Турбонаддув: принцип действия, достоинства, недостатки

Турбированный мотор: достоинства и недостатки

Популярность турбодвигателей вызвана их преимуществами перед обычными, заключающимися в:

• увеличении мощности до 30% и уменьшении расхода топлива (турбомотор будет потреблять меньше горючего, нежели ДВС аналогичной мощности, но без турбины);
• уменьшении загрязнения окружающей среды;
• лучшем соотношении веса агрегата к развиваемой мощности;
• более тихой работе механизма;
• возможности оптимизировать другие параметры двигателя.

Однако есть и свои минусы:

• требовательность к качеству масла и бензина, что в конечном итоге повышает расходы на эксплуатацию авто;
• сложный ремонт, требующий применения специального оборудования, выполнить который своими силами маловероятно. Нередко турбина и вовсе оказывается непригодной к ремонту, а её полная замена заметно ударяет по кошельку автовладельца.

Принцип действия и устройство турбин. Активные и реактивные принципы работы турбин

Особенности турбины как теплового двигателя

Турбина является тепловым ротационным двигателем, в котором потенциальная тепловая энергия пара (или газа) превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую работу вращения вала.

Пар с давлением более высоким, чем за турбиной, поступает в одно или несколько неподвижных каналов 5. В сопловых каналах пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает. 

Из сопл пар поступает в рабочие каналы, образованные рабочими лопатками 3, закрепленными на диске 2. Двигаясь в рабочих каналах между рабочими лопатками и изменяя свое направление, поток пара оказывает силовое воздействие на рабочие лопатки. В результате чего они вращаются вместе с диском и валом 1, установленным в опорных подшипниках 4.

Комплект, состоящий из сопл и рабочих лопаток, в которых совершается процесс расширения пара, называется ступенью давления турбины. Простейшие турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми, в отличие от более сложных многоступенчатых турбин.

Тремя основными элементами, содержащимися в конструкции турбокомпрессора являются: центробежный компрессор, турбина и центральный корпус. Кинетическая энергия отработанных газов под воздействием турбины преобразуется во вращательное движение компрессора.

Также турбина соединяет турбинное колесо, помещённое в специальный корпус в форме улитки.

Поступая в улитку, отработавшие газы перемещаются по каналу и попадают на лопасти турбинного колеса. Вал, к которому приварено турбинное колесо, передаёт на колесо компрессора энергию, которая придаёт его вращению.

Лопасти турбинного колеса становятся проводниками отработавших газов, которые затем покидают турбину через отверстие в центре турбокомпрессора и выходят в выпускную систему.

От формы и размера турбины напрямую зависит производительность турбокомпрессора. Значительный прирост мощности наблюдается в турбинах большего размера, потому что они могут использовать большее давление отработавших газов. Однако в таких турбокомпрессорах, на низких оборотах, значительна вероятность возникновения турбоямы.

Специфика работы наддува

Принцип работы турбины заключается в том, что компрессор нагнетает воздух в цилиндры, благодаря чему газовая смесь делает работу движка эффективней до 30 %. При неизменном количестве используемого топлива мощность авто возрастает. Для понятия особенностей турбонаддува необходимо сначала разобраться в принципах работы обычного мотора.

Работа четырёхтактного двигателя состоит из 4 этапов.

1. Впуск. При движении поршня открывается клапан и в камеру попадает горючая смесь, состоящая из топлива из воздуха.
2. Компрессия. Воздушно-топливная система сжимается для более эффективного горения.
3. Рабочий ход. Свечи выдают искру, которая воспламеняет горючую смесь и приводит к движению поршня вниз, благодаря чему происходит вращение коленчатого вала. Энергия расширения газов является основной силой, которая приводит автомобиль в движение.
4. Выпуск. Отработанная смесь выпускается из камеры. Газ очищается и выводится из выхлопной системы в атмосферу.

Данная схема работает для бензиновых двигателей, а вот дизельные моторы работают несколько иначе. В первую очередь в движок попадает воздух, который разогревается до температуры 700 — 800 градусов по Цельсию. Далее впрыскивается дизель, который самовоспламеняется при сжатии, что приводит механизм в движение.

Для того, чтобы понять, что такое турбонаддув, необходимо уточнить особенности его работы. Турбина нагнетает воздух в камеру горения при помощи компрессора, благодаря чему повышается содержание кислорода в смеси и улучшается её горение.

https://youtube.com/watch?v=Cwy7k_qEv-I

Большинство компрессоров способно сжимать воздух на 80 % больше в сравнении с обычным наполнением камер.

