Принцип работы турбины на автомобиле. Двигатель турбо: описание, характеристики, принцип работы и фото

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.

Без сомнений каждый из нас автолюбителей хотя бы раз за свою жизнь замечал на вполне обычном на первый взгляд автомобиле шильдик с заветной надписью «turbo». Производители будто бы специально делают эти надписи крохотного размера, да ещё и в местах неприметных их размещают. А человек, который знает толк в подобных технологиях, обязательно заинтересованно остановится на пару минут. Ниже мы подробно расскажем о том, почему же такой интерес вызывает маленькая неприметная надпись «turbo».

Технология турбонаддува

На данное время турбонаддув является одной из самых эффективных систем, повышающих мощность двигателя, при этом частота вращения коленчатого вала не увеличивается как и объём цилиндров. Кроме повышения мощностных характеристик двигателя, турбонаддув также способствует экономии топлива, с расчётом на каждую единицу мощности, и снижению токсичности вырабатываемых газов за счёт того, что топливо сгорает полностью.

Система турбонаддува устанавливается как на бензиновые так и на дизельные двигатели. Но наибольшая эффективность турбонаддува проявляется именно на дизельных моторах. Достигается такой эффект за счёт высокой степени сжатия дизельного движка и достаточно низкой частоты вращения Факторы, которые сдерживают применение турбонаддува на бензиновых двигателях на максимально возможном уровне – это возможная детонация, связанная с резким увеличением частоты оборотов двигателя, а также высокая температура отработанных газов, которая почти в два раза превышает показатели дизельных собратьев, и соответственно сильный нагрев турбонагнетателя.

Несмотря на конструктивные различия отдельных систем, выделим общее устройство турбонаддува – это воздухозаборник, затем воздушный фильтр, дроссельная заслонка, турбокомпрессор, интеркулер, впускной коллектор. Все данные элементы объединены между собой соединительными патрубками и напорными шлангами.

Принцип работы турбонаддува

Работа системы турбированного наддува основывается на эксплуатировании энергии отработанных газов . Отработанные газы вращают колесо турбины, которое далее посредством роторного вала вращает колесо компрессора. Колесо компрессора сжимает воздух и выталкивает его в систему. Сжатый и нагретый воздух охлаждается интеркулером и далее поступает в цилиндры мотора. Не смотря на то, что у турбонаддува нет жёсткой связи с коленвалом двигателя, эффективность нагнетательной системы по многим аспектам зависит от количества оборотов двигателя. Пропорционально с увеличение частоты вращения коленчатого вала, увеличивается и энергия отработанных газов – турбина вращается быстрее, больший объём сжатого воздуха подаётся в цилиндры мотора.

В силу своих конструктивных особенностей у турбонаддува имеются и свои негативные проявления, среди которых можно выделить задержку прироста мощности двигателя при резком нажатии педали акселератора – эффект турбоямы , а также резкое увеличение давления наддува после выхода из турбоямы – турбоподхват. Эффект турбоямы обусловлен инерционностью системы (чтобы повысить давление наддува, в момент резкого нажатия педали газа, необходимо определённое время), которая ведёт к разности между необходимой мощностью и производительностью компрессора. Есть несколько способов, которые в состоянии решить данную проблему:

- установка турбины с изменяемой геометрией;

Установка двух компрессоров с последовательным или параллельным расположением (twin-turdo или bi-turdo);

Комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией необходима для оптимизирования потока отработанных газов за счёт конвертации площади входного канала. Такая технология нашла широкое применение в дизельных двигателях с турбонаддувом TDI от компании Volkswagen.

Система, включающая в себя два параллельных турбокомпрессора, применяется зачастую на мощных V-образных двигателях (один компрессор на каждый ряд цилиндров). Система работает таким образом, что инерция двух маленьких турбин гораздо менее подааётся инерции чем одна большая. С установкой на двигатель двух последовательно расположенных турбин, максимальная производительность системы достигается разными турбокомпрессорами на разных частотах двигателя. Некоторые автомобильные производители заходят ещё дальше, устанавливая последовательно три турбокомпрессора – система triple-turbo от BMW и даже четыре - quad-turbo от Bugatti.

