больше воздуха засасывается во впускной коллектор.

Но нельзя постоянно увеличивать размеры компрессора. Это может привести к турбозадержке.

Система смазки

Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением.

Эта система также охлаждает нагретые детали компрессора.

На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Но такая конструкция значительно сложнее и дороже в производстве.

Типы турбин

  • Раздельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Сделано это для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
  • Компрессор с переменным соплом. Также он известен, как турбина с изменяемой геометрией. Применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора.

Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно. Первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких.

На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Принцип работы турбины на бензиновом двигателе, ее преимущества и недостатки

01 декабря 2016 Категория: Устройство автомобиля

Задача увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания волновала инженеров и конструкторов с самого момента изобретения ДВС. И кстати они неплохо преуспели в этом деле.

На сегодняшний день современные двигатели внутреннего сгорания значительно превосходят своих первых прототипов. Если говорить конкретно об увеличении производительности бензинового двигателя (атмосферного), то есть три основных пути его развития:

  1. Увеличить объем двигателя. Каким образом это можно осуществить? Первый вариант это увеличить объем цилиндров, второй – увеличить их количество. Однако подобный способ имеет ряд существенных недостатков, таких как повышенный расход бензина, увеличение размеров, а также веса двигателя.
  2. Повысить количество оборотов коленвала за единицу времени. Такое весьма сложно реализуется из-за конструкции самого двигателя. Более того такой вид тюнинга не лучшим образом скажется на общей производительности движка из-за потерь при впуске и прочих операциях (о том, что такое чип-тюнинг, его плюсах и минусах можете узнать, перейдя по данной ссылке).
  3. При помощи улучшения показателей сгораемости топливной смеси. Для осуществления, казалось бы, нужно лишь добиться более эффективной подачи воздуха в цилиндры. Что реализуется при помощи турбины, которая и позволяет увеличить давление воздуха, поступающего в камеру сгорания. Эта модернизация, в свою очередь, и позволяет обеспечить лучшее сгорание топливной смеси в цилиндрах и значительно повысить мощность движка.

В этой статье мы рассмотрим принцип работы турбины на бензиновом двигателе. Также расскажем о плюсах и минусах использования турбокомпрессора в двигателях внутреннего сгорания.

Устройство и принцип работы турбины на бензиновом двигателе

По сути, принцип работы всех нагнетателей прост, а в некоторых местах примерно одинаков. Во всех системах при помощи специального компрессора воздух под давлением подается в двигатель автомобиля.

В свою очередь стоит различать два абсолютно разных типа нагнетателей воздуха в двигатель автомобиля:

  1. Первый тип – это турбины, которые используют энергию отработанных газов для повышения давления в цилиндрах.
  2. Второй тип – это механические компрессоры с приводом от самого двигателя.

Как правило, давление, нагнетаемое компрессором, не превышает 80 процентов от стандартной схемы заполнения камеры сгорания, которая осуществляется в атмосферном двигателе вследствие разряженности, возникающей в цилиндре.

Устройство турбинного нагнетателя зависит от его типа. Разные конструкции могут отличаться между собой. Тем не менее, основные детали турбины зачастую одни и те же:

  • Крыльчатка с лопастями;
  • Турбинные и компрессорные колеса;
  • Вал;
  • Клапан, управляющий потоком выхлопных газов;
  • Сам корпус и патрубки.

Принцип работы турбины на бензиновом двигателе, которая работает благодаря энергии отработавших газов, прост:

  1. Газы поступают в турбину, под их давлением раскручивается ротор.
  2. Колесо компрессора, находясь на том же валу, что и ротор, вращаясь вместе с ним, засасывает воздух из атмосферы и подает его в камеры сгорания мотора.
  3. Отработавшие газы после того, как раскрутили ротор, выходят через патрубок в глушитель.

В зависимости от используемого компрессора, турбинный нагнетатель может увеличить давление воздуха в цилиндре на величину от 20 до 85 процентов! При этом мощность двигателя возрастает на 10-55 процентов.

