Двигатель с турбонаддувом

Двигатель с турбонаддувом. Плюсы и минусы

Турбонаддув применяется как на бензиновых и дизельных двигателях. Наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения мотора. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Отличительной особенностью двигателя с турбонаддувом является наличие: турбокомпрессора, интеркулера, регулятора давления наддува, предохранительного клапана и других элементов. Турбокомпрессор — является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Подробнее в статье: что такое авто турбокомпрессор?.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа.

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан. Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя часть в обход турбинного колеса, обеспечивая оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува.

Также устанавливается предохранительный клапан. Он защищает от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана.

Принцип работы двигателя с турбонаддувом

Работа системы турбонаддува основана на использовании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя и эффективность работы системы зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше обороты мотора, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях. Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая. При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается.

Минусы двигателя с турбонаддувом

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбо подхват. Подробнее в статье: что такое турбояма?.

Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен воздушный фильтр.

Недостаток системы турбонаддува – чувствительность к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя.

Вопрос эксперту: «Каковы перспективы автомобилей с турбодвигателями в России?»

На российском рынке появляется все больше моделей с турбированными двигателями. Каковы преимущества таких моторов над атмосферными, а в чем заключаются их недостатки? Каковы перспективы автомобилей с турбированными двигателями на российском рынке? С этими вопросами мы обратились к автопроизводителям и дилерам, а также ведущим экспертам.

Игорь Серебряков, директор департамента послепродажного обслуживания, ГК «АвтоСпецЦентр»:

— Как у атмосферного двигателя, так и у турбированного есть свои преимущества и недостатки. Простота конструкции, ремонт и техобслуживание, которое обходится владельцу дешевле, минимальный расход масла и неприхотливость к его качеству – плюсы атмосферного двигателя. Однако в мощности, габаритах и экологичности данный вид мотора уступает турбированному. Максимальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов данного агрегата сокращает скорость разгона, а высокая экологичность достигается за счет полного сгорания топлива в цилиндрах. Но небольшой срок службы турбины, необходимость использования только качественного высокооктанового топлива и специальных высокотемпературных синтетических масел делает турбированный двигатель менее экономичным в эксплуатации.

На срок эксплуатации турбированных двигателей напрямую влияют запуск и остановка агрегата. Например, после запуска турбодвигателя в морозы нужно время на прогрев масла, чтобы его вязкость приобрела рабочие свойства, иначе это чревато кавитацией, губительной для подшипников. Поэтому особенно важно знать тонкости работы турбодвигателя.

Помимо экономичности в эксплуатации, автомобиль с атмосферным двигателем дешевле, чем с турбированным. Это объясняется дополнительными преимуществами турбированного двигателя – максимальный крутящий момент с низких оборотов, экономичность при расходе топлива.

Тем не менее, в 2020 году на российском рынке ожидается появление нескольких новинок, оснащенных турбомоторами, что говорит о том, что автомобили с турбированными двигателями имеют спрос в нашей стране.

Анатолий Калицев, эксперт по продукту, Renault в регионе Евразия:

— На текущий момент в модельном ряду Renault в России доступны две модели с бензиновыми турбодвигателями. Купе-кроссовер Renault Arkana со 150-сильным мотором TCe150 вышел на рынок в середине прошлого года, и, по данным многочисленных опросов, клиенты очень довольны как динамическими возможностями, так и экономичностью этих двигателей. Только что этот же двигатель, разработанный совместно Renault и Daimler, дебютировал под капотом нового поколения кроссовера Renault Kaptur. Мы уверены, что турбомотор TCe150 также проявит себя наилучшим образом. Кроме того, Renault является одним из лидеров российского рынка по продаже автомобилей с дизельным двигателем: внедорожник Renault Duster с 115-сильным турбодизелем семейства dCi с 2015 года является одним из самых популярных автомобилей с таким типом двигателя.

Главное преимущество турбодвигателей – высокая эффективность. При равной с атмосферным мотором мощности турбомотор гораздо экономичнее, компактнее и легче, при этом его тяга больше примерно на треть, и максимальное ее значение доступно уже с низких оборотов. То есть турбомотор дает больше удовольствия от вождения, а также удобства и безопасности при обгонах при значительно меньшем расходе топлива. Никаких технических или эксплуатационных недостатков по сравнению с атмосферными моторами у турбодвигателей нет. Инженеры Renault и Daimler посвятили большое количество времени испытаниям мотора в самых суровых условиях. Заложенные в конструкцию передовые технические решения, такие как электронасос охлаждения турбины, электрический клапан waste gate, цепной привод ГРМ, непосредственный впрыск топлива под давлением до 150 бар, двойной фазорегулятор, а также ряд других решений позволили добиться высочайшего уровня долговечности и надежности.

