Читая описания новых спортивных моделей от того или иного автопроизводителя, часто встречаешь термин "турбонаддув". Турбокомпрессоры, динамика, скоростные качества - это одна из самых будоражащих тем для каждого автолюбителя. Можно много говорить о респектабельности и комфорте, но классный спорткар просто притягивает к себе взгляды.
Давайте рассмотрим, в чём заключается главная особенность и как работает турбонаддув?
Различные производители постоянно внедряют новые технологии, направленные на повышение производительности двигательных агрегатов. И надо признать, что есть определённый прогресс, так как появляется всё больше и больше новых технологий. Хотя при этом многие признают, что суть остаётся та же.
Технология "наддува"
Термин "наддув" обозначает процесс повышения свежего заряда топлива в двигателе внутреннего сгорания, благодаря искусственному повышению давления. Данная технология предназначается в первую очередь для повышения мощности. При самых удачных раскладах, показатель улучшается до 45%.
Наиболее распространённым является так называемый агрегатный наддув, известный в широких кругах как "турбонаддув". И ключевым элементом в данном случае является турбокомпрессор.
Правда механический компрессор постепенно уходит в прошлое, вместо него производители применяют турбину.
Он основывается на более продуманной утилизации отработанных газов. Их энергия за счёт нагнетания давления используется для повышения мощности. В итоге удаётся заметно повысить производительность.
При работе в двигателе сгорает топливо, за счёт чего вырабатывается энергия для движения. Однако выхлопные газы после этого просто выходят наружу. Турбонаддув позволяет использовать их для повышения мощности.
Для этого используется турбина.
Газы попадают на крыльчатку, приводя её в движение.
На одном валу с ней располагается компрессор, который непосредственно нагнетает давление в цилиндрах.
В обычной системе воздух попадает естественным путём, за счёт разрежения при открытии поршня.
Искусственное нагнетания приводит к тому, что внутрь цилиндра попадает больше воздушно-топливной смеси. А это в свою очередь приводит к выработке большей мощности при сгорании. Именно так работает турбонаддув в машине.
Агрегатный турбонаддув предназначается исключительно для того, чтобы повысить мощность двигателя и его КПД.
Технология применяется в тех случаях, когда требуется сделать мотор более мощным, сохраняя при этом его габариты и размеры. Главное достоинство заключается в том, что повышается мощность без повышения оборотов двигателя.
Компрессор позволяет искусственно нагнетать давление в системе, за счёт чего увеличивается объём сгораемого топлива, и соответственно повышается мощность. Автомобиль начинает на тех же оборотах двигаться гораздо быстрее.
Недостатки турбонаддува
У турбокомпрессора есть и свои минусы. За скорость необходимо платить. В первую очередь, конечно, это выражается в расходе топлива. В зависимости от регулировки наддува и особенностей той или иной модели расход топлива может значительно возрастать.
Повышенная мощность и увеличенный объём сгораемого топлива приводит к тому, что температура при такте сжатия повышается в разы. Это в свою очередь создаёт опасность возникновения детонации. И чтобы избежать этого требуется установка дополнительных элементов - промежуточных охладителей, регуляторы степени сжатия и т.д.
Система включает в себя несколько элементов:
Турбокомпрессор;
Интеркулер;
Регулировочный клапан (поддерживающий заданное давление);
Перепускной клапан;
Выпускной коллектор.
Также современные системы турбонаддува оснащаются многочисленными датчиками, позволяющими лучше контролировать весь процесс.
Многие производители сейчас устанавливают свои собственные версии турбонаддува, в том числе и на дизельные версии. В целом они демонстрируют довольно неплохие результаты. Автомобилисты при покупке получают возможность выбрать ту версию, которая им подходит больше всего. Это касается не только наличия дополнительных опций, но и двигателя. Производители же постоянно работают над повышением эффективности - снижение расхода топлива и одновременное улучшение динамических характеристик автомобиля.
Видео
Подробнее о работе турбины смотрите следующий видеоматериал:
Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих. Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.
Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя. То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода. Турбокомпрессор или турбонагнетатель - устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора - турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью - около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.
Устройство турбокомпрессора
Принцип работы
В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.
Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха. При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты. Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»). После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»). Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы: использование турбины с изменяемой геометрией; применение двух параллельных или последовательных компрессоров; комбинированный наддув. Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.
