Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель

Немного истории и общей теории о турбине

Немного истории и общей теории
На фото турбонагнетатель воздуха

Для понимания роли турбонагнетателя воздуха достаточно вспомнить, что скорость до 200 км/ч, автомобили, оборудованные двигателем внутреннего сгорания, могли развивать уже в 1909 году.

Число выглядит фантастическим ровно до того момента, пока рядом с ним не встаёт рядом другое число: объём двигателя, обеспечившего автомобилю эту скорость, составлял… 28 литров! Естественно, ни о каком массовом производстве подобных монстров не могло быть и речи: они просто не могли обслуживаться без специального габаритного оборудования.

А для того, чтобы транспортное средство стало доступно широким массам потребителям, а не превратилось в аналог паровоза, объём двигателя следовало уменьшить, при этом по возможности выжав из него максимальную мощность.

Идея нагнетателя дополнительного воздушного потока позволила увеличить мощность мотора на пятьдесят процентов. Понять основные моменты, определяющие действие технического узла, несложно, если знать принципы функционирования автомобильного мотора на основе ДВС.

Для эффективного функционирования работы двигателя внутреннего сгорания важен процент соотношения воздуха и топлива в камере внутреннего сгорания. Естественным ограничением объёма смеси топлива и воздуха является объём камеры, куда эта смесь попадает благодаря перепаду давления на такте впуска топлива и где происходит её воспламенение.

Если увеличить количество топливной смеси в камере, при её сгорании будет получена большая мощность, что позволит увеличить возможности автомобиля. Подача смеси в камеру под давлением (компрессия) позволяет этого добиться.

Принцип действия турбонаддува

Принцип работы автомобильного турбонагнетателя воздуха
На фото схема работы турбонагнетателя воздуха

Между объёмом воздуха в цилиндрах двигателя и объёмом сжигаемого в камере внутреннего сгорания топлива существует прямая связь. При этом чем больше энергии имеют выхлопные газы, тем больший вращательный момент получают турбинные колёса и, соответственно, сам

Особой проблемой при разработке турбонагнетателя является подбор материала, из которого он изготовлен. Турбинные лопасти вращаются со скоростью более десяти тысяч оборотов в минуту и могут разогреваться до тысячи градусов. Вопрос охлаждения отчасти решается за счёт поступления дополнительного воздушного потока.

Как правило, турбонагнетатель воздуха оснащён специальным лопастным кольцом, которое не только в состоянии сохранять фиксированное давление в массе отработанных газов, но и регулировать состояние этого потока. Иными словами, в настоящее время турбонагнетатели имеют функцию изменения внутренней геометрии турбины.

Когда скорость вращения двигателя невелика и поток отработанных выхлопных газов низкий, турбина за счёт уменьшения своего поперечного внутреннего сечения повышает скорость потока отработанных газов, идущих на колесо. Если же обороты двигателя высокие, пропускная способность турбины увеличивается за счёт роста поперечного внутреннего сечения, и, следовательно, плотность потока пропускаемых через неё отработанных газов снижается.

Читать далее:  Бурление в расширительном бачке причины и диагностика

При таком «разумном» управлении диапазон, в котором работа турбо нагнетателя является эффективной, существенно расширяется. Более того, вредные выбросы в атмосферу сокращаются, потребление топлива падает.

В отличие от ранних моделей механических наддувов, которые работали от коленвала и, следовательно, использовали часть мощности двигателя, работа турбонагнетателей использует по сути «дарёную» энергию выхлопных газов.

По этой причине турбо нагнетатели, безусловно, являются более эффективным инженерно-техническим решением.

Кроме этого, турбонагнетатель отличается более высокими мощностными характеристиками. С одного литра двигателя он может «выжать» до трёхсот лошадиных сил.

Если двигатель оборудован турбонагнетателем, к его мощности прибавляется до 40 процентов. При этом налицо существенная экономия топлива.

Если же говорить о коэффициенте полезного действия, то и тут работа турбо наддува идёт «в плюс»: с увеличением размера двигателя его КПД снижается из-за потерь на трение и понижением тепловой эффективности; следовательно, чем меньше размер двигателя (что как раз и даёт наличие турбо наддува), тем выше его КПД.

Недостатки у дано конструкции также присутствуют, и автовладельцу следует их знать.

  1. На малых оборотах мотора турбо нагнетатель не слишком эффективен. Это естественно – низкое давление выхлопных газов не в состоянии «загнать» в камеру нужный объём воздуха.

    Данная проблема отчасти успешно решается за счёт функции изменения геометрии турбины в зависимости от интенсивности работы двигателя и плотности потока выхлопных газов.

  2. Ещё один существенный «минус» — так называемый «эффект турбоямы», когда водитель газует, но в первый момент автомобиль на это как бы не реагирует. Читайте подробно, что такое турбояма и почему она возникает.

    Эффект вызван тем, что без жёсткой механической связи между мотором и компрессором неизбежно возникает несоответствие между эффектом работы компрессора и необходимой мощностью, которая задаётся водителем при нажатии педали газа. Инерция турбины вызывает «провал» оборотов двигателя.

    Специалисты борются с данным нежелательным эффектом, настраивая двигатель, используя дополнительный электрический наддув или установку второго турбонагнетателя.

