Что такое турбонаддув?

Сегодня мы поговорим о том, как небольшой по своим размерам механизм, с виду очень похожий на улитку, способен повысить мощность двигателя в несколько раз. Мы спросили автоинструкторов, что же такое турбонаддув, как с данным механизмом обращаться, и вот что они нам рассказали.

Конструкция «турбины»

В первую очередь мы хотим отметить, что больших различий в конструкции турбонаддувов для разных моделей машин нет. Есть лишь вариации в размерах и дизайне некоторых узлов. По словам инструкторов по вождению, большинство автомобилистов используют термин «турбина», хотя это не совсем верно.

Турбиной называют одну из составляющих турбонаддува, состоящую из корпуса, системы уплотнений, вала с крыльчатками, двух улиток (в них вращаются крыльчатки), одного упорного и двух опорных подшипников скольжения. Сюда же крепится пневмопривод, который приводит в работу перепускной клапан. Заметим, что в некоторых моделях его нет. Основная цель перепускного клапана заключается в регулировке оборотов турбины и производительности компрессора.

Когда на выходе давление воздуха превышает оптимальное, то пневмопривод, который открывает клапан, срабатывает, таким образом, какая-то небольшая часть выхлопных газов выходит напрямую в выхлопную систему, и из-за этого обороты турбины становятся меньше.

Турбина — это крыльчатка на валу, приводящая во вращение компрессор. Турбина изготавливается из жаростойкого сплава, вал — из среднелегированной стали, а компрессор — из алюминия. Напомним, что данные детали не ремонтируются, а просто заменяются. Исключением является вал, который иногда получается перешлифовать и сделать под него новые подшипники.

Для чего нужен турбонаддув?

Как известно, для горения топлива нужен кислород. В цилиндрах сгорает топливно-воздушная смесь, а не топливо. Топливо смешивается с воздухом не на глазок, а в определенном соотношении. Например, для бензиновых двигателей — это 1:15 (топливо и воздух соответственно).

Как видно из примера, воздуха требуется довольно много. При увеличении подачи топлива, подача воздуха увеличивается. Стандартные двигатели получают его из-за небольшой разницы давлений в атмосфере и самом цилиндре. Данная зависимость прямая, ведь чем больше объем цилиндра, тем в него попадет больше кислорода.

Выхлопные газы, идущие из двигателя автомобиля, вращают определенным образом ротор турбины, а он приводит в движение другой механизм — компрессор, который доводит сжатый воздух непосредственно в цилиндры.

Но перед этим воздух проходит сквозь интеркулер, тем самым охлаждаясь.

Итак, чем больше в турбину попадает выхлопных газов, тем быстрее эта турбина вращается, то есть в цилиндры поступает больше воздуха, и соответственно мощность становится выше.

Почему турбонаддув столь непопулярен?

На «самообслуживание» наддува нужно совсем немного энергии мотора (около 1,5%). Кроме того, даровая энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха, увеличивает КПД двигателя. Отсюда меньшие потери на трение, небольшой вес двигателя. Казалось бы, машины с турбонаддувом должны быть более экономичными, а это именно то, чего конструкторы хотели добиться. Но не все так гладко, как кажется на первый взгляд.

Скорость вращения турбины иногда достигает 200 000 об/мин, к тому же температура газов может достигать 1000°C. А чтобы сделать турбонаддув, способный выдерживать большие нагрузки долгое время, нужны не только значительные материальные средства, но и время.

Именно поэтому турбонаддув был широко распространен лишь в авиации во время 2-ой мировой войны. В 50-х г.г. прошлого столетия американская фирма Caterpillar стала использовать турбонаддув в тракторах, а Cummins — в своих грузовиках. Лишь в 1962 году турбонаддувами оснастили Chevrolet Corvair Monza и, взять хотя бы, Oldsmobile Jetfire.