В свою очередь, если на автомобиле стоит компрессор, который работает не за счет энергии газов, а благодаря механическому приводу с коленвалом, то в таких системах часть мощности двигателя затрачивается на то, чтобы обеспечить работу нагнетателя. Как следствие, падает мощность, передаваемая на колеса, а также повышается расход топлива. Другими словами эффективность такой установки ниже, хотя и в ней есть свои плюсы, но эта статья не о них.

В остальном же, принцип работы компрессора на бензиновом двигателе схож с предыдущим вариантом:

  • Раскручиваясь посредством зацепления с коленчатым валом, чаще всего с помощью ремня, колесо компрессора подает воздух в двигатель.

Таким образом, получается увеличить количество подаваемого воздуха в мотор примерно до 50%.

Важно отметить, что в конструкции, как турбины, так и компрессорного нагнетателя присутствует такой элемент как интеркулер. Его предназначение – принудительное охлаждение воздуха.

Дело в том, что при нагревании плотность воздуха падает, а при сдавливании он может разогреваться до 170-190 градусов. Поэтому в систему был добавлен специальный радиатор, который его охлаждает и не позволяет снижать показатели наполнения цилиндров воздухом.

Читайте также  Капитальный ремонт двигателя что в себя включает?

Преимущества и недостатки турбины на бензиновом двигателе

Преимущества использования турбинных нагнетателей:

  • Главное преимущество заключается собственно в том, ради чего их и ставят – сравнительное увеличение мощности ДВС. То есть при одном и том же рабочем объеме силовой агрегат, оборудованный турбокомпрессором, выдает больше мощности, чем двигатель без него.
  • Также несомненным плюсом является значительное снижение количества выбрасываемых в атмосферу вредных веществ (опять же по сравнению с атмосферным двигателем, развивающим такую же мощность).
  • Дополнительным плюсом использования турбины является то, что она позволяет максимально оптимизировать другие характеристики двигателя, что дает возможность, к примеру, снизить частоту переключения передач при езде по городу или холмистой местности.

Основные недостатки применения турбины:

  • Для того чтобы из-за высоких показателей сгораемости в цилиндре не происходила фактическая детонация топливовоздушной смеси, приходится на несколько единиц снижать степень сжатия.
  • Также значительно возрастают требования, предъявляемые к характеристикам используемого бензина. Ведь для турбированных двигателей подходят лишь те марки, которые обладают наиболее высоким октановым числом.
  • В турбодвигателях не допускается применение масел, рассчитанных на атмосферные двигатели. Более того масло для турбированных моторов должно быть самого наилучшего качества.
  • В дополнение к вышеописанным недостаткам, к элементам конструкции турбины пришлось добавить интеркулер, который принудительно охлаждает воздух для достижения максимальной плотности воздуха.

Однако же все вышеперечисленные недостатки никак не сказываются на популярности применения турбин на двигателях по всему миру. Более того с каждым годом их спрос лишь увеличивается. Не исключено, что в будущем атмосферные ДВС станут редкостью.

Это все что мы хотели сказать сегодня в нашей статье. Теперь вы должны понимать принцип работы турбины на бензиновом двигателе, а также знать достоинства и недостатки этих систем. Надеемся, что данный материал был для вас полезным.

Для более детального ознакомления с этой темой можно посмотреть полезное видео, которое особенно будет полезно для начинающих автолюбителей, принцип работы турбины автомобиля:

Что такое турбированный двигатель

Современные тенденции автопроизводителей сделали ставку на компактный турбированный двигатель. Это дало ряд преимуществ, среди которых компактность, экономичность, экологичность и максимальный КПД при малых объемах.

Основные отличия турбированного двигателя от атмосферного

Если атмосферный двигатель подразумевает впуск воздуха посредством разряжения, созданным поршнем, то с турбированным мотором все иначе. Для максимально эффективного сгорания топлива необходимо большое количество воздуха, чего невозможно добиться от атмосферника, поэтому нужно было воздух, в большом объеме, «затолкать».

В атмосферном силовом агрегате крутящий момент и мощность во многом зависит от объема цилиндров, что и стало основным отличием от турбомоторов.

