Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи - видео об особенностях и принципах работы турбонаддува.
Содержание статьи:
Автомобильный двигатель должен обладать такими характеристиками, которые позволили бы ему не отставать от современности. Технические усовершенствования с каждым годом даются все труднее, потому что велосипед-то изобретать никому не хочется, а улучшать качество мотора необходимо.
Поэтому весьма неплохим решением является использование системы принудительного нагнетания воздуха в камеру сгорания. Самые последние инженерные конструкции охватывают не только улучшение принудительного нагнетания воздуха в топливную систему, но и установку такого же устройства в систему выхлопа отработанных газов.
Для чего нужен турбонаддув
Чтобы понимать важность работы турбонаддува и принцип его действия, необходимо знать, что двигатель не может потреблять топливо в чистом виде. Для вспышки бензина в герметичной емкости нужен воздух, иначе двигатель работать не будет.
То есть, в камеру сгорания должна поступать смесь, состоящая из топлива и воздуха в нужной пропорции. В цилиндре эта смесь сгорает. Появившиеся в результате сгорания газы совершают свою главную работу и затем удаляются через систему выхлопа.
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.
Здравствуйте, уважаемые читатели и посетители блога Автогид.ру. Сегодня в статье мы с вами разберёмся и узнаем как работает турбина на бензиновом двигателе. Тема, конечно интересная и в первую очередь для владельцев бензиновых турбированных автомобилей. Зачастую информации о принципе работы и устройстве турбины на бензиновом моторе достаточно мало или она слишком сложна для восприятия обыкновенного человека.
Использование турбины позволяет любому двигателю с малым объёмом увеличить мощность без возрастания расхода топлива и сокращения ресурса эксплуатации. После подключения турбины мотор словно получает невидимый пинок и работает значительно шустрее. Существуют особенности использования бензиновых моторов, оснащённых турбинами.
Их необходимо учитывать для продления срока службы устройства и использования двигателя машины с максимальной эффективностью. Перед тем как говорить о принципе работы турбины на бензиновом двигателе надо узнать историю её появления и широкого использования производителями автомобилей.
История появления турбированного бензинового мотора
Первые двигатели внутреннего сгорания, как и все технические первопроходцы имели очень «сырой» вид и требовали доработки. Время шло и на рынке появлялись надёжные и долговечные модели бензиновых моторов, которые радовали водителей своей неприхотливостью в обслуживании и выносливостью. Требования к моторам среди потребителей возрастали и критерии контролирующих органов ужесточались.
Первоначально развитие бензиновых моторов осуществлялось во многом по экстенсивному пути. Для увеличения мощность двигателя его объём просто увеличивался. Все было отлично если бы не возрастающий пропорционально расход топлива и количество вредных выбросов в окружающую среду. Продолжаться это больше так не могло и перед инженерами и создателями двигателей внутреннего сгорания была поставлена очень непростая задача.
Добиться увеличения мощность ДВС (двигателя внутреннего сгорания) без увеличения объёма мотора и расхода топлива. Решений было предложено большое количество, но выбрано было единственное верное направление развития моторов. Было решено работать над увеличением эффективности образования и сгорания топливно-воздушной смеси в моторе автомобиля.
Единственный верный способ увеличить эффективность сгорания смеси топлива и воздуха – это увеличить поступление воздуха в цилиндры мотора. При этом дополнительный объём воздуха должен был поступать принудительно за счёт создаваемого давления.
Дополнительное количество воздуха значительно усиливало сгорание топлива в цилиндрах мотора и тем самым высвобождая дополнительные мощности при неизменном объёме. Идея простая, но требующая реализации в виде появления устройства для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя.
Для решения этой задачи автомобильные инженеры решили опираться на разработки авиационной промышленности. Она уже очень давно использовала турбины. Первые турбированные бензиновые моторы появились на грузовых автомобилях в тридцатых годах прошлого века. Грузовики использующие турбины прибавили в мощности и оптимизировали расход топлива.
Удачный опыт использования турбины как устройства для нагнетания массы воздуха в грузовых машинах подвиг конструкторов и инженеров автомобильной промышленности ускорить движение в этом направлении. Первые автомобили с бензиновыми моторами оснащёнными турбинами начали продаваться на территории США в 60-х годах прошлого века.
