Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих. Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.
Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя. То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода. Турбокомпрессор или турбонагнетатель - устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора - турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью - около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.
Устройство турбокомпрессора
Принцип работы
В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.
Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха. При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты. Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»). После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»). Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы: использование турбины с изменяемой геометрией; применение двух параллельных или последовательных компрессоров; комбинированный наддув. Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.
Турбина с изменяемой геометрией
Преимущества и недостатки турбонаддува
1 . Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля. 2 . Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем. 3 . Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов. 4 . Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД. 5 . На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги. 6 . Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.Недостатки турбонаддува
У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки. Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения - его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.Дополнительные элементы системы турбонаддува
Blow-Off Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.
Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge. Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха. Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме. Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.
Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор. Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием. Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов. Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке. Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины
Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях. На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.
Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.
Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем. Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.Считается, что престижный автомобиль просто обязан быть динамичным. Да и любому спешащему автолюбителю хочется победить время скоростью своего коня, без глобальных на это затрат топлива. И вот сегодня, в 21 веке, под массивным капотом скрыт скромный четырехцилиндровый рядный блок, разгоняющий до 100 км/час даже достаточно массивную машину за несколько секунд. А все потому, что у него есть турбина — приспособление, которое применяется в моторах с турбонаддувом.
Принцип действия турбины
Турбина, как инженерное творение было придумано и разработано в 1905 году швейцарцем Альфредом Буше. Он получил патент на компрессор, который приводился в действие за счет отработанных газов автомобиля. Целью его долгого пути развития и усовершенствования является повышение топливной эффективности.
Чтобы увеличить мощность при уменьшении рабочего объема двигателя, нужно в той же камере сгорания сжечь больше бензина. С химической точки зрения, сгорание – это реакция окисления, окислителем в которой считается кислород. Нужно умудриться забрать с внешней атмосферы больше воздуха. То есть, для решения проблемы, необходимо повысить количество топливно-воздушной смеси, подаваемую на двигатель.
Суть же турбины вот в чем: выпускающиеся под давлением из выпускного коллектора газы, попадают в систему выхлопа, вращая, как крылья мельницы, колесо с лопатками — турбину. В то же время, закрепленный с ней на одном валу, компрессор начинает нагнетать в цилиндры дополнительный воздух, тем самым повышая так недостающее количество окислителя в камере сгорания. Число оборотов турбины тесно связано с давлением газов в, так называемой, горячей части. Управлять ими можно при помощи специального клапана. В холодной части работает нагнетатель, доставляющий дополнительную порцию атмосферного воздуха во впускной коллектор. То есть, можно условно разделить турбонагнетатель на ротор и компрессор. Если потребление окислителя резко сокращается, например, при сбросе газа, когда ротор еще инерционно крутится, излишний воздух удаляется через специальный клапан впускного коллектора, называемый «блоу оф».
В отличие от механических нагнетателей в турбонаддуве нет отбора мощности от двигателя, а значит, КПД такой конструкции должен быть намного выше.
Этот круговорот вторичного использования энергии продуктов сгорания топлива эффективно повышает мощность двигателя.
Проблемы турбированных двигателей и их решение
И даже в работе такого гениального изобретения, как турбина, есть свои скрытые негативные стороны.
А дело в том, что пока мотор не раскрутится до определенных оборотов, турбина практически не работает. А начав работать, превращает смирный атмосферный мотор в ревущего хищника. Это, как два двигателя в одном: если едешь не торопясь, он ведет себя просто как маломощный мотор. Но, когда нужна дополнительная мощность, например, при обгоне, турбонаддув действует как пинок, ускоряющий автомобиль, будто под капотом находится мотор большего объема. Другими словами, на малых оборотах количество газов совсем небольшое, и их скорость и давление также мало. Поэтому и турбина раскручивается до совсем небольших оборотов, и толку от компрессора с его подачей дополнительного воздуха почти равно нулю. В результате этого непредвиденного дефекта на низах мотора отсутствует нужная мощность. И только примерно с 4000 об/мин турбонаддув «выстреливает».
