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.

2946 Просмотров

Современные бензиновые двигатели обладают недюжинными мощностями. Этого удалось добиться благодаря тем технологиям, которые еще несколько десятков лет назад применялись лишь на гоночных машинах, а потом постепенно перекочевали и на серийные. Одной из таких технологий в двигателе является турбина, которая позволяет ему значительно увеличить мощность и все остальные характеристики. Сегодня мы расскажем о том, что такое турбина, каков принцип ее действия, а также какими плюсами и минусами обладает подобное техническое решение.

Преимущества и недостатки

Вообще говоря, турбины начали устанавливаться на двигателе достаточно давно. Когда на рынке стали появляться их первые модификации, принцип работы такого устройства был достаточно примитивен и понятен большинству людей, пусть даже и не профессиональных мастеров и ремонтников.

К сожалению, первые модели обладали большим числом недостатков. Расскажем об основных из них, которые можно было встретить на всех без исключения моделях турбин. Первый минус - это невысокий ресурс всех составных деталей. Действительно, ресурс был небольшим, и обуславливался он технологией работы, которая оказалась достаточно примитивной. Чаще всего из строя выходит подшипник, который, хоть и обильно обработан смазкой, не может подвергаться какому-либо осмотру и обслуживанию: турбина встраивается в корпус двигателя.

Вторая проблема - это возникновение провала при разгонах. Дело в том, что принцип работы устройства заключается в нагнетании большого давления воздуха в рабочие цилиндры мотора. Чтобы давление дошло до необходимого уровня, нужно определенное время: без применения специальной дорогостоящей электроники действия водителя предсказать достаточно проблематично. Поэтому при резком нажатии на газ происходит не разгон, а лишь нагнетание давления. В связи с этим водителю приходится выжидать по нескольку секунд, что, безусловно, является недостатком.

Правда, несмотря на примитивный и не самый удачный принцип работы, такое устройство, как турбина, широко устанавливалось на двигателе с момента своего изобретения. Это связано с тем, что плюсов, которые дает этот узел, куда больше, чем потенциальных недостатков. К явным преимуществам можно отнести, к примеру, то, что у мотора при равном объеме и конструкции мощность возрастает практически в два раза. При этом расход топлива остается на прежнем уровне, и машина становится даже несколько экономичнее.

Кроме того, ресурс самого двигателя значительно увеличивается. Это связано с тем, что турбина облегчает задачу двигателю и придает ему дополнительные силы. За счет этого механизмы подвергаются меньшему износу, и их срок службы возрастает в несколько раз.

Детальный взгляд

Технология работы турбины по-прежнему остается достаточно простой. Большинство технологий, которые применяются в современных ДВС, направлены на то, чтобы предотвратить всем известный провал при резких разгонах и увеличить срок службы маховика, скорость вращения которого достигает нескольких сотен тысяч оборотов в минуту.

Основным элементом, который и составляет основу принципа работы данного функционального узла, является крыльчатка, за счет которой и осуществляется вращение. Крыльчатка всегда встраивается в выпускной коллектор мотора - туда, где происходит циркуляция выхлопных газов под высоким давлением. Крыльчатка, которая встраивается в этот поток, начинает от него вращение, подобно тому, как функционирует ветряная мельница.

За счет этого крыльчатка обратной стороной начинает работать на нагнетание воздуха извне. Разумеется, этот воздух проходит систему фильтров и лишь после этого поступает в систему. Нетрудно предположить, что при столь высокой скорости вращения крыльчатки достигается недюжинное давление воздуха, который отправляется в цилиндры. Именно нагнетание большого давления, которое кратно нескольким барам, и является основой работы такого устройства, как турбина. Чем выше давление, тем выше и мощность, которую может развить двигатель, оснащенный наддувом.

Чтобы избежать каких-либо провалов мощности, производители прибегли к применению дополнительных систем, которые направлены на то, чтобы давление нагнеталось мгновенно. Одним из таких элементов являются клапаны.

Один из них соединяется с выпускным коллектором и переводит в него избыточное давление, которое уже не в состоянии раскрутить крыльчатку. Второй клапан соединяется с двигателя, и при его открытии давление мгновенно перетекает в камеры сгорания. За счет этого удается полностью нивелировать промежуток времени, направленный на нагнетание давления, и сократить время разгона и прироста мощности.