Не секрет, что турбомоторы несколько дороже атмосферных за счет более совершенной конструкции, новейших материалов и самых современных технических решений. Однако и ценность для клиентов у таких двигателей заметно выше, ведь автомобили с ними гораздо динамичнее и одновременно экономичнее при равной цене технического обслуживания. Для Renault, как одного из лидеров автомобильной промышленности России, важен тот факт, что применение турбомотора не выводит нас за границы конкурентоспособных цен. Иными словами, сам факт наличия турбомотора принципиально не меняет правила ценообразования на те или иные модели.

Автомобили с турбодвигателями в нашей стране становятся все более популярными. Благодаря отличным динамических характеристикам вкупе с топливной эффективностью они завоевывают все большую популярность на отечественном рынке. На текущий момент доля турбомоторов составляет более 20%, и она растет каждый год. Среди всех новинок рынка – в любых сегментах и независимо от страны-производителя – подавляющее большинство имеет в гамме турбодвигатель. Мы наблюдаем интерес к турбомотору и в российском модельном ряде Renault: статистика продаж купе-кроссовера Renault Arkana за год показывает, что более 50% клиентов отдают предпочтение новому турбированному двигателю ТСе 150.

Турбомоторы – это, несомненно, будущее автомобильного рынка России. Клиенты все большее внимание уделяют снижению расхода топлива, при этом растут и требования к динамичности автомобиля, и турбомотор как нельзя лучше соответствует обоим этим трендам. Поэтому практически все новые модели двигателей внутреннего сгорания, разрабатываемые во всем мире, имеют турбонаддув. Считаем, что доля турбомоторов будет неуклонно расти, этот тренд будет все больше касаться массового сегмента, у многих производителей будут появляться турбомоторы.

Ирина Зеленцова, операционный директор, «Сузуки Мотор Рус»:

— Suzuki для российских покупателей предлагает турбомоторы К14С-DITC серии Boosterjet. Эти двигатели объемом 1,4 л с непосредственным впрыском топлива развивают мощность 140 л.с. при 220Нм. Агрегат появился на российском рынке в 2016 году, когда была представлена первая модель с таким двигателем – Suzuki Vitara S. С 2016 года и по настоящее время двигатели Boosterjet, собираемые на заводах в Японии и поступающие для дальнейшей сборки автомобиля на завод в Венгрию, устанавливаются на модели Suzuki SX4 и Suzuki Vitara.

За четыре года эксплуатации турбированных двигателей нареканий на работу этих агрегатов от клиентов в службу поддержки не поступало. Suzuki Motor Corporation, заботясь об имидже компании, производящей надежную и качественную технику, следит за отзывами владельцев, получая обратную связь от дистрибьюторов по всему миру. И, как известно, за эти годы не была проведена ни одна отзывная кампания. Согласитесь, это дорогого стоит.

Я знаю, что турбодвигатели вызывают скепсис, даже боязнь. Но, на мой взгляд, все-таки с каждым годом отношение покупателей к турбодвигателям меняется в положительную сторону. Существуют же гарантии производителей, отзывы владельцев, комментарии ведущих журналистов, мнению которых доверяют. Небыстро, но резкого негатива по отношению к турбированным агрегатам будет становиться все меньше. Просто почвы для обсуждения не останется. Опять же, повторюсь, турбированные двигатели Boosterjet от Suzuki очень хорошо зарекомендовали себя за годы эксплуатации.

Турбодвигатель – это динамика, экономия топлива. Наши автомобили, оснащенные двигателями Boosterjet (и это доказанный длительной эксплуатацией факт и отзывами владельцев и СМИ), способны потреблять на трассе не более 5 л на 100 км. А это, как известно, существенная экономия семейного бюджета. Какой производитель может похвастаться такими результатами? Все познается в сравнении. Турбированный двигатель Suzuki – это новый высокотехнологичный продукт, имеющий большую мощность при небольшом объеме. Недостатки? Если бензин АИ-95 и техническое обслуживание автомобилей с таким двигателем каждые 10 тыс. км можно считать недостатками, то это они. Что же касается вопроса особенных требований и правил при эксплуатации именно двигателей Boosterjet, то здесь тоже все довольно просто – никаких жестких правил нет, а о ТО каждые 10 тыс. км я уже упомянула.

Говоря о разнице в ценах, в случае автомобиля Suzuki Vitara доплата за двигатель Boosterjet при прочих равных составляет 60 тыс. рублей, но ведь и продукт более технологичный. И за разницу в цене, например в Suzuki, клиент получит как минимум легкий, динамичный и надежный агрегат, а как максимум – экономию бюджета на топливные расходы.

Мы считаем, что российские покупатели не останутся в стороне от мировых трендов на снижение расхода топлива и, как следствие, на улучшение экологии нашей планеты. А именно двигатели с турбонаддувом позволяют достичь наилучших показателей по этим параметрам. Что касается распространенности турбодвигателей, то даже сегодня мы можем наблюдать их как в бюджетном, так и в премиальном сегменте. В будущем представленность подобных агрегатов будет только расти. С надежностью уже на текущий день ситуация в бренде Suzuki крайне благоприятная для владельцев – двигатели хорошо переносят российский бензин и условия эксплуатации от Калининграда до Сахалина, при этом приносят исключительно положительные эмоции от вождения, что бесценно.

