Для чего нужна турбина в дизельном двигателе?

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.

Турбонаддув двигателя TDI: описание,история,фото,видео.

Двигатель TDI (Turbocharged Direct Injection, дословно — турбонагнетатель и непосредственный впрыск) является современным дизельным двигателем с турбонаддувом. Двигатель разработан концерном Volkswagen, а название TDI является зарегистрированным товарным знаком.

Турбоанддув двигателя TDI обеспечивает высокую динамику автомобиля, экономичность и экологическую безопасность. Для создания оптимального давления наддува в широком диапазоне скоростных режимов в конструкции двигателя используется турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины. Турбокомпрессор имеет два общепринятых названия, которые используются разными производителями:

  1. VGT, Variable Geometry Turbocharger (дословно – турбокомпрессор с изменяемой геометрией) применяет BorgWarner;
  2. VNT, Variable Nozzle Turbine (дословно – турбина с переменным соплом) применяет Garrett.

Турбонаддув двигателя TDI:
А — воздух; Б — отработавшие газы.
1 — вакуумная магистраль; 2 — блок управления двигателем; 3 — датчики давления наддува и температуры воздуха на впуске; 4 — блок управления воздушной заслонкой; 5 — интеркулер; 6 — клапан рециркуляции отработавших газов; 7 — клапан ограничения давления наддува; 8 — турбонагнетатель; 9 — впускной коллектор; 10 — вакуумный привод направляющих лопаток; 11 — выпускной коллектор.

В отличие от обычного турбокомпрессора турбонагнетатель с изменяемой геометрией может регулировать направление и величину потока отработавших газов, чем достигается оптимальная частота вращения турбины и соответственно производительность компрессора.

Читайте также  Из чего состоит система охлаждения двигателя?

VNT-турбина объединяет направляющие лопатки, механизм управления и вакуумный привод. Направляющие лопатки предназначены для изменения скорости и направления потока отработавших газов за счет изменения величины сечения канала. Они поворачиваются на определенный угол вокруг свой оси.

Поворот лопаток производится с помощью механизма управления. Механизм состоит из кольца и рычага. Срабатывание механизма управления обеспечивает вакуумный привод, воздействующий через тягу на рычаг управления. Работа вакуумного привода регулируется клапаном ограничения давления наддува, подключенным к системе управления двигателем. Клапан ограничения давления наддува срабатывает в зависимости от величины давления наддува, измеряемой двумя датчиками: датчиком давления наддува и датчиком температуры воздуха на впуске.

История создания мотора TDI

Дизельный двигатель всегда привлекал различные компании своим нераскрытым до конца потенциалом. Основной задачей, которая ставилась перед инженерами, являлось превращение шумного, тихоходного и малооборотистого агрегата в такой мотор, который можно было бы с легкостью устанавливать в легковые авто. Результатом стало создание мощного, экономичного и экологичного дизеля, который по своим эксплуатационным характеристикам был максимально приближен к бензиновому силовому агрегату.

Первопроходцем в этом направлении стала компания Audi, которая в далеком 1980-м установила 1.6-литровый дизельный 54-сильный атмосферник под капот своей популярной модели Audi 80. Дальнейшее совершенствование и развитие технологий привело к тому, что уже в 1989 Audi первыми в мире наладили и запустили в массовое производство компактный, тяговитый и мощный турбодизельный двигатель, который получил широко известное сегодня обозначение TDI.

Первый TDI представлял собой дизельный двигатель с 5 цилиндрами, имел рабочий объем 2.5
литра, оснащался турбонаддувом с интеркулером (система промежуточного охлаждения
нагнетаемого воздуха). Максимальная мощность этого мотора составляла 120 л.с. Показатель
крутящего момента находился на отметке 256 Нм и достигался при выходе на 2250 об/ мин.

С момента появления на рынке данный силовой агрегат стал достаточно востребованным, так как представлял собой достойную альтернативу не только дизелям других производителей, но и вполне был способен составить конкуренцию моторам на бензине. TDI от Ауди обеспечивал прекрасную динамику, при этом расход топлива был существенно ниже по сравнению с другими аналогами.