В этой статье мы ознакомимся с ответом на вопрос, что такое турбина. Здесь читатель найдет информацию о ее характеристике, видах и способах эксплуатации человеком, а также рассмотрим исторические сведенья, связанные с развитием этого механического устройства.

Введение

Что такое турбина и как она действует? Это лопаточная система (машина), которая занимается преобразованием энергий: внутренней и/или кинетической. Этот ресурс дает рабочее тело и позволяет выполнять валу его механическое предназначение. На лопатки оказывают воздействие посредством струи рабочего тела, что закрепляют около окружностей роторов. Она же приводит к их движению.

Может находить свое применение в качестве турбины электростанций (АЭС, ТЭС, ГЭС), фрагмента приводов для различного типа транспортов, а также может служить составной частью гидронасосов и газотурбинных двигателей. Настоящая энергетическая промышленность не способна обходиться без этих устройств. Вид теплопередачи вращения турбины на тепловых электростанциях, обладает высокой производительностью, он очень энергоемкий. Это позволяет человеку использовать различные ресурсы в относительно малых количествах, в сравнение с объемом получаемого электричества.

Исторические данные

Множество попыток создать устройство, схожее с современной турбиной, было совершено еще задолго до ее полноценного вида, приобретенного ею в конце девятнадцатого века. Первая попытка принадлежит Герону Александрийскому (1 век н.э.).

И. В. Линде утверждал, что именно в XIX веке была рождена масса планов и проектов, позволивших человеку превзойти «материальные трудности», мешающие выполнению и созданию такой техники. Главными событиями тех годов являлось развитие термодинамической науки, а также металлургической и машиностроительной отраслей. В конце XIX два ученых, по отдельности и независимо, смогли создать паровую турбину, пригодную в различных отраслях промышленности. Это были Густав Лаваль родом из Швеции и Чарлз Парсонс родом из Великобритании.

Хронологические данные событий

А теперь ознакомимся с некоторыми событиями, связанными с историей изобретения турбины :

• В I в. н. э. паровую турбину попытался создать Герон Александрийский, однако несколько столетий после этого ее не изучали в силу ошибочного мнения о несостоятельности идеи.
• В 1500 г. можно найти упоминание о «дымовом зонте» - приборе, поднимающем горячие потоки воздуха от пламени через лопасти, соединенные между собой и вращающие вертел.
• Джованни Бранкой в 1629 г., было совершено создание турбины, лопатки которой поднимались за счет действия сильной струи пара.
• В 1791 г., Джоном Барбером родом из Англии было приобретено право на владение патентом, который позволил ему стать первым обладателем и создателем современной газовой турбины.
• Турбины, работающие на воде, впервые были созданы в 1832 г. французским ученым Бюрденом.
• В 1894 г. была запатентована идея о корабле, который заставляла двигаться паровая турбина, а его обладателем стал Сэр Ч. Парсонс.
• 1903 год: Эджидиус Эллинг из Норвегии сконструировал первую в своем роде турбинную систему на газе, которая смогла передавать больше энергии, чем затрачивать на внутреннее обслуживание компонентов самой турбины. Эта технология стала значительным прорывом тех времен. Проблемы обуславливались недостаточным уровнем развития термодинамических знаний, однако были преодолены.
• В 1913 году Никола Тесла стал обладателем патента на турбину, работающую на основе эффекта пограничного слоя.
• 1920 год: практическая теория протекания газового потока через каналы позволила сформулировать четкие данные для развития теоретического представления о процессе протекания, в котором газ движется вдоль аэродинамической плоскости. Эта работа была проделана доктором А. А. Грифицем.
• Для самолета турбина реактивного движения была создана Сэром Ф. Уиттлом, а сам двигатель тестировали с успехом в апреле 1937 г.

Труды Густава Лаваля

Первым создателем турбины на пару стал Густав Лаваль, изобретатель родом из Швеции. Бытует мнение о том, что к конструированию такого механизма его привело желание обеспечить собственноручно сделанный сепаратор для молока механическим действием, выполняющимся без прямого вмешательства человеком. Двигатели тех времен не позволяли создавать необходимую скорость вращения.

