Принцип работы турбины на дизеле

Инновационные разработки

В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.

Турбина с изменяемым углом наклона лопаток

Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.

Также к инновационным разработкам относится система Twin-scroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.

Конструкция турбины Твин-скролл

При этом имеется два варианта реализации:

1. Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twin-turbo.
2. Второй тип работает наподобие схемы biturbo — имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр — при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.

Конструкция турбокомпрессора

Принцип работы совокупности турбонаддува

Турбонаддув включает в собственную конструкцию воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельную заслонку, турбокомпрессор, интеркулер (охладитель наддувочного воздуха), элементы управления и впускной коллектор. Все эти элементы связаны между собой напорными шлангами и патрубками.

Главным элементом всей данной совокупности есть турбокомпрессор, потому, что он снабжает нагнетание воздуха под давлением в совокупность. Состоит он из двух колес, посаженных на один ротор. Корпус компрессора складывается из двух камер, в каждую из которых помещено собственный колесо.

Автомобильный турбокомпрессор в разрезе

Первое колесо компрессора – турбинное. Оно принимает на себя энергию отработавших газов и через ротор перелает его на второе колесо. Другими словами, турбинное колесо есть ведущим.

Потому, что оно трудится с разогретыми газами, то изготавливается это колесо, и кроме этого его камера из жаропрочных материалов.

Второе колесо – компрессорное. Оно приобретает вращение от ведущего колеса и есть ведомым. Данное колесо засасывает через воздухозаборник воздушное пространство, сжимает его, повышая давление, и перепускает его дальше.

Свободное вращение ротора обеспечивается наличием подшипников скольжения. Эти подшипники – плавающие, другими словами между ними, корпусом и ротором обеспечивается зазор. Смазка этих подшипников производится от совокупности смазки мотора.

Дабы масло не вытекало наружу, и не попадало в атмосферу либо обработанные газы, в конструкции употребляются уплотнительные кольца.

1 – крыльчатка турбины; 2 – крыльчатка компрессора; 3 – вал; 4 – подшипниковый узел; 5 – штуцер подачи масла; 6 –регулятор. давления наддува.

В большинстве турбонаддувов употребляется воздушная совокупность охлаждения, но на некоторых бензиновых двигателях видится и жидкостная совокупность охлаждения компрессора, входящая с состав совокупности охлаждения двигателя.

Интеркулер включен в совокупность турбонаддува для обеспечения охлаждения сжатого воздуха. На протяжении работы турбокомпрессора воздушное пространство разогревается, что ведет к понижению его плотности. При охлаждении плотность опять возрастает и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой простой радиатор.

Он может охлаждать воздушное пространство как при помощи воздушного, так и жидкостного охлаждения. По окончании интеркулера воздушное пространство подается во впускной коллектор, а после этого уже – в цилиндры.

В турбонаддув входят элементы управления, каковые снабжают верное функционирование. Главным элементом управления есть регулятор давления. Этот регулятор представляет собой перепускной клапан. Данный клапан регулирует количество подаваемых отработанных газов на турбинное колесо.

Этот клапан трудится на базе показаний датчика давления наддува, входящий в совокупность управления двигателем. Данный клапан снабжает подачу лишь нужного количества отработанных газов, остальные пуская в обход турбокомпрессора.

Кроме этого в совокупность управления турбонаддува смогут входить еще один клапан– предохранительный, что устанавливается за компрессором. Он снабжает защиту от вероятных скачков давления в совокупности при резком закрытии дросселя. Данный клапан может или стравливать избыток давления, или перегонять лишний воздушное пространство на вход в турбокомпрессор.

Турбонаддув и Common-Rail

Основная проблема обычных моторов – так называемая турбо яма. Это эффект медленного отклика агрегата на нажатие педали – водитель нажимает на газ, а ДВС будто задумался ненадолго. Такое происходит по причине того, что поток выходящих газов лишь на определенных оборотах двигателя активирует крыльчатку стандартной турбины.

