Автомобильные турбокомпрессоры являются ключевым компонентом для увеличения мощности любого автомобиля. В последние годы все больше новых автомобилей стали оснащаться турбинами. Благодаря турбокомпрессорам автопроизводители не только повышают мощность автомобилям, но и делает их выхлоп экологически чище. К сожалению, помимо плюсов, есть и минусы при использовании автомобильных турбин. Главный минус- это турбокомпрессора. К счастью, существуют некоторые рекомендации, которые позволяют увеличить срок службы компонентов турбонаддува. Предлагаем вам узнать, как работают турбокомпрессоры в современных автомобилях, а также узнать, как вы можете предотвратить преждевременный выход турбины из строя.
Приобретая в наши дни новый автомобиль, скорее всего, он будет оснащен турбированным двигателем, благодаря чему транспортное средство имеет неплохую мощность, низкий расход топлива и более чистый выхлоп. Давайте подробнее узнаем, что же такое турбокомпрессор, а также узнаем самые важные факты о нем. В том числе, мы расскажем о самых частых дефектах и поломках автомобильных турбин.
На сегодняшнем рынке пока не все автомобили оснащаются турбинами. Но уже через несколько лет купить машину без турбированного мотора у вас вряд ли получится. Причем это касается не только бензиновых моделей автомобилей. Дело в том, что турбиной оснащаются, в том числе, и дизельные двигатели.
Так что турбокомпрессоры в наши дни стали неотъемлемой частью большинства современных автомобилей. Но, несмотря на то, что турбированные двигатели стали очень популярны несколько лет назад, технология двигателей, оснащенных турбокомпрессорами, появилась уже более 100 лет назад.
В 1905 году Швейцарский изобретатель Альфред Бучи изобрел систему нагнетания, которая работала от выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания. Смысл этого изобретения прост и основан на принципе работы лопастей ветряной мельницы, которые вращаются потоком ветра. Только вместо ветра в изобретении Альфреда использовался выхлоп отработанных газов силового агрегата, который и вращал лопасти.
К сожалению, в те годы Альфреду удалось получить только патент на изобретение. Увы, построить партию опытных образцов у изобретателя не было возможности.
В 1913 Французский профессор Огюст Рато впервые в мире оснастил самолет турбокомпрессором, основанным на изобретении Бучи.
В 1915 году Альфред Бучи построил прототип корабля, оснащенного дизельным двигателем с турбиной.
Позднее, турбокомпрессоры , где перевернули представление о мощности автомобилей.
Недавно автопроизводители вспомнили о технологиях турбированных моторов, которые намного эффективнее обычных двигателей. В первую очередь автомобильные компании стали оснащать турбокомпрессорами дизельные маломощные двигатели. В итоге, благодаря турбонаддуву многие современные дизельные моторы по мощности приблизились к бензиновым силовым агрегатам.
В итоге сегодня турбомоторы стали незаменимыми для автопроизводителей, которые вынуждены подстраиваться под новые экологические нормы, которые действуют в США и Европе. Благодаря использованию турбокомпрессоров, современные автомобили стали намного экономичнее, мощнее, а также имеют низкий уровень вредных веществ в выхлопе.
В конечном итоге все современные автомобили в наши дни, выпускаемые в автопромышленности, являются самыми экологическими чистыми за всю историю автомира.
Функция турбины, настройка и ее дефекты
Функция турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличивать выходную . Благодаря турбине производители могут уменьшать количество рабочих цилиндров в двигателе без снижения мощности и крутящего момента.
Например, только трехцилиндровый 1,0 литровый турбомотор может выдавать мощность в 90 л.с. Добиться такой же производительности обычный бензиновый трехцилиндровый мотор без дорогостоящих модификаций не сможет ни один автопроизводитель.
Также 1,0 литровый имеет более низкий расход топлива и небольшой уровень выхлопных газов СО2.
Именно поэтому турбированные моторы стали очень распространенными в малолитражных бензиновых автомобилях за последние несколько лет.
Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.
В большинстве случаев работа современных турбокомпрессоров основана на тех же принципах, которые создал Швейцарский изобретатель Альфред Бучи. То есть большинство турбин в современных автомобилях работают от давления, образующего от выхлопных газах в камере сгорания двигателя.
Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя. Например, подобная турбо технология используется в дизельном 4,0 литровом моторе , который устанавливается на .
Эксплуатация и техническое обслуживание автомобильных турбин
С каждым годом во всем мире ужесточаются экологические требования к выхлопу современных автомобилей. В результате все больше новых автомобилей оснащаются турбинами. Таким образом автопроизводители пытаются выпускать автомобили, которые будут соответствовать жёстким экологическим нормам. Увы, без использования турбин в современных автомобилях добиться сокращения уровня вредных веществ в выхлопе без миллиардных инвестиций невозможно.
Наше интернет издание в связи с массовой распространенностью турбированных двигателей в автопромышленности решила собрать для вас все самые важные вопросы и ответы об автомобильных турбокомпрессорах, об их техническом обслуживании, также о многом другом:
Как работает турбина в автомобиле?
Работа турбокомпрессора основана на принципе увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания за счет большого количества воздуха (кислорода) необходимого для воспламенения топлива в камере сгорания. То есть автомобильная турбина больше не делает ничего кроме поставки двигателю большой массы кислорода.
Воздух из турбины подается непосредственно во впускное отверстие цилиндра двигателя.
Чтобы привести лопасти турбины в движение компрессор турбо нагнетателя использует для этого выхлопные газы двигателя. Для этого используется : преобразование тепловой энергии в кинетическую (горячие выхлопные газы начинают вращать лопатки турбины, которые и направляют большие потоки кислорода в двигатель, за счет чего и увеличивается мощность).
Что такое турбо лаг (турбо-яма)?
Количества выхлопных газов на низких скоростях автомобиля (низкие обороты двигателя) не достаточно для приведения в действие работы турбины турбокомпрессора. Именно поэтому турбина может создать достаточное давление воздуха для подачи в двигатель только при движении машины на средней скорости (средние обороты двигателя).
Давление топлива в турбированных автомобилях регулируется в зависимости от давления турбонагнетателя. То есть, если обороты двигателя маленькие, то давление топлива будет небольшое и топливная смесь будет не богатой кислородом из-за того, что турбокомпрессор не будет давать достаточного давления кислорода. То же самое происходит не только на малых оборотах двигателя, но и при резком нажатии на педаль газа с места. В этот момент машина не начнет максимально динамичный разгон, так как крыльчатке турбокомпрессора будет не хватать необходимого давления выхлопных газов для создания сжатого потока кислорода и подаче его в камеру сгорания двигателя. В итоге на короткое время в двигателе будет наблюдаться дефицит топливной смеси для эффективного воспламенения (кислород+топливо). Это и приводит к кратковременной задержке разгона, которая и называется турбо-лаг или "турбо яма". Вот почему многие владельцы турбированных автомобилей часто жалуются, что при резком разгоне с малых оборотов двигателя автомобиль после нажатия педали газа на 1-2 секунду не сразу реагирует на увеличение оборотов двигателя.
В некоторых премиальных автомобилях в последние годы стали появляться по две или даже три турбины, которые решают проблему турбо-ям (одна турбина работает при маленьких оборотах двигателя, другая включается на более высокой скорости работы мотора). Также недавно стали появляться турбокомпрессоры с адаптивными крыльчатками (регулируемые лопатки в турбине), которые умеют адаптироваться к любому диапазону оборотов двигателя. Таким образом достигается высокий крутящий момент автомобиля на низких скоростях.
В чем разница между турбокомпрессором и турбонагнетателем (турбонаддув)?
Функция их проста: сжатие всасываемого воздуха и подача его в камеру сгорания двигателя. Но, несмотря на одинаковый смысл работы между двумя видами турбин, существуют отличия.
Главное отличие двух видов турбин это система их питания.
Турбокомпрессор получает питание от ременного привода, который передает крутящий момент двигателя на турбину, точно также, как силовой агрегат передает с помощью ремней и роликов крутящий момент на электрический генератор автомобиля, который заряжает аккумуляторную батарею. То есть, по сути, турбокомпрессор питается от электричества.
Что касаемо турбонагнетателя или турбонаддува, то этот вид турбин работает от выхлопных газов. Как мы уже сказали выше, после нагнетания кислорода он подается под давлением в камеру сгорания увеличивая крутящий момент двигателя и его .
