Для того, что бы увеличить характеристики наддува, в частности увеличить мощность и частоту вращения компрессорного вала, конструкторы оснащают турбированные агрегаты системой изменяемой геометрии движения потока воздушных масс.
Принцип работы и особенности турбонаддува на бензиновых и дизельных двигателях
Турбонаддув представляет собой разновидность наддува, позволяющий подавать воздух в цилиндры ДВС под высоким давлением, которое обеспечивается высвобождаемой от сгорания топлива энергией выхлопных газов.
За счет турбонаддува повышается рабочая мощность двигателя, при этом не увеличивается внутренние объемы цилиндров двигателя и количество оборотов, совершаемых коленвалом. Кроме всего прочего турбонаддув позволяет снизить прожорливость двигателя, а также уменьшить токсичность газов благодаря более эффективному сгоранию топливовоздушной смеси.
Турбонаддув довольно широко используется на ДВС, работающих как на бензине так и на дизтопливе. При этом использование системы турбонаддува на дизелях считается более выгодным благодаря высокому показателю сжатия ДВС и малой частоте оборотов коленвала.
В бензиновых двигателях высока вероятность возникновения детонирующего эффекта вследствие значительного увеличения количества оборотов двигателя и высокого температурного режима газов при сгорании топлива (до 1000 °C, у дизеля лишь 600 °C).
Принцип работы турбонаддува
Схема работы турбонаддува двигателя
Принцип работы системы турбонаддува заключается в следующем:
- Отработавшие газы двигателя, проходя через турбокомпрессор, раскручивают турбинное колесо.
- Вращение турбинного колеса передается компрессорному, поскольку они закреплены на одном валу.
- Компрессор сжимает воздух, поступающий из воздухозаборника, и направляет его в интеркулер.
- В интеркулере воздух охлаждается и поступает на впуск в цилиндры двигателя.
Читайте также: Устройство и принцип работы ДМРВ
В турбокомпрессоре предусматривается возможность регулировки давления выхлопных газов на лопасти турбины с целью не допустить превышение давления наддува в системе. Это осуществляется с помощью перепускного клапана, который приводится в движение пневмо- или электроприводом. В свою очередь, управление приводом осуществляется электронным блоком управления, который считывает информацию с датчика давления.
Работа турбины дизельного двигателя начинается с первыми оборотами коленчатого вала автомобиля при запуске. Газы выхлопа через определенные каналы перемещаются в корпус турбины.
Устройство турбонаддува
Турбина двигателя, работающего на бензине, состоит из таких элементов:
- Корпус подшипников, размещающий в себе ротор с валом и кольцами с лопастями. Вращаясь, они перенаправляют воздух в цилиндры.
- Каналы, проходящие через весь корпус. Их функция заключается в доставке масла к вращающимся и трущимся друг о друга элементам, что способствует увеличению срока их службы.
- Подшипник скольжения, гарантирующий плавную работу ротора, смазываемого и охлаждаемого маслом.
- Корпус, по форме чем-то напоминающий улитку, защищающий составные элементы механизма от механических повреждений.
Турбонаддув: принцип работы
Задача турбины – нагнетать воздух в цилиндры, что осуществляется при помощи компрессора. Благодаря этому, смесь из топлива и воздуха насыщается кислородом, что приводит к увеличению КПД и улучшению сгораемости топлива. Таким образом, движок начинает работать эффективнее при прежнем объеме.
Чтобы понять принцип работы турбины на двигателе, сначала стоит разобраться с тем, как именно работает обычный двигатель. Его функционирование обеспечивается четырьмя последовательными тактами:
- Впуск – движение поршня обеспечивает попадание в камеру сгорания топливно-воздушной смеси.
- Компрессия – горючая смесь сжимается.
- Расширение – выработанная свечами искра приводит к возгоранию смеси.
- Выпуск – поршень перемещается вверх, освобождаются и выводятся выхлопные газы.
Чтобы повысить эффективность работы мотора, идти можно по одному из трех путей:
- установить турбонаддув;
- увеличить объем двигателя;
- повысить количество оборотов коленвала.
Увеличение объема, безусловно, приведет к повышению эффективности, но это неизбежно повлечет за собой повышенный расход горючего. Повышение оборотов коленчатого вала не всегда возможно по техническим причинам, к тому же, не избежать снижения эффективности из-за потерь энергии во время каждого из тактов.
Как работает турбонаддув? Он нагнетает в цилиндр предварительно сжатый воздух, вследствие чего количество поступаемого воздуха повышается, а мощность силового агрегата растет без увеличения его объема.
Когда бензиновый двигатель запускается, газы поступают в турбину, приводя с помощью своей энергии в движение ротор, раскручивающий колесо компрессора, захватывающее воздух, подаваемый в цилиндры. Компрессор увеличивает давление воздуха примерно на 80%.
Турбина на бензиновом двигателе позволяет повысить мощность примерно на 30%.
Задача турбины – нагнетать воздух в цилиндры, что осуществляется при помощи компрессора. Благодаря этому, смесь из топлива и воздуха насыщается кислородом, что приводит к увеличению КПД и улучшению сгораемости топлива. Таким образом, движок начинает работать эффективнее при прежнем объеме.
