Турбонаддув – вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.
В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива.
Система турбонаддува применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов (1000°С против 600°С у дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.
Несмотря на различия в конструкции отдельных систем, можно выделить следующее общее устройство турбонаддува – воздухозаборник и далее последовательно воздушный фильтр, дроссельная заслонка, турбокомпрессор, интеркулер, впускной коллектор. Все элементы объединяют соединительные патрубки и напорные шланги.
Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.
Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора объединяет два колеса – турбанное и компрессорное, расположенные на валу ротора. Каждое из колес, а также вал с подшипниками помещены в отдельные корпуса.
Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных материалов (сплавы, керамика).
Компрессорное колесо всасывает воздух, сжимает и нагнетает его в цилиндры двигателя. Компрессорное колесо также вращается в специальном корпусе.
Турбинное и компрессорное колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца.
В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждения двигателя.
Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .
Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.
В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).
Принцип работы системы турбонаддува
Работа системы турбонаддува основана на использовыании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.
Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.
В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag), с другой – резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».
«Турбояма» обусловлена инерционностью системы (для повышения давления наддува при резком нажатии на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и производительностью компрессора. Существует несколько способов решения данной проблемы:
- применение турбины с изменяемой геометрией;
- использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
- комбинированный наддув.
Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя TDI от Volkswagen.
Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.
При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора – triple-turbo (BMW) и даже четыре турбокомпрессора – quad-turbo (Bugatti).
Комбинированный наддув (twincharger) объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.
Все о ремонте, тюнинге, устройстве, эксплуатации автомобиля, советы, автоновости, автофакты
Устройство турбины автомобиля выполнено так, чтобы увеличить давление топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.
Принцип работы и устройство турбокомпрессора
Рассмотрим, как работает турбина в автомобиле. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.
Схема работы турбины
Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:
- Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
- Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
- Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
- Шарикоподшипникового картриджа;
- Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.
Общее устройство турбины
Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют. Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.
Система охлаждения и устройство турбонаддува
Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей — масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.
Охлаждение маслом
- Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
Высокая требовательность к составу масла; - Необходимость часто его менять;
- Требовательность к контролированию температурного режима.
Турбина с масляным охлаждением
Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.
В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:
- Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
- Превышение сроков замены масла;
- Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.
Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток — усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.
Турбина с масляным и водяным охлаждением
Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.
Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу. Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.
Конструктивные особенности
При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер — вспомогательный охладитель воздуха.
Интеркулер для турбины
Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность — задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.
Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.
Усовершенствование турбонаддува
Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.
Конструкция турбины твин-турбо
В такой системе используются параллельно пара одинаковых турбин. Их задача — повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.
Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.
Двигатель ниссан с системой твин-турбо
В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.
Последовательное соединение разных турбин получило название Bi-turbo.
Конструкция турбины би-турбо
Конструкция устроена так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина". Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.
Система би-турбо от БМВ
Инновационные разработки
В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.
Турбина с изменяемым углом наклона лопаток
Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.
Также к инновационным разработкам относится система Twin-scroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.
Конструкция турбины Твин-скролл
При этом имеется два варианта реализации:
- Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twin-turbo.
- Второй тип работает наподобие схемы biturbo — имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр — при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.
Заключение
Сейчас выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше . Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя, чистоту его выхлопа.
С момента появления двигателя внутреннего сгорания и использования его на автомобильном транспорте, конструкторы бились обеспечением максимально возможно выхода мощности при минимальных переработках силовой установки.
Назначение автомобильного турбокомпрессора
Принцип работы турбокомпрессора
На данный момент решением данной проблемы является использование турбокомпрессора, он же турбонаддув, турбонагнетатель. Суть работы данного устройства – обеспечение повышенного давления воздуха, подаваемого в цилиндры силовой установки. Благодаря применению турбокомпрессора конструкторам удалось повысить выходную мощность без надобности в конструктивном изменении двигателя, увеличении объема камер сгорания и оборотов коленчатого вала. При этом потребление топлива у турбированного мотора будет ниже за счет более полного его сгорания в цилиндрах.
Турбокомпрессор на данный момент устанавливается и на бензиновые, и на дизельные моторы. Но при этом установка нагнетателя более эффективна на дизельных установках. Связано это с особенностями работы такого мотора – у дизеля степень сжатия в цилиндрах почти вдвое больше, чем у бензиновых, а скорость вращения коленчатого вала – меньше.
Риск использования нагнетателя на бензиновом моторе связан с возможным образованием детонационного сгорания в цилиндрах из-за резкого возрастания количества оборотов коленчатого вала. При этом в бензиновом моторе наддув работает в более жестких температурных условиях. Температура отработавших газов в бензиновом моторе выше, чем у дизеля, а поскольку наддув использует энергию отработанных газов, то у бензинового агрегата нагнетатель больше разогревается.
Существующие турбонаддувы могут конструктивно отличаться, но все они включают в себя определенные составные части.
Конструкция турбокомпрессора
Принцип работы системы турбонаддува
Турбонаддув включает в свою конструкцию воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельную заслонку, турбокомпрессор, интеркулер (охладитель наддувочного воздуха), впускной коллектор и элементы управления. Все эти элементы связаны между собой патрубками и напорными шлангами.
Основным элементом всей этой системы является турбокомпрессор, поскольку он обеспечивает нагнетание воздуха под давлением в систему. Состоит он из двух колес, посаженных на один ротор. Корпус компрессора состоит из двух камер, в каждую из которых помещено свое колесо.
Автомобильный турбокомпрессор в разрезе
Первое колесо компрессора – турбинное. Оно воспринимает на себя энергию отработавших газов и через ротор передает его на другое колесо. То есть, турбинное колесо является ведущим. Поскольку оно работает с разогретыми газами, то изготавливается это колесо, и также его камера из жаропрочных материалов.