Обороты, при которых турбина и компрессор начинают работать эффективно, называются «турбо-зоной», а процесс преодоления более низкого диапазона оборотов закрепилось в названии «турбо-яма».
Для борьбы с таким дефектом можно поставить две турбины вместо одной, по одному нагнетателю на каждую долю блока цилиндров. Такую схему часто называют «би-турбо». Или установить механический нагнетатель, помогающий мотору на низких оборотах. Если турбина все-таки одна, то современные многоступенчатые трансмиссии позволяют передать передаточные числа таким образом, что турбо-яма в принципе не ощущается, фактически мотор не покидает турбо-зоны. Исключение составляет только момент, когда нужно двинуться с места.
Еще один не оставленный без внимания нюанс – это то, что турбина, компрессор и все его компоненты работают в зоне самых высоких температур, так как выхлопные газы достигают температуры в 2500-3000 градусов С. Кроме того, так как турбокомпрессор нагнетает воздух двигателя под давлением, плюс еще давление, создаваемое клапанами в цилиндре, воздух в камерах сильно нагревается. Его температура может подниматься до температур, достаточных для возникновения детонации. Поэтому в комплексе с турбиной под капот устанавливают специальный охладитель, называемый «интеркуллер», обладающий также дополнительными положительными свойствами. В основном моторы с турбонагнетателем рассчитывают только на высокооктановый бензин.
Турбина на авто – и мечта, и реальность
Долгое время турбонаддув оставался исключительно дизельным явлением. Однако рост цен на нефть быстро вернул инженеров к мысли о необходимости срочной модернизации всей линейки двигателей. За что нам и можно сказать спасибо! Ведь это и привело к возможности любого желающего стать обладателем скоростного авто, всего лишь приобретя комплекс с турбонаддувом, полностью готовый к эксплуатации, с уже устраненными проблемами, наполненный сплошными плюсами и позволяющий получать лишь удовольствие от езды.
С появлением на рынках турбин, появилось множество других нововведений, таких как подшипники с керамическими шариками , которые сами по себе заполнены смазкой, и другие. Также турбонаддув помог в решении такой проблемы, как снижение рабочего объема двигателей при сохранении необходимой мощности . Что, в свою очередь, уменьшает выбросы, радуя экологов.
Неизвестно, что будет под капотами автомобилей лет через 20 – ближайшее будущее мы смело можем именовать турбо эрой.
Часто новички мне задают вопрос – а как работает турбина? Конечно же, это применительно к машинам (однако они применяются много где). Интерес к этому агрегату растет день ото дня, все потому что сейчас на рынок выходит все больше турбированных моторов. Обусловлено это увеличение производительности, а также экологическими нормами. Как не прискорбно, но думаю — через лет так скажем 10 – 15, обычных атмосферников уже и не останется …
Для начала небольшое определение.
Турбина автомобиля – это агрегат, который призван повысить производительность двигателя внутреннего сгорания, за счет увеличения крутящего момента – следовательно, и лошадиных сил. Даже при малом объеме такая силовая установка может обойти обычный атмосферный двигатель большего объема.
Как видите устройство «вроде как» полезное, причем оно поднимает , примерно на 10 – 20%, что очень существенно!
Если сказать простыми словами — то при малом объеме, мы получаем больше мощности!
Отличить обычный и турбированный двигатель, можно даже на слух, достаточно запустить их и послушать. Турбина издает небольшой свист, который будет все сильнее, если обороты двигателя растут. Если положить руку на сердце, турбину, возможно установить на любой обычный атмосферный двигатель, главное правильно ее настроить, поэтому для начала давайте вспомним обычный вариант.