Турбодизельный агрегат вместо стандартной турбины получает турбокомпрессор. Подробно о данном механизме рассказывается в другой статье, но если коротко, то он подает в цилиндры дополнительный объем воздуха, благодаря чему уже на низких оборотах есть возможность снять приличную мощность.

Однако турбодизель имеет и существенный минус. Моторный компрессор имеет небольшой рабочий ресурс. В среднем этот период составляет около 150 тысяч километров пробега авто. Причина в том, что данный механизм постоянно работает в условиях повышенной термической нагрузки, а также с постоянно высокими оборотами.

Обслуживание данного устройства состоит только в том, чтобы владелец машины постоянно придерживался рекомендаций производителя касательно качества масла. Если турбокомпрессор вышел из строя, его стоит заменить, а не ремонтировать.

На многих современных машинах устанавливается топливная система типа Common-Rail. Подробно о ней рассказывается отдельно. Если есть возможность выбрать именно такую модификацию авто, то система позволяет оптимизировать подачу топлива в импульсном режиме, что положительно сказывается на эффективности ДВС.

Вот как работает аккумуляторная топливная система такого типа:

• За 20 градусов до того, как поршень достигнет ВМТ, форсунка распыляет от 5 до 30 процентов от основной порции топлива. Это предвпрыск. Он формирует начальное пламя, благодаря чему плавно повышается давление и температура в цилиндре. Этот процесс обеспечивает снижение ударных нагрузок на детали агрегата и обеспечивает более качественное сгорание топлива. Этот предварительный впрыск применяется на моторах, экологический показатель которых соответствует стандарту Евро-3. Начиная с 4-го стандарта в ДВС производится многостадийный предвпрыск.
• За 2 градуса до положения ВМТ поршня подается первая часть основной порции топлива. Этот процесс проходит так же, как у обычного дизеля без топливной рампы, но уже без скачка давления, так как оно на этом этапе уже высокое за счет горения предварительной порции солярки. Эта схема позволяет снизить шум мотора.
• На некоторое время подача топлива прекращается, чтобы эта порция полностью сгорела.
• Далее распыляется вторая часть порции горючего. За счет этого разделения вся порция сгорает до конца. Плюс к этому цилиндр работает больше времени, чем в классическом агрегате. Это приводит к высокому крутящему моменту при минимальном расходе и низкой токсичности выхлопа. Также в ДВС не происходит ударов, благодаря чему он не издает большого шума.
• Перед тем, как откроется выпускной клапан, форсунка выполняет поствпрыск. Это оставшаяся часть топлива. Она уже горит в выпускном тракте. С одной стороны этот способ сжигания удаляет сажу с внутренней части выпускной системы, а с другой – повышает мощность турбокомпрессора, что позволяет сгладить турбояму. Подобная ступень применяется на агрегатах, соответствующих экостандарту Евро-5.

Как видно, установка аккумуляторной топливной системы позволяет обеспечить многоимпульсную подачу горючего. Благодаря этому улучшается практически каждая характеристика дизеля, что позволяет приблизить его мощность к показателю бензинового агрегата. А если в машине установлен турбокомпрессор, то это средство позволило придумать мотор, превосходящий бензиновый.

Это достоинство современного турбодизеля позволяет повысить популярность дизельных легковых автомобилей. Кстати, если говорить о самых быстрых машинах с дизельным агрегатом, то в 2006-м году в соляной пустыне Bonneville был побит рекорд скорости на прототипе JCB Dieselmax. Этот автомобиль разогнался до 563 километров в час. Силовая установка авто была оснащена топливной рампой Common-Rail.

Устройство и принцип работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор (турбина) — механизм, применяемый в автомобилях для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. При этом привод турбины осуществляется исключительно за счет действия отработавших газов (выхлопа). Применение турбокомпрессора позволяет существенно увеличить мощность двигателя (примерно на 40%), сохраняя компактными его габаритные размеры и низкий уровень расхода топлива.