Очевидные минусы

Дороговизна и сложность конструкции турбонаддува не являются основными недостатками данного устройства. Эффективность функционирования турбины зависит от оборотов мотора. Если обороты небольшие, и выхлопных газов мало, то ротор раскручивается слабо. В этом случае компрессор практически не дает цилиндрам дополнительный воздух. Именно поэтому бывает так, что до 3 000 оборотов двигатель не дотягивает, и «выстреливает» лишь после 4-5 тысяч. Это называется турбоямой.

Кстати, чем больше турбина, тем дольше она раскручивается, а это значит, что двигатели, оснащенные турбинами высокого давления, и с довольно высокой мощностью страдают турбоямой, как правило, в первую очередь.

У турбин, обеспечивающих низкое давление, подобных провалов тяги практически нет, однако и мощность они могут поднять не очень сильно. От турбоямы поможет избавиться схема с последовательным наддувом. В этом случае на малых оборотах начинает работать малоинерционный турбокомпрессор, который увеличивает тягу на «низах», а на высоких оборотах с повышением давления на выпуске включается другой механизм.

В прошлом столетии последовательный наддув применялся на суперкаре Porsche 959. В настоящее время можно упомянуть фирмы Land Rover и BMW. В случае бензиновых двигателей, к примеру, на Volkswagen, роль «заводилы» отдана приводному нагнетателю.

Пара «улиток»

На рядных двигателях часто ставится одиночный турбокомпрессор пара «улиток» (twin-scroll), где есть двойной рабочий аппарат. В каждую из этих «улиток» выхлопные газы попадают от различных групп цилиндров. При этом оба механизма дают газы одновременно на одну турбину, довольно эффективно раскручивая ее как на больших, так и на малых оборотах.

Чаще всего по-прежнему используется пара одинаковых турбокомпрессоров, которые параллельно обслуживают отдельные группы цилиндров.

Видеоматериал о том, как проверить давление турбонаддува в движении при помощи манометра:

Материалы: http://spokoino.ru/articles/ustroistvo_avto/chto_takoe_turbonadduv/

Дабы увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания, производители разработали специальный агрегат. Его мощность напрямую зависит от его же рабочего объёма и наличия топливно-воздушной смеси, которая подаётся в цилиндры. Это устройство называется турбонаддувом, а ниже мы рассмотрим виды турбонаддува.

Виды турбонаддува

1) Резонансный (здесь применяется кинетическая энергия воздуха именно во впускном коллекторе);

2) Механический турбонаддув (нагнетание воздуха идёт с помощью компрессора, который приводится в действие от двигателя);

3) Газотурбинный (здесь идёт использование энергии отработавших газов).

Особенность работы резонансного наддува

В данном случае нагнетатель не применяют. Повышение давление воздуха происходит за счёт чётко выверенной формы и длинны впускного коллектора. Работа его очень проста и подробному рассмотрению не подлежит.

Особенность работы механического наддува

Использование компрессора является одним из способов увеличения подачи воздуха в цилиндры двигателя. Механический нагнетатель воздуха для автомобиля работает следующим образом: компрессор запускается в работу от шкива коленчатого вала, что и вызывает нагнетание воздуха, как только мотор начинает работать.

Преимущество этой системы в том, что воздух нагнетается на любых режимах работы силового агрегата. При минимальных оборотах также происходит нагнетание. Давление начинает увеличиваться с ростом оборотов коленвала.

Минус такого оборудования в том, чтобы обеспечить работу нагнетателя расходуется часть мощи двигателя машины. Следовательно, снижается его КПД.

Что собой представляет газотурбинный наддув

Принцип работы этого устройства достаточно не сложный. На одном валу находятся крыльчатка-нагнетатель и крыльчатка-турбина. Все из турбин вращается в своей улитке. Газы, которые отработали, проходят из выпускного коллектора через одну из улиток и вращают крыльчатку-турбину. Обороты посредством общего вала передаются второй крыльчатке, которая способствует повышению давления атмосферного воздуха, который проходит через вторую улитку.

Повышается КПД и двигатель автомобиля становится более экономичным. Это всё происходит по той причине, что система приводится в действие за счёт энергии отработавших газов.