Что делать, если турбина сломалась

Если обнаружилась неисправность первое, что нужно сделать — провести диагностику. Причём чем раньше, тем лучше. Если вовремя заменить неисправную деталь, удастся избежать более серьёзных проблем

Например — зачастую автовладелец не обращает внимание на лёгкое постукивание думая, что это не имеет значения, в результате через какое-то время приходится покупать новую турбину, хотя изначально можно было обойтись небольшим ремонтом

Следует отметить, что недостаточно знать, как работает турбина на дизеле — нужно идеально разбираться во всех её компонентах. Только обладая соответствующими навыками, опытом и оборудованием получится провести качественный ремонт. Именно поэтому рекомендуем не пытаться самостоятельно отремонтировать агрегат (можно сделать только хуже), а обратиться в компанию «Дизель-Мастер». Специализируемся на ремонте турбин с 1998 года, а потому знаем о них всё.

5 причин обратиться именно к нам:

1. В наличие высокоточное диагностическое оборудование (стенды Bosch и Delphi);
2. В штате — специалисты с большим практическим опытом подобных работ.
3. Быстрый ремонт в течение дня без потери в качестве.
4. Используем только оригинальные комплектующие и ремкомплекты.
5. Предоставляем официальную гарантию на комплектующие и выполненный ремонт.

При первых признаках дефекта — обратитесь к нам. Установим причину неисправности и предложим эффективный, экономичный способ её решения.

Что такое турбодвигатель, и как работает турбированный мотор?

Если говорить простыми словами, работа турбины заключается в следующем: турбокомпрессор втягивает воздух, сжимает его, а затем подает сжатый воздух во впускной коллектор вашего двигателя. Этот плотный, насыщенный кислородом воздух под давлением затем резко поступает в камеру сгорания в тот момент, когда поршень совершает движение вниз. С большим количеством кислорода, поступающего в двигатель на более высокой скорости, можно сжечь больше топлива за один и тот же временной промежуток. А сжигая больше топлива, вы получаете больше энергии. Мощность растет, автомобиль становится более восприимчивым к нажатию на педаль газа.

Однако это только одна часть процесса наддува. Второй, не менее важный этап инициируется после завершения цикла сгорания. Раскаленные отработавшие газы на большой скорости устремляются по выпускному коллектору, выходят из камеры сгорания через выпускное отверстие. По мере продвижения на определенном отрезке выпускного канала (у разных автомобилей это расстояние разное, но по общему правилу чем оно меньше, тем больше мощности отдается турбине) газы встречаются с лопастями турбонагнетателя и начинают вращать колесо турбины за счет очень большого давления и, конечно же, скорости потока.

Вращающееся колесо компрессора втягивает новую прохладную часть атмосферного воздуха с противоположной стороны турбины при помощи аналогичных лопастей, начиная процесс сначала.

Это не сложный процесс, но новичку его, может быть, будет трудно представить, поэтому взгляните на эту диаграмму:

Все работает на первый взгляд, как часы, но с процессом доставки есть одна небольшая проблема: прохладный атмосферный воздух во время сжатия нагревается, тепло отнимает мощность вашего двигателя.

Инженеры давно решили и эту нестыковку. Сжатый воздух перед подачей во впускной коллектор должен быть охлажден. Для того чтобы сделать это, воздух под давлением на своем пути к впускному коллектору пройдет через теплообменный аппарат, иногда вызываемый «intercooler».

Принцип работы аппарата идентичен тому, что происходит в жидкостном радиаторе, с тем лишь отличием, что воздух охлаждает воздух (самая распространенная схема «воздухо-воздушная»), поскольку, чтобы охладить разогретый сжатый воздух, используется внешний воздушный поток, набегающий на автомобиль по мере того, как вы движетесь вниз по дороге. Также существуют промежуточные охладители наддувочного воздуха, работающие на воде, в таком радиаторе используется холодная вода для охлаждения воздушной массы до нужной температуры.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

Следует напомнить о том, что некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

Работа турбокомпрессора на дизельном двигателе

Работа осуществляется по следующие схеме:

1. Компрессор нагнетает сжатый атмосферный воздух.
2. Воздушная масса смешивается с топливом и поступает в цилиндры.
3. Полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется, что приводит поршни в движение.
4. Параллельно с этим процессом появляются отработанные газы, которые направляются в выпускной коллектор.
5. Скопившиеся в корпусе газы значительно увеличивают скорость.
6. Вращение переходит (по валу) на компрессорный ротор, он втягивает новую порцию воздуха.

Получается интересное взаимодействие. Ротор вращается быстрее — больше поступает воздуха. Чем больше воздуха поступает — тем быстрее вращается ротор.

Устройство системы турбонаддува

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

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

Принцип работы турбины

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

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

Конструктивные элементы системы

Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

Автомобильная турбина — что это такое

Говоря простым языком, автомобильная турбина представляет собой механическое устройство, подающее в цилиндры воздух под давлением. Задачей турбонаддува является увеличение мощности силового агрегата при сохранении рабочего объема мотора на прежнем уровне.