Особенности и преимущества двигателя TDI

После вхождения Audi в состав WAG, концерн Volkswagen занял первые позиции в списке производителей дизельных двигателей. Инновационные инженерные решения и наработанные технологии производства обеспечили моторам TDI:

— низкий уровень шума при работе;
— высокий показатель крутящего момента;
— небольшой расход топлива;
— снижение токсичности отработавших газов;

Сегодня дизельный двигатель TDI сравнительно с аналогами имеет ряд преимуществ, среди которых отдельно выделяют топливную экономичность и КПД. Одним из основных плюсов заслуженно считается более высокое давление впрыска сравнительно с производительностью других систем. Давление впрыска в моторах TDI находится на отметке 2050 бар, тогда как аналоги выдают всего 1350 бар.
В TDI инжектор объединен с насосом, что позволяет реализовать максимальный контроль над всеми процессами топливного впрыска. Такое решение обеспечивает двигателю TDI высокий крутящий момент, а также эластичную работу данного дизеля на разных режимах. Благодаря данной системе топливоподачи сам процесс сгорания дизтоплива в моторах ТДИ более равномерный и происходит «деликатно», то есть с минимальными ударными нагрузками. По этой причине существенно снизился уровень шума во время работы дизеля, а также упало содержание оксида азота в отработавших газах. Другими словами, дизельный TDI двигатель является мощным, тихим, наименее вредным для окружающей среды и самым экономичным мотором среди доступных на рынке дизельных силовых агрегатов.

Надежность дизельных TDI

Установка турбонаддува позволила дизельному двигателю развивать большую мощность, а также увеличился КПД дизеля. Что касается моторов TDI, то данные двигатели являются достаточно надежными при условии правильной эксплуатации. Наиболее сильно на исправность этих ДВС влияет качество топлива и своевременное обслуживание. При должном уходе сам мотор может оказаться даже «миллионником».
Слабым местом TDI считаются форсунки и турбокомпрессор. Ресурс форсунок напрямую зависит от качества дизтоплива и общего состояния системы питания дизельного TDI. Срок службы турбины может варьироваться, средний показатель ресурса составляет 120-160 тыс. км.

Топливный впрыск в моторах TDI

На ранних этапах развития дизельных ДВС давление в системе, которая предполагает наличие ТНВД в связке с простыми механическими форсунками, составляло всего 20-40 Бар. Современный дизель имеет давление на минимальной отметке в 1600 Бар и выше. Тенденция к увеличению давления впрыска топлива связана с тем, что дизельные двигатели отличаются очень коротким временем, которое отводится на процесс смесеобразования.

Если коленвал вращается на 2000 об/мин, тогда на смешивание порции дизтоплива с воздухом выделяется всего 3-4 миллисекунды. Увеличение частоты вращения коленчатого вала еще более сокращает этот временной отрезок. Также приготовление однородной топливно-воздушной смеси становится возможным только благодаря увеличению давления впрыска. В случае с низким давлением топливная смесь будет некачественной, процесс сгорания отличается низкой эффективностью. Результатом становится повышение токсичности выхлопа дизеля и низкий КПД.

ТНВД в современном дизеле попросту создает давление в общей магистрали, а пьезоинжекторы (пьезоэлектрические форсунки) TDI способны впрыскивать четко определенное количество дизтоплива в цилиндры дизельного двигателя за очень короткий промежуток времени (менее чем за 0,2 миллисекунды) по команде ЭБУ.

Также в отдельных конструкциях систем питания дизельных ДВС можно встретить так называемые насос-форсунки. Это означает, что каждая инжекторная форсунка оборудована собственным насосом высокого давления. Получается, развитие дизельных технологий сегодня сводится к увеличению давления впрыска и максимальной эффективности работы системы турбонаддува. Так удается решить главные задачи: увеличить мощность и снизить уровень токсичности отработавших газов.

Турбонаддув TDI: турбина с изменяемой геометрией

От эффективности работы турбоанддува TDI в значительной мере зависит не только динамика, но и экономичность наряду с экологичностью. Правильное наддува воздуха должно быть реализовано в максимально широком диапазоне. По этой причине на моторы TDI ставится турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины.

Ведущие производители турбин в мире используют следующие названия:

  • Турбина VGT (от англ. Variable Geometry Turbocharger, что означает турбокомпрессор с изменяемой геометрией). Производится BorgWarner.
  • Турбокомпрессор для дизеля VNT (от англ. Variable Nozzle Turbine, что означает турбина с переменным соплом). Это название использует фирма Garrett.

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией отличается от обычной турбины тем, что имеет возможность регулировки как направления, так и величины потока отработавших газов. Данная особенность позволяет добиться наиболее подходящей частоты вращения турбины применительно к конкретному режиму работы ДВС. Производительность компрессора в этом случае сильно повышается.

Например, турбина VNT имеет в основе конструкции специальные направляющие лопатки. Дополнительно имеется механизм управления, а также отмечено наличие вакуумного привода. Указанные лопатки турбины производят поворот на необходимый угол вокруг свой оси, тем самым способны менять скорость и направление потока выхлопа. Это происходит благодаря изменению величины сечения канала.