Рабочим телом в машине Лаваля послужил пар. В 1889 году он сделал дополнение сопла турбин, на которые поставил конические расширители. Его труд стал инженерным прорывом, и это ясно, ведь анализ величины нагрузки, которую оказывали на рабочее колесо, показывает, что она была сверхсильной. Такое воздействие даже при малейшем нарушении привело бы к сбою в удержании центра тяжести и вызвало бы незамедлительное возникновение неполадок в работе подшипников. Избежать такой проблемы изобретатель смог при помощи использования тонкой оси, прогибающейся при вращении.

Чарлз Парсонс и его работа

Чарлзу Парсонсу был присвоен патент на изобретение первой многоступенчатой турбины, а сделал он это в 1884 году. Работа механизма приводила в действие устройство электрогенератора. Годом позже, в 1885-м, он модифицировал свою же версию, начавшую масштабно распространяться и применяться на электростанциях. Устройство обладало выравнивающим аппаратом, который образовывался из венцов, с лопатами турбины, которые направлялись в обратную сторону. Сами венцы оставались неподвижными. Механизм имел 3 ступени с разными показателями силы давления и геометрическими параметрами лопаток, а также путями их установления. Турбина использовала как активную, так и реактивную силу.

Устройство турбины

Теперь мы рассмотрим вопрос, что такое турбина, углубившись в механизм ее действия.

Турбинная ступень образуется при помощи двух главных частей:

1. Рабочего колеса (лопатки на роторе, непосредственно создающие вращение);
2. Соплового механизма (лопатки стартера, отвечающие за поворот рабочего тела, который придаст потоку нужный угол для атаки в отношении к рабочему колесу).

В зависимости от направления движения потоков рабочие тела можно разделить на аксиальные и радиальные турбинные механизмы. У первых поток р. т. движется по направлению вдоль турбинной оси. Радиальными называют турбины, у которых поток направляется перпендикулярно валовой оси.

Количество контуров позволяет разделять такие механизмы на одно-, двух- и трехконтурные. Иногда можно встретить турбины с четырьмя или пятью контурами, но это крайне редкое явление. Многоконтурное устройство турбины дает возможность пользоваться большими скачками в тепловых перепадах энтальпии. Это обуславливается размещением большого числа ступеней с разным давлением, а также влияет на мощность турбины.

В соответствии с количеством валов можно различать одно-, двух- и иногда трехвальные турбины. Они связываются общими параметрами тепловых явлений или механизмом редуктора. Валы могут располагаться коаксиально и параллельно.

Устройство и принцип действия турбины следующие: в местах, где происходит проход вала через стенки корпуса, располагаются утолщения, которые предупреждают утечку рабочего тела наружу и засасывание воздуха в корпус.

Передний конец вала оборудован предельным регулятором, который в случае необходимости автоматически остановит турбину. Это случается, например, в результате повышения показателя вращательной частоты, которая допустима для конкретного устройства.

Преобразование энергии газа

Что такое турбина? В общем виде - это машина, предназначение которой заключается в преобразовании энергии в работу. Их существует несколько видов, и одним из таких является газовая турбина.

Устройство газовой турбины основано на переводе энергетического потенциала газа в сжатом или нагретом состоянии в работу, которую выполняет механизм вала. Главные элементы - это ротор и статор. Свое применение находит в качестве детали газотурбинного двигателя, ГТУ и ПГУ.

Механизм газовой турбины

Работа турбины осуществляется, когда сопловой аппарат пропускает газы под давлением внутрь корпуса, в те места, где оно небольшое. При этом молекулы газа расширяются и ускоряются. Далее они попадают на поверхность рабочих лопаток и отдают им процент своего кинетического заряда энергии. Происходит сообщение крутящего момента лопаток.

Механическое устройство газовой турбины может быть гораздо проще, чем поршневого двигателя внутреннего сгорания. Современные турбореактивные двигатели могут обладать несколькими валами и сотнями лопаток как на стартере, так и на валу. Примером могут служить турбины самолетов. Их характеристикой также является наличие сложной системы расположения трубопровода, теплообменников и камер, предназначенных для сгорания.

