Что такое двигатель с турбонаддувом

Современные автопроизводители в последнее время всё чаще устанавливают на свои модели турбированные двигатели взамен атмосферных. Казалось бы, это логично, поскольку турбонаддув придаёт мотору дополнительную мощность при сохранении небольшого рабочего объёма, но на деле всё не так просто. Поэтому специалисты советуют изучить плюсы и минусы турбированного двигателя и проанализировать особенности его эксплуатации, прежде чем приобретать автомобиль.

Простыми словами: почему турбомоторы все чаще встречаются на автомобилях?

По мере того, как правительства самых автомобилизированных стран мира продолжают бороться за экономию топлива и регулирование выбросов, двигатели с турбонаддувом среднего и малого объема становятся все более распространенными.

Считается, что компактные двигатели с турбонаддувом могут сочетать в себе превосходную топливную экономичность при аккуратном использовании в городском потоке (по крайней мере, на бумаге) и при этом иметь высокую пиковую мощность (как минимум на бумаге) на максимальных оборотах. По этой причине автопроизводители повсеместно начали использовать этот тип моторов для того, чтобы их продукция могла соответствовать все более строгим стандартам по экологичности выбросов и, как прежде, давать клиентам тот же уровень мощности, каким он был раньше, а иногда предлагать даже более высокий.

В этой статье мы кратко опишем, как работает двигатель с турбонаддувом (иногда их также называют «двигатели с принудительной индукцией»), и ответим на распространенные вопросы потребителей, которые рассматривают как вариант покупку турбированных среднеобъемников, но ни разу с ними не сталкивались.

Но прежде сделаем небольшое отступление: в наши дни турбированные двигатели можно обнаружить на всех типах транспортных средств, включая спорткары, кроссоверы, внедорожники и даже пикапы, поэтому мы надеемся, что этот пост вооружит вас полезными базовыми знаниями, которые вам понадобятся при выборе нового или подержанного современного автомобиля.

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.

Как работает турбинаПринцип 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.

Преимущества турбонаддува

Турбонаддув - принцип действия, достоинства и недостатки

«Дармовая» дополнительная мощность. Существует расхожее мнение: наличие добавочной турбины на выхлопном коллекторе мотора порождает добавочную энергию, которая должна вращать точно такую же турбину на впуске, в результате чего выхлопные газы становятся бесплатным источником энергии для нагнетателя.

Однако эта концепция весьма спорная, потому что существует так называемое сопротивление выпуска. Автомобильные конструкторы многие десятилетия добивались снижения этого сопротивления, потому что именно в этом случае повысится мощность двигателя.

Для этого в систему монтируется специальное генерирующее устройство, которое значительно снижает выходное сопротивление. Поэтому было бы неправильным считать работу турбонаддува на дармовой энергии. «Дешевая придаточная энергия» — это будет звучать более точно.

В техническом отношении этот процесс не представляет ничего сложного. Нагнетатель представляет собой устройство, состоящее из двух колес – компрессорного и турбинного. Турбинное колесо захватывает выхлопные газы, приводящие его в движение. В результате начинает вращаться и компрессорное колесо, которое и служит для сжатия воздуха.

Компрессор в обязательном порядке контактирует с системой охлаждения, потому что в процессе действия его температура поднимается довольно высоко. Сила наддува регулируется с помощью перепускного клапана. В случае необходимости он может переводить часть выхлопа мимо турбины, чтобы понизить внутрисистемное давление.

Повышение мощности двигателя без увеличения его объема и массы. Технология турбонаддува позволяет повышать мощность двигателя без увеличения объема цилиндров и их количества. В результате легкие и небольшие по размеру моторы приобретают отличные характеристики, и, кроме этого, сокращается общая масса автомобиля, уменьшаются тормозной путь и время разгона.