Турбина с изменяемой геометрией
Преимущества и недостатки турбонаддува
1 . Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля. 2 . Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем. 3 . Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов. 4 . Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД. 5 . На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги. 6 . Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.Недостатки турбонаддува
У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки. Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения - его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.Дополнительные элементы системы турбонаддува
Blow-Off Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.
Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge. Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха. Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме. Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.
Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор. Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием. Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов. Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке. Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины
Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях. На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.
Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.
Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем. Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.Что такое турбокомпрессор, принцип действия, из чего состоит турбина и для чего он нужен. Как помогает турбина вашему автомобилю. Вся информация в нашей статье.
Что такое турбокомпрессор, из его состоит и как работает. Подробная статья на тему устройства турбины и принципа действия. Какие бывают неисправности и проблемы при эксплуатации турбин, почему нельзя ремонтировать своими руками и многое другое.
Устройство турбокомпрессор в машине - что это такое
Предназначением такого автомобильного устройства, как турбокомпрессор является создание такого давления воздушных потоков в полости коллектора впуска, которое впоследствии позволяет отработавшим газам насытить топливно-воздушную смесь, необходимым, для осуществления горения, элементом - кислородом.
Это позволит развить силовой установке, расположенной в подкапотном пространстве, требуемую мощность. Величина этой мощности зависит от изменения положения дроссельной заслонки, находящейся в топливной системе. На нее, в свою очередь, производит воздействие акселератор, более известный, как педаль газа. Получение высоких показателей мощности, возможно, другими способами.
Повышение числа цилиндров двигателя, вследствие чего увеличивается объем мотора. Помимо этого можно увеличить объем самих цилиндров, что также приведет к увеличению объемных параметров камер сгорания топлива.
Однако эти варианты являются не очень приемлемыми, поскольку потребление топлива, а также количество выбросов выхлопных газов в атмосферу значительно увеличатся. Поэтому установка турбины является, на данный момент, самым оптимальным вариантом, позволяющим получить хорошие мощностные показатели двигателя внутреннего сгорания, при этом сохранив на прежнем уровне или даже преувеличив экологические и экономические результаты.
Подшипниковый узел - представляет собой корпус, вылитый из стали обеспечивающий место расположения плавающих подшипников на поверхности валов. Скорость вращения данной системы может достигать отметки в 170 000 об/мин. Агрегат обладает сложным геометрическим устройством системы охлаждения. Требования, предъявляемые к данному узлу: сопротивление износу, деформации и коррозии.
Колесо турбины - оно расположено в полости корпуса турбоустановки и имеет штифтовое соединение с крыльчаткой компрессора. Температура среды, в которой эксплуатируется данное изделие, достигает величины в 760 градусов Цельсия. Поэтому сплавы материалов, из которых оно выполнено, обладают высокой прочностью и стойкостью. Также изделия проходит этап покрытия поверхности сплавом из никеля.
Перепускной клапан - управление им осуществляет пневматический привод. Его назначение заключается в том, что бы обеспечить безопасной работы турбины и предотвратить перегрев элементов. Когда давление повышается до недопустимой величины, клапан обеспечивает отвод определенного количества воздушной массы по пути, проходящему за пределами турбины. Этот элемент обеспечивает защиту мотора внутреннего сгорания от получения избыточного давления в камерах сгорания. Это помогает предотвратить перегрузку двигателя.
Кожух турбированного устройства - материалом изготовления этого агрегата является сфероидированный сплав из чугуна. Тепловое воздействие не грозит изделиям, выполненным из этого материала. Обработка корпуса производится в полном соответствии с формой лопастей, расположенных на крыльчатке. В качестве установочной базы крепления турбины используется фланец впуска. Основными качествами, которыми должен обладать турбоагрегат:
- Ударная прочность.
- Антиокислительная стойкость.
- Прочность.
- Стойкость к жару.
- Возможность легкой механической обработки.
Подшипники скольжения специальной модификации - Высокие температуры, на которых им приходится работать, не сказываются на износе и долговечности работы подшипников. Также, на этапе производстве, большое внимание уделяется точности изготовления протоков масла и стопорных колец. Поглощение осевого давления осуществляется с помощью гидродинамического подшипника. На завершении производства подшипников скольжения проводится этап калибровки и центрирования.
Корпус компрессорный- он состоит из одного цельного элемента. В зависимости от типа, его производят с использованием сплавов алюминия. Литье может быть выполнено вакуумным способом, либо песочным. Конечным этапом является обработка, с помощью которой достигаются нужные габариты, необходимые для обеспечения корректного функционирования детали.