Двигатель внутреннего сгорания – атмосферный
Принцип давно уже изучен и я бы сказал «избит»! Большинство моторов имеют четырехтактный цикл, конечно есть и двухтактные, но они на автомобилях применяются редко. Как мы можем знать, работа основана на компрессии, вот почему это такой важный показатель, и он должен быть всегда в норме.
ИТАК (4 такта):
1 такт – поршень идет вниз, открываются впускные клапана и в цилиндры поступает воздушно-топливная смесь.
2 такт — сжатие – поршень идет «максимально» вверх, сжимая смесь.
3 такт – воспламенение – сжатая смесь воспламеняется от свечей зажигания, происходит мини взрыв, который толкает поршень вниз.
4 такт — выход отработанных газов – открываются другие клапана, которые выводят эти газы, выталкивает их поршень, который также идет наверх.
Эта «классика» работает вот уже много лет, с момента основания двигателя внутреннего сгорания. Сразу хочется отметить мощность у такого классического строения – повышается за счет увеличения объема цилиндров. ТО есть двигатель объемом в 1,4 литра будет заведомо слабее, чем вариант в 2,0 литра. Но относительно недавно (если брать историю моторостроения), появились первые турбины, которые устанавливаются на этот классический двигатель, и меняют расклад сил.
Как работает турбина?
Завораживающее слово «ТУРБО», для многих мальчишек это просто предел мечтаний – некоторые так и хотят прокачать свою ПРИОРУ и «лихачить» по городу. Однако чтобы тюнинговать свой автомобиль, нужно знать устройство турбины.
Итак – основная задача, этого аппарата нагнетать в двигатель как можно больше воздуха. Я бы даже сказал нагнетать с силой!
Для чего это делается – как мы уже поговорили сверху, поршни приводятся в движение за счет сжигания воздушно – топливной смеси, которая поступает в цилиндры. Чем больше ее поступило, чем больше мощность может развить силовой агрегат. Сам мотор может засосать ограниченное количество воздуха – вот бы было хорошо, если бы кто-то его туда закачал в большем объеме!
И этим как раз и занимается турбина. Она раскручивается до безумных значений, порядка 200 – 240 000 оборотов в минуту. И под давлением подает максимально много воздушной смеси в цилиндры двигателя. Это означает что при одинаковом объеме, можно сжигать намного больше этой смеси, что напрямую передается и мощности!
Если взять строение турбины – то здесь можно выделить две крыльчатки .
Первая вращается от давления отработанных газов, которые идут через глушитель, к ней жестко подсоединен вал.
Вторая крыльчатка, также сидит на валу, только с другой стороны и ей передается это вращение. Она начинает засасывать воздух (если хотите как пылесос), и под давлением нагнетать его в двигатель.
Вал, на котором сидят две крыльчатки (условно назовем их «горячая» и «холодная»), имеет подшипники, которые смазываются маслом двигателя (помимо смазывания, оно забирает и лишнюю температуру), чтобы масло не уходило в отсеки с крыльчатками, за подшипниками есть специальные изоляторы, которые тормозят его расход.
Как видите принцип работы очень простой. Если все же не поняли, посмотрите мое видео с разъяснением.
Турбо-яма
Минусом работы турбированного агрегата, является такое явление как «турбо-яма» (). При низких оборотах турбина раскручивается не сильно, а поэтому не способна нагнетать большое количество воздуха. Если вы резко давите на педаль газа — то нужно какое-то время чтобы отработанные газы дошли до крыльчатки турбины и раскрутили ее! Однако пройдет немного времени, 1 – 2 секунды, прежде чем произойдет «выстрел» динамики.
В народе это явление называется турбо-ямой, то есть прежде чем резко ускориться, нужно подождать 1 или 2 секунды, пока раскрутится турбина.
Конечно, сейчас есть такое понятие как – к обычной турбине подсоединяют еще одну, как правило – механическую (а с недавнего времени и ), которая работает на низких оборотах, нагнетая нужное количество воздуха на низах, затем когда обороты вырастают, включается основная. Таким образом, турбо – яма побеждается.