Механизм управления отвечает за поворот лопаток. Конструктивно механизм имеет кольцо и рычаг. На рычаг оказывает воздействие вакуумный привод, который управляет работой механизма посредством специальной тяги. Вакуумный привод управляется отдельным клапаном, который ограничивает давление наддува. Клапан является составным элементом электронной системы управления ДВС и срабатывает зависимо от показателей величины давления наддува. Эта величина измеряется отдельными датчиками:

  • температурный датчик, который измеряет температуру воздуха на впуске;
  • датчик давления наддува;
  1. Как известно, на низких оборотах двигателя скорость потока (энергия) выхлопа является достаточно низкой. В таком режиме направляющие лопатки обычно закрыты, чем достигается минимальное сечение в канале. В результате прохождения через такой канал даже небольшое количество газов более эффективно крутит турбину, заставляя компрессорное колесо вращаться заметно быстрее. Получается, турбокомпрессор обеспечивает большую производительность на низких оборотах.
  2. Если водитель резко нажимает на газ, тогда у обычной турбины возникает эффект так называемой «турбоямы». Под турбоямой следует понимать задержку отклика на нажатие педали газа, то есть не моментальный прирост мощности, а подхват после небольшой паузы. Такая особенность обусловлена инерционностью системы турбонаддува, в результате чего потока газов оказывается недостаточно в момент резкого увеличения оборотов коленвала. В турбинах с изменяемой геометрией направляющие лопатки осуществляют свой поворот с определенной задержкой, что позволяет поддерживать нужное давление наддува и практически избавиться от турбоямы.
  3. При езде на высоких и приближенных к максимальным оборотах двигателя отработавшие газы имеют максимум энергии. Чтобы предотвратить создание избыточного давления наддува лопатки в турбинах с изменяемой геометрией поворачиваются так, чтобы мощный поток газов двигался по широкому каналу с наибольшим поперечным сечением.

Относительно малый ресурс турбокомпрессора связан с тем, что на TDI ставятся исключительно турбины с изменяемой геометрией. Турбокомпрессор во время работы двигателя раскручивается до 200 тыс. об/мин и постоянно взаимодействует с потоком разогретых до 1000 градусов по Цельсию выхлопных газов. Такие температурные и механические нагрузки, а также индивидуальные особенности конструкции указанных турбин сравнительно быстро приводят к необходимости ремонта или замены турбокомпрессора.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

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.

Читайте также  Сколько распредвалов на 16 клапанном двигателе?

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

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 – трактор К-701 «Кировец» 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.

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.

Устройство системы турбонаддува

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.

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…

Как работает турбина дизельного двигателя

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.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

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).

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.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

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.

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.

Что такое турбированный двигатель

Современные тенденции автопроизводителей сделали ставку на компактный турбированный двигатель. Это дало ряд преимуществ, среди которых компактность, экономичность, экологичность и максимальный КПД при малых объемах.

Читайте также  Как слить все масло с двигателя?

Основные отличия турбированного двигателя от атмосферного

Если атмосферный двигатель подразумевает впуск воздуха посредством разряжения, созданным поршнем, то с турбированным мотором все иначе. Для максимально эффективного сгорания топлива необходимо большое количество воздуха, чего невозможно добиться от атмосферника, поэтому нужно было воздух, в большом объеме, «затолкать».

В атмосферном силовом агрегате крутящий момент и мощность во многом зависит от объема цилиндров, что и стало основным отличием от турбомоторов.

Особенности турбированных двигателей

Принцип работы турбины состоит в принудительном нагнетании воздуха под давлением в цилиндры. Такое действие позволяет увеличить рабочий объем камеры сгорания за счет сильного сжатия, поэтому при равном объеме двигателя, разница в мощности между атмосферником и турбомотором колоссальная.

Главные предпосылки появления турбированных моторов:

  • Невозможность существенного увеличения мощности без увеличения объема и количества цилиндров (отсюда мы имеем агрегаты V8 и V12)
  • «Выжимание» максимальной мощности с помощью уменьшения камеры сгорания увеличивает степень сжатия, а значит работа двигателя без детонации невозможна. Детонация разрушает поршни.
  • Любые манипуляции по увеличению мощности атмосферника увеличивают расход топлива, а также делают невозможным комфортную эксплуатацию во всем диапазоне оборотов двигателя.