Колесо компрессора - так же как и кожух его, выплавляется из алюминия. Однако крыльчатки, которые размещённые на нем, в связи с большими показателями нагрузки и температуры при функционировании, выполняются из титанового сплава. Для обеспечения оптимального функционирования компрессорной установки, необходимо, что бы лопасти крыльчатки были выполнены с высокой точности и пошли повышенную механическую обработку. На конечном этапе происходит расточка и полировка, что позволяет повысить коэффициент сопротивления усталости. Располагается крыльчатка в центре вала. Основными требованиями, предъявляемые ко всем элементам компрессорного колеса является: способность сопротивляться растяжению и коррозии.
Компрессор турбоустановки плотно закреплен с выпускным коллектором силовой установки с помощью болтового соединения. Выхлопные газы из выпускной системы попадают в турбинный корпус с помощью специально отведенных каналов и производят раскрутку турбины, работающей по принципу газотурбинного двигателя. Вал осуществляет соединение турбины компрессорной установкой, расположенной на стыке воздушного фильтра и впускного коллектора.
Выхлопные газы попадают на поверхности лопаток турбины, тем самым осуществляя ее вращение. Чем больше объем потока выхлопных газов, тем выше скорость вращения турбоустановки. Компрессорная установка по типу напоминает насос центробежного действия.
Работа его осуществляется следующим образом: отработанные газы попадают на поверхности лопастей крыльчатки, после чего происходит разгон их в сторону центра компрессорного колеса и дальнейший выход их по воздухопроводам в полость впускного коллектора.
Который в свою очередь обеспечивает попадание их в цилиндры двигателя. Компрессор осуществляет сжатие воздуха и организацию последующего поступление его в рабочие камеры цилиндров.
Какие бывают неисправности и проблемы при эксплуатации турбин
Утечка масла из полости турбокомпрессора приводит к его сгоранию в цилиндрах двигателя. Проявляется данный дефект выбросом отработавших газов сизого оттенка в атмосферу при разгоне автотранспортного средства. На постоянной частоте вращения коленчатого вала это не наблюдается.
В рабочих камерах цилиндров силовой установки сгорает обогащенная топливно-воздушная смесь. Это явление наблюдается, когда происходит утечка части воздушной массы в одном из следующих элементов: воздушная магистраль или интеркулер. Также недостаток кислорода в смеси с топливом, может не хватать, поскольку система управления турбина неисправна либо вышла из строя. Признаком эту является выброс черных отработанных газов и трубы выхлопа.
Признаками того, что корпус турбины треснул или деформировался по причине касания лопастями поверхностей корпуса турбоустановки, является появление характерного скрежета во время работы турбокомпрессора.
Корпус оси турбины может за коксоваться и работа систем смазки поэтому может быть нарушена. Об этом свидетельствуют подтеки масла на поверхности турбинного корпуса, на стороне, где расположен компрессор.
Видео: какие бывают неисправности турбины
- "Малорасходные фреоновые турбокомпрессоры". Автор А.Б. Баренбойм
- "Турбокомпрессоры". Автор Д.Н. Мисарек
- "Турбокомпрессоры дизелей". Автор Межерицкий А.Д.
Принцип действия турбины ТГМ6
В ТГМ6 установлен турбокомпрессор марки ТК-30. Его принцип работы заключается в прохождении по каналам коллекторов выхлопных газов, последующее поступление их в турбированный компрессор. Внутри него движение осуществляется по сопловому аппарату, расположенному перед дисковыми лопастями.
Благодаря этому движению отработанных газов, ротор набирает частоту вращения вала пропорционально объему воздушного потока. Этот объем зависит от мощности всасывания компрессорного колеса, который в свою очередь работает по сигналу органов управления. После этого нагнетаемые газы поступают в воздухоохладительный агрегат, а после во впускной коллектор, который производит их распределения в полости цилиндров двигателя.
Турбокомпрессор на автомобиль ВАЗ
Установленный, на автомобиле ВАЗ, турбокомпрессор, говорит о том, что автомобиль подвергался тюнингу и дополнительной модернизации. На них устанавливаются разные варианты турбокомпрессорных установок, однако самый распространённый турбокомпрессор имеет маркировку TD04HL.