Подшипники как радиального, так и упорного типа служат критическим элементом в этой разработке. Традиционно применялись гидродинамические или охлаждаемые маслом шарикообразные подшипники, однако в скором времени их обошли воздушные. По сей день их применяют для создания микротурбин.

Тепловые двигатели

Тепловая турбина преобразовывает работу, выполняемую паром, в механическую. Внутри лопаточного аппарата происходит превращение потенциальной энергии пара в нагретом и сжатом состоянии в кинетическую форму. Последняя, в свою очередь, преобразуется в механическую и обуславливает вращение вала.

Поступление пара происходит посредством парокотельного устройства и направляется на каждую криволинейную лопатку, закрепленную по окружности ротора. Далее пар воздействует на нее, и все вместе лопатки заставляют ротор вращаться. Турбина на пару является элементом ПТУ. Турбоагрегат образуется при помощи совмещения работы паровой турбины и электрогенератора.

Основная часть парового двигателя

Паровые механизмы образуются, так же, как и газовые, при помощи ротора и статора. На первом закрепляются способные к движению лопатки, а на последнем - не способные.

Движение потока протекает в соответствии с аксиальной или радиальной формой, что зависит от типа направления потоков пара. Аксиальная форма характеризуется перемещением пара периметра оси, котором обладает турбина. Радиальная турбина обладает потоками паров, которые двигаются перпендикулярно. При этом лопатки располагают параллельно к оси, по которой происходит вращение. Могут иметь от одного до пяти цилиндров. Число валов также может варьироваться. Существуют устройства, располагающие одним, двумя или тремя валами.

Корпус - это неподвижная часть, которую именуют статором. Он обладает рядом выточек, в которые устанавливаются диафрагмы, с соответствующими плоскости разъема турбинного корпуса разъемами. По их периферии размещают ряд сопловых каналов (решеток), которые образуются посредством криволинейных лопаток, залитых в диафрагму или приваренных к ней.

Турбокомпрессор

Существует механизм, который использует отработавшую часть газов с целью увеличения показателя давления в пространстве впускной камеры. Такой агрегат называют турбокомпрессором.

Основные части представлены доцентровым или осевым компрессором и газовой турбиной, необходимой для приведения его в действие. Обладает одним валом. Главная функция заключается в повышении давления, оказываемого рабочим телом. Это становится возможным в силу нагревания газотурбинного двигателя работой самого компрессора, приобретающего мощность благодаря турбине.

В заключение

Теперь читатель располагает общими представлениями об устройстве, принципе работы, механизме действия, способах эксплуатации турбин. Здесь также были рассмотрены конкретные виды турбин, отличающиеся видом рабочего тела, и исторические сведенья, показывающие общий ход развития данных механизмов. Подведя итоги, можно сказать, что турбины - это устройства, преобразовывающие энергию. Попытки их создания были совершены еще задолго до нашей эры. В настоящее время они широко используются человеком в различных отраслях промышленности, что значительно упрощает процесс работы, усиливает производительность и позволяет совершать механические действия, ранее недоступные человечеству.

Каждый автомобилист знает, что по своему устройству и принципу действия разделяются на атмосферные и турбированные. Но не все понимают, в чем разница между этими силовыми агрегатами. Давайте рассмотрим, чем отличается двигатель турбо, как он устроен и как работает. Познакомимся с этими моторами на примере современных агрегатов группы VAG.

Бензиновые турбомоторы

Бензиновый турбомотор - это с искусственно повышенной за счет турбины степенью сжатия в камерах. Повышение данного показателя дает увеличение мощности и других технических характеристик. Еще с момента создания первого двигателя внутреннего сгорания инженеры пытались прибавить мощность без существенного изменения рабочего объема ДВС.

На первый взгляд это решение было практически на поверхности - нужно было помочь мотору более эффективно «дышать». Это бы позволило получить лучшие характеристики сгорания топливной смеси. Обеспечить это можно за счет дополнительной подачи воздуха. Значит, необходимо подавать его в цилиндры принудительно, под давлением. Благодаря дополнительному объему воздуха топливо будет полностью сгорать, что и поможет увеличить мощность. Но внедрялись данные технологии очень медленно. В самом начале турбокомпрессорное оборудование использовалось только для больших моторов кораблей и авиации.