Про него также у меня есть статья (). Воздух, который нагнетается в цилиндры, под «бешеными» оборотами крыльчатки – нагревается. А при нагреве падает плотность и концентрация кислорода. Чтобы его охладить применяется такое устройство как – интеркуллер, он охлаждает поток, делая его более плотным, что положительно сказывается на производительности.
Минусы турбин
Минусы у этого агрегата также существенны:
1) Это более частая замена масла, потому как подшипники очень требовательны к качеству смазки (все же там просто огромные обороты).
2) Ресурс не такой большой, обычно ходят по 150 000 километров.
3) Дорогостоящий ремонт, если менять на немецком автомобиле, то это примерно от 70 000 рублей.
4) Топливо – с турбиной нужно заправляться высокооктановыми бензинами, не ниже 95, что «бьет» по кошельку.
5) Охлаждение турбины – старые варианты таких устройств, нужно было правильно охлаждать. Иначе если вы просто заглушите машину, то от перепада температур, крыльчатку просто может «покоробить», далее ремонт. Поэтому, они не дают двигателю сразу заглохнуть, а несколько минут работают на низких оборотах – охлаждая крыльчатку.
Вот такой вот агрегат эта турбина, из сегодняшней статьи вы поняли – как она работает, теперь вы «подкованы».
НА этом заканчиваю, думаю было интересно.
Наверное, вы хоть раз обращали внимание на автомобили с шильдиками или наклейками «turbo». Внешне они ничем не отличаются от своих «атмосферных» собратьев, разница лишь в наличии турбонаддува под капотом. Мы постараемся дать внятное объяснение что такое турбонаддув, для чего он нужен и как работает.
Примерный вид газовой турбины
С самого своего появления, автомобили, стараниями своих создателей, претерпевают модернизации и более всего в вопросах мощности двигателей. Так как этот параметр напрямую связан с рабочим объемом мотора а также с качеством подаваемой воздушно-топливной смеси, для увеличения мощности есть два пути — либо увеличить объем агрегата (в современном массовом автомобилестроении этот способ не очень популярен), либо каким-то образом нагнетать в цилиндры больше воздуха. Первый способ не популярен по понятным причинам — вместе с увеличением объема цилиндров возрастет и расход горючего, кроме того, сам агрегат существенно прибавит в размерах и массе, что тоже не всегда приемлемо. Поэтому автомобильными инженерами был найден способ увеличить подачу воздуха в цилиндры.
Какие бывают виды турбонаддува
Есть несколько способов нагнетания большего количество воздуха в двигатель:
- резонансный наддув — реализуется без нагнетателя за счет кинетической энергии воздуха во впускных коллекторах;
- механический наддув — подача воздуха увеличивается благодаря применению механического компрессора, который, в свою очередь, приводится в движение двигателем автомобиля;
- газотурбинный наддув — турбину приводит в движение поток отработавших газов.
В первом случае наддув происходит лишь за счет особенной формы и размера впускных коллекторов без применения каких-либо нагнетателей. Поэтому мы не будем описывать его в этом материале, а остановимся подробнее на двух других вариантах, которые, на наш взгляд, заслуживают особого внимания.
Механический наддув
Некоторые современные автомобили до сих пор оснащают компрессорами
Механический наддув — способ увеличения подачи воздуха в двигатель посредством использования компрессора. Принцип работы компрессора выглядит следующим образом: когда двигатель начинает работать, его коленвал приводит в действие весь механизм. То есть механический наддув работает с первых моментов запуска мотора автомобиля.