Он устанавливается на двигатели, объем которых от 1.5 литра до 2.0. литров. При достижении давления избытка 1 бар, возможно достижение крутящего момента, равного 300Нм. Мощностные параметры также увеличиваются до 250 л.с.
Турбокомпрессор обладает следующими техническими параметрами. Рабочее число оборотов находится в диапазоне от 30 до 120 тыс. об/мин. Степень сжатия на максимальных оборотах достигает отметки в 2.9. Расходуемый воздух - 0,26 кг/с.
Максимальная температура газов, перед попаданием в полость турбины, равно 700 градусов. Масло при выходе может иметь давление от 0.3 до 7 МПа. Масса турбины не превышает 9,8 кг. Чтобы осуществить установить установку турбины на автомобиль Камаз, необходимо обладать следующим ремонтным комплектом: 4 шпильки, металлические прокладки, коллекторную прокладку и прокладку для трубы, по которой подводится масло.
Где купить турбокомпрессор и какая цена в Москве
Продажа турбокомпрессоров в Москве осуществляется во многих магазинах и рынках. В зависимости от, предъявляемых покупателем, требований к турбоустановке, цены на них могут сильно отличаться. Самый известный магазин по продаже компрессоров - это Турбоост.
Он занимается поставкой высококачественных агрегатов, на которые дается гарантия в 1 год. Цены варьируются от 20 000 до 70 000 рублей. Качество турбин, продаваемых на рынках и не специализированных точках продаж, вызывает сомнения. Однако и цены там, в среднем на 5-15 тысяч меньше на аналогичные товары, чем в оригинальных магазинах.
Почему нельзя ремонтировать своими руками
Турбина требует своевременного технического обслуживания и использования, качественных горюче-смазочных материалов и фильтров. На заводе-изготовителе изделия проходить несколько этапов контроля качества и соответствия размеров заданным параметрам.
Работа турбированного устройства напрямую влияет на динамические качества автотранспортного средства. Если ремонтировать турбину своими руками, можно деформировать ее элементы или засорить их посторонними предметами.
Это может вызвать некорректное функционирование и последующий выход их строя турбоэлемента. При резком ускорении автомобиля при обгоне или маневрировании, выход из строя турбины может подвергнуть опасности участников дорожного движения.
Предназначением устройства конденсации является: осуществление создания и последующего поддержания наиболее низких показателей давления отработавшего пара на выпуске из турбины, а также осуществление конденсации и возврата его в полости питающих систем паровых агрегатов. Принцип действия заключается в том, что кинетическая энергия получается путем преобразования потенциальной энергии сжатых и нагретых паров воды в лопатках парового колеса.
После этого происходит преобразование полученной кинетической энергии в механическую. Вследствие этого увеличивается частота вращения турбинного вала парового агрегата.
Физика движения отработанных газов может меняться с помощью переменного сопла. Работа его напоминает принцип действия щипцов. При движении автотранспортного средства в различные моменты необходимо получение отличающихся параметров мощности. Для этого и создали систему, которая изменяет геометрию движения воздушных потоков в турбине.
Данная система оснащается вакуумным приводом, направляющими лопатками, и механизмом управления. Принцип действия заключается в том, что изменение положения направляющих лопастей и потока движения выхлопных газов осуществляется по средствам смены угла сечения, по которому проходят газы выхлопа. Тем самым на выходе получается давление, которое обеспечивает получение производительного мощностного параметра.
Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.
Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.
Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува
Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).
Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.
В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.
Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом
Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.
Труженик советских полей – с турбонаддувом
Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.
В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – , «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.
Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.
Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.
Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.
Составные части устройства турбонаддува:
- корпус компрессора;
- компрессорное колесо;
- вал ротора, или ось;
- корпус турбины;
- турбинное колесо;
- корпус подшипников.
Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.
Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.
Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…
Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.
То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).
В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.
Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.
Дизельная турбина в разрезе
Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.
Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.
Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.
Дизельный турбокомпрессор «Бош»
Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).
Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.
Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:
- регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса, при необходимости, в приёмную трубу;
- перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
- и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
- выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
- герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.
На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.
Вот это «улитка»!
Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.
Здравствуйте, уважаемые читатели и посетители блога Автогид.ру. Сегодня в статье мы с вами разберёмся и узнаем как работает турбина на бензиновом двигателе. Тема, конечно интересная и в первую очередь для владельцев бензиновых турбированных автомобилей. Зачастую информации о принципе работы и устройстве турбины на бензиновом моторе достаточно мало или она слишком сложна для восприятия обыкновенного человека.
