Турбонагнетатель автомобиля — устройство и принцип работы, плюсы и минусы

Двигатель с турбонаддувом. Плюсы и минусы

Особенностью двигателя с турбонаддувом является наличие: турбокомпрессора, интеркулера, регулятора давления наддува, предохранительного клапана и других элементов. Турбокомпрессор — основной элемент турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе.

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

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува — перепускной клапан. Он 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.

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

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

Устройство системы турбонаддува

На практике турбонаддув применяется как на моторах, использующих дизельное топливо, так и на бензиновых. Однако наиболее часто эта система встречается именно на дизельном двигателе, поскольку для них характерна высокая степень сжатия, меньшая температура выхлопа и низкие обороты коленчатого вала. Более высокая степень сжатия обеспечивает повышение мощности турбированного двигателя и увеличивает его КПД.

В бензиновых моторах температура отработавших газов выше, что может спровоцировать эффект детонации, приводящий к быстрому износу поршневой группы. Для предотвращения этого явления необходимо использовать бензин с более высоким октановым числом, что не всегда является экономически выгодным.

Принцип работы турбины

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

• Воздухозаборник;
• Воздушный фильтр;
• Перепускной клапан – регулирует подачу отработавших газов;
• Дроссельная заслонка – регулирует подачу воздуха на впуске;
• Турбокомпрессор – повышает давление воздуха во впускной системе. Состоит из турбинного и компрессорного колес;
• Интеркулер – охлаждает воздух, способствуя лучшему наполнению цилиндров и снижению вероятности детонации;
• Датчики давления – фиксирует давление наддува в системе;
• Впускной коллектор – распределяет воздух по цилиндрам;
• Соединительные патрубки – необходимы для крепления элементов системы между собой.

Турбонагнетатель. Устройство и принцип работы

Что такое турбонагнетатель или турбокомпрессор? Фактически это компрессор, призванный нагнетать воздух, но его привод осуществляется не от коленчатого вала через ременную передачу, а используя энергию потока отработавших газов.

В данной статье рассмотрим устройство и принцип работы турбонагнетателей.

Принцип работы турбонагнетателя

Работа турбонагнетателя предельно проста. Выхлопные газы, проходя в турбину, приводят во вращение ротор. Колесо центробежного компрессора жестко закреплено на оси ротора и вращается с той же скоростью.

Чем большей энергией обладают выхлопные газы, тем быстрее вращаются колеса турбины и, соответственно, компрессоры. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, тем выше мощность. При этом частота вращения турбокомпрессора может быть очень и очень высокой – 150 тыс. об/мин.

Большинство турбонагнетателей имеют механизм изменения геометрии турбины. Дополнительное кольцо с управляемыми направляющими лопатками позволяет поддерживать поток выхлопных газов не только постоянным, но и управлять им. Так, на низких оборотах, когда поток невелик, поперечное сечение турбины уменьшается, что увеличивает скорость газов, поступающих на колесо, повышая ее мощность. На высоких же оборотах лопасти полностью открывают вход газам, увеличивая пропускную способность турбины.

Такое гибкое управление позволяет не только расширить диапазон эффективной работы турбонагнетателя, но и существенно снизить потребление топлива и вредные выбросы. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины обеспечивает эффективную работу не только на высоких, но и на низких оборотах двигателя.

Плюсы и минусы турбонагнетателей

Преимущество в том, что, в отличие от механических нагнетателей, приводимых от коленчатого вала и отнимающих мощность непосредственно у двигателя, турбонагнетатели используют фактически дармовую энергию, которая в обычном двигателе попросту выбрасывается из выхлопной трубы. Это делает турбонагнетатели более эффективными, нежели механические.

Одновременно турбонаддув позволяет получить высокие мощности – свыше 300 л. с. с одного литра объема. Двигатель с турбонагнетателем имеет мощность на 40% выше, чем без него. Как ни странно, но турбированные двигатели более экономичны. Низкое КПД двигателя внутреннего сгорание обусловливается потерями на трение и низкой тепловой эффективностью. С увеличением размеров мотора эти потери резко увеличиваются. Небольшие турбированные моторы в этой связи более предпочтительны.