  3. После отключения турбины она не должна сразу останавливаться. Высокая скорость оборотов крыльчатки требует, чтобы после остановки автомобиля турбина проработала какое-то время на «холостых» оборотах и остыла. В противном случае устройство очень быстро приходит в негодность.

    Для того, чтобы этого избежать, турбонагнетатель снабжается турботаймером, который программируется на определённое время работы турбины вхолостую после остановки транспортного средства.

    Если же автомобиль «доведён» кустарным способом и оснащён турбиной без турботаймера, о её корректном охлаждении и остановке после того, как работа двигателя прекращена, придётся позаботиться самому автомобилисту.

  4. Наконец, турбо нагнетатели – не самый дешёвый технический узел в автомобиле, поскольку требует большой точности работы и обладает такой функцией, как изменение геометрии турбины в зависимости от плотности потока отработанных газов.
Читать далее:  Как хранить шины правила хранения летней и зимней резины

Турбонагнетатель для бензиновых двигателей эффективен на двигателях впрыскового типа. Если возникает желание установить этот узел на карбюраторный мотор, это потребует целого ряда доработок — от корректировки уровня поплавковой камеры до замены жиклеров на большее сечения.

Если же устройство ставится на инжекторный двигатель, работы ограничатся просто новой прошивкой.

Не зря ими оснащается большинство автомобилей спортивного класса. Данный технический узел применяют как на этапе производства автомобилей, так и в ситуации, когда автовладелец желает выполнить тюнинг авто. Высокий уровень КПД и ряд решений, найденных для устранения эффекта турбоямы, делают применение турбо нагнетателя наиболее эффективным на уровне остальных способов повышения давления в камере внутреннего сгорания.

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

  • воздушный заборник и фильтр;
  • дроссельная заслонка;
  • турбинный компрессор;
  • интеркулер;
  • коллектор впускной;
  • соединительные патрубки;
  • напорные шланги

Основной элемент устройства турбонаддува, который предназначен для увеличения рабочего давления воздушной массы в системе впуска. Турбокомпрессор состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу. Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах.

Турбинное колесо используется для переработки энергии, выделяемой отработанными газами. Колесо и его корпус изготавливаются из высокопрочных и жароустойчивых материалов – стальных и керамических сплавов.

Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель

Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС.

Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по канальцам, расположенным в подшипниковом корпусе.

Интеркулер

Интеркулер – воздушный или жидкостной радиатор, который применяется для своевременного охлаждения предварительно сжатого воздуха, вследствие чего происходит увеличивается давление и плотность воздушного потока.

Ключевым элементом управления турбонаддувом является регулятор давления наддува, который по сути своей является перепускным клапаном. Основным назначением клапана является сдерживание и перенаправление части вырабатываемых газов в обход турбинного колеса для снижения давления наддува. 

Перепускной клапан может быть оснащен приводом электрического или пневматического типа. Активация клапана происходит вследствие приема сигналов от датчика давления.

Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель

Клапан предохранительный используется для предотвращения скачков давления воздушной массы, которое часто возникает при быстром закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление либо стравливается в атмосферу, либо переподается на вход компрессора.

Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.

Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.

Читать далее:  Инструкция по снятию и ремонту головки блока цилиндров на автомобиле ВАЗ 2107

Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.

Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.

Способы компрессии

За историю автомобилестроения конструкторы создавали различные устройства компрессии воздуха. Что-то осталось на страницах истории, что-то прошло через горнило усовершенствования и дожило до наших дней.

  • механический наддув – производится за счёт работы коленвала и является прародителем всех остальных инженерно-технических решений;
  • турбонагнетатель – нагнетатель воздушной смеси, который функционирует за счёт разницы давления компрессора и выхлопных газов;
  • электрический турбонаддув – способ нагнетания воздуха электрическим компрессором;
  • комбинированный наддув – устройство, совмещающее работу механического и турбо наддува.

Для устранения эффекта турбоямы используются три основных метода:

  • Использование системы с двумя (и более) турбокомпрессорами. Турбины могут устанавливаться параллельно – это допускается на двигателях V-образного типа. При этом каждая турбина устанавливается на свой ряд цилиндров. Идея данного метода в том, что две турбины меньшего размера обладают более низкой инерционностью, чем одна большая турбина. Турбины так же могут устанавливаться и последовательно, причем их может быть от двух до четырех (Bugatti). Увеличение производительности и максимальная эффективность турбонаддува в этом случае достигаются за счет того, что при разных оборотах двигателя используется свой турбокомпрессор.
  • Использование турбины с изменяемой геометрией. Подобный метод обеспечивает более рациональное использование энергии отработанных газов за счет изменения площади сечения входного канала турбины. Данный метод весьма часто используется на дизельных двигателях, например всем известная система TDI от Volkswagen.
  • Использование комбинированного типа турбонаддува. Данный метод позволяет применять симбиоз двух систем – механического и турбинного наддува. Механический наддув эффективен на малых оборотах коленвала, при которых сжатие воздуха обеспечивается нагнетателем механического типа. Турбонаддув применяется при высоких оборотах коленвала, где функцию нагнетания воздуха берет на себя турбинный компрессор. Наиболее распространенной системой комбинированного наддува является наддув двигателя TSI от Volkswagen.
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
AutoJiza
Adblock
detector