Первые модели автомобилей этого типа автолюбители из США встретили настороженно и с подозрительностью. Только через 10 лет в 70-х годах прошлого века их оценили по достоинству и начали активно использовать при создании машин со спортивным уклоном. На серийные модели автомобилей турбины устанавливали в очень малом количестве.
Это было вызвано тем, что первые модели моторов с турбинами оказались очень «прожорливыми» и имели массу прочих мелких недоработок, портящих первое впечатление. Значительный расход топлива не дал возможность наладить широкое производство машин с турбированным моторами. Значительно замедлило внедрение турбин в моторы нефтяной кризис, закончившийся увеличением цен на топливо. Люди стали больше экономить.
Лишь в конце 90-х годов после значительного улучшения конструкции турбины и бензинового мотора в целом удалось изменить ситуацию. Это стало отправной точкой начала эры развития и становления бензиновых турбированных двигателей.
Турбина бензинового мотора за счёт использования компрессора принудительно нагнетает в цилиндры массу воздуха. Значительно повышается обогащение кислородом топливно-воздушной смеси и улучшается сгораемость бензина. Коэффициент полезного действия существенно возрастает. Эффективность работы мотора увеличивается при неизменно объёме.
Мощность двигателя при использовании турбины возрастает прямо пропорционально количеству сжигаемого за единицу времени бензина. Для обеспечения максимального быстрого сгорания топлива в цилиндрах мотора необходим значительный объём воздуха. Именно его в достаточном количестве направляет турбина за счёт работы компрессора. Он принудительно подаётся в цилиндры, обогащая топливно-воздушную смесь.
Если разрезать турбину бензинового мотора вдоль корпуса можно увидеть следующее рабочие элементы:
Корпус подшипников.
Служит для размещения ротора, представленного валом несущим на себе турбинные и компрессорные кольца, оборудованные лопастями. Именно они при вращении захватывают воздуха и направляют его в цилиндры мотора.
Масляные каналы.
Пронизывают корпус турбины словно кровеносные сосуды на теле человека. Служат для своевременной доставки моторного масла к трущимся и вращающимся элементам. Снижают тем самым износ рабочих элементов бензиновой турбины.
Подшипник скольжения.
Его главная задача обеспечить свободное и плавное вращение ротора турбины с его лопастями для захвата достаточного количества воздуха. Его смазку и охлаждение обеспечивает циркулирующее в турбине моторное масло.
Корпус.
Корпус турбины, имеющий форму улитки обеспечивают защиты от внешних механических воздействий рабочие элементы устройства для нагнетания воздуха.
Привод турбины бензинового мотора осуществляется за счёт подачи отработанного газа энергия которого заставляет ротор вращать лопасти. Сложного в конструкции и работе ничего нет всё понятно и достаточно просто.
При запуске бензинового мотора отработанные газы и цилиндров мотора направляются прямиком в турбину. Они приводят в движение ротор, отдавая ему свою энергию. Далее, через приёмную трубу они поступают в глушитель и выводятся в окружающую среду.
Вал ротора раскручивает колесо компрессора и лопаточное колесо. Они захватывают воздух из окружающей среды, поступающий через воздушный фильтр мотора. Он принудительно подаётся в цилиндры двигателя. Компрессор турбины может повышать давление воздуха до 80%.
Работа турбины бензинового мотора позволяет обогащённую кислородом топливно-воздушную смесь наполнять цилиндры в большом количестве. Объём мотора остаётся неизменным, но его мощность существенно возрастает. В среднем использование турбины даёт возможность увеличить мощность силовой установки машины на 20-30%.
Что необходимо знать для грамотной эксплуатации бензиновой турбины?
Для обеспечения долговечной работы турбины на бензиновом моторе не нужно экономить на количестве и качестве моторного масла. Любители пропускать интервалы замены масла в моторе рано или поздно столкнуться с проблемами и нарушениями в работе турбины. Она очень восприимчива к качеству используемого масла. Дешёвое масло не сможет обеспечить необходимый уровень трения рабочих элементов и они при интенсивном использовании автомобиля достаточно быстро придут в негодность и потребуют замены.