Турбонагнетатели несовершенны и обладают рядом проблемных мест. Самое заметное – эффект «турбоямы». Отсутствие механической связи между компрессором и двигателем приводит к несоответствию между требуемой мощностью, задаваемой водителем педалью ‘газа’ и производительностью компрессора.

Недостатком турбокомпрессоров считается невысокая эффективность работы на малых оборотах двигателя. Но и эта проблема находит свои решения. Турбины с переменной геометрией, установка двух и более турбин, работающих параллельно (системы bi-turbo), позволяют повысить отдачу системы.

Турбокомпрессоры имеют те же недостатки, что и центробежные нагнетатели. Для эффективной работы они должны вращаться с очень высокой скоростью. Плюс высокий нагрев (порядка 1000 °С), сложности в смазке, отводе тепла. Повышенные температуры сказываются не только на смазке деталей турбонагнетателя, но и на нагнетаемом воздухе: его охлаждение оказывается острым вопросом. Для эффективного охлаждения интеркулер рассчитывается и подбирается с особой тщательностью.

Как и в любом нагнетательном устройстве, в турбонагнетателе необходим клапан, спускающий излишнее давление. С турбиной еще сложнее. Здесь нужно не только следить за давлением наддува, но и перепускать выхлопные газы, чтобы снизить избыток давления в выпускном коллекторе, и исключить чрезмерно высокую скорость вращения ротора на высоких оборотах двигателя.

Нужно сказать, что после работы на повышенных оборотах турбина должна «отдохнуть» на холостых оборотах. Поработав так несколько минут, турбина остывает, и ее можно остановить. Устройство, именуемое турботаймером, позволяет при выключении зажигания глушить двигатель через время, которое можно запрограммировать, либо оно определяется автоматически, исходя из температуры мотора. В отсутствие такого прибора водитель должен обеспечить «режим остывания» самостоятельно.

Механические нагнетатели или турбонагнетатели?

Сравнивая нагнетатели с механическим приводом и турбоприводом, надо отметить один факт. Массовое производство позволяет автомобильной промышленности существенно снижать себестоимость моторов с турбонагнетателями. Использование же в тюнинге сопряжено с немалыми трудностями, прежде всего в установке.

Аналогичные центробежные механические нагнетатели более удобны и просты в установке и в эксплуатации. Однако достоинства турбонагнетателей приводят к тому, что их чаще используют при тюнинге двигателя. Существуют готовые комплекты для различных авто.

В заключение следует сказать: турбонагнетатели несомненно интересны, не зря большинство спортивных машин оснащаются турбинами. Высокий КПД и прочие положительные факторы делают их привлекательными как для обычных автомобилей, так и для тюнинга.

Недостатки турбодвигателя

В отличие от атмосферного двигателя, турбодвигатель очень привередлив к качеству потребляемого горючего. Если не контролировать этот вопрос, то турбина очень скоро может выйти из строя. Кроме того, из-за специфики конструкции двигатели с турбонаддувом следует прогревать в любое время года.

Этот тип силовых агрегатов нуждается в особой заботе в вопросах использования смазочных материалов. Обычные минеральные и синтетические масла категорически запрещается заливать в двигатель с турбиной. Для них предназначаются специальные виды масел, которые достаточно дорого стоят. Кроме того, как отмечают специалисты автосервиса Favorit Motors, замена масла рекомендуется каждые 10 тысяч километров (при эксплуатации в городских условиях).

Материалы и технология установки турбокомпрессора

Прежде чем начать работу, необходимо уточнить, что категорически запрещено использовать герметик для фиксации материалов. Под влиянием температуры выхлопа, структура герметика будет плавиться и, рано или поздно, частицы попадут в компрессор и приведут к нарушению работы двигателя.

Во время монтажа очень важно следить, чтобы на детали механизма не попали инородные жидкости и вещества.

Для начала под капотом проверяют исправность всех соединяющих шлангов и трубопроводов. Обязательно подлежат замене все масляные, топливные и воздушные фильтры. После чего досконально очищается маслопровод от инородных предметов. Удаляются все неисправные, поврежденные маслопроводы и патрубки.

