Что такое турбонаддув у автомобиля в двигатели

Двигатель с турбонаддувом. Плюсы и минусы

Двигатель с турбонаддувом. Плюсы и минусы

Что такое турбонаддув?

Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

Турбонаддув применяется как на бензиновых и дизельных двигателях. Наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения мотора. 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 и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Отличительной особенностью двигателя с турбонаддувом является наличие: турбокомпрессора, интеркулера, регулятора давления наддува, предохранительного клапана и других элементов. Турбокомпрессор — является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Подробнее в статье: что такое авто турбокомпрессор?.

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. Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя часть в обход турбинного колеса, обеспечивая оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува.

Также устанавливается предохранительный клапан. Он защищает от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана.

Принцип работы двигателя с турбонаддувом

Работа системы турбонаддува основана на использовании 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.

Турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя и эффективность работы системы зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше обороты мотора, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях. 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 и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается.

Минусы двигателя с турбонаддувом

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбо подхват. Подробнее в статье: что такое турбояма?.

Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен воздушный фильтр.

Недостаток системы турбонаддува – чувствительность к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя.

Турбокомпрессоры для бензиновых двигателей

Турбонаддув позволяет не только получить требуемую максимальную мощность, но и существенно улучшить экономичность и экологичность двигателя за счет повышения эффективности сгорания топлива. Захватив за пару десятков лет плацдарм дизельных двигателей, система турбонаддува вторглась на территорию бензиновых моторов.

Рис. 1. Тенденции применения турбонаддува на двигателях легковых и коммерческих автомобилей в период до 2020 года

В настоящее время турбокомпрессоры для автомобильных двигателей выпускаются многими американскими, европейскими и японскими фирмами. Один из крупнейших производителей – фирма Garrett (подразделение концерна Honeywell). Согласно проведенному фирмой Global Insight и Honeywell анализу рынка турбокомпрессоров вслед за Западной Европой ожидается их широкое применение на автомобилях, продаваемых в США и в Китае (рис. 1).

Преимущество применения турбонаддува на дизелях объясняется возможностью увеличения их тягово-скоростных характеристик до уровня, сравнимого с бензиновыми двигателями равного с ними литража. При этом дизели с наддувом развивают значительно больший крутящий момент, что способствует разгонной динамике и позволяет реже переключать передачи. Устаревшие представления о плохой динамике и повышенном дымлении дизелей связаны с применявшимися ранее двигателями без наддува, ТНВД которых подавали топливо под относительно низким давлением, а его дозирование осуществлялось посредством механических средств. Современные дизели оснащаются системами Common Rail. Последние обеспечивают впрыск топлива под давлением до 2000 бар. При этом подача топлива производится несколькими порциями и в точном соответствии с количеством воздуха, поступающего в цилиндры. Сначала впрыскивается небольшая предварительная доза топлива, а после ее сгорания подается основная доза, которая воспламеняется практически без задержки, называемой периодом индукции. В результате давление в цилиндре повышается относительно плавно, а характерный для дизеля шум мало отличается от шума бензинового двигателя.

Применение наддува на бензиновых двигателях ограничено возможностью возникновения детонации, поэтому приходится вводить средства противодействия, из которых наиболее часто применяются снижение степени сжатия и охлаждение смеси при испарении бензина, впрыскиваемого непосредственно в цилиндры двигателя.

О целесообразности применения турбонаддува можно судить по приведенным в таблице характеристикам трех близких по мощности 4-цилиндровых двигателей, устанавливаемых на автомобили VW Passat 4Motion.

Следует отметить, что повышенный запас крутящего момента двигателей с турбонаддувом достигается регулированием давления газов перед турбиной посредством их перепуска через байпас или изменением геометрии соплового аппарата. В последнем случае применяется обычно венец с поворотными лопатками. Следует отметить, что регулирование турбокомпрессора перепуском части газов помимо турбины приводит к определенным потерям их энергии и соответствующему снижению эффективности системы наддува.

Следуя современным тенденциям совершенствования автомобильных двигателей, фирма Honeywell разработала несколько конструкций малоразмерных компрессоров, в том числе для устанавливаемого на индийском автомобиле Tata Nano 2-цилиндрового двигателя рабочим объемом 0,8 л.

