Автомобильный турбокомпрессор: принцип работы и назначение

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 перелает 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 «турбоямы» и «турбоподхвата» 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 турбонаддува 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 с турбонаддувом 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.

Материалы: http://avtomotoprof.ru/v-pomoshh-avtomobilistu/naznachenie-ustroystvo-i-rabota-turbokompressora/

Кто-то ценит в автомобилях комфорт, другие выбирают себе транспортное средство в зависимости от престижности, третье отдают предпочтение сверхсовременной электронике. Предпочтений множество. Но всех водителей объединяет желание иметь быстрый и мощный автомобиль.

Вам, наверное, не раз приходилось замечать на машине надпись turbo. Обычно подобные шильды крепятся на багажнике неподалёку от названия вместе с объёмом двигателя. Но что означает для автомобиля система турбонаддува, знают немногие.

Чтобы узнать, что такое турбонаддув в общих чертах, необходимо понять мотивацию автомобилестроителей. Каждый автомобильный концерн желает, чтобы его машины имели высокую скорость и хорошие динамические показатели. Именно поэтому инженеры идут на самые разнообразные шаги, чтобы усовершенствовать свои концепты. Турбонаддув — это один из наиболее эффективных и простых шагов повышения мощности.

Вспомните хотя бы эволюцию автомобильного двигателя. Сначала серийные автомобили не разгонялись быстрее 50 миль в час, но прошло не более 20 лет, как этот показатель пересёк отметку в 100. Если же говорить про количество лошадиных сил и объёмы двигателей, то они росли просто с ошеломляющей скоростью.

Чтобы не быть голословными, сравним Ford Model T (это первый серийный автомобиль) и Ferrari 458 Speciale. Первый имел 20 лошадиных сил, а вторая больше 600. Прогресс за сто лет более чем впечатляющий. Естественно, важную в нём роль сыграла установка на машины турбонаддува.

Желая ещё больше увеличить динамические показатели мотора, автомобильные производители прибегали к самым разным хитростям. Одной из самых интересных технических новинок является система турбонаддува.

Принцип работы

Автомобильный двигатель работает за счёт сгорания топлива. Чем больше его сжигается, те выше прирост мощности. Это простая, но действенная закономерность, которой воспользовались инженеры, создавая систему турбонаддува.

Но не всё так просто как может показаться, на первый взгляд. Чтобы топливо горело, необходим кислород. Поэтому в цилиндры попадает не топливо в чистом виде, а его смесь с воздухом.

Если в качестве примера взять бензиновый двигатель, то на одну часть топлива припадает 14—15 частей бензина. Это довольно грубый подсчёт, так как во внимание необходимо брать состав топлива, а также характеристики всей системы.

Простой двигатель работает по следующему принципу: он засасывает воздух в цилиндры благодаря разности давлений. Как результат, чем больше объём цилиндра, тем больше количество кислорода. Естественно, это напрямую влияет на размеры двигателя: система турбонаддува помогает значительно уменьшить габариты конструкции.

Придумал систему турбонаддува Вильгельм Даймлер. Этот немецкий учёный изобрёл двигатель. Через несколько лет экспериментов он начал использовать для закачки воздуха в нагнетатель.

Нагнетатель и был прототипом современного турбонаддува. Он состоял из вентилятора, последний вращался за счёт работы двигателя. В результате эффективность всей системы повышалась в несколько раз.

Но это было только началом истории турбонаддува. Альфред Бюхи пошёл куда дальше. В 1905 он запатентовал аппарат, использующий для своей работы энергию выхлопных газов. Именно так была создана первая в мире система турбонаддува.

Использование системы турбонаддува на бензиновых и дизельных двигателях

Система турбонаддува применяется как на дизельных, так и на бензиновых двигателях. Но не всё так просто уровень эффективности кардинально отличается. Использование данного устройства на дизеле позволяет добиться качественно других результатов.

Нужно заметить, что использование системы турбонаддува на бензиновых двигателях имеет определённые ограничения. Во-первых, существует риск детонации из-за слишком высоких оборотов двигателя. Во-вторых, на устройствах, работающих за счёт бензина, слишком высокая температура выхлопных газов.