То есть, по факту, используя турбонаддув, можно добиться пятидесятипроцентного (и даже более) прироста мощности в сравнении с безнаддувным мотором аналогичного объема. Обеспечивается повышение мощности тем, что турбина подает в цилиндры воздух под давлением, что способствует лучшему горению топливной смеси и, как результат, мощностной отдаче.

Чисто конструктивно турбина представляет собой механическую крыльчатку, приводимую в действие выхлопными газами двигателя

По сути, используя энергию выхлопа, турбонаддув способствует захвату и подаче «жизненно важного» для мотора кислорода из окружающего воздуха

Сегодня турбонаддув выступает самой эффективной в техническом плане системой для повышения мощности мотора, а также достижения малого расхода топлива и токсичности отработанных газов.

Видео — как работает автомобильная турбина:

Турбина одинаково широко применяется как на бензиновых силовых агрегатах, так и на дизелях. При этом в последнем случае турбонаддув оказывается наиболее эффективным ввиду высокой степени сжатия и малой (относительно бензиновых моторов) частоты вращения коленвала.

Кроме того, эффективность применения турбонаддува на бензиновых двигателях ограничена возможностью проявления детонации, которая может возникать при резком увеличении оборотов мотора, а также температура выхлопных газов, которая составляет порядка одной тысячи градусов по Цельсию против шестисот у дизеля. Само собой, что подобный температурный режим способен привести к разрушению элементов турбины.

Принцип работы

Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного истечения газа из сопла на двигатель действует реактивная тяга. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2000 градусов цельсия.

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора.

VGT

VGT, Variable-geometry turbocharger, также VNT, Variable Nozzle Turbine — обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения сечения входного канала. Необходимость такого изменения обусловлена тем, что оптимальное сечение при низких и при высоких оборотах существенно разное. При большом сечении турбокомпрессор плохо работает на низких оборотах, при маленьком — на высоких. Таким образом, изменение сечения позволяет турбине подстраиваться под нагрузку с максимальной эффективностью.

VGT чаще встречаются на дизельных двигателях, т.к. более надежны при относительно низких рабочих температурах, характерных для дизельных двигателей. Конструктивно VGT отличаются наличием кольца из специальных лопастей особой аэродинамической формы. В маломощных двигателях (легковые автомобили, гоночные автомобили и малотоннажные грузовики) сечение регулируется изменением ориентации этих лопастей. В двигателях высокой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом либо перемещаются вдоль оси камеры (VGT со скользящими лопастями). Движение лопастей осуществляется с помощью мембранного вакуумного привода, серво-, гидро- либо пневмопривода.

1. направляющие лопатки;
2. кольцо;
3. рычаг;
4. тяга вакуумного привода;
5. турбинное колесо.

Турбокомпаунд

Принцип турбокомпаунда состоит в утилизации дополнительной тепловой энергии выхлопных газов, которая в простых турбо- и атмосферных двигателях буквально вылетает в трубу, посредством еще одной турбины и механического ее привода на коленвал двигателя. КПД обычного грузового турбодизеля большого объема составляет около 44%, еще 21% съедает система охлаждения. Турбокомпаунд частично улавливает энергию тех 35%, которые покидают двигатель вместе с выхлопом. Особенность турбокомпаунда в том, что прибавка момента и мощности двигателя происходит без дополнительного расхода топлива.

Был впервые применен фирмой Scania в 1990 году на дизельном двигателе DTS 11 01 объемом 11 литров.

Как работает турбонаддув в машине

Энергия отработанных выхлопных газов в двигателе направляется на турбинное колесо нагнетателя, которое под воздействием газов вращается в своем корпусе, имеющем особую форму для улучшения кинематики прохождения выхлопных газов.

Температура здесь весьма высока, а потому корпус и сам ротор турбины вместе с ее крыльчаткой выполняются из жаропрочных сплавов, способных выдерживать длительное высокотемпературное воздействие. Также в последнее время для этих целей используются керамические композиты.

Компрессорное колесо, вращаемое за счет энергии турбины, осуществляет всасывание воздуха, его сжатие и последующее нагнетание в цилиндры силового агрегата. При этом вращение компрессорного колеса также производится в отдельной камере, куда попадает воздух после прохождения через воздухозаборник и фильтр.

Видео — для чего нужен турбокомпрессор и как он работает:

Как турбинное, так и компрессорные колеса, как уже говорилось выше, жестко закрепляются на роторном валу. При этом вращение вала производится с помощью подшипников скольжения, которые смазываются моторным маслом из основной системы смазки двигателя.