История бензиновых турбированных ДВС

Первый двигатель турбо был установлен еще в прошлом веке. Впервые автомобильные турбированные ДВС начали выпускать в 1938 году. В начале 60-х в США стали производить и первые моторы с турбиной для легковых авто. Это автомобили Oldmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza. При всех своих характеристиках двигатели не отличались высокой надежностью и износостойкостью.

Начало популярности

Популярными ДВС с турбокомпрессором стали в 70-х годах. Тогда их стали массово устанавливать на спортивные авто. Но в гражданских автомобилях двигатель турбо не стал популярным из-за высокого расхода топлива. Этим недостатком отличались все турбированные бензиновые двигатели той эпохи. А ведь расход топлива был очень важен в тот период. Это время пришлось на нефтяной кризис в 70-х годах.

Устройство бензиновых турбо-ДВС

Алгоритм работы бензинового турбированного силового агрегата заключается в применении специального компрессора. Задача последнего - нагнетать в камеры сгорания дополнительный объем воздуха. За счет улучшения наполнения цилиндров смесью воздуха и топлива растет среднее эффективное давление за цикл и повышается мощность. В качестве привода системы турбонаддува применяются отработанные газы, энергия которых делает полезную работу.

Современный компрессор представляет собой корпус с подшипниками, колесо, корпус турбины. В последнем имеются каналы для движения смазки. Также присутствует в конструкции вал ротора, компрессор, пневматический привод В корпусе, где монтируются подшипники, установлен ротор. Он представляет собой вал с закрепленными на нем турбинным и компрессорным колесами. На последних имеются лопасти. Данный ротор может вращаться за счет подшипников скольжения. Для их смазки и охлаждения поступает масло из смазочной системы двигателя. Чтобы дополнительно охлаждался, используются также и каналы охлаждающей жидкости. Данный элемент компрессора изготовлен в форме улитки.

Принцип действия

Колесо компрессора и «улитки» установлены на одном и том же валу. За счет вращения турбины компрессорное колесо всасывает воздух из воздушного фильтра и нагнетает его в камеры сгорания. В зависимости от уровня наддува устройство может повысить силу давления от 30% до 80%. При помощи этого двигатель с одним и тем же объемом может принимать смесь в больших количествах. Именно за счет этого мощность агрегата повышается от 20% до 50%. Выхлопные газы и их энергия в значительной мере повышают КПД мотора.

Турбодизельные агрегаты

Примерно так же устроен и двигатель турбо (дизель). Принцип действия турбокомпрессора не отличается от бензинового. Единственное отличие - наличие интеркулера. Это специальный механизм, который охлаждает воздух, прежде чем он попадет в цилиндры. Объем холодного воздуха меньше, чем теплого. Это значит, что холодный воздух можно «затолкать» в цилиндр в большем количестве.

Двигатели TSI

Эти агрегаты устанавливаются на современные модели автомобилей от «Фольксваген», «Ауди» и «Шкода». Все они относятся к одному концерну. Производители утверждают, что это моторы нового поколения, в которых удачно сочетаются мощность и экономичность. В случае с обыкновенным классическим ДВС при малом объеме, особой мощности от него ждать не приходится. Если вес автомобиля равен одной тонне, а двигатель маломощный, это приведет к высокому расходу топлива из-за малой динамики и работы на высоких оборотах.

Двигатель с большим объемом имеет высокий расход за счет увеличенной камеры сгорания. Турбо-двигатели («Шкода Октавия», «Фольксваген» и «Ауди») - это настоящее чудо инженерной мысли. В данных силовых агрегатах сочетается скромный расход топлива и достаточная мощность при сравнительно небольшом объеме.

TSI: устройство

По объему эти агрегаты могут быть различными. Так, производят ДВС на 1,2; 1,4; 1,6 л. А также двигатель 1,8 турбо, 2,0 л. Мощность мотора растет за счет большего объема. И это верное решение. А дальше поговорим об отличиях.