Несомненным плюсом такой системы можно назвать, то что воздух принудительно нагнетается в цилиндры на любых оборотах двигателя (даже самых низких) и давление, соответственно возрастает с увеличением оборотов коленчатого вала. Поэтому автомобилям с механическими компрессорами не знакомо такое понятие, как «турбояма». Но такое устройство имеет и свои отрицательные стороны. Дело в том, что на приведение в движения компрессора мотор автомобиля расходует некоторую часть своей мощности, что снижает в итоге его КПД. Кроме того, для установки механического наддува нужно больше места в подкапотном пространстве. Также такое устройство создает повышенный уровень шума.
Нагнетание воздуха в мотор при помощи компрессора стало использоваться в автомобилестроении гораздо раньше, нежели применение газотурбинного механизма. Тем не менее, несмотря на некоторую устарелость, подобные устройства все еще можно встретить на современных автомобилях (ярким примером выступает компания Mercedes-Benz, на свежевыпущенных машинах которой до сих пор красуются шильдики «Kompressor»).
Газотурбинный наддув
В большинстве своем современные автомобили оснащены газотурбинными системами наддува. Принцип работы турбины сходен с компрессорным наддувом, разница лишь в том, что турбина приводится в действие потоком отработавших газов автомобиля, а не коленвалом двигателя. По ощущениям, включение турбины некоторые водители сравнивают с «пинком». Газотурбинный механизм наддува представляет собой устройство из двух крыльчаток жестко соединенных между собой валом. Каждая крыльчатка заключена в корпус, так называемую улитку.
Устройство газовой турбины
Устройство турбины достаточно несложное и состоит из:
- двух крыльчаток;
- двух улиток, внутри которых крутятся крыльчатки;
- вала, соединяющего крыльчатки;
- подшипников скольжения — двух опорных и одного упорного;
- перепускного клапана, который используется для сброса избыточного давления.
Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы из выпускного коллектора попадают в первую улитку и вращают ее крыльчатку. Через соединительный вал вращение передается второй крыльчатке, которая и нагнетает давление во второй улитке.
Плюсы и минусы турбонаддува
Главным преимуществом турбонаддува является увеличение мощности мотора без существенного увеличения расхода топлива. Чтобы объяснить это явление нужно разобраться как работает турбонаддув: турбина приводится в движение только благодаря энергии отработавших газов, а не за счет мощности мотора автомобиля. Но следует различать такие понятия, как общая и удельная экономичность мотора. Другими словами — турбированный двигатель будет иметь больший расход горючего, нежели аналогичный по объему атмосферный агрегат. Это происходит потому что увеличившийся объем воздуха, попадающего в цилиндры, позволяет сгорать большему количеству топлива. Однако у турбированного агрегата на единицу мощности приходиться меньше израсходованного топлива. Например, если взять два мотора 1,4 литра с турбиной и атмосферный 1,8 литра, оба с мощностью 130 л.с., то 1,4 будет более экономичен, за счет большего КПД.
Что касается экологичности турбомоторов: хотя среди отечественных автолюбителей еще не так развита «экологическая сознательность», не следует забывать и о том, что турбированные моторы наносят меньше вреда окружающей среде. Все потому что в камере сгорания турбированного двигателя температура несколько меньше, поэтому снижается образование оксида азота, к тому же топливо сжигается более полно.
Принцип работы газовой турбины
Впрочем, не обошлось и без недостатков. Первое о чем следует знать — турбина требует к себе бережного отношения. Пока мотор заведен на подшипники масло подается под давлением. Как только мотор заглушен масло к подшипникам поступать прекращает. Если мотор эксплуатировался под большими нагрузками, система наддува может перегреться и выйти из строя. Дабы не допустить перегрева, прежде чем глушить турбированный двигатель, ему следует дать поработать несколько минут на холостых оборотах. Многие современные автомобили оснащаются с завода специально предназначенными для этого устройствами — турботаймерами.