Если проводить сравнение, то температура выхлопных газов в двигателе, работающем на дизеле, составляет около 600 градусов по Цельсию. Аналогичный показатель в бензиновых агрегатах достигает отметки в 1000, что крайне негативно сказывается на системе турбонаддува.

Устройство системы турбонаддува не представляет особой сложности. По внешнему виду конструкция напоминает две улитки, соединённые между собой шлангом. Аппарат состоит из таких элементов, как:

• интеркуллер,
• турбокомпрессор,
• воздухозаборник,
• воздушный фильтр,
• дроссельная заслонка,
• напорные шланги,
• впускной коллектор,
• соединительные патрубки.

Некоторые производители добавляют в свои устройства впускные заслонки. Если же говорить об общей схеме, то они все практически идентичны, за исключением некоторых элементов.

Главным элементом конструкции считается турбокомпрессор. Именно он обеспечивает нагнетание воздуха. Узел состоит из таких деталей:

Турбинное колесо находится в специальном корпусе, который является устойчивым к повышенным температурам. Данная деталь отвечает за превращение энергии отработанных газов. Именно благодаря ей вращается компрессорное колесо.

В результате работы колеса воздух попадает внутрь, где происходит процесс сжимания. Лишь после этого полученная смесь направляется в цилиндры. Колёса крепятся к валу ротора. Нормальное вращение возможно благодаря подшипникам.

Интеркуллер — это простой радиатор. Он отвечает за охлаждение аппарата. Обычно в конструкции допускается использование интеркуллеров двух типов: жидкостный и воздушный. Первый считается более эффективным.

Системой управляет регулятор. По сути — это припускной клапан. Он ограничивает энергию газов. В результате та часть, которая может навредить системе, перенаправляется мимо турбинного колеса.

Регулятор позволяет достичь оптимальной величины давления наддува. Привод может быть двух видов: пневматический или электрический. Чтобы он сработал, вначале должна поступить информация с датчика.

Любая технология имеет как свои достоинства, так и недостатки. Турбонаддув не стал тому исключением. К основным плюсам устройства можно причислить:

• повышение КПД двигателя,
• рост экономичности всей системы,
• экологичность.

Главное достоинство аппарата в том, что он работает за счёт отработанных газов. Это позволяет сэкономить ресурс мотора для обеспечения большей мощности.

Рассматривая плюсы системы турбонаддува, не помешает рассмотреть их в сравнении с «атмосферником», выполняющим те же функции. На первый взгляд, «амтосферник» является куда более экономичным решением. С ним двигатель сжигает меньше топлива, но при этом мощность всей системы падает.

Ещё одним немаловажным достоинством турбонаддува является то, что подобная система позволяет добиться более низкой температуры в камере сгорания топливно-воздушной смеси. Из-за этого уменьшается образование оксида азота.

А теперь к минусам. Подобное устройство является весьма хрупким и требует к себе особенного отношения. К примеру, если вы только что использовали возможности двигателя по максимуму, не стоит его сразу глушить. Дайте мотору немного поработать на холостых оборотах. В противном случае возможен перегрев всей системы.

Ещё одним весомым недостатком данной системы нагнетания воздуха является наличие так называемых турбоям. Когда вы нажимаете на педаль газа — машина откликается не сразу.

Устройство может эффективно работать только тогда, когда коленвал вращается в определённом диапазоне. Достойно справиться с этой проблемой помогает двойной турбонаддув. Такой аппарат имеет две турбины. Крыльчатки у них разного размера, каждая способна эффективно работать в своём диапазоне.

Турбонаддув — это, безусловно, важная деталь, позволяющая значительно увеличить мощность мотора. Но из-за определённых особенностей её не особо выгодно устанавливать в бензиновых двигателях. Дело в том, что лишком большая температура сгорания топливно-воздушной смеси в камере, крайне негативно сказывается на устройстве.