Подача масла к подшипникам производится по каналам, которые располагаются непосредственно в корпусе каждого подшипника. Для того, чтобы герметизировать вал от попадания масла внутрь системы, используются специальные уплотнительные кольца из жаростойкой резины.

Безусловно, основной конструктивной сложностью для инженеров при проектировании турбонагнетателей является организация их эффективного охлаждения. Для этого в некоторых бензиновых моторах, где тепловые нагрузки наиболее высоки, нередко применяется жидкостной охлаждение нагнетателя. При этом корпус, в котором расположены подшипники, включается в двухконтурную систему охлаждения всего силового агрегата.

Еще одним важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Его предназначением выступает охлаждение поступающего воздуха. Наверняка многие из читателей этого материала зададутся вопросом о том, зачем охлаждать «забортный» воздух, если его температура и так невелика?

Ответ кроется в физике газов. Охлажденный воздух увеличивает свою плотность и, как результат, возрастает его давление. При этом конструктивно интеркулер представляет собой воздушный либо жидкостный радиатор. Проходя через него, воздух снижает температуру и увеличивает свою плотность.

Важной деталью системы турбонаддува автомобиля выступает регулятор давления наддува, представляющий собой перепускной клапан. Он применяется с целью ограничить энергию отработавших газов двигателя и направляет их часть в сторону от колеса турбины, что позволяет регулировать давление наддува

Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля. Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления.

Помимо клапана, регулирующего давление наддува, в воздушном тракте непосредственно после компрессора (где давление максимально) может монтироваться предохранительный клапан. Целью его использования является защита системы от скачков давления воздуха, которые могут быть в случае резкого перекрытия дроссельной заслонки двигателя.

Избыточное давление, возникающее в системе, стравливается в атмосферу с помощью так называемого блуофф-клапана, либо направляется на вход в компрессор клапаном типа bypass.

Преимущества турбонаддува:

Дополнительная «бесплатная» мощность

Принято считать, что установка дополнительной турбины на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания даст дополнительную энергию для вращения аналогичного устройства на впуске, что позволит вместо простого выброса выхлопных газов получить дополнительный источник энергии для турбонаддува.

Утверждение это довольно спорное, поскольку на протяжении десятилетий автомобильные инженеры боролись за снижение сопротивления выпуска, что в свою очередь снижает внутренние потери и повышает мощность мотора. Если вмонтировать в эту систему генерирующее устройство, то мы получим существенный рост сопротивления на выходе из мотора. Таким образом, турбонаддув – это не бесплатная дополнительная энергия, уместнее использовать понятие «дешёвая дополнительная энергия».

Механика этого процесса предельно проста. Турбокомпрессор, создающий избыточное давление на впуске, состоит из двух основных элементов – турбинное и компрессорное колесо. Турбинное колесо использует энергию выхлопных газов для того, чтобы создавать крутящий момент для компрессорного, которое и сжимает воздух. Сам компрессор встраивается в контур системы охлаждения двигателя, поскольку в процессе работы его температура достигает высоких величин. Для регулирования степени наддува используется перепускной клапан, который при необходимости может пускать часть выхлопных газов в обход турбины, чтобы снизить давление внутри системы.

Оптимизация соотношения массы двигателя и его веса

Переход на технологию турбонаддува позволил отказаться от необходимости увеличения рабочего объёма и количества цилиндров для повышения мощности двигателя. Это позволяет получить хорошие показатели от небольших и, соответственно, лёгких моторов, в результате чего уменьшается и снаряженная масса автомобиля, и, как следствие, возрастает динамика разгона и сокращается тормозной путь.

Экономичность

Если сравнивать показатели удельного расхода топлива турбированного мотора и атмосферного двигателя аналогичной мощности, то разница в пользу первого будет очевидна. Это обусловлено тем, что на один рабочий цикл затрачивается меньше топлива, за счёт повышения полноты его сгорания. Фактически мы имеем обеднённую смесь, негативные факторы которой полностью компенсируются избыточным давлением воздуха.

3 Турбокомпрессор – важная часть турбонаддува

Схема работы автомобиля с турбонаддувом обязательно требует наличия турбокомпрессора, который также нередко называют газотурбинным нагнетателем. Для чего нужен? Для того чтобы увеличивать во впускной системе авто давление воздуха. Зачем нам требуется такое давление в автомобиле, думается, объяснять не нужно, так как мы указали в самом начале статьи, что принцип работы турбонаддува основывается именно на повышенном давлении.

Суть работы газотурбинного нагнетателя заключается в применении двух колес (компрессорного и турбинного), которые находятся на валу ротора авто. Зачем они нужны? Компрессорное всасывает воздух, затем сжимает его и направляет в двигатель с турбонаддувом, а вот турбинное предназначено для принятия на себя энергии газов.