Перед началом следующего этапа необходимо зачистить сапун мотора и промыть все подающие магистрали. Обязательно после этого слить все масло.

Монтаж центробежного нагнетателя происходит относительно конструкции маслопровода, без перегибов и вертикалей. Моторным маслом обрабатывают все места стыков и соединения турбины.

Немного истории и общей теории о турбине

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.

• Читайте, что лучше: атмосферный или турбированный двигатель

Что такое турбированный двигатель

Турбированный двигатель, без лишней скромности, можно назвать едва ли не главным открытием современного производства моторов. Создатели турбированных двигателей ставили перед собой задачу повысить мощность мотора, но при этом сохранив прежний рабочий объем. Плюс ко всему, поскольку такие двигатели предполагалось устанавливать на массовых автомобилях, нужно было учесть фактор их надежности.

В турбированном двигателе топливовоздушная смесь направляется в камеру сгорания под давлением. За счет этого удается повысить крутящий момент и в целом мощность двигателя.

Турбина устанавливается, в том числе, на малообъемных двигателях, где важно малое использование топлива, а современные стандарты требуют от таких двигателей повышенную экологичность. Турбина в таких двигателях приводится к работу за счет остаточной энергии, которая остается в выхлопе. Выхлопные газы, в том числе, отвечают за образование принудительного давления в цилиндрах, где топливовоздушная смесь подготавливается к дальнейшей работе.

Обратите внимание: Турбины изначально устанавливались на дизельных двигателях, поскольку, в силу конструктивных особенностей, их использование на бензиновых агрегатах снижало надежность, а также повышало стоимость. Но позже конструкция турбины была улучшена, что позволило ее использовать, в том числе, на бензиновых моторах в массовом сегменте.

Теория турбонаддува

С самого начала эпохи автомобилестроения производители бились над задачей увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания. Мощность силового агрегата напрямую зависит от его рабочего объема и количества топливно-воздушной смеси, подаваемой в цилиндры. Таким образом, получается, что форсировать мотор можно либо, увеличив его объем (при этом нужно решить задачу, как поместить увеличившийся агрегат в автомобиле), либо, каким-то образом загнать в цилиндры большее количество воздуха и увеличить подачу топлива.

Первый способ влечет за собой значительный перерасход горючего, к тому же увеличиваются размеры и масса двигателя, что не всегда допустимо. Для решения задачи вторым способом применяются системы принудительного нагнетания воздуха в цилиндры.

Как устроена турбина и как она работает

Турбина с измененной геометрией отличается от классических турбокомпрессоров тем, что имеет в своей конструкции кольцо и специальные лопасти с аэродинамической формой, которая способствует увеличению эффективности наддува. В автомобилях с двигателями небольшой мощности сечение регулируется посредством изменения ориентации этих лопастей. В двигателях большой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом или перемещаются вдоль оси камеры.

Особенностью VNT турбины являются поворотные лопасти, механизм управления и вакуумный привод. Принцип работы основывается на регулировке потока отработавших газов, которые направляются на колесо турбины. Точная регулировка позволяет настроить проходное сечение для потока газов под режим работы двигателя. Если автомобиль двигается на небольшой скорости, то и турбина крутится медленнее, но при этом лепестки устанавливаются в такое положение, чтобы расстояние между ними было минимальным. Газу в малом объеме сложно преодолеть небольшое отверстие, поэтому он будет передвигаться с большей скоростью, за счет чего обороты турбины увеличиваются, увеличивая при этом давление наддува.

При помощи данных лопастей можно существенно увеличить скорость вращения турбины, не меняя объемы поступающих газов. На большой скорости компрессор раздвигает лопасти – это обеспечивает поддержание безопасного давления внутри системы и исключает перегревы. Принцип изменяемой геометрии позволяет не использовать перепускной клапан, так как весь объём выхлопных газов выходит через горячую часть крыльчатки. Изменение положения поворотных предотвращает избыточный наддув.