Антон Чуйкин, главный редактор, «Радио Автодор»:

— В самом начале давайте условимся о терминах. Я не очень люблю слово «турбированный», тем более что вообще мы говорим о моторах с наддувом, а турбина на выхлопе и соединенный с ней компрессор – один из способов таковой наддув осуществить. Наддув – это способ вогнать в цилиндры двигателя больше воздуха и тем самым поднять его отдачу. То есть используя наддув, мы достигаем у мотора рабочим объемом, скажем, 1,5 л таких характеристик, которые доступны только у 2,0 – 2,5-литрового атмосферного двигателя. При этом потери у меньшего мотора соответственно меньшие, вот и получается экономия. То есть: наддув – это хороший способ повысить эффективность двигателя, получив характеристики большого мотора при расходе топлива почти как у маленького.

Понятно, что бесплатных пирожных не бывает, и цена мотора с наддувом и, в частности, с турбокомпрессором выше – как минимум, на стоимость этого самого турбокомпрессора. Он по сравнению с обычной конструкцией более требователен к качеству масла и топлива. В частности, именно поэтому ряд компаний предписывает сокращенный вдвое интервал замены масла.

Ну и необходимо учитывать, что если мы заставляем двигатель отдавать больше – то и нагрузка на него увеличивается, заставляя более тщательно просчитывать ресурс, а иногда и идти на меньший запас прочности.

Поэтому среди автолюбителей бытует мнение (не только про наддув): мне лучше чего попроще, послабее, попрожорливее, зато оно будет служить вечно. Но при этом надо понимать, что наддуву как конструкции уже столько лет, что можно уже сменить страх на смелость. Хорошее масло, хорошее топливо, своевременный уход – и проблем не будет.

Чем сложнее любой агрегат, тем больше у него (в теории) уязвимых мест. Где я буду это чинить, думает среднестатистический Алексей Петрович, глядя на «улитку» турбокомпрессора. Ответ прост: надо, чтобы он не ломался. И современные конструкции довольно надежны, особенно если не экспериментировать с маслом и бензином (дизтопливом).

Что касается разницы в ценах, пока прямых аналогий немного. Как правило, версии с турбонаддувом означают и более высокую комплектацию, но если постараться учесть все нюансы, то разница в цене составит около 150 – 200 тыс. рублей. Материалы, агрегат наддува, иногда еще сопутствующие агрегаты обуславливают более высокую цену.

Перспективы? Машины с турбонаддувом дороже, но топлива-то они расходуют меньше. И потом, сколько еще только ради России будут держать в производстве старые моторы, которых уже нет ни в Европе, ни в Корее? Так что никуда не денемся, привыкнем и к наддуву, как привыкли к впрыску, «автомату», усилителю руля.

Кстати, современный мотор – это в 80% случаев турбонаддув, если говорить о бензиновом агрегате, и 100% для дизеля. Иначе не выполнить экологические нормы, которые как раз и диктуют нам рост эффективности двигателей: мало потреблять, много отдавать. Моторы с наддувом приходят уже в самые доступные классы. Так что скоро вопрос про наддув сам собой отпадет: альтернатива будет только в виде электромотора.

Турбонаддув двигателя: описание и принцип работы

Каждый двигатель автомобиля обладает множеством характеристик. С течением времени технологии совершенствуются, а значит, качество мотора улучшается. Интересным решением является применение системы принудительного нагнетания воздуха в камеру сгорания. Речь пойдет о том, как работает турбонаддув, какие существуют виды систем, а также какими преимуществами и недостатками он обладает.

История

Многие думают, что турбированные моторы появились не так давно. Но это, на самом деле, произошло в XX веке. В 1911 году американский изобретатель А. Бюхи получил официальный патент на промышленное производство системы, которое позволило увеличивать мощность мотора в несколько раз.

Несмотря на то, что Альфред Бюхи понял, как правильно «сжимать» воздух на впуске, на практике этот процесс впервые начал работу в момент, когда фирма General Electric приступила к экспериментам с газовым наддувом. Через 10 лет турбонагнетателем оснастили двигатель Liberty на биплане. Ему удалось тогда подняться на высоту более 10 км.

Первые турбины давали хорошую прибавку к мощности, но были очень громоздкими. Они увеличивали и так большой вес автомобилей. По этой причине дальнейшее распространение турбонаддува не пошло. Например, в Америке не спешили встраивать ее в выпускаемые машины.

Система турбонаддува использовалась в европейских странах. В те годы как раз нагрянул бензиновый кризис. Снизить объем двигателя и повысить его мощность помогал турбонаддув. Со временем система подвергалась совершенствованию, но проблема большого расхода топлива оставалась. Решить ее удалось только в 1970 году, когда компания Мерседес представила авто с дизельным двигателем с турбонаддувом. Теперь расход топлива был снижен, поскольку дизельный агрегат оказался не таким «прожорливым».