Особенности турбированных двигателей

Принцип работы турбины состоит в принудительном нагнетании воздуха под давлением в цилиндры. Такое действие позволяет увеличить рабочий объем камеры сгорания за счет сильного сжатия, поэтому при равном объеме двигателя, разница в мощности между атмосферником и турбомотором колоссальная.

Главные предпосылки появления турбированных моторов:

  • Невозможность существенного увеличения мощности без увеличения объема и количества цилиндров (отсюда мы имеем агрегаты V8 и V12)
  • «Выжимание» максимальной мощности с помощью уменьшения камеры сгорания увеличивает степень сжатия, а значит работа двигателя без детонации невозможна. Детонация разрушает поршни.
  • Любые манипуляции по увеличению мощности атмосферника увеличивают расход топлива, а также делают невозможным комфортную эксплуатацию во всем диапазоне оборотов двигателя.

Изначально в массовое производство был запущен дизельный турбированный двигатель — такие моторы «наматывали» миллионы километров без особых проблем. В 80-х годах прошлого века среди легковых автомобилей начали появляться бензиновые турбоагрегаты.

Стоимость таких автомобилей существенно отличалась от обычных. До 90-х годов широко использовались механические нагнетатели, приводящиеся в движение через ремень от коленвала. Конструкция довольно проста и надежна, о чем свидетельствует яркий пример в лице двигателя Mercedes-Benz M111 E23 Compressor.

Позднее решено было переходить на турбокомпрессор, работающий от выхлопных газов, так как механический нагнетатель забирал значительную мощность на раскручивание лопастей.

Как работает турбина

Турбина состоит из двух частей:

  1. Холодная – всасывает и раскручивает впускной воздух,
  2. Горячая – раскручивается воздух посредством движения выхлопных газов.

В турбине установлен картридж с лопастями, которые от движения воздуха раскручиваются вплоть до 150 000 оборотов в минуту, создавая давление. Вращаются лопасти на подшипниках, а за смазывание и охлаждение отвечает подача масла с двигателя.

Так как при резком повышении давления воздух сильно нагревается, был изобретен интеркуллер, охлаждающий воздух до нужной температуры.

Во впускной магистрали установлен клапан, отвечающий за сброс избыточного давления впускного воздуха (Blow off), а также вестгейт, ограничивающий количество отработанных газов, попадающих в турбину, что позволяет избежать резкого роста повышения оборотов крыльчатки (простыми словами-ограничитель).

Работа турбины крайне проста: в горячую часть турбины попадают отработанные газы и раскручивают крыльчатку. В холодной части раскрученная крыльчатка всасывает большое количество воздуха, который проходит через интеркулер, и в охлажденном состоянии попадает в цилиндры. После того, как отработанные газы раскрутили турбину, они идут далее по выпускной магистрали.

Турбированный двигатель, плюсы и минусы

Сначала о преимуществах:

  1. Возможность с малого объема “выжать” большую мощность, зачастую это 100 л.с. на каждый литр объема.
  2. Крутящий момент уже с холостых оборотов дает уверенную тягу, но только в случае, если турбина маленькая, она раскручивается быстрее.
  3. Диапазон крутящего момента широкий.
  4. Расход топлива, при одинаковой мощности с атмосферным моторов, явно ниже.
  5. Возможность увеличивать мощность с помощью прошивки на 20-30% без вреда ресурсу и комфорту движения.
  1. Ресурс турбины современных авто едва достигает 100 тыс.км.
  2. Возникновение «турбоямы», процесса между провалом и резким набором скорости из-за ожидания раскрутки турбины.
  3. Стоимость ремонта дороже, обслуживать двигатель нужно чаще.
  4. Возрастает потребность в качественном масле и топливе.

Отличие от механического нагнетателя

Приводной нагнетатель широко используется на американских автомобилях с V-образными «восьмерками». Явной потери мощности не ощущается в силу большого объема, зато компрессор уже с холостых оборотов обеспечивает стабильный крутящий момент. К тому же, конструктивно приводной компрессор удобнее и дешевле, чем установка двух турбин.

Турбина, работающая от выхлопных газов, значительно повышает КПД, а его сопротивление приравнивается к 0, так как используется энергия отработанных газов.