Срок службы турбокомпрессора
Еще недавно турбокомпрессоры были ненадежны и часто выходили из строя, даже при надлежащем уходе. Современные компрессоры стали более надежны и некоторые из них имеют срок службы сравнимым с ресурсом двигателя. Тем не менее, для того чтобы турбина проработала как можно дольше, она нуждается в обслуживании и регулярном техническом осмотре для выявления на начальном этапе каких-либо неисправностей.
Во-первых, владельцы турбированных автомобилей ни в коем случае не должны затягивать с плановой заменой моторного масла и воздушного фильтра, поскольку даже малейшее загрязнение фильтра и масла могут негативно сказываться на работоспособности турбины и ее срока службы. То есть, если в автомобиле с обычным двигателем вы можете без особого вреда запаздывать с плановой заменой масла и воздушного фильтра, то в турбированных силовых агрегатах плановое ТО должно быть проведено даже немного раньше, чем рекомендовано автопроизводителем. Особенно это касается нашей страны, где качество топлива оставляет желать лучшего.
Также турбины требуют постоянной диагностики, чтобы вовремя заметить возможные неисправности. Главная задача не допустить увеличения давления наддува, которое может не только вывести из строя турбокомпрессор, но и серьезно повредить двигатель.
Можно ли с помощью тюнинга оснастить автомобиль с обычным двигателем турбокомпрессором?
Благодаря современным турбосистемам, фактически любая машина может быть оборудована турбонаддувом. В большинстве случаев для этого необходимо обратиться в специализированное тюнинг-ателье или автомастерскую. Перед установкой турбины специалисты проверят, выдержит ли ваш двигатель повышение мощности за счет турбонаддува. Также специалисты проведут диагностику топливной системы, которая играет важное значение в турбированных двигателях.
Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи - видео об особенностях и принципах работы турбонаддува.
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.
Обычный турбонагнетатель дает возможность увеличить мощность двигателя путем нагнетания дополнительного давления воздуха в цилиндре. За счет этого воспламеняемость смеси многократно увеличивается, и мощность мотора, разумеется, тоже повышается.
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.
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.
Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим агрегатом в деле увеличения мощности моторов.
Что такое турбина и для чего она нужна?
Турбина — устройство в автомобиле, которое направлено на увеличение давления во впускном коллекторе автомобиля для того, чтобы обеспечить большее поступление воздуха, а значит и кислорода, в камеру сгорания.
Главное назначение турбины – с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При увеличении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания попадет в два раза больше кислорода, а значит от небольшого турбового двигателя можно ожидать мощности как от атмосферника с объемом в два раза больше — грубая теоретическая арифметика не лишенная смысла…
Принцип работы турбокомпрессора
Принцип работы турбины несложен: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор поступают в горячую часть турбины, проходят через крыльчатку горячей части приводя ее и вал на который она крепится в движение. На этом же вале закреплена крыльчатка самого компрессора в холодной части турбины, эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, что обеспечивает большее поступление воздуха в камеру сгорания.
Турбина состоит из двух улиток — улитки компрессора, через которую всасывается воздух и нагнетается во впускной коллектор, и улитки горячей части, через которую проходят выхлопные газы вращая колесо турбины и выходят в выхлопной тракт. Из крыльчатки компрессора и крыльчатки горячей части. Из шарикоподшипникового картриджа. Из корпуса, который соединяет обе улитки, держит подшипники, так же в корпусе находится охлаждающий контур.
В процессе работы турбина подвергается очень большим термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень большой температуры 800-9000 °С, поэтому корпус турбины изготавливают из чугуна особого состава и особого способа отливки.
Частота вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует большой точности, подгонки и балансировки. Помимо этого в турбине высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах служит так е системой охлаждения подшипниковой части турбины.
Система охлаждения турбин
Система охлаждения турбин двигателя служит для улучшения теплоотдачи частей и механизмов турбокомпрессора.
Существует два самых распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора — охлаждение маслом, которое используется для смазки подшипников и комплексное охлаждение маслом и антифризом из общей системы охлаждения автомобилем.
Оба способа имеют ряд преимуществ и недостатков.
Охлаждение маслом.
