Турбонаддув в теории и на практике

В последние десятилетия турбонаддув стал важной частью двигателей внутреннего сгорания, увеличивая мощность и эффективность бензиновых и дизельных агрегатов. В этой статье мы рассмотрим принцип работы двигателя с турбонаддувом, его устройство и ключевые компоненты, а также преимущества и недостатки этой технологии. Понимание работы турбонаддува поможет автолюбителям и специалистам в автомобилестроении лучше ориентироваться в современных тенденциях и выбирать оптимальные решения для своих транспортных средств.

Теория газообмена в ДВС

Мы обсудили ключевые аспекты работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Теперь автолюбителям, начинающим изучать технические детали автомобилей, полезно понять роль турбонаддува.

Двигатель внутреннего сгорания использует воздух для своей работы, что важно для понимания назначения турбонаддува. На современном уровне технологий подача топлива в цилиндры не представляет сложности благодаря высокопроизводительным бензонасосам, топливным насосам высокого давления и форсункам.

Ключевой проблемой является обеспечение поступления воздуха в цилиндры. Чем больше окислителя мы подаем, тем больше топлива можно смешать с воздухом. Увеличение объема топливовоздушной смеси приводит к большей отдаче при сгорании. Мощность двигателя напрямую зависит от работы, выполняемой в процессе сгорания этой смеси.

Эксперты в области автомобильной техники отмечают, что турбонаддув представляет собой одну из самых эффективных технологий повышения мощности двигателя. На теоретическом уровне он позволяет значительно увеличить объем воздуха, поступающего в цилиндры, что ведет к более полному сгоранию топлива и, как следствие, к увеличению мощности. Однако на практике внедрение турбонаддува требует тщательной настройки и учета множества факторов, таких как качество топлива, система охлаждения и надежность компонентов. Специалисты подчеркивают, что неправильная установка или эксплуатация может привести к перегреву и преждевременному износу двигателя. Тем не менее, при грамотном подходе турбонаддув способен существенно улучшить динамические характеристики автомобиля, что делает его популярным выбором среди автопроизводителей и энтузиастов.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). Мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. На деле из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением. А это ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о турбонаддуве:

1. Принцип работы: Турбонаддув использует отработанные газы для вращения турбины, которая, в свою очередь, приводит в движение компрессор, сжимающий воздух, поступающий в двигатель. Это позволяет увеличить количество воздуха и топлива, что приводит к повышению мощности двигателя без значительного увеличения его объема.

2. Эффективность: Турбонаддув может значительно повысить топливную эффективность двигателя. Например, современные дизельные двигатели с турбонаддувом могут достигать КПД до 40%, что значительно выше, чем у атмосферных двигателей. Это делает их более экологичными и экономичными.

3. Проблемы с турбонаддувом: На практике использование турбонаддува может привести к проблемам, таким как “турбо-лаг” — задержка в реакции двигателя на нажатие педали акселератора. Это происходит из-за времени, необходимого для разгона турбины до рабочих оборотов. Современные технологии, такие как двойной турбонаддув или использование электрических компрессоров, помогают минимизировать этот эффект.

Виды турбонаддува

Основное отличие заключается в конструкции турбокомпрессора. Для увеличения подачи воздуха применяются следующие решения:

1. Турбина на энергии выхлопных газов. Конструкция напоминает два вентилятора на одной оси: один соединен с выхлопной системой, другой — с впускным трактом. Газы, выбрасываемые из цилиндра, приводят в движение турбинное колесо. Вращение турбинного колеса вызывает вращение компрессорного колеса, что ускоряет поток воздуха. С увеличением оборотов двигателя возрастает давление выхлопных газов во впускном тракте, что увеличивает скорость вращения турбинного колеса и позволяет закачать больше воздуха в цилиндры, подать больше топлива и увеличить количество выхлопных газов. Более подробно о принципе работы можно узнать в статье «Устройство турбины на пальцах».

2. Механический нагнетатель (Supercharger или Kompressor). Этот нагнетатель приводится в движение ремнем от шкива коленчатого вала, что исключает использование выхлопных газов в процессе работы компрессора.

Турбина

Очевидно, что для понимания устройства достаточно взглянуть на фото. Принцип работы турбонаддува также достаточно ясно продемонстрирован на видео. Более подробно остановимся на перепускном клапане и предназначении интеркулера, который обязателен для эффективной работы авто с турбонаддувом.

В момент резкого закрытия дроссельной заслонки на больших оборотах двигателя во впускном тракте создается сильный помпаж. Колесо компрессора «холодной» части (впускной) турбины продолжает по инерции вращаться, создавая в перекрытом заслонкой канале избыток давления. Происходит резкое замедление компрессорного колеса.

А это автоматически ведет к замедлению турбинного колеса в выпускном тракте и созданию сильного противодействия выхлопным газам. Для предотвращения такого эффекта предназначен перепускной клапан. Он либо сбрасывает избыток давления в атмосферу (Blow-off), либо перенаправляет поток опять на вход по направлению вращения турбинного колеса (Bypass).

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Работа ДВС как работает турбонаддув

Характеристики системы

Особенности функционирования турбины:

1. Наивысшая эффективность достигается при высоких и средних оборотах.
2. Эффективность снижается до выхода на буст. Ситуацию усугубляет снижение степени сжатия, необходимое для предотвращения детонации. Автомобили с одноступенчатой системой турбонаддува сталкиваются с турбоямой.
3. На выходе наблюдается сопротивление выхлопным газам, что немного снижает коэффициент полезного действия двигателя, хотя турбонаддув в целом увеличивает мощность ДВС.
4. Увеличиваются требования к качеству и регулярности замены моторного масла.