Конструкция и принцип работы турбины

Устройство турбокомпрессора

Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:

1. Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
2. Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
3. Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
4. Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
5. Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
6. Перепускной клапан — предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.

Принцип работы турбокомпрессора

Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:

• Отработавшие газы направляются в корпус турбокомпрессора, где воздействуют на лопатки турбинного колеса.
• Колесо турбины начинает вращаться и разгоняться. Скорость вращения турбины при высоких оборотах может достигать до 250 000 оборотов в минуту.
• Пройдя через колесо турбины, отработавшие газы отводятся в систему выпуска.
• Компрессорное колесо синхронно вращается (поскольку находится на одном валу с турбинным) и направляет поток сжатого воздуха в интеркулер и далее во впускной коллектор двигателя.

Особенности эксплуатации турбин

В сравнении с механическим нагнетателем, работающим от привода коленчатого вала, достоинствами турбины является то, что она не отнимает мощность у двигателя, а использует энергию побочных продуктов его работы. Она дешевле в изготовлении и экономичнее в эксплуатации.

Хотя технически устройство турбины дизельного двигателя практически не отличается от систем для бензиновых моторов, на дизеле она встречается чаще. Основная особенность заключается в режимах работы. Так для дизеля могут применяться менее жаропрочные материалы, поскольку температура отработавших газов в среднем составляет от 700 °С в дизельных двигателях и от 1000°С в бензиновых моторах. Это значит, что устанавливать дизельную турбину на бензиновый двигатель нельзя.

С другой стороны, для этих систем характерны и разные уровни давления наддува. При этом стоит учитывать, что производительность турбины зависит от ее геометрических размеров. Давление нагнетаемого в цилиндры воздуха складывается из двух частей: 1 атмосфера давления окружающей среды плюс избыточное, создаваемое турбокомпрессором. Оно может варьироваться от 0,4 до 2,2 и более атмосфер. Если учесть, что принцип работы турбины на дизельном двигателе предусматривает поступление большего объема выхлопных газов, конструкция для бензинового мотора также не может устанавливаться на дизелях.

Турбонаддув

Турбонаддув – способ увеличения мощности двигателя автомобиля за счет увеличения подачи воздуха в цилиндры, не изменяя при этом его (двигателя) объема.

Основной элемент системы – турбокомпрессор, состоящий из турбины и компрессора (нагнетателя). Причем турбина начинает работать как только происходит запуск двигателя, а компрессор только с определенного числа оборотов.
Роль обогащения топливо-воздушной смеси кислородом отведена компрессору (нагнетателю). Происходит этот процесс за счет использования энергии отработавших газов.
Колеса («крыльчатки») турбины и компрессора закреплены на одном валу. Выхлопные газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины, раскручивая ее колесо, которое в свою очередь раскручивает колесо компрессора, вследствие чего осуществляется всасывание воздуха из атмосферы в компрессор, и уже в нем его сжатие и нагнетение во впускное отверстие.

Так как сжатие воздуха сопровождается его нагревом, что приводит к уменьшению плотности, а как следствие к снижению и эффективности наддува в системах турбоннадува применяется интеркулер – своеобразный «промежуточный радиатор» (между компрессором и цилиндрами) для охлаждения воздуха, подаваемого в цилиндры.
Интеркулеры бывают двух видов: воздухо-воздушный и водо-воздушный.
В автомобилях преимущественно используются воздухо-воздушные интеркулеры, располагающиеся, как правило, либо фронтально (перепендикулярно продольной оси автомобиля) – обычно пространство перед/под радиатором двигателя, либо горизонтально над двигателем.

Твин-турбо (би-турбо) – система «сдвоенного» наддува, в которой применяется два турбокомпрессора, то есть две турбины и два компрессора.