Преимущества:
- Более простая конструкция
- Меньшая стоимость изготовления самой турбины
Недостатки:
- Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
- Более требовательна к качеству масла и к его более частой смене
- Более требовательна к контролю за температурным режимом масла
Изначально, большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались тубинами с масляным охлаждением. При прохождении через шарикоподшипниковую часть масло сильно нагревалось. Тогда, когда температура выходила за пределы нормального рабочего температурного диапазона, масло начинало закипать, коксоваться забивая каналы и ограничивая доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, заклиниванию и дорогостоящему ремонту. Причин у неполадки могло быть несколько — некачественной масло или не рекомендованное для данного типа двигателей, превышение рекомендованы сроков замены масла, неисправности в системе смазки двигателя и пр.
Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимущества:
- Большая эффективность охлаждения
Недостатки:
- Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость
При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Но данная систем охлаждения имеет более сложную конструкцию т.к. имеет раздельные масляный контур и контур охлаждающей жидкости. Масло как и прежде служит для смазки подшипников и для охлаждения, а , который используется из общей системы охлаждения двигателя, не дает перегреться и закипеть маслу. Как следствие увеличивается стоимость самой конструкции.
При работе турбины воздух под действием компрессора сжимается и, как следствие, очень сильно греется, что приводит к нежелательным последствиям т.к. чем выше температура воздуха, тем меньшее количество кислорода в нем содержится — тем меньше эффективность наддува. С этим явлением призван бороться — промежуточный охладитель воздуха.
Нагрев воздуха не единственная проблема, с которой пытаются справиться конструкторы при проектировании турбодвигателя. Насущной проблемой является инерционность турбины (лаг турбины, турбояма) — задержка в реакции мотора на открытие дроссельной заслонки. Турбина выходит на пик своих возможностей при определенных оборотах двигателя, отсюда и появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина в большинстве случаев, работает всегда, а значение оборотов при которых ее эффективность максимальная у каждого двигателя и у каждой турбины разные. В погоне за решением этой проблемы появились системы их двух турбин (твин-турбо , twin-turbo , би-турбо , biturbo ), твин-скрол (twin-scroll ) турбины, турбины с изменяемой геометрией сопла и изменяемым углом наклона крыльчатки (VGT ), изменяются материалы частей чтобы повысить прочность и увеличить вес (керамические лопатки крыльчатки) и пр.
Twin-turbo (твин-турбо) — система при которой используются две одинаковые турбины. Задача данной системы повысить объем или давление поступающего воздуха. Используется когда необходима максимальная мощность на высоких оборотах, например в драг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.
Такая же система, но с маленькими одинаковыми турбинами позволяет добиться прироста мощности при небольших оборотах и держать наддув постоянным до красной зоны.
Biturbo (би-турбо) — систем а с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что при низких оборотах работает маленькая турбина, обеспечивая хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув при высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить лаг двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне работы двигателя.
Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.
Турбина с изменяемой геометрией (VGT ) — система при которой лопатки крыльчатки в горячей части могут изменять угол наклона к потоку выхлопных газов.
При малых оборотах двигателя пропускное сечение прохода выхлопных газов становится более узкое и «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. Когда обороты двигателя увеличиваются проходное сечение становится шире и и уменьшается сопротивление движению выхлопных газов, но при этом достаточно энергии для создания необходимого давления компрессором. Чаще систему VGT используют на дизельных двигателях т.к. там меньше тепловые нагрузки, меньшая скорость вращения ротора турбины.
Twin-scroll (двойная улитка) — система состоит из двойного контура движения выхлопных газов энергия которых вращает один ротор с крыльчаткой и компрессором. При этом существует два типа реализации когда выхлопные газы идут по обоим контурам сразу, при этом система работает как twin-turbo в одном корпусе — выхлопные газы делятся на два потока каждый из которых идут в свой контур горячей части раскручивая ротор турбины. Второй тип реализации работает на подобии системы biturbo — горячая часть имеет два контура с разной геометрией, при низких оборотах выхлопные газы направляются по меньшему контуру, который увеличивает скорость и энергию прохождения за счет небольшого диаметра, при повышении оборотов двигателя выхлопные газы двигаются по контуру диаметр которого больше — тем самым сохраняется рабочее давление в системе впуска и не создается запора на пути выхлопных газов. Это все регулируется клапанами, которые переключают поток из одного контура в другой.
