Как работает двигатель с турбонаддувом: устройство, принцип работы системы (видео), схема дизельного двигателя с турбиной

Идея дополнительного нагнетания воздуха зародилась едва не сразу же после постройки первых полноценных двигателей внутреннего сгорания. Изначально использование энергии выхлопных газов для повышения мощности ограничивалась корабельными ДВС, позже двигатель с турбонаддувом пришел в авиастроение. И только в 1931 году первый турбокомпрессор был установлен на грузовой автомобиль. Что такое турбонаддув и как использование нагнетателей сказывается на КПД двигателя – тема сегодняшней статьи.

Теория газообмена в ДВС

Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением, что ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

Виды турбонаддува

Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

• турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;
• механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.

Турбина

Очевидно, что для понимания устройства достаточно взглянуть на фото. Принцип работы турбонаддува также достаточно ясно продемонстрирован на видео. Более подробно остановимся на перепускном клапане и предназначении интеркуллера, который обязателен для эффективной работы авто с турбонаддувом.

В момент резкого закрытия дроссельной заслонки на больших оборотах двигателя во впускном тракте создается сильный помпаж. Колесо компрессора «холодной» части (впускной) турбины продолжает по инерции вращаться, создавая в перекрытом заслонкой канале избыток давления. Происходит резкое замедление компрессорного колеса, что автоматически ведет к замедлению турбинного колеса в выпускном тракте и созданию сильного противодействия выхлопным газам. Для предотвращения такого эффекта предназначен перепускной клапан, который либо сбрасывает избыток давления в атмосферу (Blow-off), либо перенаправляет поток опять на вход по направлению вращения турбинного колеса (Bypass).

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Характеристики системы

Особенности работы турбины:

• наиболее эффективна в режиме высоких и средних оборотов;
• очень низкая эффективность до момента, называемого выходом на буст. Еще больше ухудшает ситуацию уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации. Поэтому у авто с одноступенчатой системой турбонаддува присутствует турбояма, или турболаг;
• так или иначе, но присутствует противодействие выхлопным газам на выпуске, что немного ухудшает КПД двигателя, хоть в целом турбонаддув позволяет увеличить мощность ДВС;
• повышаются требования к качеству и периодичности замены моторного масла.

Механический нагнетатель

В механической системе всасывание воздуха осуществляется лопастями роторов, вращающихся навстречу друг другу. Наибольшее распространение получила конструкция системы Roots с прямыми лопастями. Компания Eaton усовершенствовала нагнетатель, применив косозубые роторы. Среди механических систем можно выделить центробежный нагнетатель, который во многом напоминает принцип работы турбины.

Особенности механических нагнетателей:

• отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей;
• наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов;
• небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

Эксплуатация

Наибольшего распространения система турбонаддува получила на дизельных двигателях. В высокотехнологичных моторах часто применяются двухступенчатые системы наддува:

• Biturbo – одна маленькая турбина для прибавки в мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов;
• Турбина + механический нагнетатель. Конструкцию и принцип работы такой системы мы рассматривали на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

Для лучшего понимания того, что такое турбонаддув, предлагаем посмотреть видео Александра Кулика.

Материалы: http://autolirika.ru/teoriya/chto-takoe-turbonadduv.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.

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. Бывают и более изощрённые конструкции. Например, инженеры придумали устанавливать на мотор не одну, а две турбины. Одна работает на маленьких оборотах двигателя, создавая тягу на «низах», а вторая включается позже. Такое решение получило название twin-turbo и позволило убить сразу двух зайцев — и турбояму, и проблему нехватки мощности. В конце минувшего века автомобили с последовательной схемой подключения турбин имели некоторую популярность, их выпускали Nissan, Toyota, Mazda и даже Porsche. Однако в силу сложности конструкции век таких аппаратов оказался недолог, и распространение получили другие идеи. Например, параллельный турбонаддув, или biturbo. То есть вместо одной турбины ставят две маленькие одинаковые турбины, которые работают независимо друг от друга. Идея такова: чем меньше турбина, тем быстрее она раскручивается, тем более «отзывчивым» получается двигатель. Как правило, две маленькие турбины ставили на V-образные двигатели, по одной на каждую «половинку».

Ещё один вариант — турбины с двумя «улитками», или twin-scroll. Одна из них (чуть большего размера) принимает выхлопные газы от одной половины цилиндров двигателя, вторая (чуть меньшего размера) — от второй половины цилиндров. Обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах.

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

Но и на этом конструкторы не успокоились. Естественно, чем городить две турбины, гораздо проще обойтись одной. Надо только сделать так, чтобы турбина одинаково эффективно работала во всём диапазоне оборотов. Так появились турбины с изменяемой геометрией. Здесь и начинается самое интересное. В зависимости от оборотов 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.

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».

Comments 2

Позновательный текст для непросвещенных типо меня) спасибо! И не надо искать, информация сама лезет в голову

Материалы: http://www.drive2.com/b/288230376151883605/

Встретив словосочетание «актуатор турбины» (actuator, westgate — вестгейт) и задумавшись над тем, что это такое, большинство автомобилистов из самого названия, а точнее из его русскоязычного аналога, понимают, что это устройство, регулирующее работу турбины на двигателях таковой оснащенных. И это действительно так.