Кстати, турбокомпрессоры использовались в авиационном строительстве еще до Второй Мировой войны. Немного позже их устанавливали на пассажирских лайнерах. Таким образом, можно сказать, что турбонаддув появился в прошлом веке, но свою заслуженную популярность получил лишь через 100 с лишним лет.

Устройство

Турбонаддув сегодня используется на разных типах двигателя, в том числе на бензиновых и на дизельных. Чаще система используется все-таки на дизельном моторе, он обладает высокой степенью сжатия и низкими оборотами коленвала.

Что касается бензиновых двигателей, то в них t отработанных газов выше. Это способно произвести эффект детонации, то есть спровоцировать ускоренный износ поршневой группы. Это явление возможно предотвратить.

Система турбонаддува включает в себя множество важных элементов. Основной элемент — нагнетатель. Его также еще именуют как турбинный компрессор. Он функционирует в системе впуска, увеличивая давление воздушной массы.

Сам компрессор состоит из колес (турбинного и компрессорного). Первый предназначен для переработки энергии, второй — для всасывания воздушной массы, а затем для ее сжатия и нагнетания. Еще одним важным элементом является интеркулер и регулятор давления наддува.

Как работает?

Рассмотрим принцип работы турбонаддува подробнее. Система функционирует на энергии отработанных газов. Они вращают турбинное колесо, которое, в свою очередь, крутит компрессорное. Оно сжимает воздух, а затем он охлаждается в интеркулере и переходит в цилиндры «движка».

Эффективность функционирования системы зависит от оборотов мотора. Получается, что чем больше происходит вращения коленвала, тем больше энергия газов, быстрее крутится турбина и большое количество сжатого воздуха уходит в цилиндры.

У турбонаддува есть некоторые отрицательные «стороны». К ним относят «турбояму» и «турбоподхват». Первый возникает при резком «старте» при задержке увеличения мощности «движка». Второй появляется при увеличении давления после преодоления турбоямы.

Если водитель знает, как функционирует классический двигатель внутреннего сгорания, то ему не составит труда разобраться в процессе подачи дополнительного воздуха в цилиндры. Получается, что при включении турбонаддува происходит увеличение мощности мотора при стандартных объемах.

Особенности эксплуатации ТД

Поняв принцип действия турбонаддува, водитель должен уяснить для себя правила эксплуатации агрегата. При соблюдении рекомендаций «срок жизни» мотора увеличится.

Особенности эксплуатации следующие:

Проверка уровня масла — самое главное условие при эксплуатации турбодвигателей. Если наблюдается отсутствие смазки, то это приводит к быстрому износу подшипников турбины.

Правильный нажим на педаль газа — ТД достигают максимальных оборотов уже сразу после запуска, поэтому удерживать педаль газа долго не следует.

Качественное масло — турбина быстро изнашивается также из-за некачественного масла. Это также негативно отражается на состоянии мотора.

Проверка двигателя после проведения ремонта — жидкость должна быть прозрачной, а сам «движок» — не издавать посторонних звуков.

Доводить двигатель до больших оборотов. Турбина должна постоянно работать, иначе она перестанет нормально функционировать. Именно поэтому раз в неделю необходимо включать двигатель на высокие обороты.

Для дизельных двигателей следует использовать только качественное топливо. Низкосортные жидкости засоряют топливную систему, снижая уровень мощности двигателя.

При низких значениях t смазка превращается в вязкое вещество. Именно поэтому во время мороза двигатель должен поработать на «холостом» ходу, чтобы жидкость зациркулировала внутри агрегата.

Виды систем

Существует несколько типов системы турбонаддува. К первому типу относят VGТ и VNT турбины. Их по-другому называют турбинами с изменяемой геометрией.

Первый вид разрабатывался известной в то время фирмой BorgWarner, второй -фирмой Garrett. Их принцип действия довольно прост. Направление, скорость потока отработанного газа регулируется через изменения площади входного канала.

Второй тип называется Twin Turbo или двойное турбо. Две турбины позволяют сгладить инерцию и избежать задержки. Контроль происходит через датчики и ЭСУД. Эта конструкция бывает трех разных видов:

1. Параллельная — 2 турбины зажигаются одновременно. Отходящие газы после сжимания уходят во впускной коллектор, и уже оттуда идет распределение по цилиндрам.

2. Последовательная — 2 компрессора с одинаковой конфигурацией соединены с двигателем. Первый компрессор работает в непрерывном режиме, а второй только настраивается на рабочий режим.

3. Ступенчатая — 2 разных компрессора подключаются на впускной и выпускной каналы. Существует также третий тип системы, который именуется как комбинированный (Twincharger). Соединение механического и турбонаддува создает комбинированный наддув.