5 – литровый 10-цилиндровый TFSI двигатель Audi RS 6.Фото Audi.

Параллельная система «сдвоенного турбонаддува» (Parallel twin-turbo).
Представляет собой конфигурацию турбонаддува, в которой два идентичных турбокомпрессора в равной степени разделяют между собой работу по нагнетанию воздуха в цилиндры. Каждый из них действует на свой ряд цилиндров и функционирует за счет половины отработавших газов двигателя.

Секвентальная система «сдвоенного турбонаддува» (Sequential twin-turbo).
В такой конфигурации также два турбокомпрессора – один меньшего размера, другой большего. Работают они последовательно: на низких оборотах двигателя, когда энергии выхлопных газов не хватает для раскрутки колеса большой турбины, работает маленький, на высоких подключается большой.

Турбина с изменяемой геометрией

В настоящее время наряду с системами «сдвоенного турбонаддува» все большее распространение получают системы наддува с изменяемой геометрией, то есть с изменением сечения на входе колеса турбины. Происходит это за счет поворота небольших лопастей вокруг «крыльчатки».

Разработка подобных систем наддува, помимо снижения затрат на топливо и выброса вредных веществ в атмосферу, направлена еще и на повышение производительности двигателей – исключения такого явления, как турбо-яма (турбо-лаг), когда на низких оборотах двигателя давления выхлопных газов недостаточно для раскрутки турбины, и только на высоких оборотах двигатель раскрывает свою истинную сущность, обозначенную «шильдиком» «turbo». «На пальцах»…чтобы понять, что такое турбо-яма нужно сесть за руль автомобиля, оснащенным простым турбо-двигателем, проехать какое-то растояние на низкой скорости, а потом «утопить» педаль акселератора (газа) в пол…после небольшой паузы автомобиль довольно резким рывком устремится вперед! Упомянутая выше «небольшая пауза» и есть турбо-яма.

Вернуться в оглавление

Виды и срок службы турбокомпрессоров

Основным недостатком работы турбины является возникающий на малых оборотах двигателя эффект «турбоямы». Он представляет собой временную задержку отклика системы на изменение оборотов двигателя. Для устранения этого недостатка разработаны различные виды турбокомпрессоров:

• Система twin-scroll, или раздельный турбокомпрессор. Конструкция имеет два канала, которые разделяют камеру турбины и, соответственно, поток отработавших газов. Это обеспечивает более быстрое реагирование, максимальную производительность турбины, а также предотвращает перекрытие выпускных каналов.
• Турбина с изменяемой геометрией (с переменным соплом). Такая конструкция чаще используется на дизеле. Она предусматривает изменение сечения входа в колесо турбины за счет подвижности ее лопастей. Смена угла поворота позволяет регулировать поток отработавших газов, благодаря чему происходит согласование скорости отработавших газов и рабочих оборотов двигателя. На бензиновом двигателе турбина с изменяемой геометрией часто устанавливается на спортивных автомобилях.К минусам турбокомпрессоров можно отнести и небольшой срок службы турбины. Для бензиновых двигателей он в среднем составляет 150 000 километров пробега машины. В свою очередь, ресурс турбины дизельного двигателя несколько больше и в среднем достигает 250 000 километров. При постоянной езде на высоких оборотах, а также при неправильном подборе масла сроки эксплуатации могут сократиться в два или даже в три раза.В зависимости от того, как работает турбина, на бензиновом или дизельном двигателе, можно судить о ее исправности. Сигналом о необходимости проверки узла является появление синего или черного дыма, снижение мощности двигателя, а также появление свиста и скрежета. Для профилактики неисправностей необходимо вовремя менять масло, воздушные фильтры и регулярно проходить техобслуживание.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ПРИМЕНЕНИЯ 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.

О НЕДОСТАТКАХ

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.

Охлаждение маслом

Достоинства:

• Простая конструкция;
• Удешевление турбокомпрессора.