Преимущества турбины с изменяемой геометрией

• Автомобили с такими турбинами развивают большую скорость с самых низких оборотов.
• Существенно снижается объем необходимого топлива, а также количество вредных выбросов в атмосферу.
• Улучшается прохождение газов через турбину из-за отсутствия клапана Wastegate и уменьшения количества разнонаправленных потоков газа.
• Улучшается эластичность двигателя.

Возможные неисправности

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией представляет собой сложный механизм, поэтому он больше подвержен различным поломкам. Однако, такие турбины сталкиваются лишь с несколькими проблемами:

• Подклинивание лопастей в движении. Такая ситуация может сложиться из-за сильного износа трущихся пар и образовании нагара. Масляные, а также углеродистые отложения мешают плавному движению регулировочного кольца.
• Заклинивание лопаток в одном положении. Это может происходить по причине критического нагарообразования, когда силы вакуума не хватает для движения регулировочного кольца.
• Поломки вакуумного привода поворотных лопастей или клапана управления давлением.

Симптомами поломок считаются подергивание при разгонах, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива, а также срабатывание индикатора на приборной панели Check Engine.

В моторах TDI используется турбонагнетатель с изменяющейся геометрией, что дозволяет осуществлять сжимание воздуха, который поглощается. За счет этого увеличивается объем поглощаемого воздуха в камере. В итоге мощность мотора повышается при прежней объемности и на таких же оборотах.

Две турбины формируют устройство турбонагнетателя. Находящаяся в выпускном тракте турбина, начинает вращаться от исходящей массы выхлопных газов. Она начинает двигать компрессорное колесо, которое осуществляет сжатие воздуха непосредственно на впуске. Воздух, нагреваемый во время сжатия, подвергается охлаждению и затем поступает в камеру. Так как при снижении температурного режима объем воздуха также уменьшается, то и в камере его оказывается больше.

Подведем итоги

Сегодня производители автомобилей предлагают потребителю бензиновые и дизельные двигатели. Что касается бензиновых версий, они могут быть как атмосферными, так и с наддувом. При этом турбонаддув может использоваться на рядных, оппозитных, V-образных моторах и т.д.

Обратите внимание, рассмотренные выше плюсы и минусы турбированного бензинового двигателя наглядно отражают тот факт, что атмосферный ДВС во многих случаях может оказаться более предпочтительным вариантом.

Дело в том, что снижения расхода топлива за счет турбины и большей мощности редко удается добиться на практике. Особенно это утверждение справедливо в том случае, если говорить о бензиновых ДВС с турбонаддувом.

Зачастую многие владельцы таких авто в СНГ сознательно выбирают турбодвигатель, так как намерены ездить быстро и достаточно агрессивно, а сам автомобиль к этому располагает. В результате формируется характерный стиль езды и получается так, что водитель, а не машина, расходует, в среднем на 15-30% топлива больше в городском или смешанном цикле.

При этом для автолюбителей, которые практикуют спокойный стиль езды, мощность турбодвигателя вполне может оказаться попросту избыточной. В этом случае и повышенные затраты на содержание такого двигателя окажутся неоправданными. Другими словами, владелец фактически не будет использовать весь имеющийся потенциал силовой установки в полном объеме, при этом все равно нужно будет заливать дорогой бензин, чаще менять моторное масло и т.д.

Подбор двигателя для авто: с каким мотором лучше выбрать новую или подержанную машину. На что нужно обратить внимание при выборе того или иного двигателя.

Назначение и конструкция турбокомпрессора дизельного мотора. Принцип работы турбонагнетателя, особенности использования турбины на дизельном ДВС.

Что представляет собой двигатель с наддувом и чем отличается от атмосферного. Основные преимущества и недостатки турбированных ДВС. Какой мотор выбрать.

Возможность установки турбокомпрессора на двигатель с карбюратором. Основные преимущества и недостатки турбонаддува на карбюраторном авто.

Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.

Самостоятельная проверка турбокомпрессора дизельного двигателя. Проверка нагнетателя без снятия. Наличие масла в корпусе турбины, люфт вала, крыльчатка.