Есть еще один немаловажный момент — на малых оборотах мотора эффективность турбины очень мала. Также следует упомянуть об эффекте турбоямы — турбина откликается на нажатие педали акселератора с некоторой задержкой. Турбонаддув может эффективно работать только в узком диапазоне оборотов мотора, кроме того, большое значение имеет размер самой турбины. Для увеличения продуктивности этой системы многие автопроизводители устанавливают на свои автомобили две турбины разного размера или пару одинаковых турбин. Турбины разного размера позволяют существенно расширить диапазон эффективной работы турбонаддува — после того как первая турбина начинает терять продуктивность в работу вступает вторая. Две одинаковые турбины позволяют увеличить производительность, улучшить разгонную динамику и уменьшить эффект турбоямы. Для снижения этого эффекта автопроизводители прибегают к таким ухищрениям, как снижение массы движущихся частей турбины. Благодаря этому турбине нужно меньше времени чтобы раскрутиться.
Двигателей на бензине в последнее время становится все меньше.
Казалось бы, так и должно быть, ведь прогресс не стоит на месте, а турбомоторы хорошо известны своей высокой мощностью при сравнительно небольшом рабочем объеме. Однако на деле не все так просто. Водители и автомеханики делают отдельный акцент на том, что при выборе между атмосферным и турбированным двигателем будущему владельцу нужно хорошо подумать и взвесить все «за» и «против».
Далее мы рассмотрим основные преимущества и недостатки турбированного бензинового двигателя, а также поговорим о том, в каких случаях целесообразно купить такой мотор, а когда от подобного приобретения лучше полностью отказаться в пользу атмосферного .
Читайте в этой статье
Развитие турбомоторов
Прежде всего, значительную популяризацию двигателей с можно наблюдать именно в наши дни. При этом турбированный двигатель появился немного позже после того, как в широкие массы пошел и сам ДВС. Впервые силовую установку оснастили турбиной в 1905 г. Однако на легковые автомобили моторы с наддувом начали ставить только ближе к 1960 годам.
Что касается дизельного двигателя, турбокомпрессор медленно и уверенно приживался на такой технике, однако с бензиновыми аналогами ситуация сложилась с точностью до наоборот. Если коротко, турбомоторы на бензине по причине целого ряда индивидуальных особенностей не отличались особой надежностью, а также имели высокую начальную стоимость.
Вполне очевидно, что не только покупка, но также обслуживание и содержание этих ДВС получалось слишком дорогим. По этой причине бензиновый турбодвигатель до относительно недавнего времени являлся большой редкостью и обычно устанавливался только на дорогие версии премиальных моделей и спортивные авто.
Однако в дальнейшем развитие технологий и одновременное ужесточение экологических норм и стандартов заставило производителей вновь обратить внимание на турбокомпрессор для бензиновых ДВС. Результатом стало активное внедрение турбин на современные моторы.
Турбированные бензиновые двигатели: сильные и слабые стороны
Итак, хорошо известно, что турбина на бензиновый двигатель или дизель позволяет нагнетать воздух в камеру сгорания принудительно и под давлением. Чем больше воздуха поступает в цилиндры, тем больше горючего можно сжечь, причем нет необходимости физически увеличивать размеры самой камеры сгорания.
Решение позволяет сделать такой мотор более мощным и приемистым, при этом двигатель получается компактным. Дело в том, что подобно объему, не нужно увеличивать количество цилиндров. Другими словами, не увеличиваются габариты силовой установки, а также не происходит значительного прироста в весе, однако мощность двигателя значительно возрастает.
Также следует отметить, что если сравнивать турбомотор с атмосферным аналогом, который имеет аналогичную мощность, агрегат с турбиной окажется более экономичным и экологичным по сравнению с безнаддувным вариантом.
- Общий состоит в том, что выхлопные газы, которые образуются во время работы двигателя, вращают турбинное колесо. За счет этого вращается и компрессорное колесо, которое нагнетает воздух во впуск.