Изначально в массовое производство был запущен дизельный турбированный двигатель — такие моторы «наматывали» миллионы километров без особых проблем. В 80-х годах прошлого века среди легковых автомобилей начали появляться бензиновые турбоагрегаты.

Стоимость таких автомобилей существенно отличалась от обычных. До 90-х годов широко использовались механические нагнетатели, приводящиеся в движение через ремень от коленвала. Конструкция довольно проста и надежна, о чем свидетельствует яркий пример в лице двигателя Mercedes-Benz M111 E23 Compressor.

Позднее решено было переходить на турбокомпрессор, работающий от выхлопных газов, так как механический нагнетатель забирал значительную мощность на раскручивание лопастей.

Как работает турбина

Турбина состоит из двух частей:

  1. Холодная – всасывает и раскручивает впускной воздух,
  2. Горячая – раскручивается воздух посредством движения выхлопных газов.

В турбине установлен картридж с лопастями, которые от движения воздуха раскручиваются вплоть до 150 000 оборотов в минуту, создавая давление. Вращаются лопасти на подшипниках, а за смазывание и охлаждение отвечает подача масла с двигателя.

Так как при резком повышении давления воздух сильно нагревается, был изобретен интеркуллер, охлаждающий воздух до нужной температуры.

Во впускной магистрали установлен клапан, отвечающий за сброс избыточного давления впускного воздуха (Blow off), а также вестгейт, ограничивающий количество отработанных газов, попадающих в турбину, что позволяет избежать резкого роста повышения оборотов крыльчатки (простыми словами-ограничитель).

Работа турбины крайне проста: в горячую часть турбины попадают отработанные газы и раскручивают крыльчатку. В холодной части раскрученная крыльчатка всасывает большое количество воздуха, который проходит через интеркулер, и в охлажденном состоянии попадает в цилиндры. После того, как отработанные газы раскрутили турбину, они идут далее по выпускной магистрали.

Турбированный двигатель, плюсы и минусы

Сначала о преимуществах:

  1. Возможность с малого объема “выжать” большую мощность, зачастую это 100 л.с. на каждый литр объема.
  2. Крутящий момент уже с холостых оборотов дает уверенную тягу, но только в случае, если турбина маленькая, она раскручивается быстрее.
  3. Диапазон крутящего момента широкий.
  4. Расход топлива, при одинаковой мощности с атмосферным моторов, явно ниже.
  5. Возможность увеличивать мощность с помощью прошивки на 20-30% без вреда ресурсу и комфорту движения.
  1. Ресурс турбины современных авто едва достигает 100 тыс.км.
  2. Возникновение «турбоямы», процесса между провалом и резким набором скорости из-за ожидания раскрутки турбины.
  3. Стоимость ремонта дороже, обслуживать двигатель нужно чаще.
  4. Возрастает потребность в качественном масле и топливе.

Отличие от механического нагнетателя

Приводной нагнетатель широко используется на американских автомобилях с V-образными «восьмерками». Явной потери мощности не ощущается в силу большого объема, зато компрессор уже с холостых оборотов обеспечивает стабильный крутящий момент. К тому же, конструктивно приводной компрессор удобнее и дешевле, чем установка двух турбин.

Турбина, работающая от выхлопных газов, значительно повышает КПД, а его сопротивление приравнивается к 0, так как используется энергия отработанных газов.

У приводного компрессора есть два недостатка: повышенный шум работы и потери мощности на раскручивание.

Основной проблемой турбированного двигателя является незнание правильного ухода и обслуживания таких агрегатов. Турбомоторы требуют более частого внимания, в таком случае дорогой ремонт турбины можно отсрочить на долгие годы.

Что такое турбонаддув и как он работает? Принцип работы турбонаддува дизельного двигателя

Чтобы увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания, производители разработали специальный агрегат. Его мощность зависит от его рабочего объема и наличия топливно-воздушной смеси, которая подается в цилиндры. Это устройство называется турбонаддувом, а ниже мы рассмотрим виды турбонаддува.

Виды турбонаддува

1) Резонансный (здесь используется кинетическая энергия именно воздуха во впускном коллекторе);

2) Механический турбонаддув (нагнетание воздуха идет с помощью компрессора, который приводится в действие от двигателя);

3) Газотурбинный (здесь идет использование энергии отработанных газов).

Особенность работы резонансного наддува

В данном случае нагнетатель не применяют. Повышение давления воздуха происходит за счет четко выверенной формы и длины впускного коллектора. Работа его очень проста и подробного рассмотрения не подлежит.