Недостатки:

• Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом; Высокая требовательность к составу масла;
• Необходимость часто его менять;
• Требовательность к контролированию температурного режима.

Турбина с масляным охлаждением

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.

В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:

• Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
• Превышение сроков замены масла;
• Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Работа турбокомпрессора автомобиля (турбонагнетателя двигателя)

Схема турбонагнетателя

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, а затем попадают на лопасти турбинного колеса. Затем оно набирает скорость в пределах 250 000 оборотов в минуту. 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.

Составляющие турбины изготавливаются из жароустойчивых металлов, так как внутри турбокомпрессора достигается невероятная температура. В состав турбинного колеса входит железоникелевый сплав, а в состав центрального корпуса — жаропрочная сталь.

От формы и размера турбины напрямую зависит производительность турбокомпрессора. Больший размер турбины увеличивает производительность компрессора. 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. Номинальная скорость достигается гораздо быстрее при использовании турбокомпрессора меньшего размера, но они показывают меньшую производительность.

Перепускной клапан устанавливается в корпус турбины для управления уровнем давления наддува. Регулировка клапана производится при помощи системы управления двигателем. Клапан оснащён пневматическим приводом.

Вал располагается в центральном корпусе. Это позволяет ему достигать максимальной скорости вращения при минимальном трении. Вращение происходит в одном или двух подшипниках. Для этой цели подойдут различные конструкции подшипников скольжения. Шарикоподшипники используются редко.

Система смазки двигателя обеспечивает полную смазку подшипников и вала. Промеж корпусом и подшипником имеется много пропускных каналов, через которые протекает масло. Помимо функции смазки, масло оказывает охлаждающий эффект на нагретые детали. Лучше всего охлаждение происходит в двигателях с искровым зажиганием, в которых центральный корпус турбины входит в систему охлаждения двигателя.

Дополнительный объем давления во впускной системе создаётся при воздействии центробежного компрессора. Его конструкция похожа на аналогичные механические нагнетатели. Составляющими центробежного компрессора являются корпус и компрессорное колесо. В ЦК (центробежный компрессор) поток воздуха проходит путь от центра колеса до корпуса. Резкое понижение скорости потока воздуха позволяет преобразовать его кинетическую энергию в давление. Впускной коллектор пропускает сжатые потоки воздуха в двигатель. При изготовлении компрессорного колеса и корпуса используется алюминий.

Для снижения последствий турбоямы и повышения производительности, конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются — постоянная модернизация конструкции турбокомпрессора позволяет уменьшить последствия турбоямы и повысить его производительность. Ниже можно посмотреть список самых эффективных способов модернизации:

1. При использовании прочных и лёгких материалов достигается значительное снижение массы турбины. Например, керамики.
2. Установка новых подшипников с пониженным уровнем трения.
3. Раздельный турбокомпрессор
4. Турбина с изменяемой геометрией

Поговорим подробнее о последних двух пунктах этого списка.

Это интересно: Парктроник: виды, устройство

Области применения турбокомпрессоров

Турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами, в его настоящей форме уходит корнями к работам Альфреда Бюхи (1905), который уже тогда увидел потенциал объединения наддува и перекрытия клапанов для очистки остаточных отработав­ших газов. Турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами, традиционно применялись для наддува на больших дизель­ных двигателях грузовых автомобилей, судов и железнодорожных локомотивов, а также сельскохозяйственных и строительных машин.

Применение турбокомпрессоров на автомобильных дизельных двигателях

Первые дизельные двигатели легковых авто­мобилей, оборудованные турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами, увидели свет в середине 1970-х годов. Появле­ние «перепускной заслонки» для регулирова­ния давления наддува окончательно утвердило концепцию двигателя, ориентированного на крутящий момент, и позволило значительно по­высить гибкость. Дальнейшее повышение рабо­чих характеристик легковых автомобилей было достигнуто за счет применения систем прямого впрыска топлива (1987) и турбокомпрессоров с изменяемой геометрией турбины (1996) или систем двухступенчатого турбонаддува (2004). Результатом этих инноваций стало заметное увеличение на европейских рынках доли автомо­билей с дизельными двигателями. В настоящее время в Европе все дизельные двигатели легко­вых и коммерческих автомобилей оборудуются турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами и промежуточными охла­дителями (охладителями наддувочного воздуха).