Материалы: http://mashintop.ru/term.php?id=109

Всем известно, что повысить мощность мотора можно несколькими способами. Среди распространенных – американский; основное правило, которого гласит: «Объему нет альтернативы». Однако альтернативы, хоть и сложные, все же есть. К примеру, увеличить частоту вращения коленвала. Правда на высоких скоростях вращения, поршни начинают догонять клапаны, это не критично и «лечится» заменой пружин, имеющих большую жесткость. Но и в этом случае «всплывают какие-то нюансы, к примеру, маленькая тяга и такой же момент на «низах». Время идет, а с ним развивается научно-технический прогрес, который собственно, и породил такую чудо-систему, как VTEC.

Есть еще один, пожалуй, самый эффективный вариант, к примеру, увеличить подачу рабочей смеси, которая поступает в цилиндры. В этом случае тоже не обошлось без «подводных камней», поскольку мощность теперь будет ограничена прочностью мотора. Короче говоря, как не крути любая доработка и усовершенствование, непременно тянет за собой целый ряд проблем – в этом случае это октановое число (для двигателей работающих на бензине), а также требовательность к надувным агрегатам, к качеству обслуживания.

Есть лишь две схемы увеличения количества топливно-воздушной смеси, которая попадает в цилиндры автомобильных двигателей – турбонаддувная и компрессорная.

Что такое компрессор – это агрегат, необходимый для сжатия топливной смеси, который имеет привод от коленвала мотора. Неплохой способ, многие компании уже давно применяют его и получают при этом очень хорошие результаты и характеристики моторов. Речь идет о таких брендах, как Toyota, Mercedes. Последний, до сих пор применяет этот прием, Toyota же почти полностью перешла на турбонаддув.

Когда речь заходит про дизеля, то почти все моторы, мощностью более 80 КВт, оснащаются турбинами. Многочисленные преимущества двигателей с турбокомпрессорами более чем очевидны:

1. прекрасное соотношение вес/мощность;

2. адаптивная кривая крутящего момента, которая меняется к специфике условий эксплуатации;

3. лучшее сгорание топливной смеси;

4. сокращение количества токсичных выхлопов;

5. более стабильная работа, а также уменьшение шума от выхлопа (за счет турбины, которая работает еще и как глушитель).

По мощности дизельные моторы не идут ни в какое сравнение с бензиновыми собратьями, именно по этой причине все дизельные легковушки, как правило, оснащены турбонаддувом. К примеру, YD25DDTi компании Nissan – объем 2,5 л, с мощностью на уровне «нехилых» бензиновых моторов (174 л. с.), а крутящий момент на «низах» и вовсе, можно сказать, визитная карточка дизелей.

Мотор Nissan YD25DDTi

Турбина — это по сути, две крыльчатки, которые имеют одну ось (одна для впуска, одна для выпуска). После запуска мотора, крыльчатка начинает вращаться под воздействием потока выхлопных газов. Также вращается и впускная крыльчатка, которая создает избыточное давление.

Теория гласит: «Чем выше будут обороты мотора, тем объемнее и быстрее будет поток выхлопных газов». Следовательно, давление наддува также будет пропорционально увеличиваться – замкнутый круг, короче говоря. Такая схема способна пустить мотор «вразнос». Для того чтобы не допустить этого, был создан (перепускной) байпасный клапан, при помощи которого происходит стравливание избыточного давления. Производитель производит расчет оптимальной величины, до которой можно «раздувать» двигатель, для сохранения рабочего ресурса и обеспечения максимальной работоспособности.

Однако не все так просто как кажется. На малых оборотах создается небольшое давление выхлопных газов, а турбина в свою очередь — вещь довольно тяжелая, а для раскрутки крыльчаток необходимо какое-то время. Более того, степень сжатия в сравнение с атмосферными двигателями, снижена. Что мы получаем в итоге? Мы получаем провал мощности на малых оборотах, его еще называют «турбояма». При высоких оборотах, происходит примерно обратное, когда турбина достаточно раскрутилась, можно почувствовать ощутимый рывок, или «турбоподхват», как его еще называют. Отсюда новая проблема – обе крыльчатки нагреваются, и на впуск подается горячий воздух, в то время как двигателю для хорошей работы нужен холодный. Учитывая это, было создано специальное охлаждение потока поступаемого воздуха, при помощи интеркулера – это своего рода промежуточный охладитель. Перед попаданием в цилиндры, воздух проходит через интеркулер.