Таким образом, существует три основных типа систем. Каждый из них обладает определенными функциями.

Турботаймер

Турботаймер — это электронное устройство, помогающее увеличить срок работы автотурбины. Иными словами, он является специальным контроллером, который заглушает двигатель через время после удаления ключа зажигания из замка. Все это время агрегат работает на холостом обороте. Турботаймер устанавливают под торпедо и подключают к замку зажигания.

Турботаймер дает возможность турбине остывать в условиях повышенной температуры. Охлаждение происходит с помощью машинного масла. Если двигатель перестает функционировать, то подача смазки-охладителя останавливается. Это все приводит к тому, что детали выходят из строя.

Автолюбители, которые постоянно эксплуатируют турбированные моторы на больших оборотах, сначала заставляют турбину работать вхолостую, и только потом выключают зажигание. Турбина остывает самостоятельно, но если использовать турботаймер, то сидеть и ждать в машине охлаждения не потребуется. Можно вытащить ключ из замка, а затем электроника сама заглушит мотор.

Если человек оставит турботаймер работающим, а сам покинет салон, то другой человек не сможет угнать машину. Устройство блокирует управление. Если человек захочет уехать на автомобиле, то сработает сигнализация.

Плюсы и минусы системы

Турбонаддув, как и любой элемент автомобильной системы, имеет преимущества и недостатки.

К преимуществам относятся:

Дополнительная мощность. Считается, что установка доптурбины на выпускном коллекторе ДВС придает дополнительную мощность. Это поможет получить еще один источник энергии для турбонаддува. Нельзя называть ее «бесплатной» энергией. Ее можно назвать «дешевой дополнительной энергией».

Оптимизация соотношения массы «движка» и веса. Переход на турбонаддув помог отказаться от увеличения количества и объема цилиндров с целью увеличения мощности мотора.

Экономичность. При сравнении удельного расхода топлива и атмосферного двигателя с той же мощностью можно понять, что преимущество у первого типа. Это объясняется тем, что за один цикл тратиться меньше топлива.

Что касается недостатков, то их не так много, как кажется. Во-первых, самым основным «минусом» системы является «турбояма». Это явление представляет собой процесс, который при разгоне с небольших оборотов выдает вялую динамику, вместо ускорения. Это обуславливается тем, что турбонаддув работает в тесной связи с частотой вращения коленчатого вала. Эффективности от наддува совершенно не будет, если величина окажется невысокой.

Вторым недостатком считается повышенная температура. Сжатие воздуха связывают с нагревом, что отрицательно сказывается на функционировании движка. Именно из-за этого приходится вводить систему охлаждения дополнительно. Турбонаддув, несмотря на свои недостатки, является отличным способом для достижения высоких показателей экономичности и мощности.

Когда включается турбина и как она работает: развенчиваем мифы

Для увеличения мощности в двигателе внутреннего сгорания используется система турбонаддува. Как работает турбонаддув? Когда включается турбина? Какие существуют мифы о работе турбонаддува среди водителей? В статье эти вопросы будут рассмотрены.

Как работает турбина (турбонаддув) на автомобиле

Турбина (турбонаддув) – это вспомогательная запчасть двигателя внутреннего сгорания, которая осуществляет принудительную подачу воздуха в рабочую область движка. Благодаря использованию турбины увеличивается мощность движка, что позволяет водителю развивать более высокие скорости при сохранении потребления топлива в нормальных пределах. Чтобы разобраться с тем, как именно работает подобное устройство, давайте вспомним основные принципы работы ДВС:

• Движение транспортного средства по дороге осуществляется за счет сгорания в ДВС топлива (это может быть бензин или дизель).
• Энергия топлива трансформируется в кинетическую энергию, которая передается на ходовую часть авто, что приводит к вращению колес и движению машины.
• В камере внутреннего сгорания находится не только топливо, но и кислород. При отсутствии кислорода сгорание топлива не происходит.
• Кислород в камеру внутреннего сгорания попадает из атмосферного воздуха. В случае небольшого маломощного двигателя у водителя проблем нет – топливо и воздух попадают в камеру в нужных количествах, что позволяет “выжать” максимум мощности при сгорании. Однако если человек захочет разогнаться на своем авто до больших скоростей, ему придется увеличить подачу топлива и кислорода. С топливом проблем не возникает – у водителя есть возможность регулировать форсунки, что позволяет уменьшить или увеличить подачу бензина/дизеля.