Турбонаддув силового агрегата авто за счет увеличения количества поступающего в цилиндры воздуха (создаваемого им давления) увеличивает его мощность. Учитывая тот факт, что, в большинстве своем, энергия, раскручивающая турбокомпрессор, берется из давления выхлопных газов, выходящих из выпускного коллектора, следует понимать следующее: выше мощность → больше давление выхлопных газов → сильнее раскручивается турбина → растет нажим во впуске.

Да, со стороны кажется – вечный двигатель, но это давление выше необходимого, и оно вредит механизмам двигателя и самой турбины, поэтому его польза уже становится не так актуальна. Для решения проблем, связанных с регулировкой давления, создаваемого турбокомпрессором, служит актуатор.

Принцип работы актуатора, или как его еще называют, вакуумного регулятора в целом прост: при наличии избыточного давления заслонка либо клапан открывается и излишний воздух (газы) не попадает в механизмы турбины/двигателя, а по специальным каналам отводится, минуя их, не позволяя турбине раскручиваться более определенного количества оборотов.

Открытие осуществляется 2 способами:

1. Пневматически.

Привод заслонки соединен мембраной либо цилиндром (в зависимости от производителя), прижатым в закрытом положении пружиной. При определенном нажиме, создаваемым турбиной, силы пружины не хватает удерживать заслонку в закрытом положении, и она открывается, направляя часть выхлопных газов мимо крыльчатки, уменьшая скорость вращения турбонаддува.

Плюс такого устройства – простота и надежность. Минус – сложность тонкой настройки.

2. Электромеханически.

Здесь клапан подчиняется электронному блоку управления двигателем через различные датчики, установленные, как в самой турбине, так и на впускном, выпускном коллекторах. Как следствие, такая система более отзывчива к регулировке и подстраивается под работу двигателя в любых условиях.

Недостаток всего один – сложность и высокая стоимость ремонта.

Видео с описанием работы турбокомпрессора с вакуумным регулятором.

Неисправности могут быть как механические, вследствие больших температур выпускных газов, их агрессивной среды либо банального старения механизма и его износа, так и электромеханические, по тем же причинам.

Электронные системы, проще в диагностике, сам ЭБУ их диагностирует и может конкретно указать на проблему.

В полностью пневматическом устройстве все сложнее.

Во-первых, без специального оборудования и наличия регламентных показателей рабочей системы сложно разобраться, имеется ли проблема вовсе. О неполадке может сказать лишь уже в целом некорректно работающий двигатель, а сама проблема может быть запущена до сложного и дорого ремонта. Хотя в таких системах первоначальным источником проблемы могла быть попросту ослабшая пружина либо небольшая негерметичность в пневматической части.

Во-вторых, если и захочется разобраться в диагностике и наличии неисправности в турбонаддуве, сперва придется изучить сервисную документацию по конкретному автомобилю и алгоритмам диагностики работы его вестгейта, что довольно долго и не всегда возможно, поэтому если есть подозрения на неправильную работу турбины/вакуумного регулятора, большинству автовладельцев дорога только в специализированный сервис.

Для любителей поковыряться в машине отметим, настройка актуатора – это как раз та единственная вещь, благодаря которой можно увеличить эффективность действия турбонаддувом выше предусмотренных производителем показателей. Конечно, надо понимать, увеличивая давление, создаваемое турбокомпрессором и, как следствие, мощность двигателя, вы расплачиваетесь меньшим ресурсом его работоспособности.

Если это вас не останавливает – в простых пневматических системах стремитесь к увеличению давления, при котором начинает открываться заслонка вестгейта. Как этого добиться, уже зависит непосредственного от устройства турбокомпрессора и тех компонентов, позволяющих это сделать, которые предусмотрел производитель, возможно, придется что-то усовершенствовать. В электронных системах произвести настройку работы актуатора, конечно, проще, но нужно учитывать, что сама настройка будет происходить посредством перепрограммирования ЭБУ. Если в целом вы знакомы с этим, больших проблем такая процедура не составит. Главное – вовремя остановиться в диапазоне регулировок. Однако это не всегда возможно вовсе – производители заботятся, чтобы лишние люди не лазили там, где им не следует, поэтому максимально блокируют возможность постороннего вмешательства в функционирование систем.

Видео о проверке и настройке актуатора турбины.

Актуатор турбины – агрегат, основанная задача которого – защита от переизбытка давления и самой турбины, и двигателя в целом.

Принцип работы актуатора может быть различен, все зависит от производителя и конкретного устройства системы.

Ремонт и настройка актутора – непростая задача, как в диагностике, так и самом ремонте. Если читаете это материал, то, наверное, вам еще рано вмешиваться в работу данной системы, в помощь будут только специализированные сервисы. Если же хочется самостоятельно разобраться, необходимо обзавестись сервисной литературой по данной тематике конкретного производителя, что не всегда просто, ввиду редко имеющегося у такового желания делиться подобными секретами, уменьшая собственную прибыль на сервисе.

Материалы: http://autoepoch.ru/avtoazbuka/aktuator-turbiny.html