Экономичность. Расход топлива у двигателей, оснащенных системой турбонаддува, в разы меньше, нежели расход топлива у мотора такой же мощности с простым атмосферным нагнетанием воздуха. Это объясняется тем, что в цилиндрах с турбонаддувом на один ход поршня тратится намного меньше топлива за счет полного его сгорания. То есть, бедная смесь компенсируется дополнительным напором воздуха, и в результате мощность увеличивается.

Плюсы и минусы турбированного двигателя

Теперь, когда новички познакомились с основами работы турбины (ее также называют «улиткой» за визуальное сходство входной части турбины с панцирем моллюска), можно приступать к рассмотрению двух основных преимуществ турбированного двигателя – большая выходная мощность и повышенная топливная эффективность.

Поскольку турбонагнетатель позволяет небольшому двигателю производить больше мощности, разработчики могут использовать силовые агрегаты меньшего объема.

Меньший по объему двигатель, как правило, потребляет меньше топлива, чем более объемный мотор (данный постулат сейчас активно подвергается сомнениям, особенно ввиду множественных скандалов, связанных с занижением экономичности и экологичности), что способствует некоторой экономии топлива на определенных режимах работы агрегата (обычно это неспешная работа мотора на низких оборотах в городских условиях).

Двигатели с турбинами, нагнетая больше обогащенного кислородом воздуха внутрь цилиндров, улучшают сгораемость горючей смеси, уменьшая объем количества выбрасываемых вредных отходов. По этим причинам двигатель с турбонаддувом может быть более эффективным, чем атмосферный двигатель (без установленной турбины) при аккуратном движении.

Однако эффективность и экологичность турбированного двигателя может быстро упасть, если вы начнете агрессивно ездить. Почему это неминуемо произойдет? И здесь все достаточно банально. Для того чтобы двигатель работал правильно и не выходил из строя, он должен достичь надлежащего соотношения топливовоздушной смеси, миксующейся в камере сгорания (как правило, это происходит в камере сгорания). Турбина же будет доставлять больше кислорода в двигатель, особенно при условии полного нажатия на педаль газа: «тапок в пол», поэтому, во-первых, двигатель начнет сжигать больше топлива при таком сценарии.

Работа турбонагнетателей также увеличивает давление в двигателе вашего автомобиля. При работе мотора с высоким давлением вы рискуете столкнуться с «предварительным зажиганием» – так называется несанкционированное воспламенение топлива до того момента, как свечи зажигания должны дать искру и воспламенить его. Для проявления этого явления достаточно мощно ускориться на турбированном автомобиле. Давление внутри цилиндров подскочит, что увеличит шансы на преждевременное зажигание топливовоздушной смеси.

Современные двигатели оснащены датчиком детонации и программным обеспечением, которые помогают предотвратить предварительное воспламенение, обнаруживая его и распыляя дополнительное топливо в камеру, способствуя дальнейшему увеличению расхода топлива.

По этой причине многие современные турбированные двигатели также будут рассчитаны на работу на премиальном бензине. Топливо с более высоким октановым числом имеет меньше шансов к детонации, что делает его идеальным для небольших турбомоторов с высокой степенью сжатия.

Вы можете выяснить, какой бензин подходит для вашего автомобиля, в руководстве пользователя. Но если это современный турбированный двигатель, есть хороший шанс, что он использует 95 или 98 бензины.

В то время как многие современные двигатели довольно надежны, турбированные двигатели поставляются с рядом дополнительных компонентов на пути к самому турбокомпрессору: интеркулера и всех трубопроводов, необходимых для доставки сжатого охлажденного воздуха в двигатель. Это может сделать ремонт двигателя или его обслуживание дороже по сравнению с традиционным атмосферным мотором.

В плане надежности все зависит от транспортного средства. Надежнее всего изучить рейтинги надежности и затраты на ремонт приглянувшегося турбированного автомобиля, поскольку эти цифры варьируются от модели к модели. В целом вам больше не нужно беспокоиться о том, что автомобиль с турбонаддувом ненадежен – технология прошла долгий путь с 1980-х годов.