Увеличить подачу кислорода напрямую у водителя не получится. Самой простой способ решить эту проблему – увеличить объем камер внутреннего сгорания. Однако в таком случае увеличатся габариты машины, а также возрастут расходы топлива, что увеличит денежные расходы водителя на ТС. Но есть и другой выход – использование турбины:

• Система турбонаддува имеет вид металлической улитки, а крепится это устройство на выхлопном коллекторе двигателя. Деталь может отличаться по габаритам, весу и конструкции в зависимости от модели авто.
• Внутри турбины имеется устройство-ротор, которое представляет собой цилиндр с прикрепленными лопастями. При прохождении через лопасти отработанных газов внутреннего сгорания происходит вращение турбины.
• Это приводит к принудительному нагнетанию атмосферного воздуха в камеры внутреннего сгорания авто, что приводит к увеличению количества кислорода. За счет этого увеличивается КПД воздушно-топливной смеси.
• В систему турбонаддува также входит интеркулер. Он охлаждает поступающий атмосферный воздух, что позволяет получить более плотную однородную смесь кислорода и топлива. Это благоприятно влияет на мощность движка.

На новых автомобилях, которые оборудованы системой турбонаддува, имеется наклейка с надписью Turbo. Это позволяет отличить обычный движок от устройства с турбиной.

При каких оборотах “включается” турбина (турбоподхват)

Многие водители убеждены, что турбина включается только на высоких оборотах, поскольку на низких влияние турбонаддува на движение они не ощущают. Это полуправда – на самом деле турбина на машине работает постоянно, однако при низких оборотах нагнетание слабое. Рассмотрим его более внимательно:

• Когда двигатель работает в режиме до 1500-2000 оборотов в минуту, выхлопные газы создают лишь небольшое давление на лопасти турбины. Поэтому кислорода в камеру внутреннего сгорания нагнетается маленькое количество, поэтому водитель не ощущает рост мощности. Это явление называют турбоямой.
• При росте мощности выше 2000 оборотов в минуту, выхлопные газы начинают оказывать действие на турбины, что приводит к ощутимому нагнетанию кислорода в ДВС. Зависимость тут прямопропорциональная – чем больше оборотов, тем сильнее будет работать турбонаддув и наоборот. Это явление называют турбоподхватом.

Обратите внимание! Многие турбины оборудуются клапаном-предохранителем, который блокирует работу устройства при очень высоких оборотах (красная зона тахометра). Это делается для того, чтобы не испортить двигатель.

Почему турбина может не включиться – неисправности

При управлении машиной с системой турбонаддува водитель может столкнуться с множеством проблем и неисправностей. Рассмотрим основные проблемы и методы их решения:

• Неисправность предохраняющего клапана. Бывает, что клапан забивается мусором или растрескивается, что приводит к блокировке работы турбины. Установить поломку достаточно просто – примерно до 3-4 тысяч оборотов клапан все еще может работать, поэтому он будет нагнетать воздух. Однако при превышении этого показателя он резко закрывает турбину, что приводит к падению мощности. Чтобы решить проблему, выключите электронные системы авто, откройте капот, отсоедините отрицательную клемму от аккумулятора, найдите турбину, отключите систему смазки и демонтируйте устройство (обычно оно располагается рядом с движком). Потом снимите клапан и осмотрите его, при необходимости – выполните очистку устройства или его замену.
• Негерметичное крепление компонентов турбонаддува. Чтобы обеспечить максимальную мощность нагнетания воздуха в ДВС, необходимо, чтобы детали турбины герметично крепились к автомобилю. В случае негерметичного крепления мощность нагнетания резко падает. Установить наличие проблемы можно по двум признакам – резкое снижение мощности и появление характерного свиста во время работы авто. Чтобы разобраться с проблемой, нужно обесточить машину, открыть капот и проверить герметичность крепления прибора. Проблемы могут возникнуть с штуцером, трубкой подачи масла, клапаном и так далее. Для устранения проблемы нужно восстановить герметичность (например, если проблема в штуцере, нужно купить новый).
• Использование плохого масла. Для эффективной работы системы турбонаддува устройство необходимо смазывать маслом. Однако бывает так, что водитель для смазки использует дешевое некачественное масло с обилием примесей – в таком случае эффективность турбонаддува значительно снизится. Установить проблему очень просто – во время движения авто в машине появляется резкий громкий скрежет, а мощность двигателя не увеличивается при разгоне до высоких скоростей. Решение проблемы – нужно купить новое качественное масло и залить его вместо старого в автомобиль.

Мифы о турбонаддуве в двигателе

Среди водителей много мифов о работе системы турбонаддува. Рассмотрим основные стереотипы и узнаем, почему они ложные:

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.

Мощный и экономичный. Почему так привлекает столетняя идея турбонаддува двигателей?

Принцип работы ДВС не изменялся со времен его изобретения. Он постоянно совершенствовался, но рабочий процесс оставался тот же. Так, например, двигатель легендарного Ford-T имел рабочий объем 2,9 литра и развивал мощность 20 л.с. Сегодня из аналогичного двигателя производители получают в 10 раз больше мощности. Однако, за столетие доработок, стало понятно – при существующей классической конструкции достигнут максимум литровой мощности.

Получение высоких показателей современных двигателей стало возможным благодаря применению наряду с микропроцессорной системой коррекции подачи топлива и совершенствованию смесеобразования применению регулируемого турбонаддува. Как к этому пришли?