Второе колесо – компрессорное. Оно получает вращение от ведущего колеса и является ведомым. Данное колесо засасывает через воздухозаборник воздух, сжимает его, повышая давление, и перепускает его дальше.
Свободное вращение ротора обеспечивается наличием подшипников скольжения. Данные подшипники – плавающие, то есть между ними, ротором и корпусом обеспечивается зазор. Смазка этих подшипников производится от системы смазки мотора. Чтобы масло не вытекало наружу, и не попадало в воздух или обработанные газы, в конструкции используются уплотнительные кольца.
1 – крыльчатка турбины; 2 – крыльчатка компрессора; 3 – вал; 4 – подшипниковый узел; 5 – штуцер подачи масла; 6 –регулятор. давления наддува.
В большинстве турбонаддувов используется воздушная система охлаждения, но на некоторых бензиновых двигателях встречается и жидкостная система охлаждения компрессора, входящая с состав системы охлаждения двигателя.
Интеркулер включен в систему турбонаддува для обеспечения охлаждения сжатого воздуха. Во время работы турбокомпрессора воздух разогревается, что приводит к снижению его плотности. При охлаждении плотность снова возрастает и повышается давление. Интеркулер представляет собой обычный радиатор. Он может охлаждать воздух как при помощи воздушного, так и жидкостного охлаждения. После интеркулера воздух подается во впускной коллектор, а затем уже – в цилиндры.
В турбонаддув входят элементы управления, которые обеспечивают правильное функционирование. Главным элементом управления является регулятор давления. Данный регулятор представляет собой перепускной клапан. Этот клапан регулирует количество подаваемых отработанных газов на турбинное колесо. Данный клапан работает на основе показаний датчика давления наддува, входящий в систему управления двигателем. Этот клапан обеспечивает подачу только необходимого количества отработанных газов, остальные пуская в обход турбокомпрессора.
Также в систему управления турбонаддува могут входить еще один клапан– предохранительный, который устанавливается за компрессором. Он обеспечивает защиту от возможных скачков давления в системе при резком закрытии дросселя. Этот клапан может либо стравливать избыток давления, либо перегонять лишний воздух на вход в турбокомпрессор.
Принцип работы турбокомпрессора и его недостатки
Видео: Принцип работы турбокомпрессора (турбины)
Принцип работы турбонаддува достаточно прост: выхлопные газы поступают в камеру турбинного колеса и заставляет его вращаться. Вращаясь, он чрез ротор приводит в движение турбокомпрессор. Тот в свою очередь засасывает воздух, сжимает его и подает в интеркулер для охлаждения. После прохождения интеркулера воздух под давлением подается во впускной коллектор. Работа наддува контролируется и регулируется регулятором давления, который дозирует количество отработанных газов, поступающих в камеру турбинного колеса. Благодаря этому осуществляется возможность изменения производительности турбонаддува в зависимости от вращения коленчатого вала.
Но такая конструкция имеет один существенный недостаток – при резком открытии дроссельной заслонки турбонаддув не успевает обеспечить необходимое количество воздуха для подачи в цилиндры. Для этого ему требуется определенное время. Выливается это в образование негативного эффекта, который получил название «турбояма». То есть, водитель резко нажимает на педаль газа, рассчитывая резко ускориться, но из-за нехватки воздуха ускорения сразу не происходит. Автомобиль начнет набирать обороты только после того, как наддув обеспечит необходимое количество воздуха. Вслед за «турбоямой» возникает еще один негативный эффект – «турбоподхват». Происходит он после «турбоямы» и сопровождается увеличенным давлением в турбонаддуве из-за интенсивной работы компрессора.
Для решения проблемы появления существует несколько способов. Первый из них – использование комбинированного наддува (состоящего из механического нагнетателя и турбонагнетателя). На начальном этапе при резком нажатии на педаль газа давление в выпускном коллекторе обеспечивает механический нагнетатель, работа которого не зависит от выхлопных газов, после в работу вступает турбонагнетатель, а механический отключается.
Видео: Устройство и неисправности турбины
Вторым способом преодоления «турбоямы» является использование двойного турбонаддува, так называемого «twin-turbo». Двойной турбонаддув обычно применяется на V-образных двигателях.
И третий способ – использование турбонаддува с изменяемой геометрией. В такой турбине воздушный поток оптимизируется за счет изменения площади канала, по которому подается воздух.
Неисправности и их диагностика
При своей достаточно простой конструкции, у турбокомпрессора может возникнуть большое количество неисправностей. Основными из них являются:
- Утечка масла через уплотнительные кольца и попадание его в воздух, подаваемый в цилиндры;
- Утечка воздуха в местах соединения патрубков;
- Засорение канала отвода масла из компрессора;
- Засорение подающего масляного канала;
- Неисправности системы управления;
- Трещины и деформация корпуса компрессора;
- Засорение воздушного фильтра;
О многих возникших проблемах с работой турбонаддува могут просигнализировать выхлопные газы. Синий дым из трубы будет указывать на попадание масла в воздух, черный – на утечку воздуха, а белый – на засорение отводного масляного канала.
Также о неисправностях может рассказать сам двигатель и турбонаддув. Потеря динами разгона будет указывать на проблемы с управлением турбиной, свист при работе мотора будет сигнализировать об утечке воздуха между компрессором и двигателем, а деформация корпуса будет сопровождаться скрежетом.
Несмотря на свои недостатки и неисправности все больше автомобилей оснащаются турбокомпрессорами, поскольку данное устройство – действительно полезное.