Основным плюсом является экологичность оборудования . Турбонаддув способствует обеспечению более полного сгорания горючего. Он помогает понизить температуру камеры сгорания, что и приводит к понижению образования оксида азота.

Недостатк и турби р ованного дв игателя

Впервую очередь, такое устройство нуждается в бережном отношении к себе. Дело в том, что масло к подшипникам компрессора подаётся под давлением во время работы двигателя автомобиля. Поэтому, если сразу заглушить мотор и выключить зажигание, большая вероятность того, что у вас перегреется компрессор или вообще выйдет из строя. Дабы избежать подобных поломок, дайте мотору пару минут поработать на холостых оборотах. Только после этого глушите его.

Силовой агрегат с турбонаддувом потребляет больше топлива. Связанно это с большим количеством воздуха, загнанного в цилиндры. Сжигается больше топлива, но при этом массовая доля горючего из расчёта на единицу мощности в час всегда меньше, чем у самого мотора, не имеющего турбонаддув.

Ограничение диапазона эффективной работы турбокомпрессора также значительный минус. Здесь происходит очень медленный отклик турбины на нажатие педали газ. Система турбонаддува хорошо и качественно работает в достаточно узком диапазоне частоты вращения коленвала. Он же полностью зависит от размеров турбины. Чтобы решить подобную проблему, производители устанавливают двойной турбонаддув, то есть, две турбины с разным диаметром крыльчатками. Порой променяют и две полностью одинаковые турбины. Это для того, когда первая турбина теряет свои качества, её подхватывает вторая. Для уменьшения инерции и эффекта турбоямы, производители пытаются максимально понизить вес валов.

Принци п работы ту р бонаддува дизельного двигателя

И так, как работает турбонаддув в дизельном двигателе? Работа турбированного дизельного двигателя основана на применении энергии выхлопных газов. Например, отработавшие газы после покидания цилиндра попадают на крыльчатку турбины, вращая её.

Если сравнивать с атмосферными дизелями, то в турбокомпрессорных агрегатах воздух в цилиндры подаётся под более высоким давлением. В итоге получается, что объём воздуха, который попадает в цилиндр за один цикл, увеличивается.

Турбонаддув дизельного двигателя менее экономичен. Система такого наддува восприимчива к истощению поршневой группы. Увеличение давления картерных газов значительно снижает ресурс турбины. Такие турбины нуждаются в применении специальных сортов масел и тщательного соблюдения рекомендуемых производителем сроков обслуживании.

Принци п работы турбона ддува бензино вого двигателя

И так, как работает турбонаддув в бензиновом двигателе? Использование системы турбонаддува двигателя, в основном, основывается на применении энергии, выделяемой при сгорании газа. Уже отработанные газы начинают вращать колесо турбины. Оно же ведёт в оборот компрессионное колесо через вал ротора. Компрессорное колесо приступает к сжатию воздуха, отправляя его в систему. Нагретый воздух при сжатии, поступает в цилиндр двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не связан с коленвалом двигателя, качество работы зависит от количества оборотов двигателя. Чем выше будет частота вращения, тем больше энергии отработанных газов. В этом случае турбина начинает вращаться быстрее, а в цилиндр поступает необходимое количество сжатого воздуха. Так что теперь вы знаете, что такое турбонаддув в автомобиле и как он работает!

как уби ть авт омобиль – что нельз я делать

Если статья понравилась, делимся в соцсетях и оставляем комментарии!

Материалы: http://avtgid.ru/chto-takoe-turbonadduv-i-kak-on-rabotaet-princip-raboty-turbonadduva-dizelnogo-dvigatelya.html

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают проблемы.

Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Buchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

А вот так выглядит интеркулер.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.

Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 50-х годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Турбина twin-scroll имеет двойную «улитку» турбины — одна эффективно работает на высоких оборотах двигателя, вторая — на низких

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Турбина с изменяемой геометрией.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Ещё больше интересного — в наших сообществах Вконтакте и Facebook.

Материалы: http://wroom.ru/news/22