В результате турбомотор становится мощнее атмосферных аналогов на 20-30% и более (что зависит от степени наддува). Турбированный двигатель способен обеспечить лучшие показатели крутящего момента, а также является более экологичным решением, так как топливо сгорает в цилиндрах более полноценно.
Еще стоит отметить, что тяга у такого двигателя ровная и доступна на низких оборотах. Другими словами, отсутствует необходимость сильно раскручивать мотор для интенсивного ускорения или быстрого старта с места.
Итак, в списке основных плюсов можно выделить:
- Компактность и вес;
- Сниженную токсичность;
- Меньший расход горючего;
- Высокий показатель крутящего момента;
- Ровную «полку» момента в широком диапазоне оборотов;
Минусы турбированных двигателей на бензине
Прежде всего, установка турбонаддува предполагает более сложную конструкцию ДВС. Даже с учетом того, что сама турбина по размерам небольшая и является готовым решением в корпусе, в общей схеме обязательно присутствуют дополнительные элементы в виде и ряда других устройств. Сам турбодвигатель также дороже в производстве, так как высокие нагрузки предполагают использование более прочных и жаростойких деталей.
Также не следует забывать о некоторых сложностях в эксплуатации данного типа ДВС. Отметим, что бензиновые двигатели с турбиной имеют более высокую склонность к появлению . Это значит, что моторы весьма чувствительны к качеству топлива, особенно если принимать во внимание ситуацию на территории СНГ.
То же самое можно сказать и о моторном масле. Выбор масла для турбированного двигателя ограничивается небольшим списком, в который входят специальные масла. Более того, масло и фильтры нужно менять чаще (желательно каждые 5-6 тыс. км.). Дело в том, что масло из двигателя также смазывает турбину, которая, в свою очередь, сильно разогревается.
Не трудно догадаться, что при высоких температурах смазочный материал быстро теряет свои свойства. Также в обязательном порядке необходимо регулярно менять воздушный фильтр, так как его загрязнение сразу приводит к ощутимому снижению производительности турбокомпрессора и ДВС.
Еще в рамках практической повседневной эксплуатации турбодвигатели обычно расходуют больше бензина, так как водитель привыкает ездить более динамично с учетом возможностей такого мотора.
Главным же минусом можно считать срок службы самого турбокомпрессора, причем на бензиновых двигателях заметно ниже, чем на дизелях. Причина — более высокие температуры отработавших газов. Стоимость качественной турбины составляет, в среднем, от 1000 у.е. и более.
Что касается ремонта, далеко не каждый сервис способен выполнить эту работу грамотно с предоставлением официальных гарантий, а также сама сумма квалифицированного ремонта турбин может доходить до 40-60% от ценника за новую деталь.
Еще следует отметить, что на многих двигателях с наддувом присутствует эффект так называемой турбоямы. Под турбоямой следует понимать характерный провал, когда машина сначала достаточно «вяло» реагирует на нажатие педали газа и не разгоняется, а потом появляется резкий подхват.
Происхождение этого явления объясняется тем, что на низких оборотах коленвала энергии выхлопных газов недостаточно для эффективного раскручивания турбины, что закономерно приводит к недостаточной подаче воздуха для получения нужной отдачи от мотора.
Наконец, ресурс самих двигателей с турбонаддувом зачастую небольшой и оставляет, в среднем, около 200-250 тыс. км. до . При этом качественно отремонтировать турбомотор получается заметно дороже, чем простой рядный атмосферник.
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.
Атмосферный мотор имеет больший ресурс, его проще и дешевле обслуживать, такой агрегат менее требователен к качеству бензина и смазки, не так склонен к детонации и . Если же говорить о меньшем расходе топлива на моторах с турбокомпрессором, то и в этом случае не все так однозначно.
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 и т.д.
Читайте также
Подбор двигателя для авто: с каким мотором лучше выбрать новую или подержанную машину. На что нужно обратить внимание при выборе того или иного двигателя.