Особенности эксплуатации турбированных двигателей
На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название “турбояма”. Сущность явления заключается в следующем:
- Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
- Турбина вращается в соответствующем режиме.
- При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
- После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.
Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка – “турбояма”. Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.
Виды систем турбонаддува
Производители разработали различные способы избавления от “турбоямы”:
- Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
- Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
- Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
- Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.
Что такое турботаймер и для чего он необходим
Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему – возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.
Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.
С каждым новым поколением двигателей усовершенствуются и турбоустановки автомобиля. Их модернизируют для увеличения параметров производительности, а также устранения проблем предыдущего поколения, таких как турбояма. Она является функциональным недостатком, возникающим при определенном инерционном действии турбокомпрессора.
Мифы о турбонаддуве в двигателе
Среди водителей много мифов о работе системы турбонаддува. Рассмотрим основные стереотипы и узнаем, почему они ложные:
| Миф 1 – систему турбонаддува можно снять в любой момент без негативных последствий | Конструкция и объемы камеры ДВС адаптированы под применение турбины. Если демонтировать это устройство, уменьшается крутящий момент и мощность движка, а расходы топлива увеличиваются |
| Миф 2 – двигатели с турбонаддувом ломаются гораздо чаще атмосферных | Движки с турбиной имеют такой же срок годности, что и обычные атмосферные двигатели. Чтобы снизить риск растрескивания движка при высоких скоростях, они дополнительно усиливаются металлическими листами-вкладышами в проблемных местах |
| Миф 3 – турбина быстро выходит из строя, ее придется часто менять | Согласно современным стандартам срок годности турбины аналогичен или даже немного превышает срок годности самого ДВС. При соблюдении базовых правил вождения и ухода турбонаддув будет работать столько же, сколько и сам автомобиль |
| Миф 4 – за турбиной нужен специальный бережный уход, чтобы она не ломалась | Чтобы турбонаддув работал долго, достаточно будет придерживаться базовых правил эксплуатации авто. А именно – вовремя меняйте масло, следите за уровнем давления в движке (не доводите до красной отметки), вовремя устраняйте неисправности |
На самом деле турбина работает всегда, но при небольших оборотах уровень нагнетания воздуха будет низок из-за турбоподхвата.
Подведем итоги. Турбина (турбонаддув) – это вспомогательный элемент двигателя, с помощью которого осуществляется принудительное нагнетание воздуха в камеру внутреннего сгорания двигателя. Устройство запускается сразу же после активации двигателя, но действует правило – чем выше обороты, тем больше нагнетание (на низких оборотах нагнетание практически незаметно). Основные проблемы с турбиной – выход из строя клапана, негерметичное крепление запчасти, использование некачественного масла.
С помощью этого данное колесо набирает частоту вращения около 250 тыс. об/мин. К нему присоединен вал, передающий эту энергию вращения дальше, на компрессорное колесо.
Модернизация
С каждым новым поколением двигателей усовершенствуются и турбоустановки автомобиля. Их модернизируют для увеличения параметров производительности, а также устранения проблем предыдущего поколения, таких как турбояма. Она является функциональным недостатком, возникающим при определенном инерционном действии турбокомпрессора.
Это возможно, когда водитель нажимает резко на педаль газа, с целью немедленного набора скорости, а автомобиль не сразу реагирует на это и начинает набирать динамику разгона спустя определенный период времени. Эффект наиболее четко наблюдается на автомобилях с небольшим объемом цилиндров двигателя, который работает совместно с автоматической или роботизированной коробкой переключения передач.
Основные причины возникновения турбоямы
При движении на малых оборотах и резкого нажатия акселератора в крайнее положение, давление отработавших газов в полости турбины является низким. Его значение располагается в пределах атмосферного давления.
Поэтому скорость вращения крыльчатки не позволяет обеспечить сжатие отработавших газов до требуемого объема. Вследствие этого топливно-воздушная смесь в цилиндрах является обогащенной и в ней наблюдается недостаток кислорода.
Поэтому топливо не полностью сгорает в рабочих камерах двигателя и продолжает сгорать в полости корпуса турбина. Это влечет за собой снижение коэффициента полезного действия компрессора и появление нагара на стенках корпуса.
Также создаются силы, сопротивляющиеся отводу вредных газов из выпускной системы. Мощность автомобиля в этот момент падает, и двигателю необходимо производить дополнительную работу по удалению выхлопных газов из полостей рабочих камер, расположенных в цилиндрах.
Над устранением данного недостатка работают все компании, занимающиеся выпуском турбоустановок. Эффект турбоямы в определенной ситуации несет угрозу безопасности участников дорожного движения, поскольку водителю может не хватить несколько секунд на обгоне или другой дорожной ситуации, из-за того, что в момент набора скорости автомобиль потерял свою мощности из-за возникновения турбоямы.
Контроль над устранением деффекта ведет международная организация, занимающаяся обеспечение безопасности дорожного движения.