Особенность работы механического наддува

Использование компрессора является одним из способов увеличения подачи воздуха в цилиндры двигателя. Механический нагнетатель воздуха для автомобиля работает следующим образом: компрессор запускается в действие от шкива коленчатого вала, что и вызывает нагнетание воздуха, как только двигатель начинает работать.

Преимущество этой системы в том, что воздух нагнетается на любых режимах работы силового агрегата. При минимальных оборотах также происходит нагнетание. Давление начинает увеличиваться с ростом оборотов коленвала.

Минус такого оборудования в том, чтобы обеспечить работу нагнетателя расходуется часть мощности двигателя машины. Следовательно, снижается его КПД.

Что представляет собой газотурбинный наддув

Принцип работы этого устройства достаточно не сложный. На одном валу находятся крыльчатка-нагнетатель и крыльчатка-турбина. Все турбин вращается в своей улитке. Газы, газов, проходящих из выпускного коллектора через одну из улиток и вращают крыльчатку-турбину. Обороты с помощью общего вала передаются второй крыльчатке, которая способствует повышению давления атмосферного воздуха, который проходит через вторую улитку.

Турбонаддув плюсы и минусы

Повышается КПД и двигатель автомобиля становится более экономичным. Это все происходит по той причине, что система приводится в действие за счет энергии отработавших газов.

Основным плюсом является экологичность оборудования. Турбонаддув способствует обеспечению более полного сгорания топлива. Он помогает снизить температуру камеры сгорания, что и приводит к снижению образования оксида азота.

Недостатки турбированного двигателя

В первую очередь, такое устройство требует бережного отношения к себе. Дело в том, что масло к подшипникам компрессора подается под давлением во время работы двигателя автомобиля. Поэтому, если сразу заглушить мотор и выключить зажигание, велика вероятность того, что у вас перегреется компрессор или вообще выйдет из строя. Чтобы избежать подобных поломок, дайте двигателю пару минут поработать на холостых оборотах. Только после этого глушите его.

Силовой агрегат с наддувом потребляет больше топлива. Связано это с большим количеством воздуха, загнанного в цилиндры. Сжигается больше топлива, но при этом массовая доля горючего из расчета на единицу мощности в час всегда меньше, чем у самого мотора, не имеет турбонаддув.

Ограничение диапазона эффективной работы турбокомпрессора также значительный минус. Здесь происходит очень медленный отклик турбины на нажатие педали газа. Система турбонаддува хорошо и качественно работает в довольно узком диапазоне частоты вращения коленвала. Он же полностью зависит от размеров турбины. Чтобы решить подобную проблему, производители устанавливают двойной турбонаддув, то есть две турбины с разным диаметром крыльчатками. Порой променяют и две совершенно одинаковые турбины. Это для того, когда первая турбина теряет свои качества, ее подхватывает вторая. Для уменьшения инерции и эффекта турбоямы, производители стараются максимально снизить вес валов.

как работает турбина в автомобиле видео

Принцип работы турбонаддува дизельного двигателя

И так, как работает турбонаддув в дизельном двигателе? Работа турбированного дизельного двигателя основана на применении энергии выхлопных газов. Например, отработанные газы после покидания цилиндра попадают на крыльчатку турбины, вращая ее.

Если сравнивать с атмосферными дизелями, то в турбокомпрессорных агрегатах воздух в цилиндры подается под высоким давлением. В итоге получается, что объем воздуха, который попадает в цилиндр за один цикл, увеличивается.

Турбонаддув дизельного двигателя менее экономичный. Система такого наддува восприимчива к истощению поршневой группы. Увеличение давления картерных газов значительно снижает ресурс турбины. Такие турбины требуют применения специальных сортов масел и тщательного соблюдения рекомендованных производителем сроков обслуживании.

Принцип работы турбонаддува бензинового двигателя

И так, как работает турбонаддув в бензиновом двигателе? Использование системы турбонаддува двигателя, в основном основывается на использовании энергии, выделяемой при сгорании газа. Уже отработанные газы начинают вращать колесо турбины. Оно же ведет в обращение компрессионное колесо через вал ротора. Компрессорное колесо приступает к сжатию воздуха, отправляя его в систему. Нагретый воздух при сжатии, поступает в цилиндр двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не связан с коленвалом двигателя, качество работы зависит от количества оборотов двигателя. Чем выше частота вращения, тем больше энергии отработанных газов. В этом случае турбина начинает вращаться быстрее, а в цилиндр поступает необходимое количество сжатого воздуха. Так что теперь вы знаете, что такое турбонаддув в автомобиле и как он работает!

Если статья понравилась, делимся в соцсетях и оставляем комментарии!