Фото 1. Турбокомпрессор модели КР фирмы BorgWarner

Не менее известная компания BorgWarner поставляет малоразмерные турбокомпрессоры как для дизелей, так и для форсированных бензиновых двигателей, у которых температура газов перед турбиной достигает 1050°С. Корпуса турбин этих турбокомпрессоров отливаются из специальной жаростойкой стали, а в средних корпусах с установленными в них подшипниками ротора предусмотрены полости, подключаемые к системе охлаждения двигателя. Фирма выпускает также турбокомпрессоры с корпусами, изготовленными штамповкой из листовой стали. Чтобы ускорить прогрев нейтрализатора, корпус турбины отливают интегрированным с выпускным коллектором. В некоторых случаях применяются коллекторы и корпуса турбин с тепловыми экранамииз листовой стали.

Фото 2. Агрегат двухступенчатого наддува R2S

Для дизелей мощностью от 50 до 130 л.с. фирма BorgWarner поставляет турбокомпрессоры моделей KP31–K03 (фото 1), регулирование которых осуществляется посредством перепускного клапана с пневматическим или электрическим приводом. Для дизелей мощностью от 80 до 250 л.с. предназначены турбокомпрессоры моделей BV35–BV50 с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины, лопатки которого поворачиваются также посредством пневматического или электрического привода. Некоторые из этих турбокомпрессоров имеют охлаждаемый корпус подшипников, включаемый в контур системы охлаждения двигателя. На дизели мощностью от 130 до 350 л.с. фирма предлагает устанавливать системы двухступенчатого наддува R2S с регулируемым перепуском газов между турбинами высокого и низкого давления (фото 2).

Одной из последних разработок фирмы является турбокомпрессор с двойной улиткой и поворотными лопатками соплового аппарата турбины. Применение двух улиток в сочетании с раздельными выпускными коллекторами способствует сохранению кинетической энергии выходящих из цилиндров газов, что содействует повышению эффективности турбокомпрессора при низких и средних частотах вращения вала двигателя. При этом также улучшается динамика разгона турбокомпрессора при резкой подаче нагрузки.

Для бензиновых двигателей мощностью от 60 до 340 л.с. BorgWarner предлагает турбокомпрессоры моделей BO31–BO53 c перепускным клапаном и моделей BO45–BO53 со сдвоенной улиткой. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины выпускаются для двигателей мощностью от 160 до 220 л.с. Все турбокомпрессоры для бензиновых двигателей рассчитаны на работу при температуре отработавших газов до 1050°С, благодаря чему отпадает необходимость в охлаждении смеси за счет ее переобогащения. В результате при работе двигателя с большой нагрузкой возможна экономия топлива до 20%.

Турбонаддув в автомобиле: принцип работы

В массовом сознании слова «турбо», «турбонаддув», «турбированный двигатель» прочно ассоциируются со спортивными машинами и мощными двигателями. При этом, немногие представляют себе устройство и принцип работы турбонаддува. Хотя ничего особенного сложного в нём нет.

Что такое турбонаддув в автомобиле

Турбонаддув это специальная система, которая закачивает (наддувает) дополнительный воздух в цилиндры двигателя. Такая система используется не только в автомобильных двигателях, но и в авиационных, тепловозных, корабельных, и многих других. Широкое распространение турбонаддува вызвано тем, что это очень простой и дешёвый способ повышения мощности двигателя. Турбировать можно почти любой автомобильный двигатель, даже если это изначально не предусмотрено конструкцией.

Устройство турбонаддува относительно простое:

§ ряд датчиков и клапанов.

Полный комплект не занимает много места, его установка не требует серьезной переработки силового агрегата. Поэтому поставить турбонаддув на свою машину может любой желающий. Цены на турбосистемы сильно разнятся, в зависимости от мощности, эффективности, фирмы-производителя.

Принцип работы турбонаддува

Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы, которые выбрасывает двигатель, попадают на турбину и придают ей вращение. Турбина, в свою очередь, передаёт крутящий момент компрессору, он засасывает воздух и сжимает его. После этого сжатый воздух направляется в цилиндры двигателя. Опционально в эту схему вносится промежуточный охладитель воздуха — интеркулер. Он снижает температуру сжатого компрессором воздуха, соответственно уменьшая его объём. Это избавляет от неприятных эффектов вроде детонации, и повышает общую эффективность системы.

Смысл закачивания дополнительного воздуха становится ясен, если вспомнить принцип работы двигателя внутреннего сгорания. В его цилиндрах сгорает топливо-воздушная смесь, этот процесс толкает поршень, который проворачивает коленвал. Но, для эффективного сгорания смеси важно соблюдать правильное соотношение топлива и воздуха, поэтому нельзя повысить мощность просто добавив в смесь больше топлива. Вместе с увеличением количества топлива нужно увеличивать и количество воздуха.