Механический нагнетатель

В механической системе всасывание воздуха осуществляется лопастями роторов, вращающихся навстречу друг другу. Наибольшее распространение получила конструкция системы Roots с прямыми лопастями. Компания Eaton усовершенствовала нагнетатель, применив косозубые роторы. Среди механических систем можно выделить центробежный нагнетатель, который во многом напоминает принцип работы турбины.

Особенности механических нагнетателей:

1. Отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей.
2. Наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов.
3. Небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

Эксплуатация

Система турбонаддува широко используется в дизельных двигателях. В высокопроизводительных моторах применяются двухступенчатые системы наддува:

1. Biturbo – небольшая турбина для увеличения мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов.
2. Турбина в сочетании с механическим нагнетателем. Мы уже рассматривали эту конструкцию на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

Для более глубокого понимания концепции турбонаддува рекомендуем видео Александра Кулика.

Основы турбонаддува

Основы турбонаддува. Часть 2

Преимущества и недостатки турбонаддува

Турбонаддув представляет собой технологию, которая позволяет значительно увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания, используя энергию отработавших газов. Однако, как и любая другая технология, турбонаддув имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при выборе автомобиля или при модернизации существующего двигателя.

Преимущества турбонаддува:

• Увеличение мощности: Основное преимущество турбонаддува заключается в способности значительно увеличить мощность двигателя без увеличения его объема. Это достигается за счет сжатия большего количества воздуха, что позволяет сжигать больше топлива и, соответственно, генерировать больше энергии.
• Экономия топлива: Турбированные двигатели, как правило, более экономичны, чем их атмосферные аналоги. Это связано с тем, что они могут производить больше мощности при меньшем объеме, что позволяет уменьшить расход топлива на единицу мощности.
• Снижение выбросов: Современные турбонаддувные системы часто оснащены системами рекуперации и очистки отработавших газов, что позволяет значительно сократить выбросы вредных веществ в атмосферу. Это делает такие двигатели более экологичными.
• Компактность: Турбонаддувные системы обычно занимают меньше места по сравнению с большими атмосферными двигателями, что позволяет производителям автомобилей создавать более компактные и легкие конструкции.

Недостатки турбонаддува:

• Турбо-лаг: Одним из основных недостатков турбонаддува является так называемый “турбо-лаг” — задержка в реакции двигателя на нажатие педали акселератора. Это происходит из-за времени, необходимого для разгона турбокомпрессора до рабочих оборотов.
• Сложность конструкции: Турбонаддувные системы более сложны в конструкции и требуют более тщательного обслуживания. Это может привести к увеличению затрат на ремонт и обслуживание, особенно если система выходит из строя.
• Температурные нагрузки: Турбонаддув создает дополнительные температурные нагрузки на двигатель, что может привести к его преждевременному износу. Это требует использования более качественных материалов и технологий для обеспечения надежности.
• Чувствительность к качеству топлива: Турбированные двигатели могут быть более чувствительны к качеству используемого топлива. Низкокачественное топливо может привести к детонации и повреждению двигателя, что требует использования более дорогих марок бензина.

Таким образом, выбор между турбонаддувом и атмосферным двигателем зависит от множества факторов, включая предпочтения водителя, условия эксплуатации и бюджет. Понимание как преимуществ, так и недостатков турбонаддува поможет сделать более осознанный выбор и оптимизировать эксплуатацию автомобиля.

Вопрос-ответ

Где применяется система турбонаддува?

Применяется для бензиновых и топливных двигателей. Стоит обозначить, что применение системы турбонаддува в дизельных двигателях значительно увеличивает их эффективность за счет малой частоты оборота вала, а также высокого сжатия топливной смеси.

Какова теория турбокомпрессора?

В двигателе внутреннего сгорания турбокомпрессор (также известный как турбонагнетатель) представляет собой устройство принудительной индукции, приводимое в действие потоком выхлопных газов. Оно использует эту энергию для сжатия всасываемого воздуха, нагнетая большее его количество в двигатель для повышения мощности при заданном рабочем объёме.

Что такое турбонаддув простыми словами?

Турбонаддув — еще один способ повысить мощность, не увеличивая при этом количество цилиндров и объем двигателя. Автомобильная турбина принудительно нагнетает большое количество сжатого воздуха в мотор и тем самым повышает его производительность (мощность) и эффективность (экономичность).

Чем отличается турбина от турбонаддува?

Отличие только в том, что данное колесо меньшего размера, а лопастей больше. Это колесо имеет название – ротор турбины, который находится на одном и том же валу, где располагается и колесо компрессора. Поэтому турбонагнетатель можно поделить на две части: первая из которых — это ротор, а вторая – компрессор.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите основы работы турбонаддува. Понимание принципа его функционирования поможет вам лучше оценить его преимущества и недостатки. Ознакомьтесь с такими терминами, как “турбинный вал”, “компрессор” и “интеркулер”, чтобы иметь представление о том, как эти компоненты взаимодействуют друг с другом.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на правильный выбор турбонаддува для вашего автомобиля. Не все турбокомпрессоры подходят для каждой модели. Убедитесь, что выбранный вами турбонаддув соответствует характеристикам двигателя и вашим требованиям к производительности.

СОВЕТ №3

Регулярно проводите техническое обслуживание системы турбонаддува. Чистка интеркулера, замена масла и фильтров, а также проверка герметичности системы помогут избежать серьезных поломок и продлить срок службы вашего турбокомпрессора.

СОВЕТ №4

Не забывайте о настройках двигателя после установки турбонаддува. Для достижения максимальной производительности и надежности важно правильно откалибровать систему управления двигателем, чтобы она могла эффективно работать с новыми параметрами, которые предоставляет турбонаддув.