У приводного компрессора есть два недостатка: повышенный шум работы и потери мощности на раскручивание.

Основной проблемой турбированного двигателя является незнание правильного ухода и обслуживания таких агрегатов. Турбомоторы требуют более частого внимания, в таком случае дорогой ремонт турбины можно отсрочить на долгие годы.

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.

  1. Устройство системы турбонаддува
  2. Принцип работы турбонаддува
  3. Особенности эксплуатации турбированных двигателей
  4. Виды систем турбонаддува
  5. Что такое турботаймер и для чего он необходим
  6. Достоинства и недостатки системы турбонаддува

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.

Принцип 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

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.
Читайте также  Двигатель к701 технические характеристики

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

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.

Что такое турбонаддув

Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.

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? нас и поджидают проблемы.

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 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 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?

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.

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.

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 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.

, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, , 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.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 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 (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 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 получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Читайте также  Нижнеклапанный двигатель плюсы и минусы

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.

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».

DenWRX › Блог › ЧТО ТАКОЕ ТУРБИНА И КАК РАБОТАЕТ ТУРБО МОТОР Часть 1.

Основы турбо-наддува. Часть 1.

Основные принципы работы турбо двигателя.

Как известно, мощность двигателя пропорциональна количеству топливо-воздушной смеси попадающей в цилиндры. При прочих равных, двигатель большего объема пропустит через себя больше воздуха и, соответственно, выдаст больше мощности, чем двигатель меньшего объема. Если нам требуется что бы маленький двигатель выдавал мощности как большой или мы просто хотим что бы большой выдавал еще больше мощности, нашей основной задачей станет поместить больше воздуха в цилиндры этого двигателя. Естественно, мы можем доработать головку блока и установить спортивные распредвалы, уеличив продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах. Мы даже можем оставить количество воздуха прежним, но поднять степень сжатия нашего мотора и перейти на более высокий октан топлива, тем самым подняв КПД системы. Все эти способы действенны и работают в случае когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора.

Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взгянем на приведенную ниже диаграмму:

Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:

— воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора (1)
— внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
— Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер (3) где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливо-воздушной смеси.
— После прохождения интеркулера воздух проходит через дросеель, попадает во впускной коллектор (4) и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.
Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
— После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллекторе (5) где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину (6)
— Проходя через турбину поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор и тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работу компрессора через вал турбины.

Ниже приведена схема внутреннего устройства турбокомпрессора:

В зависимоти от конкретного мотора и его компоновки под капотом, турбокомпрессор может иметь дополнительные встроенные элементы, такие как Wastegate и Blow-Off. Рассмотрим их подробнее:

Blow-off
Блоуофф (перепускной клапан) это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью недопустить выход компрессора на режим surge. В моменты когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, при этом турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, в виду значительной наргрузки на них в этих переходных режимах. БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины что бы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу, возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.

Wastegate:
Представляет собой механический клапан устанавленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельние моторы используют турбины без вейстгейтов. Тем не менее подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия. Основной задачей вейстгейта является обеспечивать выхлопным газам возможность выхода из системы в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии газов которое уходит через вал на компрессор и тем самым управляем давлением наддува, создаваемое компрессором. Как правило вейстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины что бы контролировать обходной поток выхлопных газов.
Встроенный вейстгейт состоит из заслонки встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора и тяги от актуатора к заслонке.
Внешний гейт представляет собой клапан устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу на спортивных автомобилях. Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину в виду отсутствия разнонаправленных потоков в компактном объеме турбинного хаузинга.

Водяное и маслянное обеспечение:
Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка маслянного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована если давление масла в вашей системе привышает 4 атм. Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно что бы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз.
Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла.
Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды. Желательно так же обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а так же несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.

Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбо-мотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность. Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливо-воздушной смеси которая через него проходит за единицу времени, опредлив целевую мощность мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха.

Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя на которых это происходит. Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выход турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.
Втулочные турбины были самыми распространенными в течении долгого времени, тем не менее новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях.
Отзывчивость турбины на дроссель очень зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику.
Шарикоподшипниковые турбины так же требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки пошипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Так же такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.