Это можно сделать увеличив объём цилиндра, чтобы в него помещалось побольше воздуха. Но можно пойти другим путём — повысить плотность воздуха, загоняемого в цилиндры. Тогда с той же единицы рабочего объёма двигателя можно снимать ощутимо большую мощность. Хороший пример — спорткары, где каждый литр объёма может выдавать более 150 л.с. Конечно, помимо турбонаддува там используют ещё массу ухищрений. Но вполне реально получить 105-115 л.с. на литр с помощью одного только турбирования.

Что такое турбояма или турболаг

Принцип работы турбонаддува заключается в том, что двигатель «разгоняет» себя за счёт своей же работы. Эта особенность вызывает появление такой проблемы как турбояма или турболаг. Она проявляется в виде провала мощности, который появляется после резкого нажатия на педаль газа.

На заре турбированных моторов доходило до смешного — слишком резко и сильно нажав на педаль «газа», можно было полностью заглушить его. Сейчас сложная механическая и электронная начинка не даст этому произойти, но эффект турбоямы с неприятным провалом мощности всё равно остаётся. Особенно этим страдают дешевыё турбо-системы или неправильно установленные и настроенные.

Чтобы сгладить турболаг, используют хитрые электронные системы упреждающего наращивания оборотов. Они регистрируют резкие нажатия на педаль акселератора и раскручивают компрессор электроприводами, не дожидаясь, когда «проснётся» турбина. Цена таких решений, как правило, немаленькая, поэтому они встречаются в осномном только на спортивных авто.

Плюсы и минусы турбонаддува

Использовать турбонаддув имеет смысл только в том случае, если крайне необходимо придать автомобилю более динамичный, спортивный характер. Это действительно отличный способ минимальными затратами повысить мощность двигателя. Турбирование увеличивает максимальную скорость машины и улучшает ее динамику.

При этом турбонаддув позволяет обходиться меньшим объемом топлива по сравнению с двигателем такой же мощности и большего объёма . На эту деталь нужно обратить самое пристальное внимание, так как сам по себе турбонаддув не уменьшает, а увеличивает расход топлива. Потому что при росте количества воздуха в цилиндрах нужно соответствующе нарастить подачу топлива.

Помимо увеличенного расхода горючего, турбонаддув имеет следующие недостатки:

§ турбокомпрессор вращается на огромных оборотах и сильно нагревается, что отрицательно сказывается на его долговечности;

§ непредусмотренное изначально увеличение мощности усиливает износ всех частей двигателя;

§ турбонаддув предъявляет повышенные требования к качеству топлива и моторных масел;

§ турбирование включает в себя изменения настроек работы двигателя, фаз газораспределения.

Как работает турбонаддув в машине? [Принцип работы]

Как работает турбонаддув в машине?

В природе не существует такой вещи, как идеальное изобретение: мы всегда можем сделать что-то лучше, дешевле, эффективнее и экологически более чистым. Возьмите двигатель внутреннего сгорания. Вы думаете, что это невероятно, что автомобиль, работающий на жидкости, может ускорить ваше путешествие из пункта А в пункт B в разы. Но всегда существует возможность создать двигатель, который будет работать быстрее, на большие расстояния, или использовать меньше топлива. Одним из способов улучшить двигатель является использование турбонаддува – пары вентиляторов, которые направляют выхлопные газы из задней части двигателя в его переднюю часть, тем самым предоставляя двигателю больше мощности. Мы все слышали о турбированных движках, но как именно это работает? Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее!

Турбонаддув. Что это?

Вы когда-нибудь видели автомобили, которые проезжали мимо вас в облаке зловонного дыма, источником которого была их выхлопная труба? Для всех является очевидным тот факт, что выхлопные газы загрязняют окружающую среду, но менее очевидным остается тот факт, что это так же и пустая трата драгоценной энергии. Выхлопные газы являются смесью горячих газов, которые выходят из двигателя на приличной скорости и вся энергия, которая в них содержится – температуры и движения (кинетическая энергия) – бесполезно рассеивается в атмосфере. Разве не было бы замечательно, если бы двигатель мог использовать энергию выхлопных газов для собственного ускорения? Именно этим и занимается турбонаддув.