Турбояма для обычных авто довольно вредное явление. Рваный городской режим позволяет в полной мере ощутить недостаток мощности на «низах». Опытным спортсменам это не грозит, поскольку они в любом случае поддерживают обороты не ниже максимального момента. В силу этого, машины, претендующие на экстрим и спорт, оснащены лишь одной турбиной высокой производительности, позволяющей поднять мощность по максимуму. Что до рядовых моделей, к ним применяют всяческие ухищрения. К примеру, устанавливают турбины небольшого диаметра, с меньшей инерционностью, а для того, чтобы не терять мощность, используют сразу несколько таких наддувов.

Система, выставленных параллельно турбин, называется Bi Turbo. Применяется она, в основном, на V-образных агрегатах, на каждую половину мотора – своя. Более распространенной считается схема последовательного подключения турбин – Twin Turbo. Такая компоновка встречается на серийных Nissan Skyline, а также Toyota Supra. Принцип работы такой, что до определенного количества оборотов работает лишь одна турбина, а уже на высоких – в работу вступает вторая. Эти турбины пользуются большой популярностью, поскольку турбоподхват, который они обеспечивают этим культовым машинам довольно ощутимый, несмотря на их размеры.

Версии «гражданских» спорткаров пользуются большой популярностью и имеют хороший запас прочности, чем собственно успешно пользуются «фанаты тюнинга». Иногда поднять мощность турбомотора можно с минимальными затратами. Принцип прост – в любом тюнинг-ателье переписываете программу управления силовым агрегатом и устанавливаете буст-контроллер. Что такое буст-контроллер – это устройство, которое управляет клапаном отсечки. Таким образом, вы можете выставить давление наддува, которое будет превышать рекомендованное заводом-производителем. Однако могут быть последствия, поэтому — знайте меру.

Стоит также упомянуть моторы с шильдиком Turbo, которые отличаются капризностью и повышенным требованиям к качеству обслуживания. В корпусе турбины вращается ротор при помощи гидродинамических подшипников. Эти подшипники скольжения имеют масляный клин, который создается при высоком давлении, и не позволяет перейти к пограничному трению – металла о металл. Что-то похожее наблюдается на распредвале и на коленвале. Разница лишь в количестве оборотов. Если у коленвала это значение равно 5-6 тыс. об./мин., то у турбины оно равно – 110-115 тыс. об./мин., при этом скорость на конце лопатки ротора почти такая как у пули — 300 м/с. Следовательно повышаются требования к системе смазки, а также рабочему давлению, которое образуется в гидродинамических подшипниках. Так что необходимо понимать и помнить, что торопиться не стоит, прогрейте двигатель перед поездкой, для того чтобы вязкость масла пришла в состояние нормы. Из-за повышенных требований к системе смазки, моторное масло для таких двигателей должно быть максимально качественным.

Не стоит спешить и в конце поездки. После остановки мотора, падает давление в системе смазки до нулевой отметки, при этом массивная турбина все также продолжает вращаться, но уже без масляного клина. Однако и это еще не самое страшное. Берегитесь другого, раскаленная турбина способна изменять вязкостные свойства масла, превращая его в твердое тело на подобии лака. Вследствие этого, ротор просто может приклеиться к корпусу, а последующий запуск двигателя станет последним. Поэтому, если водитель не заметит вовремя горящую лампочку давления масла, из строя выйдет не только турбина, но и весь двигатель. В системе смазки очень большое давление, следовательно, масло уйдет из системы где-то за минуту. Так что рекомендую установить сигнализацию с возможностью подключения турботаймера – такие меры продлят срок службы такого привередливого, требующего внимания, однако очень эффективного и полезного устройства, как турбина.

Материалы: http://sanekua.ru/turbonadduv-prednaznachenie-i-princip-raboty-turbiny/