Twin- и Biturbo

Система турбонаддува с двумя турбокомпрессорами. Изначально предназначалась для преодоления инерции системы, т.н. турбоямы. В настоящее время позволяет повышать выходную мощность двигателя и поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов.

Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую.

Twin Turbo – торговое название, синоним — Biturbo.

В некоторых источниках под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.

Параллельный Twin Turbo

Включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Поток отработавших газов равномерно разделяется между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам.

Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Смысл такой системы в том, что две маленькие турбины имеют меньшую инерцию, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры эффективно работают в большем диапазоне оборотов двигателя.

Последовательный Twin Turbo

Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).

Принцип работы турбины на бензиновом двигателе - фото 17

  • перепускной клапан наддува (bypass);
  • клапан управления подачей воздуха;
  • датчик разности давлений;
  • клапан управления подачей отработавших газов;
  • вторичный турбокомпрессор;
  • интеркулер;
  • первичный турбокомпрессор;
  • перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.

Система последовательного Twin Turbo также минимизирует турбояму. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.

Двухступенчатый турбонаддув

Самой совершенной в техническом плане является система двухступенчатого турбонаддува (с 2004 года применяется на ряде дизельных двигателей Opel). Другой производитель — компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.

Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.

Устройство турбонаддува - изображение 18

  • охладитель наддувочного воздуха;
  • перепускной клапан наддува (bypass);
  • турбокомпрессор ступени высокого давления;
  • турбокомпрессор ступени низкого давления;
  • перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико, и большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.

С ростом оборотов турбокомпрессоры работают совместно. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все сильнее. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.

При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят в большую турбину, раскручивая ее до максимальных оборотов и обеспечивая максимальное давление наддува. Малая турбина останавливается, т.к. в таких условиях начинает мешать, создает препятствие для воздуха, и через открытый перепускной клапан наддува сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.

Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя и наилучшим образом разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах.

Турбонаддув: принцип работы - фото 19

Недостатки

Что такое двигатель с турбонаддувом

Зависимость от оборотов. «Турбояма». Проблема заключается в следующем: нет активного ускорения при разгоне на малых оборотах. Динамика разгона слабая, уступающая даже машинам с атмосферным нагнетанием. А все дело в том, что при малых оборотах энергия выхлопных газов слабая, и, соответственно, турбина нагнетателя тоже вращается слабо, создавая минимальное давление смеси в камере сгорания. То есть, нужный эффект от турбонаддува возникает только при высоких оборотах двигателя.

Кроме этого, есть еще одна проблема: медленность процесса нагнетания воздуха. Действительно, для того, чтобы создать нужное давление на впуске, необходимо некоторое время. Специалисты проводят инженерные исследования в этой области, и уже в какой-то степени удалось уменьшить этот интервал в динамике работы нагнетателя.

Помимо этого, наличие вариатора или автоматической трансмиссии дает возможность машине во время разгона автоматически переключаться на пониженную передачу. За счет этого вредные последствия от инертности нагнетателя ликвидируются.

Сегодня имеются следующие способы решения проблемы инертности турбонаддува:

  • битурбонаддув (двойной наддув);
  • турбина с адаптивной геометрией;
  • комбинированный наддув.

При двойном турбонаддуве применяются две небольшие турбины, которые в совокупности работают намного быстрее, чем одна с номинальным размером. Число цилиндров распределяется между этими турбинами поровну. Аналогом такой системы может быть применение нескольких компрессоров, которые приходят в движение на разных оборотах мотора, каждый в своем режиме.

Турбина с адаптивной геометрией способна изменять размер впускного канала и тем самым регулировать силу потока выхлопных газов, что также повышает эффективность работы системы.

Комбинированный наддув состоит из турбокомпрессора и механического нагнетателя. Нагнетатель создает нужное давление на малых оборотах, но как только обороты возрастают до определенной величины, в работу включается турброкомпрессор.