Автомобильные двигатели получают свою мощность от сгорания топлива в крепких металлических емкостях, которые называются цилиндрами. Воздух поступает в каждый цилиндр, смешивается там с топливом, и сгорает, при этом происходит небольшой взрыв, который приводит в движение поршень, а тот в свою очередь приводит в движение валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень возвращается в первоначальное положение, он выталкивает отходы воздушно-топливной смеси из цилиндров. Это и есть выхлопные газы. Количество энергии, которую может произвести автомобиль, напрямую связано с тем, как быстро он сжигает топливо. Чем больше цилиндров в двигателе и чем больше они в объеме, тем больше топлива он может сжечь каждую секунду и (по крайней мере, теоретически) тем быстрее сможет ехать автомобиль.

Из урока приведенного выше мы уяснили, что одним из способов сделать автомобиль гораздо быстрее, это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили, как правило, оснащены восьмью или двенадцатью цилиндрами, а не четырьмя шестью, как стандартные семейные транспортные средства. Другой способ заключается в использовании турбонаддува, который нагнетает больше воздуха в цилиндры, чтобы двигатель мог сжигать топливо с большей скоростью. Турбонаддув является простой, относительно дешевой, дополнительной конструкцией, которая помогает извлечь из двигателя больше мощности. Это изобретение вошло в ТОП 10 улучшений в конструкции двигателя со времен его создания (об этом, а также о многом другом, более подробнее здесь).

Как работает турбонаддув?

Если вы знакомы с принципом работы реактивного двигателя, то вы на полпути к пониманию принципа работы автомобильного турбонаддува. Реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камере, где он сгорает с топливом, а затем выпускает горячий воздух с обратной стороны двигателя на большой скорости. Когда горячий воздух покидает двигатель, он проходит мимо турбины (которая внешне немного похожа на очень компактную металлическую лестницу), что приводит в движение компрессор (воздушный насос) в передней части двигателя. Этот компрессор толкает воздух в двигатель, чтобы сжечь топливо должным образом. Принцип работы турбонаддува в автомобиле практически точно такой же. Он использует выхлопные газы для приведения турбины в действие. Она вращает воздушный компрессор, который нагнетает дополнительный воздух в цилиндры, чтобы сжигать больше топлива каждую секунду. Вот почему автомобили с турбонаддувами обладают большей мощностью.

Как это работает на практике? Фактически турбокомпрессор – это два небольших вентилятора (так называемые лопастные колеса или газовые насосы), которые размещены на одном металлическом валу, так что оба вращаются в одну сторону. Один из этих вентиляторов, который называется турбиной, расположен на пути потоков выхлопных газов из цилиндров двигателя. Как только цилиндры выпускают горячий газ, он вращает лопасти вентилятора, что приводит в движение вал, на котором размещен вентилятор. Второй вентилятор, который называется компрессором, также начинает вращаться, так как расположен на одном валу с турбиной. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому, как только он начинает вращаться, он засасывает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Но на этом этапе возникает небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, вы повышаете его температуру. Горячий воздух имеет меньшую плотность, а это уменьшает его эффективность в помощи при сгорании топлива. Так что, было бы намного лучше, если бы воздух, поступающий из компрессора, охлаждался до того, как он попадет в цилиндры. Для того, чтобы решить эту проблему и охладить воздух, выход из турбокомпрессора проходит через теплообменник, который забирает лишнюю температуру себе и направляет ее в более подходящие места.

Существует ряд мнений, что турбины ненадежны, что они часто ломаются и требуют полной замены. Мы не совсем согласны с этим утверждением. Почему? Об этом читайте в нашей статье: Есть ли недостатки у двигателей с турбонаддувом?

Схема работы турбонаддува с картинкой

Основная идея заключается в том, что выхлопные газы приводят в движение турбину (красный вентилятор), который непосредственно подключен (и питает) к компрессору (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты, мы показываем только один цилиндр. Давайте рассмотрим весь принцип работы пошагово.

1 . Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется в компрессор.

2 . Вентилятор компрессора помогает засасывать воздух внутрь.

3 . Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух и выдувает его снова.

4 . Горячий, сжатый воздух из компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.

5 . Охлажденный, сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре с большей скоростью.

6 . Так как в цилиндре сжигается больше топлива, он быстрее производит энергию и может отправлять больше мощности на колеса через поршни, валы и шестерни.

7 . Выхлопные газы из цилиндра выходят через выпускные трубы.

8 . Горячие выхлопные газы проходят мимо турбины и заставляют ее вращаться с высокой скоростью.

9 . Вращающаяся турбина установлена на том же валу, что и компрессор (на нашей картинке вал изображен оранжевым цветом). Таким образом, если вращается турбина, то и компрессор тоже.

10 . Выхлопные газы выходят из автомобиля, но при этом тратиться меньше ценной энергии, чем, если бы двигатель был без турбонаддува.