Использование турбины позволяет любому двигателю с малым объёмом увеличить мощность без возрастания расхода топлива и сокращения ресурса эксплуатации. После подключения турбины мотор словно получает невидимый пинок и работает значительно шустрее. Существуют особенности использования бензиновых моторов, оснащённых турбинами.
Их необходимо учитывать для продления срока службы устройства и использования двигателя машины с максимальной эффективностью. Перед тем как говорить о принципе работы турбины на бензиновом двигателе надо узнать историю её появления и широкого использования производителями автомобилей.
История появления турбированного бензинового мотора
Первые двигатели внутреннего сгорания, как и все технические первопроходцы имели очень «сырой» вид и требовали доработки. Время шло и на рынке появлялись надёжные и долговечные модели бензиновых моторов, которые радовали водителей своей неприхотливостью в обслуживании и выносливостью. Требования к моторам среди потребителей возрастали и критерии контролирующих органов ужесточались.
Первоначально развитие бензиновых моторов осуществлялось во многом по экстенсивному пути. Для увеличения мощность двигателя его объём просто увеличивался. Все было отлично если бы не возрастающий пропорционально расход топлива и количество вредных выбросов в окружающую среду. Продолжаться это больше так не могло и перед инженерами и создателями двигателей внутреннего сгорания была поставлена очень непростая задача.
Добиться увеличения мощность ДВС (двигателя внутреннего сгорания) без увеличения объёма мотора и расхода топлива. Решений было предложено большое количество, но выбрано было единственное верное направление развития моторов. Было решено работать над увеличением эффективности образования и сгорания топливно-воздушной смеси в моторе автомобиля.
Единственный верный способ увеличить эффективность сгорания смеси топлива и воздуха – это увеличить поступление воздуха в цилиндры мотора. При этом дополнительный объём воздуха должен был поступать принудительно за счёт создаваемого давления.
Дополнительное количество воздуха значительно усиливало сгорание топлива в цилиндрах мотора и тем самым высвобождая дополнительные мощности при неизменном объёме. Идея простая, но требующая реализации в виде появления устройства для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя.
Для решения этой задачи автомобильные инженеры решили опираться на разработки авиационной промышленности. Она уже очень давно использовала турбины. Первые турбированные бензиновые моторы появились на грузовых автомобилях в тридцатых годах прошлого века. Грузовики использующие турбины прибавили в мощности и оптимизировали расход топлива.
Удачный опыт использования турбины как устройства для нагнетания массы воздуха в грузовых машинах подвиг конструкторов и инженеров автомобильной промышленности ускорить движение в этом направлении. Первые автомобили с бензиновыми моторами оснащёнными турбинами начали продаваться на территории США в 60-х годах прошлого века.
Первые модели автомобилей этого типа автолюбители из США встретили настороженно и с подозрительностью. Только через 10 лет в 70-х годах прошлого века их оценили по достоинству и начали активно использовать при создании машин со спортивным уклоном. На серийные модели автомобилей турбины устанавливали в очень малом количестве.
Это было вызвано тем, что первые модели моторов с турбинами оказались очень «прожорливыми» и имели массу прочих мелких недоработок, портящих первое впечатление. Значительный расход топлива не дал возможность наладить широкое производство машин с турбированным моторами. Значительно замедлило внедрение турбин в моторы нефтяной кризис, закончившийся увеличением цен на топливо. Люди стали больше экономить.
Лишь в конце 90-х годов после значительного улучшения конструкции турбины и бензинового мотора в целом удалось изменить ситуацию. Это стало отправной точкой начала эры развития и становления бензиновых турбированных двигателей.
Турбина бензинового мотора за счёт использования компрессора принудительно нагнетает в цилиндры массу воздуха. Значительно повышается обогащение кислородом топливно-воздушной смеси и улучшается сгораемость бензина. Коэффициент полезного действия существенно возрастает. Эффективность работы мотора увеличивается при неизменно объёме.
Мощность двигателя при использовании турбины возрастает прямо пропорционально количеству сжигаемого за единицу времени бензина. Для обеспечения максимального быстрого сгорания топлива в цилиндрах мотора необходим значительный объём воздуха. Именно его в достаточном количестве направляет турбина за счёт работы компрессора. Он принудительно подаётся в цилиндры, обогащая топливно-воздушную смесь.
Если разрезать турбину бензинового мотора вдоль корпуса можно увидеть следующее рабочие элементы:
Корпус подшипников.
Служит для размещения ротора, представленного валом несущим на себе турбинные и компрессорные кольца, оборудованные лопастями. Именно они при вращении захватывают воздуха и направляют его в цилиндры мотора.
Масляные каналы.
Пронизывают корпус турбины словно кровеносные сосуды на теле человека. Служат для своевременной доставки моторного масла к трущимся и вращающимся элементам. Снижают тем самым износ рабочих элементов бензиновой турбины.
Подшипник скольжения.
Его главная задача обеспечить свободное и плавное вращение ротора турбины с его лопастями для захвата достаточного количества воздуха. Его смазку и охлаждение обеспечивает циркулирующее в турбине моторное масло.
Корпус.
Корпус турбины, имеющий форму улитки обеспечивают защиты от внешних механических воздействий рабочие элементы устройства для нагнетания воздуха.
Привод турбины бензинового мотора осуществляется за счёт подачи отработанного газа энергия которого заставляет ротор вращать лопасти. Сложного в конструкции и работе ничего нет всё понятно и достаточно просто.
При запуске бензинового мотора отработанные газы и цилиндров мотора направляются прямиком в турбину. Они приводят в движение ротор, отдавая ему свою энергию. Далее, через приёмную трубу они поступают в глушитель и выводятся в окружающую среду.
Вал ротора раскручивает колесо компрессора и лопаточное колесо. Они захватывают воздух из окружающей среды, поступающий через воздушный фильтр мотора. Он принудительно подаётся в цилиндры двигателя. Компрессор турбины может повышать давление воздуха до 80%.
Работа турбины бензинового мотора позволяет обогащённую кислородом топливно-воздушную смесь наполнять цилиндры в большом количестве. Объём мотора остаётся неизменным, но его мощность существенно возрастает. В среднем использование турбины даёт возможность увеличить мощность силовой установки машины на 20-30%.
Что необходимо знать для грамотной эксплуатации бензиновой турбины?
Для обеспечения долговечной работы турбины на бензиновом моторе не нужно экономить на количестве и качестве моторного масла. Любители пропускать интервалы замены масла в моторе рано или поздно столкнуться с проблемами и нарушениями в работе турбины. Она очень восприимчива к качеству используемого масла. Дешёвое масло не сможет обеспечить необходимый уровень трения рабочих элементов и они при интенсивном использовании автомобиля достаточно быстро придут в негодность и потребуют замены.
При покупке автомобиля, оснащённого турбиной надо обязательно выполнить замену моторного масла и прочистку всей системы. Смешивать доливая другое масло нельзя, так как оно теряет свои свойства и эффективность его работы стремится к нулю. Полная замена масла позволит избежать вредных воздействий и усилить защиту турбины бензинового мотора.
Есть некоторые особенности эксплуатации мотора, оснащённого турбиной. После длительной поездки на машине двигатель во время остановки сразу глушить не нужно. Необходимо дать ему время поработать на холостых оборотах и немножко остыть. Резкое выключение мотора создаёт температурный перепад отрицательным образом, сказывающийся на прочности и надёжности рабочих элементов турбины мотора.
Преимущества и недостатки турбированного мотора
Главным преимуществом любого бензинового мотора, оснащённого турбиной является увеличение его мощности на 20-30%. При одинаковом объёме с традиционным атмосферным ДВС его мощность выше на треть. Эффективность использования топлива существенно повышается.
Максимальный уровень сгорания топливно-воздушной смеси позволяет существенно снизить выброс загрязняющих веществ в окружающую среду. Максимальное использование турбированных моторов повсеместно настоящая мечта защитника окружающей среды. На этом преимущества турбированного мотора заканчиваются.
Турбированные моторы очень требовательны к качеству используемого топлива и моторного масла. Всё это в совокупности приводит к увеличению расходов на использование автомобиля в долгосрочной перспективе. Обслуживание турбированного мотора потребует от водителя больших расходов денежных средств.
Ремонт турбины требует использования специального оборудования и материалов. Самостоятельно его выполнить очень проблематично. Зачастую век отремонтированной турбины недолог и в конечном итоге потребуется её замена. Это может ощутимо ударить по кошельку владельца машины.
Заключение
Появление турбированных моторов является ещё одной ступенькой развития силовой автомобильных установок. Современные требования к экологической составляющей двигателя существенно ужесточаются и конкуренция между производителями машин обостряется.