При покупке автомобиля, оснащённого турбиной надо обязательно выполнить замену моторного масла и прочистку всей системы. Смешивать доливая другое масло нельзя, так как оно теряет свои свойства и эффективность его работы стремится к нулю. Полная замена масла позволит избежать вредных воздействий и усилить защиту турбины бензинового мотора.
Есть некоторые особенности эксплуатации мотора, оснащённого турбиной. После длительной поездки на машине двигатель во время остановки сразу глушить не нужно. Необходимо дать ему время поработать на холостых оборотах и немножко остыть. Резкое выключение мотора создаёт температурный перепад отрицательным образом, сказывающийся на прочности и надёжности рабочих элементов турбины мотора.
Преимущества и недостатки турбированного мотора
Главным преимуществом любого бензинового мотора, оснащённого турбиной является увеличение его мощности на 20-30%. При одинаковом объёме с традиционным атмосферным ДВС его мощность выше на треть. Эффективность использования топлива существенно повышается.
Максимальный уровень сгорания топливно-воздушной смеси позволяет существенно снизить выброс загрязняющих веществ в окружающую среду. Максимальное использование турбированных моторов повсеместно настоящая мечта защитника окружающей среды. На этом преимущества турбированного мотора заканчиваются.
Турбированные моторы очень требовательны к качеству используемого топлива и моторного масла. Всё это в совокупности приводит к увеличению расходов на использование автомобиля в долгосрочной перспективе. Обслуживание турбированного мотора потребует от водителя больших расходов денежных средств.
Ремонт турбины требует использования специального оборудования и материалов. Самостоятельно его выполнить очень проблематично. Зачастую век отремонтированной турбины недолог и в конечном итоге потребуется её замена. Это может ощутимо ударить по кошельку владельца машины.
Заключение
Появление турбированных моторов является ещё одной ступенькой развития силовой автомобильных установок. Современные требования к экологической составляющей двигателя существенно ужесточаются и конкуренция между производителями машин обостряется.
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
Для того, чтобы увеличить мощность и крутящий момент двигателя, человечество придумало массу устройств и агрегатов. Самый простой метод - пойти на увеличение объема камеры сгорания. Чем больше топлива попадет в цилиндр, тем больше произведется полезной работы. Но здесь возникают проблемы. Во-первых, размеры такого мотора могут быть запредельными, а во-вторых, эксплуатация такого ДВС ввиду высокого расхода топлива будет нерентабельной. Поэтому в последнее время все чаще автопроизводители оснащают свои машины турбиной. Что это за элемент. и в чем заключается принцип работы турбины? Узнаем подробно в нашей статье.
Характеристика
Турбина - это элемент впускной системы двигателя, который служит для увеличения давления воздуха за счет применения энергии отработавших газов. Благодаря ее работе, возрастает масса воздуха в камере сгорания.
Это позволяет ускорить такты работы двигателя и увеличить его крутящий момент. Также отметим, что первые турбины имели механический привод. Принцип работы такой турбины заключался в преобразовании энергии от коленчатого вала. С последним элемент соединялся путем ременной передачи. Но вскоре такие агрегаты перестали использоваться. Сейчас все производители применяют газовую турбину, принцип работы которой позволяет увеличить КПД двигателя на 80 процентов вместо 30.
Где используется
В основном, такой агрегат можно встретить на современных автомобилях. Но используется данный нагнетатель не на всех ДВС. 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. Принцип работы такого ДВС несколько иной. Здесь меньший риск детонации, а температура газов не превышает 600 градусов. Особенно часто компрессоры встречаются на коммерческом транспорте. Невозможно представить современный автобус или магистральный тягач, не оснащенный такой турбиной. Если говорить о марках, то турбина устанавливается на следующие авто:
- «Фольксваген».
- «Мерседес».
- «Вольво».
- «Мазда».
- «Ауди».
- «Рено».
- «Тойота».
Есть и другие сферы, где применяется подобный элемент. Например, это электростанции и ДВС кораблей. Но здесь используется уже паровая турбина, принцип работы которой мы рассмотрим немного позже.