Считается, что престижный автомобиль просто обязан быть динамичным. Да и любому спешащему автолюбителю хочется победить время скоростью своего коня, без глобальных на это затрат топлива. И вот сегодня, в 21 веке, под массивным капотом скрыт скромный четырехцилиндровый рядный блок, разгоняющий до 100 км/час даже достаточно массивную машину за несколько секунд. А все потому, что у него есть турбина — приспособление, которое применяется в моторах с турбонаддувом.
Принцип действия турбины
Турбина, как инженерное творение было придумано и разработано в 1905 году швейцарцем Альфредом Буше. Он получил патент на компрессор, который приводился в действие за счет отработанных газов автомобиля. Целью его долгого пути развития и усовершенствования является повышение топливной эффективности.
Чтобы увеличить мощность при уменьшении рабочего объема двигателя, нужно в той же камере сгорания сжечь больше бензина. С химической точки зрения, сгорание – это реакция окисления, окислителем в которой считается кислород. Нужно умудриться забрать с внешней атмосферы больше воздуха. То есть, для решения проблемы, необходимо повысить количество топливно-воздушной смеси, подаваемую на двигатель.
Суть же турбины вот в чем: выпускающиеся под давлением из выпускного коллектора газы, попадают в систему выхлопа, вращая, как крылья мельницы, колесо с лопатками — турбину. В то же время, закрепленный с ней на одном валу, компрессор начинает нагнетать в цилиндры дополнительный воздух, тем самым повышая так недостающее количество окислителя в камере сгорания. Число оборотов турбины тесно связано с давлением газов в, так называемой, горячей части. Управлять ими можно при помощи специального клапана. В холодной части работает нагнетатель, доставляющий дополнительную порцию атмосферного воздуха во впускной коллектор. То есть, можно условно разделить турбонагнетатель на ротор и компрессор. Если потребление окислителя резко сокращается, например, при сбросе газа, когда ротор еще инерционно крутится, излишний воздух удаляется через специальный клапан впускного коллектора, называемый «блоу оф».
В отличие от механических нагнетателей в турбонаддуве нет отбора мощности от двигателя, а значит, КПД такой конструкции должен быть намного выше.
Этот круговорот вторичного использования энергии продуктов сгорания топлива эффективно повышает мощность двигателя.
Проблемы турбированных двигателей и их решение
И даже в работе такого гениального изобретения, как турбина, есть свои скрытые негативные стороны.
А дело в том, что пока мотор не раскрутится до определенных оборотов, турбина практически не работает. А начав работать, превращает смирный атмосферный мотор в ревущего хищника. Это, как два двигателя в одном: если едешь не торопясь, он ведет себя просто как маломощный мотор. Но, когда нужна дополнительная мощность, например, при обгоне, турбонаддув действует как пинок, ускоряющий автомобиль, будто под капотом находится мотор большего объема. Другими словами, на малых оборотах количество газов совсем небольшое, и их скорость и давление также мало. Поэтому и турбина раскручивается до совсем небольших оборотов, и толку от компрессора с его подачей дополнительного воздуха почти равно нулю. В результате этого непредвиденного дефекта на низах мотора отсутствует нужная мощность. И только примерно с 4000 об/мин турбонаддув «выстреливает».
Обороты, при которых турбина и компрессор начинают работать эффективно, называются «турбо-зоной», а процесс преодоления более низкого диапазона оборотов закрепилось в названии «турбо-яма».
Для борьбы с таким дефектом можно поставить две турбины вместо одной, по одному нагнетателю на каждую долю блока цилиндров. Такую схему часто называют «би-турбо». Или установить механический нагнетатель, помогающий мотору на низких оборотах. Если турбина все-таки одна, то современные многоступенчатые трансмиссии позволяют передать передаточные числа таким образом, что турбо-яма в принципе не ощущается, фактически мотор не покидает турбо-зоны. Исключение составляет только момент, когда нужно двинуться с места.
Еще один не оставленный без внимания нюанс – это то, что турбина, компрессор и все его компоненты работают в зоне самых высоких температур, так как выхлопные газы достигают температуры в 2500-3000 градусов С. Кроме того, так как турбокомпрессор нагнетает воздух двигателя под давлением, плюс еще давление, создаваемое клапанами в цилиндре, воздух в камерах сильно нагревается. Его температура может подниматься до температур, достаточных для возникновения детонации. Поэтому в комплексе с турбиной под капот устанавливают специальный охладитель, называемый «интеркуллер», обладающий также дополнительными положительными свойствами. В основном моторы с турбонагнетателем рассчитывают только на высокооктановый бензин.