Применение турбокомпрессоров на легковых автомобилях с бензиновыми двигателями

Применение турбонаддува бензиновых дви­гателей первоначально оставалось резервом повышения мощности только для мощных двигателей спортивных автомобилей и из-за неадекватной управляемости («запаздывания») турбонаддув относительно редко применялся на серийно выпускаемых легковых автомобилях. Однако в дальнейшем появилась тенденция к применению турбонаддува на бензиновых дви­гателях малой и средней мощности. В дополне­ние к повышению к.п.д., одна из основных целей заключалась в том, чтобы избежать увеличения количества цилиндров и связанного с этим уве­личения размеров двигателя и расхода топлива.

В отличие от дизельных двигателей, в настоя­щее время, хотя и в меньшей степени, приме­няются нагнетатели с механическим приводом (по соображениям, обусловленным рынком, а также благодаря превосходным характеристи­кам в переходных режимах, когда требуется быстрое увеличение давления наддува). В на­стоящее время бензиновые двигатели с прямым впрыском топлива, оборудованные турбоком­прессорами, приводимыми в действие отрабо­тавшими газами, практически достигли уровня двигателей с нагнетателями с механическим приводом в отношении скорости увеличения давления наддува в переходных режимах.

В настоящее время для повышения мощности и крутящего момента бензиновых двигателей с небольшим рабочим объемом при относительно небольшой частоте вращения коленчатого вала применяются комбинации механического над­дува и турбонаддува с использованием отрабо­тавших газов (комбинированный наддув).

В то время как турбокомпрессор, приво­димый в действие отработавшими газами, с изменяемой геометрией турбины является стандартным нагнетателем для дизельных двигателей, высокие температуры и затраты, связанные с использованием этой технологии, до сих пор позволяют использовать ее для бензиновых двигателей только в ограниченной степени, в некоторых сегментах рынка.

В отношении содержания вредных веществ в отработавших газах и расхода топлива, а также иных рабочих характеристик важность турбонаддува при помощи турбокомпрессо­ров, приводимых в действие отработавшими газами, на разрабатываемых новых двигателях с малым рабочим объемом и уменьшенным количеством цилиндров будет возрастать. Сегодня мы наблюдаем резкий рост выпуска бензиновых двигателей с турбонаддувом, и в течение нескольких следующих лет ожидается Резкий рост этого сектора рынка

Минусы турбины на дизельном двигателе

Как и любое устройство, у турбины есть свои положительные характеристики (которые были описаны выше), так и недостатки. К минусам можно отнести в первую очередь увеличенный расход топлива, особенно это касается неправильно отрегулированных агрегатов. Второй минус — чувствительность к качеству топлива, что особенно актуально в российских условиях. Дело в том, что некачественный дизель может привести к детонации. Отметим и другие недостатки:

• общее удорожание двигателя;
• повышенная требовательность к моторному маслу;
• масло и фильтры приходится менять чаще (примерно каждые 5-6 тыс. км);
• нужно часто менять воздушный фильтр;
• ресурс турбины на дизельном двигателе значительно ниже, чем на бензиновом (из-за более высокой температуры выхлопа);
• средний ресурс агрегата составляет 200-250 тыс. км, после чего потребуется замена или, как минимум, капитальный ремонт;
• достаточно сложный ремонт, провести его среднестатистическому автовладельцу самому не получится.

Однако стоит отметить, что плюсы всё-таки перевешивают минусы. В противном случае турбины не пользовались бы такой большой популярностью.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «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.