Турбированный и компрессорный

TSI - это одновременно и турбированный, и компрессорный агрегат. Специалисты группы VAG применили такую конструкцию, чтобы решить стандартную проблему мотора. Это провалы на небольших оборотах двигателя. Если рассматривать классические турбодвигатели, то «улитка» функционирует за счет отработанных газов. Сила давления при работе на небольших оборотах не дает возможности нагнетателю создавать нужное усилие и подавать в камеры сгорания достаточное количество воздуха.

На двигатель 1,8 турбо («Фольксваген») устанавливается компрессор. Он не дает падать мощности. Максимальный крутящий момент в обыкновенном атмосферном двигателе находится на уровне около 5000 об./мин. В случае с моторами TSI максимум крутящего момента пребывает в диапазоне от 1500 об./мин до 4500 об./мин. Это рабочий интервал, который используют большинство водителей. В моторах TSI за счет применения двух турбин создается давление до 2,5 Бар.

Компрессор

Данный узел функционирует от отдельного привода ременного типа. Он отличается высоким передаточным числом. Включается компрессор только тогда, когда водитель нажмет на газ. На оборотах, близких к холостым, давление составляет 0,8 BAR - это достаточно много. За счет этого получаются отличные динамические характеристики. Так работает двигатель «Ауди» 1,8 турбо с TSI. Прошлое поколение этих моторов не оснащено компрессором. Здесь имеется только турбина.

Турбированный двигатель 1,8 от «Фольксваген»

Этот агрегат присутствует на рынке порядка 20 лет. Данная модель ДВС очень популярна и дала старт спросу на моторы с турбонаддувом. Таким двигателем оснащались многие модели автомобилей от группы VAG. Дебют этой силовой установки состоялся в 1995 году.

Впервые двигатель («Фольксваген Пассат» б5) 1.8 турбо был установлен на Ауди «А4» (да, на них используют одинаковые моторы). Что касается характеристик, то существует несколько моделей мощностью в 150 и 210 лошадиных сил. В 2002 году создали мотор мощностью 190 «лошадей». Турбированный двигатель от «Фольксвагена» стал началом совершенно новой философии относительно бензиновых ДВС. Он дал хорошую производительность при сравнительно небольшом объеме за счет турбины. Преимуществом данного агрегата является умеренный аппетит.

Модель «А4» от «Ауди» потребляет до 8 литров на 100 километров по трассе. В городских условиях расход топлива составляет не более 10 литров. За счет наличия 20 клапанов в ГБЦ и турбонагнетателя, инженеры «Фольксвагена» смогли получить более высокие показатели крутящего момента до того, как обороты достигнут отметки в 2 тысячи.

Так, в этом моторе объединена отличная эластичность, которая свойственна турбодизельным установкам, но при этом культура работы - бензиновая. Данный агрегат может быть также легко переоборудован на газ. Силовая установка является одной из лучших во всей линейке. Производительностью, умеренным расходом топлива и высокой надежностью может похвалиться двигатель. «Пассат» (1.8 турбо) не имеет никаких конструктивных недостатков агрегата. Даже сейчас, в эпоху современных TSI, равных этому мотору практически нет.

Турбодвигатели: преимущества и недостатки

Главный плюс, которым обладает турбомотор, - повышенная мощность. Это основная цель, которую удалось достичь без существенных изменений в конструкции. При одинаковых объемах с может выдавать на 70% больше крутящего момента и мощности. Компрессор снижает процент вредных веществ в выхлопных газах. Двигатель, оснащенный турбиной, имеет значительно более низкий уровень шума.

Эти силовые установки можно устанавливать на любые автомобили. Главный недостаток - высокий расход топлива. Объем воздуха увеличивается, растет и количество потребляемого топлива. Данную проблему инженеры решить не могут. Также к недостаткам относятся трудности в эксплуатации. Эти ДВС очень чувствительны к качеству горючего и масла. Дополнительно к минусам относят низкие сроки службы масла и очистительных фильтров. Мотор работает на повышенных оборотах. За счет этого масло быстрее теряет свои свойства.

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.

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 – 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.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – , «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

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.

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.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

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…

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.

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).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

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.

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.

Вот это «улитка»!

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.