Конструкторы решают задачи прежде всего повышения мощности ДВС. Это достаточно просто решить путем увеличением количества сгораемого топлива. Но статистика информирует, что на современном уровне развития техники затраты на эксплуатацию автомобиля составляют 31,7% от всех расходов. Причем более 60% расходов на эксплуатацию составляют расходы на нефтепродукты.

Способы повышения мощности двигателя

Не вникая в подробности теории ДВС, следует отметить, что мощность поршневого двигателя определяется его рабочим объемом (числом цилиндров), частотой вращения коленчатого вала и средним эффективным давлением в цилиндрах.

Увеличение мощности путем увеличения частоты вращения коленчатого вала проблематично вследствие ухудшения наполнения цилиндров свежим зарядом и стремительным возрастанием нагрузок от действия центробежных и инерционных сил (особенно на двигателях с большим рабочим объемом).

Больше мощность – выше экономичность

Конструкторы работают в направлении чтоб не просто повысить мощность двигателя, а при существующей размерности цилиндров получить в них большую литровую мощность (мощность на единицу рабочего объема), то есть форсировать двигатель. Для форсирования двигателя существует много способов, но наиболее действенным является форсирование по наддуву.

Дело в том, что впуск свежей смеси в цилиндры ДВС происходит под действием разряжения, создаваемого при движении поршня к НМТ. Таким образом, в конце впуска давление в цилиндре «атмосферного» двигателя без наддува всегда будет меньше атмосферного. Соответственно, поскольку в зависимости от массы поступившего воздуха определяется количество впрыскиваемого топлива, мощность ДВС будет недостаточно высокой.

Чтобы повысить мощность, необходимо увеличить не только подачу топлива, а и соответствующую массу воздуха.

18 столетие – назад в будущее

Идея повышения наполнения цилиндров ДВС не новая. Она такая же старая, как и история самих двигателей внутреннего сгорания: оба «прародителя» современных двигателей, Г. Даймлер и Р. Дизель, выразительно представляли, что предварительное сжатие воздуха, который поступает в цилиндры, позволяет получить прибавку мощности. Более того, оба делали попытки применить наддув в конструкции своих двигателей.

Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler) еще в 1885 году придумал, как подавать в двигатель больше воздуха. Идея умного швейцарца простая, как все гениальное. Как ветер вращает крылья мельницы, так и отработанные газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много.

Турбина получает вращение от выхлопных газов, а соединенный с ней компрессор, работая как «вентилятор», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры.

Однако, при существующем к тому времени развитии науки и техники, создать совершенную конструкцию не удалось. И это надолго отдалило идею турбонаддува.

Не все так просто

Несмотря на воображаемую простоту самой идеи и конструкции газонаддува, создание работоспособных агрегатов турбонаддува вместе с устройствами регуляции на практике оказалось задачей непростой. Для ее решения были нужны глубокие теоретические и прикладные исследования, а также создание высокотехнологических производственных процессов. Это было связано с тем, что вал турбокомпрессора вращается с частотой свыше 100 000 мин-1. При этом температура крыльчатки турбины, которая взаимодействует с отработанными газами, близкая к 1000 °С, тогда как со стороны короткого вала, в зоне крыльчатки компрессора, она в пять раз меньше. Понятно, что даже обеспечение кратковременной работы такого устройства — проблема.

И все же проблемы турбонаддува на двигателях постепенно развязывались. Применять турбонаддув на серийных автомобильных двигателях начала немецкая компания BMW, выпустив в 1973 году модель BMW 2002 turbo. Учуяв выгодную технологию по стопам BMW пошли Porshe (911-я 1974 года) и Saab (Saab-99 1978 годы). А вскоре – и весь мир..

Установленные на них турбокомпрессоры обеспечивают при впускании небольшое (от 0,25 до 0,55 кгс/см2) избыточное давление. Благодаря этому крутящий момент двигателя достигает максимума уже при частоте вращения коленчатого вала 1600 — 1800 мин-1. Кроме того, они отличаются рекордной экономичностью и отвечают последним экологическим стандартам.

Прогресс турботехники привел к тому, что в настоящее время часть даже легковых автомобилей с турбонаддувними двигателями составляет приблизительно половину общего числа автомобилей в возрасте до 5 лет и продолжает увеличиваться. Из них порядка 20 % — бензиновые автомобили, другие — дизельные. Такое соотношение не случайно. Дизели существенно лучше приспособленные к наддуву вообще и к турбонаддуву в частности.

Цель оправдывает средства

Почему же в наши дни так привлекает двигателестроителей столетняя идея турбонаддува двигателей?