Турбина на авто – и мечта, и реальность
Долгое время турбонаддув оставался исключительно дизельным явлением. Однако рост цен на нефть быстро вернул инженеров к мысли о необходимости срочной модернизации всей линейки двигателей. За что нам и можно сказать спасибо! Ведь это и привело к возможности любого желающего стать обладателем скоростного авто, всего лишь приобретя комплекс с турбонаддувом, полностью готовый к эксплуатации, с уже устраненными проблемами, наполненный сплошными плюсами и позволяющий получать лишь удовольствие от езды.
С появлением на рынках турбин, появилось множество других нововведений, таких как подшипники с керамическими шариками , которые сами по себе заполнены смазкой, и другие. Также турбонаддув помог в решении такой проблемы, как снижение рабочего объема двигателей при сохранении необходимой мощности . Что, в свою очередь, уменьшает выбросы, радуя экологов.
Неизвестно, что будет под капотами автомобилей лет через 20 – ближайшее будущее мы смело можем именовать турбо эрой.
Турбонаддув современной конструкции – это сложное в техническом плане устройство. Первые системы для наддува двигателей появились еще в начале XX века. Наибольшее же распространение получила конструкция наддува, компрессор которой приводится от турбины, раскручиваемой выхлопными газами авто до высоких оборотов.
Энергия выхлопных газов бесплатна, поэтому мощность мотора при использовании турбокомпрессора значительно поднимается без ухудшения экономичности, а зачастую, экономичность двигателя даже улучшается (советы как уменьшить расход топлива). Из-за использования в конструкции турбины, такой вид наддува двигателя имеет всем хорошо известное название – турбонаддув .
Воздух при сжатии компрессором нагревается, плотность падает, и в цилиндры его помещается меньше, поэтому, довольно часто, после турбокомпрессора нагнетаемый воздух пропускают через специальный радиатор – интеркулер , в котором он охлаждается.
Частота вращения турбины и связанного с ней компрессора турбонаддува очень велика (больше ста тысяч оборотов в минуту), поэтому в них применяются подшипники скольжения с очень маленькими зазорами. Соответственно возрастает требовательность двигателя с турбонаддувом к качеству и чистоте масла. Конечно, стоимость этого агрегата тоже немаленькая.
Серьезным недостатком турбонаддува можно считать эффект так называемой ”турбоямы”. Он проявляется при резком нажатии на педаль акселератора – двигатель сперва ”задумывается” и только после этого начинает разгонять автомобиль.
Объясняется это тем, что турбине необходимо какое-то время для раскрутки до рабочих оборотов, и чтобы его уменьшить, на некоторых моделях турбокомпрессоров (как правило, предназначенных для легковых автомобилей) устанавливают специальный клапан, который перепускает часть воздуха с выхода компрессора обратно на его вход.
Таким образом, при закрытии дроссельной заслонки турбина продолжает вращаться с большой скоростью, а турбокомпрессор в это время работает “вхолостую”, перегоняя воздух по кругу. Нажатие на педаль газа закрывает этот клапан, и нагнетаемый воздух в полном объеме снова поступает во впускной коллектор. Обычно управление перепускным клапаном турбонаддува возлагают на электронику.
Другой разновидностью наддува является приводной компрессор , который, в отличии от турбонаддува, вращается коленчатым валом двигателя. Поскольку для его привода отбирается энергия у мотора, такие системы менее экономичны, чем аналогичные силовые агрегаты без компрессора или с турбонаддувом. Зато они надежнее, дешевле и не имеют ”турбоямы”, что очень важно для спортивных автомобилей, где при разгоне каждая доля секунды на счету.
Такие компрессоры часто используют западные тюнинговые компании для увеличения мощности моторов – это гораздо дешевле, чем увеличивать рабочий объем, организуя мелкосерийное производство поршней, коленвалов и других технологически сложных деталей. Их используют такие автомобильные “гранды” как Mercedes, General Motors, Ford, Jaguar, Mazda и другие автопроизводители.