Недостатки
Почему данный элемент присутствует не на всех двигателях внутреннего сгорания? В первую очередь, применение турбины увеличивает себестоимость производства авто. Помимо самой улитки, требуется еще ряд других элементов.
К тому же, для работы с турбиной двигателю нужна другая более крепкая поршневая система и блок. Это тоже влечет за собой дополнительные расходы. Также среди недостатков можно отметить так называемую турбояму (когда мотор не может набрать обороты за нужное время). Причинами данного явления является инерционность компрессора.
Конструкция
Итак, давайте рассмотрим устройство и принцип работы турбины. А состоит данный элемент из трех основных составляющих:
- Центрального корпуса.
- Центробежного компрессора.
- Улитки.
В конструкцию последней входит турбинное и компрессорное колеса, вал ротора, подшипники скольжения и уплотнительные кольца. Все это заключено в крепкий металлический термостойкий корпус. Поскольку принцип работы турбины двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов, горячая часть улитки может раскаляться до тысячи и более градусов Цельсия.
Вспомогательные элементы
Поскольку турбина входит в состав впускной системы, ее работа невозможна без использования воздушного фильтра, дроссельной заслонки, а также интеркулера.
Последний призван охладить кислород, который нагнетается в камеру под давлением. Чем холоднее воздух в интеркулере, тем лучше сгорает смесь в цилиндрах. Также в конструкции не обходится без соединительных и масляных шлангов.
Как работает
Стоит отметить, что принцип работы турбины на бензиновом двигателе такой же, как и на дизельном. 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.
Производительность компрессора зависит от ее формы и габаритных размеров. Чем больше ее диаметр, тем больше воздуха засасывается во впускной коллектор. Но нельзя постоянно увеличивать размеры компрессора. Это может привести к турбозадержке. Малая турбина раскручивается значительно быстрее до номинальной скорости. Но на пике имеет меньшую производительность. Поэтому размеры и форма элемента подбираются строго индивидуально для каждого ДВС. Нельзя установить агрегат от бензинового авто на дизельный, и наоборот. Хоть и имеет одинаковый принцип работы турбина, действовать она будет иначе на разных авто.
Важный момент: для регулирования давления наддува в конструкции предусмотрен специальный перепускной клапан. Он имеет пневматический привод, а управляется ЭБУ двигателя.
Система смазки
Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Но не стоит думать, что эта система нужна только для смазки. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому, достигается лучшее охлаждение, но такая конструкция значительно сложнее и дороже в производстве.
Дабы избавиться от турбоямы, производители постоянно совершенствуют конструкцию турбины на дизеле. Принцип работы ее остается прежним, но меняются следующие моменты:
- Масса компрессора. Турбина изготавливается из одновременно легких и прочных материалов (например, из керамики).
- Конструкция подшипников. Чем меньше потери на трение, тем выше производительность турбины. Колесо легче раскручивается до номинальных значений.
Типы турбин
На данный момент существует несколько популярных типов компрессоров:
- 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. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.
Паровая турбина
Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.
Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.
В заключение
Итак, мы выяснили принцип работы дизельной турбины, а также бензиновой и паровой. Как видите, данные элементы устанавливаются с единой целью - выработать полезный крутящий момент. В случае с автомобилями он тратится на подачу воздуха под давлением во впуск. А на электростанциях турбина необходима для работы генератора, что вырабатывает ток.
Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих. Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.
Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя. То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода. Турбокомпрессор или турбонагнетатель - устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора - турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью - около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.
Устройство турбокомпрессора
Принцип работы
В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.
Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха. При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты. Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»). После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»). Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы: использование турбины с изменяемой геометрией; применение двух параллельных или последовательных компрессоров; комбинированный наддув. Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.
Турбина с изменяемой геометрией
Преимущества и недостатки турбонаддува
1 . Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля. 2 . Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем. 3 . Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов. 4 . Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД. 5 . На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги. 6 . Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.Недостатки турбонаддува
У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки. Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения - его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.Дополнительные элементы системы турбонаддува
Blow-Off Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.
Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge. Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха. Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме. Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.
Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор. Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием. Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов. Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке. Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины
Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях. На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.
Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.
Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем. Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.