Двигатель, оборудованный турбокомпрессором имеет высокую удельную мощность и крутящий момент. Использование трубонаддува дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата (любой мощности) при меньших габаритах и массе, чем в случае применения «атмосферного» двигателя. Отсюда вытекает еще одно важное следствие: у турбодвигателя лучшая топливная экономичность. Ведь он более компактный и даже при одинаковой мощности с «атмосферным» двигателем, более эффективно расходует топливо. У него меньшая теплоотдача, насосные потери и относительные потери на трение. Экономии топлива способствует и более высокий крутящий момент, при низких частотах вращения коленчатого вала. Кроме того, у турбодвигателя лучшие экологические показатели. Меньшее потребление топлива «при других равных» означает меньшие суммарные выбросы вредных веществ.

Наддув также приводит к снижению температуры камеры сгорания и, соответственно, уменьшению образования окислов азота. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет сместить границу возникновения дымности, то есть более эффективно бороться с выбросами частиц сажи. Не было бы наддува, известные проблемы с применением на дизелях каталитических нейтрализаторов просто закрыли бы им дорогу в будущее. Дизели без наддува с трудом дотягивают к нормам «Евро-2».

Наконец, турбодвигатель способствует улучшению комфортабельности. Компрессор в магистрали впуска и турбина в выпускной системе существенно снижают шумность работы двигателя и обеспечивают акустический комфорт. Он дополняется удобством управления. Высокий, равномерно распределенный по частоте вращения крутящий момент добавляет двигателю большую эластичность.

Наддув + интеркуллер

Но при сжатии в компрессоре воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе становится меньше чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания и, как результат, реальная мощность ниже расчетной и повышенный расход топлива. Чтоб создать условия для сгорания в цилиндрах большего количества топлива, принимают дополнительные меры для увеличения коэффициенту наполнения. С этой целью воздух, который сжимается в компрессоре, перед подачей в цилиндры двигателя охлаждается в интеркуллере, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Охлаждение надувочного воздуха в интеркуллере осуществляется путем обдувки его внешней ребристой поверхности воздушным потоком или за счет жидкостной системы охлаждения.

Приблизительные расчеты показывают, что понижение температуры наддувочного воздуха на 10° позволяет увеличить его плотность приблизительно на 3%. Это, в свою очередь, увеличивает мощность двигателя приблизительно на такой же процент, так что, например, охлаждение воздуха на 33° даст увеличение мощности приблизительно на 10%.

С другой стороны, охлаждение воздушного заряда приводит к понижению температуры в начале такта сжатия и позволяет реализовать ту же мощность двигателя при уменьшенной степени сжатия в цилиндре. Следствием этого является уменьшение температуры отработанных газов, что положительно отражается на уменьшении тепловой нагрузки деталей камеры сгорания.

Будущее наступает сегодня

На современных автомобилях, тракторах средней и большой мощности, а также других самоходных машинах, как правило, устанавливаются двигатели, оснащенные турбокомпрессорами. Именно, использование турбокомпрессоров обеспечивает их высокие технико-экономические показатели и уменьшает расход топлива на номинальных нагрузках в отличие от их безнаддувных аналогов.

В целом уменьшение степени сжатия, например у дизеля, до 15 и уменьшения размеров турбины улучшают типично слабые стороны двигателя с турбонаддувом, а именно: позволяют увеличить крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала и сократить время выхода на новый режим работы при резком ускорении.

Ускорение повышения давления наддува при увеличении частоты вращения современного двигателя происходит в результате сравнительно малого момента инерции ротора турбокомпрессора, поскольку для наддува применяется турбокомпрессор малой размерности. В результате ускорения поступления воздуха в камеру сгорания при работе на переходных режимах обеспечивается хорошая приемистость двигателя и полнота сгорания топлива и, соответственно, уменьшается его расход.

Применяются регулируемые турбокомпрессоры типа WGТ в которых предусмотрены дополнительные конструктивные устройства для изменения скорости отработанных газов на входе в колесо газовой турбины. Они обеспечивают простоту регулировки давления наддува посредством клапана, перепуская часть отработанных газов, мимо турбины. Существуют и другие типы регулируемых турбокомпрессоров, в которых применяется изменение направления потока газов либо дополнительные клапаны в магистрали подачи воздуха. Но об этом отдельная статья.

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (ТИГ) – тип турбокомпрессоров, характеризующийся возможностью изменения сечения на входе колеса турбины с целью оптимизации мощности турбины для заданной нагрузки. Это обусловлено тем, что оптимальное сечение при низких оборотах существенно отличается от оптимального сечения при высоких оборотах. Если сечение классического турбокомпрессора слишком большое, то на низких оборотах эффективность турбокомпрессора будет низкой. Если сечение слишком маленькое, то эффективность будет низкой на высоких оборотах.

За счет возможности изменения сечения турбокомпрессоры с изменяемой геометрией улучшают отклик, повышают мощность и крутящий момент, снижают потребление топлива и количество вредных выбросов

Использование регулируемого наддува позволяет существенно улучшить характер изменения крутящего момента, подняв уровень максимальных величин и сместив их в зону сниженных частот вращения двигателя.