Комбинированный наддув объединяет в себе механический и турбонаддув. На низких оборотах коленвала двигателя сжатие воздуха производится механическим нагнетателем. С возрастанием оборотов механический нагнетатель передаёт эстафету турбокомпрессору, отключаясь при этом. Яркий пример такой системы – это двойной наддув TSI от Volkswagen.

Разновидности турбонаддува

Современное автомобилестроение насчитывает два основных вида турбин для двигателя: одинарные и двойные. Одинарные турбины устанавливаются, как правило, на двигатели с рядным расположением цилиндров: здесь происходит использование энергии выхлопных газов сразу от всех цилиндров двигателя с подачей воздуха также во все цилиндры.

Двойными турбинами оснащаются силовые агрегаты V-образного расположения цилиндров. Они включают в себя два турбокомпрессора, подающих воздух в определённые цилиндры. Порой для роста мощности двигателя в таких турбинах используется перекрёстный выпускной коллектор, аккумулирующий выхлопные газы из всех цилиндров двигателя, далее направляя этот поток увеличенной мощности к компрессорам, повышая давление в турбине, что соответственно увеличивает и мощность двигателя. Революционным прорывом стала технология, позволяющая изменять геометрию турбины. Она позволяет перенаправлять геометрию сопла турбины, при этом создавая более мощные воздушные потоки уже на низах, в результате чего мощность двигателя возрастает многократно.

Конструктивные особенности турбонаддува

Если вести речь о конкретных модификациях двигателя, а также о расположении разнообразных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может оснащаться рядом дополнительных элементов. Рассмотрим две детали системы турбонаддува, как Wastegate и Blow-Off.

Клапан Blow-off

Блоу-офф – это перепускной клапан. Данный механизм устанавливается в воздушной системе. И располагается он между дроссельной заслонкой и выходом из компрессора. Основной задачей клапана блоу-офф является аредотвращение перехода компрессора в режим работы surge. Для такого режима характерно резкое закрытие дроссельной заслонки. Если описать процесс простыми словами, то скорость потока воздуха и его расход в системе резко понижаются, но турбина по инерции ещё продолжает вращаться. По инерции турбина обладает такой скоростью вращения, которая совсем не соответствует новым запросам двигателя и снизившемуся воздушному расходу.

Такие регулярные циклические резкие перепады давления воздуха могут плачевно сказаться на всей системе. Диагностировать такие скачки можно по характерному звуку, прорывающегося через компрессор, воздуха. Со временем выходят из строя опорные подшипники турбины, ибо на них приходится максимальная нагрузка в результате резких перепадов давления при сбросе газа и дальнейшем режиме работы турбины в инерционном состоянии. Blow-off устраняет данную проблему.

Он является своеобразным детектором перепада давлений в коллекторе, затем срабатывает за счёт вмонтированной пружины. Это выявляет момент резкого перекрытия дросселя. Если произошло резкое закрытие дросселя, клапан стравливает в атмосферу лишний воздух, который появился в воздушном тракте от переизбытка давления. Это существенно повышает безопасность турбокомпрессора и уберегает его от избыточных нагрузок, приводящих к последующему разрушению.

Клапан Wastegate

Данное технологическое решение является механическим клапаном. Вайстгейт устанавливается либо на части турбины, либо непосредственно на впускном коллекторе. Основной функцией данного устройства является обеспечение контроля за давлением, создаваемым турбокомпрессором. Отметим, что некоторые из дизельных силовых агрегатов в своей конструкции обходятся без вайстгейта. Для бензиновых моторов, в большинстве своём, этот клапан просто обязательная необходимость.

Главная задача вайстгейта заключается в обеспечении беспрепятственного выхода отработанных газов из системы, не проводя их через турбину. Запуск выхлопных газов в обход турбины позволяет контролировать необходимое количество их энергии. Взаимосвязь, как на ладони, ведь именно отработанные газы вращают через коленчатый вал колесо компрессора. Благодаря этому способу контроль за давлением, создаваемом в компрессоре, стало осуществлять гораздо проще.

Wastegate бывает как встроенный, так и внешний. Встроенный вайстгейт уже имеет заслонку, встроенную в турбинный хаузинг. Хаузинг – это улитка турбины, которую в народе так привыкли называть. Дополнительно в wastegate установлен пневматический актуатор, а также от него идут тяги к дроссельной заслонке. Wastegate внешнего типа является клапаном, что установлен перед турбиной на выпускной коллектор. Не можем не заметить, что внешний вайстгейт обладает одним неоспоримым преимуществом в сравнении с его встроенным братом. А дело заключается в том, что обходной воздушный поток, сбрасываемый им, можно возвращать в выхлопную систему обратно, а на спорткарах можно просто осуществить прямой выброс в атмосферу. Это заметно улучшает прохождение выхлопных газов через турбину благодаря разнонаправленным потокам.

Недостатки турбонаддува

В силу своих конструктивных особенностей у турбонаддува имеются и свои негативные проявления, среди которых можно выделить задержку прироста мощности двигателя при резком нажатии – эффект турбоямы, а также резкое увеличение давления наддува после выхода из турбоямы – турбоподхват.

Повышение мощности двигателя с сохранением его общих характеристик, то есть форсирование приводит к интенсивному износу узлов, в следствии снижается ресурс силового агрегата. Турбинам необходимо также и применение специальных сортов моторных масел и строгое соблюдение сроков проведения технического обслуживания, зарекомендованных производителем. Ещё более прихотлив Возрастающее давление картерных газов существенно снижает ресурс турбины. Если при таких условиях турбина будет продолжать работать длительный период, то это неизбежно приведёт к масляному голоданию и последующей поломке турбокомпрессора. А если будет повреждён этот агрегат, то есть немалый процент выхода из строя всего силового агрегата.

Подписывайтесь на наши ленты в

Слово «турбонаддув» хоть раз в жизни слышал, вероятно, каждый автомобилист. Еще в старые советские времена среди гаражных мастеров ходило множество невероятных слухов о колоссальном приросте мощности, даваемом турбонаддувом, однако реально с моторами такого типа в легковых авто никто тогда не сталкивался.

Сегодня же наддувные двигатели прочно вошли в нашу действительность, однако в реальности далеко не каждый может сказать о том, как работает турбина в автомобиле, и какая существует реальная польза либо вред от использования турбины.

Что ж, попробуем разобраться в этом вопросе и узнать, каков принцип работы турбонаддува, а также о том, какие он имеет преимущества и недостатки.

Автомобильная турбина — что это такое

Говоря простым языком, автомобильная турбина представляет собой механическое устройство, подающее в цилиндры воздух под давлением. Задачей турбонаддува является увеличение мощности силового агрегата при сохранении рабочего объема мотора на прежнем уровне.

То есть, по факту, используя турбонаддув, можно добиться пятидесятипроцентного (и даже более) прироста мощности в сравнении с безнаддувным мотором аналогичного объема. Обеспечивается повышение мощности тем, что турбина подает в цилиндры воздух под давлением, что способствует лучшему горению топливной смеси и, как результат, мощностной отдаче.

Чисто конструктивно турбина представляет собой механическую крыльчатку, приводимую в действие выхлопными газами двигателя. По сути, используя энергию выхлопа, турбонаддув способствует захвату и подаче «жизненно важного» для мотора кислорода из окружающего воздуха.

Сегодня турбонаддув выступает самой эффективной в техническом плане системой для повышения мощности мотора, а также достижения и токсичности отработанных газов.

Видео — как работает автомобильная турбина:

Турбина одинаково широко применяется как на бензиновых силовых агрегатах, так и на дизелях. При этом в последнем случае турбонаддув оказывается наиболее эффективным ввиду высокой степени сжатия и малой (относительно бензиновых моторов) частоты вращения коленвала.

Кроме того, эффективность применения турбонаддува на бензиновых двигателях ограничена возможностью проявления детонации, которая может возникать при резком увеличении оборотов мотора, а также температура выхлопных газов, которая составляет порядка одной тысячи градусов по Цельсию против шестисот у дизеля. Само собой, что подобный температурный режим способен привести к разрушению элементов турбины.

Конструктивные особенности

Несмотря на то, что турбонаддувные системы у различных производителей имеют свои отличия, существует и ряд общих для всех конструкций узлов и агрегатов.

В частности, любая турбина имеет воздухозаборник, установленный непосредственно за ним воздушный фильтр, заслонку дросселя, сам турбокомпрессор, интеркулер, а также впускной коллектор. Элементы системы соединяются между собой шлангами и патрубками, выполненными из прочных износостойких материалов.

Как наверняка заметили читатели, знакомые с конструкцией автомобиля, существенным отличием турбонаддува от традиционной системы впуска является наличие интеркулера, турбокомпрессора, а также конструктивных элементов, предназначенных для управления наддувом.

Турбокомпрессор или, как его еще называют, турбонагнетатель, представляет собой основной элемент турбонаддува. Именно он отвечает за увеличение давления воздуха во впускном тракте двигателя.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из пары колес – турбинного и компрессорного, которые размещаются на роторном валу. При этом каждое из этих колес имеет собственные подшипники и заключено в отдельный прочный корпус.

Как работает турбонаддув в машине

Энергия отработанных выхлопных газов в двигателе направляется на турбинное колесо нагнетателя, которое под воздействием газов вращается в своем корпусе, имеющем особую форму для улучшения кинематики прохождения выхлопных газов.

Температура здесь весьма высока, а потому корпус и сам ротор турбины вместе с ее крыльчаткой выполняются из жаропрочных сплавов, способных выдерживать длительное высокотемпературное воздействие. Также в последнее время для этих целей используются керамические композиты.

Компрессорное колесо, вращаемое за счет энергии турбины, осуществляет всасывание воздуха, его сжатие и последующее нагнетание в цилиндры силового агрегата. При этом вращение компрессорного колеса также производится в отдельной камере, куда попадает воздух после прохождения через воздухозаборник и фильтр.

Видео — для чего нужен турбокомпрессор и как он работает:

Как турбинное, так и компрессорные колеса, как уже говорилось выше, жестко закрепляются на роторном валу. При этом вращение вала производится с помощью подшипников скольжения, которые смазываются моторным маслом из основной системы смазки двигателя.

Подача масла к подшипникам производится по каналам, которые располагаются непосредственно в корпусе каждого подшипника. Для того, чтобы герметизировать вал от попадания масла внутрь системы, используются специальные уплотнительные кольца из жаростойкой резины.

Безусловно, основной конструктивной сложностью для инженеров при проектировании турбонагнетателей является организация их эффективного охлаждения. Для этого в некоторых бензиновых моторах, где тепловые нагрузки наиболее высоки, нередко применяется жидкостной охлаждение нагнетателя. При этом корпус, в котором расположены подшипники, включается в двухконтурную систему охлаждения всего силового агрегата.

Еще одним важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Его предназначением выступает охлаждение поступающего воздуха. Наверняка многие из читателей этого материала зададутся вопросом о том, зачем охлаждать «забортный» воздух, если его температура и так невелика?

Ответ кроется в физике газов. Охлажденный воздух увеличивает свою плотность и, как результат, возрастает его давление. При этом конструктивно интеркулер представляет собой воздушный либо жидкостный радиатор. Проходя через него, воздух снижает температуру и увеличивает свою плотность.

Важной деталью системы турбонаддува автомобиля выступает регулятор давления наддува, представляющий собой перепускной клапан. Он применяется с целью ограничить энергию отработавших газов двигателя и направляет их часть в сторону от колеса турбины, что позволяет регулировать давление наддува.

Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля. Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления.

Помимо клапана, регулирующего давление наддува, в воздушном тракте непосредственно после компрессора (где давление максимально) может монтироваться предохранительный клапан. Целью его использования является защита системы от скачков давления воздуха, которые могут быть в случае резкого перекрытия дроссельной заслонки двигателя.

Избыточное давление, возникающее в системе, стравливается в атмосферу с помощью так называемого блуофф-клапана, либо направляется на вход в компрессор клапаном типа bypass.

Принцип работы автомобильной турбины

Как уже писалось выше, принцип действия турбонаддува в автомобиле основывается на использовании энергии, выделяемой отработавшими газами двигателя. Газы вращают колесо турбины, которое, в свою очередь, через вал передает крутящий момент колесу компрессора.

Видео — принцип работы двигателя с турбонаддувом:

Тот, в свою очередь, сжимает воздух и осуществляет его нагнетение в систему. Охлаждаясь в интеркулере, сжатый воздух попадает в цилиндры двигателя и обогащает смесь кислородом, обеспечивая эффективную «отдачу» мотора.

Собственно, именно в принципе действия турбины в автомобиле кроются ее достоинства и недостатки, устранить которые инженерам весьма непросто.

Плюсы и минусы турбонаддува

Как уже известно читателю, турбина в автомобиле не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя. По логике, подобное решение должно нивелировать зависимость оборотов турбины от частоты вращения последнего.

Тем не менее, в реальности эффективность работы турбины находится в прямой зависимости от оборотов мотора. Чем сильнее открыта , чем больше обороты мотора, тем выше энергия выхлопных газов, вращающих турбину и, как результат, больше объем воздуха, нагнетаемого компрессором в цилиндры силового агрегата.

Собственно говоря, «опосредованная» связь между оборотами и частотой вращения турбины не через коленвал, а через выхлопные газы, приводит к «хроническим» недостаткам турбонаддувов.

Среди них – задержка роста мощности мотора при резком нажатии на педаль «газа», ведь турбине нужно раскрутиться, а компрессору – дать цилиндрам достаточную порцию сжатого воздуха. Подобное явление называют «турбоямой», то есть моментом, когда отдача мотора минимальна.

Исходя из этого недостатка сразу исходит и второй – резкий скачок давления после того, как двигатель преодолевает «турбояму». Это явление получило название «турбоподхвата».

И главной задачей инженеров-мотористов, создающих наддувные двигатели, является «выравнивание» этих явлений для обеспечения равномерной тяги. Ведь «турбояма», по своей сути, обуславливается высокой инерционностью системы турбонаддува, ведь для приведения наддува «в полную готовность» требуется определенное время.

В результате потребность в мощности со стороны водителя в конкретной ситуации приводит к тому, что мотор не способен «выдать» все свои характеристики одномоментно. В реальной жизни это, например, потерянные секунды при сложном обгоне…

Безусловно, сегодня существует ряд инженерных ухищрений, позволяющих минимизировать и даже полностью исключить неприятный эффект. В их числе:

• использование турбины с переменной геометрией;
• использование пары турбокомпрессоров, расположенных последовательно либо параллельно (так называемые схемы twin-turdo или bi-turdo);
• применение комбинированной схемы наддува.

Турбина, имеющая переменную геометрию, осуществляет оптимизацию потока выхлопных газов силового агрегата за счет изменения в режиме реального времени площади входного канала, через который они поступают. Подобная схема турбин очень распространена в турбонаддувах дизельных моторов. В частности, именно по этому принципу функционируют турбодизели Volkswagen серии TDI.

Схема с парой параллельных турбокомпрессоров используется, как правило, в мощных силовых агрегатах, построенных по V-образной схеме, когда каждый ряд цилиндров оснащен собственной турбиной. Минимизация эффекта «турбоямы» достигается за счет того, что две малые турбины имеют гораздо меньшую инерцию, нежели одна большая.

Система с парой последовательных турбин используется несколько реже двух перечисленных, но она же обеспечивает наибольшую эффективность за счет того, что двигатель оснащается двумя турбинами, обладающими различной производительностью.

То есть при нажатии на педаль «газа» в действие вступает малая турбина, а при росте скорости и оборотов подключается вторая, и они работают суммарно. При этом эффект «турбоямы» практически исчезает, а мощность нарастает планомерно сообразно ускорению и росту оборотов.

При этом многие автопроизводители используют даже не два, а три турбокомпрессора, как например компания BMW в своей схеме triple-turbo. А вот инженеры, проектировавшие суперкар Bugatti, вообще оснастили силовой агрегат сразу четырьмя последовательными компрессорами, что позволило достичь уникальных мощностных характеристик при вполне «гражданском» поведении мотора в рядовых режимах езды.

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

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.

Устройство и принцип работы турбонагнетателя

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

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

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.

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – , «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

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

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса, при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Вот это «улитка»!

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.