Высокая температура. Как уже было сказано, сжатие воздуха влечет за собой его нагрев, что отражается на работе мотора не самым лучшим образом. Поэтому зачастую приходится подключать дополнительное охлаждение, и на это уходит часть энергии.

Однако несмотря на перечисленные недостатки, турбонаддув – это отличное средство для повышения мощности и эффективности ДВС, а также его экономичности. Кроме того, многолетний опыт специалистов показывает, что варианты усовершенствования этой системы еще не исчерпаны.

Видео об особенностях и принципах работы турбонаддува:

Авто схемы Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи — видео об особенностях и принципах работы турбонаддува.

Как работает турбина в автомобиле?

7 главных минусов и 2 плюса турбомоторов - фото 23

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Плюсы и минусы турбонаддува

Как уже известно читателю, турбина в автомобиле не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя. По логике, подобное решение должно нивелировать зависимость оборотов турбины от частоты вращения последнего.

Тем не менее, в реальности эффективность работы турбины находится в прямой зависимости от оборотов мотора. Чем сильнее открыта дроссельная заслонка, чем больше обороты мотора, тем выше энергия выхлопных газов, вращающих турбину и, как результат, больше объем воздуха, нагнетаемого компрессором в цилиндры силового агрегата.

1. Низкая надежность - фото 24

Собственно говоря, «опосредованная» связь между оборотами и частотой вращения турбины не через коленвал, а через выхлопные газы, приводит к «хроническим» недостаткам турбонаддувов.

Среди них – задержка роста мощности мотора при резком нажатии на педаль «газа», ведь турбине нужно раскрутиться, а компрессору – дать цилиндрам достаточную порцию сжатого воздуха. Подобное явление называют «турбоямой», то есть моментом, когда отдача мотора минимальна.

Исходя из этого недостатка сразу исходит и второй – резкий скачок давления после того, как двигатель преодолевает «турбояму». Это явление получило название «турбоподхвата».

И главной задачей инженеров-мотористов, создающих наддувные двигатели, является «выравнивание» этих явлений для обеспечения равномерной тяги. Ведь «турбояма», по своей сути, обуславливается высокой инерционностью системы турбонаддува, ведь для приведения наддува «в полную готовность» требуется определенное время.

В результате потребность в мощности со стороны водителя в конкретной ситуации приводит к тому, что мотор не способен «выдать» все свои характеристики одномоментно. В реальной жизни это, например, потерянные секунды при сложном обгоне…

Безусловно, сегодня существует ряд инженерных ухищрений, позволяющих минимизировать и даже полностью исключить неприятный эффект. В их числе:

  • использование турбины с переменной геометрией;
  • использование пары турбокомпрессоров, расположенных последовательно либо параллельно (так называемые схемы twin-turdo или bi-turdo);
  • применение комбинированной схемы наддува.

Турбина, имеющая переменную геометрию, осуществляет оптимизацию потока выхлопных газов силового агрегата за счет изменения в режиме реального времени площади входного канала, через который они поступают. Подобная схема турбин очень распространена в турбонаддувах дизельных моторов. В частности, именно по этому принципу функционируют турбодизели Volkswagen серии TDI.

Схема с парой параллельных турбокомпрессоров используется, как правило, в мощных силовых агрегатах, построенных по V-образной схеме, когда каждый ряд цилиндров оснащен собственной турбиной. Минимизация эффекта «турбоямы» достигается за счет того, что две малые турбины имеют гораздо меньшую инерцию, нежели одна большая.

Система с парой последовательных турбин используется несколько реже двух перечисленных, но она же обеспечивает наибольшую эффективность за счет того, что двигатель оснащается двумя турбинами, обладающими различной производительностью.

То есть при нажатии на педаль «газа» в действие вступает малая турбина, а при росте скорости и оборотов подключается вторая, и они работают суммарно. При этом эффект «турбоямы» практически исчезает, а мощность нарастает планомерно сообразно ускорению и росту оборотов.


Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий