Турбонаддув

Чем отличается атмосферный двигатель от турбированного

Начнем с того, что ситуация на современном рынке новых автомобилей заметно поменялась за последние 15-20 лет. Изменения в автоиндустрии коснулись как исполнения, уровня оснащения и

Read More

Чем отличается атмосферный двигатель от турбированного

Масло в интеркулере дизеля

Попадание масла в интеркулер дизельного или бензинового ДВС является частой неисправностью, которая присуща исключительно моторам с турбонаддувом. В том случае, если моторное масло гонит в

Read More

Масло в интеркулере дизеля

Охлаждение турбины дизельного двигателя

Обладатели турбомоторов часто задаются вопросом касательно необходимости охлаждения турбины перед тем, как заглушить мотор. Подобное охлаждение предполагает несколько минут работы ДВС на холостом ходу. Для

Read More

Охлаждение турбины дизельного двигателя

Срок службы турбины на дизеле

Турбокомпрессор бензинового или дизельного двигателя изначально имеет достаточно большой ресурс, который планово может даже превышать моторесурс силового агрегата до первого капитального ремонта. На практике турбина

Read More

Срок службы турбины на дизеле

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбокомпрессор является решением, которое устанавливается как на бензиновый, так и практический на каждый современный дизельный двигатель автомобиля. Моторы с турбонаддувом в обиходе называются турбодизелями. Указанный

Read More

Устройство турбины дизельного двигателя

Что лучше: турбина или механический компрессор?

Многие автолюбители очень часто задаются вопросом касательно того, какое решение окажется в итоге лучшим-турбина или компрессор? Такой вопрос может возникнуть как при выборе нового автомобиля,

Read More

Что лучше: турбина или механический компрессор?

Устройство механического компрессора

Механический компрессор представляет собой одну из разновидностей систем наддува воздуха для увеличения мощности двигателя. Главной целью использования такого нагнетателя является создание заметно повышенного давления, которое

Read More

Устройство механического компрессора

Турбонаддув: устройство турбокомпрессора

Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах.Становится вполне

Read More

Турбонаддув: устройство турбокомпрессора

Турбонаддув представляет собой один из самых эффективных способов увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания. Данный способ основан на том, что происходит активное агрегатное использование энергии отработавших газов.

Главным элементом конструкции такого наддува становится турбина, а весь механизм называют турбокомпрессор. Встречается также вариант, когда трубонагнетатель конструктивно оснащен механическим приводом. Указанное решение повсеместно используется в конструкции бензиновых и дизельных моторов, позволяя добиться великолепной производительности при сравнительно небольшом рабочем объеме силового агрегата.

История турбонаддува

Компрессор-улитка

Ключевые принципы системы турбонаддува были запатентованы в 1911 году. Запатентовал указанные принципы швейцарец Альфред Бюхи. С этого момента и началась история турбокомпрессора, который активно развивался параллельно постоянному процессу эволюции самого ДВС.

Турбокомпрессор появился на заре эпохи двигателей внутреннего сгорания и практически сразу после создания первых рабочих образцов ДВС. Своим появлением механизм обязан тому, что инженеров и механиков постоянно волновал вопрос повышения мощности двигателя. В ранний период, к которому относят отрезок с 1885 по 1896 годы, отцы двигателестроения Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель независимо работали над тем, чтобы увеличить мощность и снизить расход горючего путем сжатия воздуха и нагнетания такого воздуха под давлением в рабочую камеру сгорания двигателя.

Уже в 1905 г. вышеупомянутый инженер Альфред Бюхи стал первым, кому удалось успешно реализовать необходимое нагнетание воздуха посредством турбокомпрессора. Это делалось при помощи энергии выхлопных газов. Бюхи получил качественный прирост мощности мотора на отметке около 120 %. Такой успех немедленно провел разграничивающую черту между атмосферными и турбо моторами, навсегда разделив их на два схожих, но все же абсолютно противоположных фронта.

Технологии более сложных сравнительно с атмосферными турбокомпрессорных двигателей стали развиваться постепенно и обособленно, а многие идеи в процессе их эволюции оказались революционными и успешно воплотились в жизнь.

С самого начала турбокомпрессор устанавливался на крупногабаритные двигатели, которые использовались в конструкции судов. Немного позже компрессор пришел и в авиацию. Турбокомпрессор начали устанавливать на военные сверхскоростные истребители того времени.

Таким образом получилось, что турбонаддувом оснастили двигатели производства Renault на самолетах, причем сделано это было еще во времена Первой Мировой войны.

Дальнейшее развитие двигателей с турбонаддувом

Вторая половина 1930-х стала отправной точкой в последующем развитии технологий конструирования турбокомпрессоров. Речь идет о турбонагнеателях для все тех же самолетов, но конструкция механизмов стала намного совершеннее. Компрессор позволял существенно форсировать авиационный двигатель. При таких характеристиках стало возможным повышение максимальной высоты полета. Самый большой успех в этом направлении имели США, которые активно устанавливали турбонагнетатели на боевые самолеты с 1938 года. Такое решение обеспечило качественное улучшение летных характеристик на большой высоте.

В автоиндустрию турбокомпрессоры пришли практически в то же самое время. Первыми пользу от данного решения заметили производители грузовиков, а двигатель с турбокомпрессором для грузовых авто был построен в 1938 году.

Массовое внедрение компрессора в конструкцию легковых авто продемонстрировали американцы, которые выпустили на рынок модели с наддувом в начале 60-х. На ранней стадии развития автомобильные турбокомпрессоры столкнулись с проблемами. Главным минусом являлся довольно низкий уровень их надежности. Этот нюанс не смогли перекрыть явные преимущества от использования нагнетателя в техническом плане, а сами автомобили с турбокомпрессором тогда не получили популярности и быстро покинули автомобильный рынок.

Турбобензин

Турбобензиновый двигатель

Рост популярности турбодвигателей на бензине пришелся на 70-е годы. Поспособствовали этому спортивные авто, а именно болиды Formula 1. Автомобиль с надписью «turbo» стал символом мощи, драйва и новейших технологий того времени. Большинство производителей автомобилей немедленно обзавелись моделями в своих рядах, которые были оборудованы бензиновым надувным двигателем.

Прошло не более 2-3-х лет и спрос на гражданские автомобили с турбокомпрессором начал падать. Это было вызвано тем, что турбокомпрессор параллельно значительному увеличению мощности бензинового силового агрегата заметно увеличивал и расход горючего. Не менее значительным фактором стала и серьезная пауза в реакции компрессора после нажатия на педаль газа, которую сегодня принято называть «турбояма». Все это привело к временному отказу производителей от установки турбины на бензиновые установки.

Турбодизель

Турбодизельный двигатель

Следующий скачок популярности турбокомпрессоров произошёл в 1977 году, когда турбонагнетатель установили на бензиновый серийный авто марки Saab. Модель называлась 99 Turbo. Дальнейший 1978 год стал знаковым благодаря выпуску модели Mercedes-Benz 300SD. Эта машина стала первой легковушкой, которая получила дизельный силовой агрегат с турбокомпрессором. Знамя дизельных турбомоторов немедленно подхватили многие производители по всему миру.

Если говорить о дизельных агрегатах, то внедрение наддува является важнейшим шагом во всей истории их развития и эволюции. Турбокомпрессоры позволили производителям дизелей добиться такой эффективности их работы, которая предоставила дизельному ДВС возможность уверенно конкурировать с бензиновыми собратьями. При этом сохранилась главная отличительная черта дизеля-значительно меньший расход топлива сравнительно с бензиновыми двигателями. Компрессор вывел дизель на новый уровень, сделав его в ряде случаев намного более предпочтительным относительно моторов на бензине. Данное явление мы наблюдаем и в наши дни.

Конструктивно дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, а их выхлопные газы характеризуются относительно низкой температурой по сравнению с агрегатами на бензине. Такие особенности дизеля являются крайне благоприятными. Они снизили ряд требований к жаропрочности самой турбины, компрессор стало возможным изготавливать с меньшими затратами на производство, постоянно совершенствовать его конструкцию и т.д.

Сегодня использование турбины на дизельных ДВС стало практически повсеместной нормой. Простых атомосферных безнаддувных дизелей на легковых и коммерческих авто в наши дни практически нет. Производители и разработчики все инновации и свежие решения в области турбокомпрессоров закономерно опробуют сначала на дизельных моторах. Для примера можно напомнить о турбинах с изменяемой геометрией, которые в первую очередь появились исключительно на дизельных силовых установках.

Турбонаддув и его основы

Турбонаддув представляет собой такой способ наддува, при котором наружный воздух подается в рабочую камеру двигателя под давлением. Это происходит благодаря использованию энергии отработавших газов.

Схема движения воздуха в компрессореВ данный момент именно турбонаддув представляет собой наиболее эффективную систему, которая позволяет существенно повысить мощность двигателя без необходимости увеличивать частоту вращения коленвала. Нет необходимости также увеличивать объем цилиндров.

Главным преимуществом турбонаддува является не только увеличение мощности силовой установки. Наддув дополнительно обеспечивает существенную экономию топлива. Это видно в том случае, если производить расчет с упором на единицу мощности. Еще одним плюсом турбодвигателя является меньшая токсичность отработавших газов. Такой показатель достигается за счет того, что топливно-воздушная смесь сгорает более полно сравнительно с безнаддувными аналогами.

Различные системы турбонаддува применяется производителями автомобилей на бензиновых и дизельных агрегатах. Эффективность турбонаддува на дизелях в условиях топливного мирового кризиса и жестких экологических норм позволила такому решению в последние годы уверенно потеснить бензиновые агрегаты на мировой арене.

Применение турбонаддува на бензиновых агрегатах сопровождается рядом технических сложностей. К таковым относят возможность появления детонации, которая возникает при резком увеличении частоты вращения коленвала. Не менее важной проблемой турбобензина является высокий температурный показатель отработавших газов, который находится на отметке около 1000°С сравнительно с 500- 600°С у дизельных моторов.

Все это вызывает солидный нагрев турбонагнетателя, что делает необходимым производить его из дорогостоящих материалов и применительно к условиям эксплуатации при таких крайне высоких температурах. Турбины для бензиновых моторов стоят дорого и требуют регулярного обслуживания. Турбобензиновый мотор особенно требователен к качеству топлива и смазочных материалов.

Элементы турбокомпрессора

Устройство компрессора

Конструкции различных систем турбонаддува могут отличаться, но общее устройство такого наддува включает в себя список ключевых элементов. Турбонаддув состоит из:

  • воздухозаборника;
  • воздушного фильтра;
  • дроссельной заслонки;
  • турбокомпрессора;
  • интеркулера;
  • впускного коллектора;

Каждый элемент объединен с остальными при помощи соединительных патрубков и напорных шлангов. Большинство указанных выше элементов турбосистемы являются типичными представителями привычной нам системы впуска атмосферного ДВС. Турбонаддув заметно выделяется наличием турбокомпрессора и интеркулера, а также имеет множество дополнительных элементов для эффективного управления работой системы. Давайте рассмотрим систему турбонаддува более подробно.

Турбокомпрессор

Корпус компрессора

Данный элемент еще может называться турбонагнетатель или газотурбинный нагнетатель. Турбокомпрессор представляет собой конструктивную основу всей системы турбонаддува. Именно он отвечает за обеспечение столь необходимого повышения давления поступающего во впускной коллектор воздуха.

Конструкция турбокомпрессора

Конструктивно турбокомпрессор состоит из двух колес. Одно указанное колесо является турбинным, а второе компрессорным. Оба колеса расположены на валу ротора. Все элементы системы, включающие в себя колеса и вал на подшипниках, находятся в отдельных корпусах.

Как устроена турбина

  • Турбинное колесо предназначено для того, чтобы принимать на себя полезную энергию отработавших газов. Такое колесо осуществляет вращение в специальном корпусе, который имеет особую форму. Само турбинное колесо, а также корпус турбины изготовлены из жаропрочных материалов. Для изготовления применяют сплавы или керамические материалы.
  • Компрессорное колесо отвечает за всасывание воздуха, его сжатие и нагнетание в цилиндры мотора. Указанное колесо также осуществляет вращение в собственном отдельном корпусе.

Оба колеса представляют собой конструкцию, в которой они жестко закреплены на валу. Вал ротора вращается в подшипниках скольжения. Данные подшипники представлены подшипниками плавающего типа. Это означает, что они имеют характерный зазор со стороны корпуса и вала.

Такие подшипники смазываются за счет моторного масла ДВС, за подачу которого отвечает система смазки двигателя. Масло проходит по специальным каналам, которые выполнены в корпусе подшипников скольжения. Герметичность системы турбоннаддува и предотвращение утечек масла обеспечивают особые уплотнительные кольца, установленные на валу.

Стоит отметить, что ряд конструкций бензиновых ДВС с турбонаддувом имеют дополнительные решения для улучшенного охлаждения. Параллельно со смазкой используется жидкостное охлаждение турбокомпрессора. В такой системе корпус подшипника в общей конструкции турбонагнетателя становится частью двухконтурной системы охлаждения мотора.

Интеркулер

Для охлаждения воздуха, который поступает через компрессор, используется интеркулер. Охлаждение необходимо для того, чтобы сжатый воздух имел повышенную плотность. Благодаря такому повышению плотности становится возможным эффективное увеличение давления наддува. Интеркулер является по сути радиатором с воздушным или жидкостным охлаждением.

Интеркулер

Главным элементом для управления всей системой турбонаддува выступает регулятор давления наддува. Указанный регулятор является перепускным клапаном. Этот клапан называется вейстгейт (от англ. wastegate). Основной функцией клапана является ограничение энергии отработавших газов. Вейстгейт направляет излишки в обход турбинного колеса. Благодаря этому клапан способен обеспечивать оптимальное давление турбонаддува. Клапан может быть оборудован пневматическим или электрическим приводом. Перепускной клапан срабатывает на основании сигналов от специального датчика давления, задействованного в системе управления двигателем. Подробнее о данном элементе мы поговорим в отдельной статье.

За компрессором, а именно в воздушном тракте высокого давления, может быть установлен предохранительный клапан. Клапан обеспечивает защиту системы от резких скачков давления воздуха. Скачок давления может иметь место в том случае, когда резко осуществляется закрытие дроссельной заслонки. Образующееся избыточное давление стравливается обратно в атмосферу.

Эту функцию реализует блоуофф-клапан (от англ. blowoff). Вторым элементом, способным выполнять такую задачу, может быть еще один клапан под названием байпасс-клапан (от англ. bypass). Этот элемент отвечает за перепуск излишков воздуха на вход компрессора.

Основы и принцип работы турбонаддува

Мы уже говорили выше, что вся работа системы турбонаддува основывается на использовании энергии, которая поступает от отработавших газов в процессе сгорания топливо-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. Указанные отработавшие газы осуществляют вращение турбинного колеса. Турбинное колесо путем передачи энергии через вал ротора тем самым вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо отвечает за сжатие воздуха и нагнетает такой воздух. В процессе сжатия воздух нагревается, но его немедленно охлаждает интеркулер. В конце пути сжатый и охлажденный воздух подается в цилиндры силовой установки.

Отличительной особенностью турбонаддува, особенно если сравнивать его с механическим компрессором, является отсутствие жесткой связи с коленвалом двигателя. При этом общая эффективность работы турбонаддува все равно демонстрирует прямую зависимость от числа оборотов ДВС.

Дело в том, что чем выше окажется частота вращения коленвала двигателя, тем большей будет энергия отработавших газов. Эти газы окажут большее воздействие на турбинное колесо, турбина будет быстрее вращаться, а большее вращение обеспечит увеличенное количество предварительно сжатого воздуха, который поступит в цилиндры мотора.

Основные недостатки турбонаддува: турбояма

При всех очевидных преимуществах система турбонаддува не лишена целого ряда негативных особенностей. К главным конструктивным недостаткам заслуженно относят турболаг (от англ. turbolag). Под турболагом следует понимать задержку увеличения мощности двигателя в тот самый момент, когда водитель резко нажимает на педаль газа. Как уже говорилось, такой эффект называется «турбояма». После паузы происходит резкое увеличение давления турбонаддува. Таким образом получается, что после преодоления системой «турбоямы» возникает скачок мощности. Этот скачок называется «турбоподхват».

Турбояма возникает по причине инерционности системы турбонаддува. Для того чтобы эффективно повысить давление наддува при резком открытии дросселя, неминуемо потребуется некоторое время. Это вызывает несоответствие между необходимой мощностью в момент такого резкого открытия заслонки и производительностью турбокомпрессора.

Различные системы турбонаддува

Сегодня разработано несколько способов для уменьшения такой задержки-турбоямы. Наиболее активно используются следующие решения:

  • использование турбин с изменяемой геометрией;
  • применение систем твин и би-турбо, в которых установлены два последовательных или параллельных турбокомпрессора (twin-turbo, bi-turbo);
  • схема комбинированного турбонаддува;

Первое решение активно используется на современных дизельных моторах, а также изредка встречается и на бензиновых агрегатах. Турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина) способна обеспечивать качественную оптимизацию потока отработавших газов. Работает данное решение по принципу изменения площади входного канала. Такие турбины повсеместно используют в современных двигателях семейства TDI производства Volkswagen.

Системы турбонаддува

Твин и би-турбо на раннем этапе реализовывались в виде параллельной установки и применялись для моторов с большим объемом V-образного типа. Решение представляет собой установку отдельной турбины на каждый ряд цилиндров такого агрегата. Система устроена по принципу работы двух маленьких турбин с характеристикой меньшей инерции сравнительно с одним турбокомпрессором большого размера. Дальнейшее развитие способа породило установку последовательных турбин.

При такой установке на мотор двух последовательных турбокомпрессоров эластичность и производительность системы турбонаддува достигается за счет разделения турбокомпрессоров применительно к разным оборотам двигателя. На низких оборотах работает одна турбина, а на высоких другая.

Это решение позволяет минимизировать эффект турбоямы. Встречаются конструкции наддува, когда производители устанавливают в систему даже три последовательных турбокомпрессора. Решение называется triple-turbo от баварцев BMW, а шедевр автомобилестроения Bugatti получил уже четыре турбокомпрессора с общей системой под названием quad-turbo.

Не менее распространен и комбинированный наддув (от англ. twincharger). Этот способ объединил в себе механический компрессор и турбонаддув. Механический нагнетатель обеспечивает давление воздуха на низких оборотах коленвала, а с повышением частоты вращения задействуется турбокомпрессор и обеспечивает необходимый подхват. При этом механический нагнетатель автоматически отключается. Отличной иллюстрацией такой схемы является система двойного надува от многих европейских и американских автопроизводителей. Подробнее о системе механического нагнетания Вы можете ознакомиться в отдельной статье.

Подведем итоги

На основе приведенного выше материала можно сделать вывод о том, что турбокомпрессор является практически единственным способом существенно повысить мощность двигателя.

Стоит добавить, что появление турбин последнего поколения позволяет также говорить о значительно возросшей надежности систем турбонаддува на бензиновых силовых установках.

Что касается дизельных моторов, то без турбокомпрессора сегодня такой двигатель и вовсе трудно представить, а ездовые показатели и уровень топливной экономичности делают турбодизель одним из лучших предложений на современном автомобильном рынке.

Еще статьи в этом разделе

Турбированный двигатель

Чем отличается атмосферный двигатель от турбированного

Начнем с того, что ситуация на современном рынке новых автомобилей заметно поменялась за последние 15-20…

Интеркулер

Масло в интеркулере дизеля

Попадание масла в интеркулер дизельного или бензинового ДВС является частой неисправностью, которая присуща исключительно моторам…

Турбокомпрессор

Охлаждение турбины дизельного двигателя

Обладатели турбомоторов часто задаются вопросом касательно необходимости охлаждения турбины перед тем, как заглушить мотор. Подобное…

Турбина с изменяемой геометрией VNT

Срок службы турбины на дизеле

Турбокомпрессор бензинового или дизельного двигателя изначально имеет достаточно большой ресурс, который планово может даже превышать…

Турбонагнетатель двигателя

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбокомпрессор является решением, которое устанавливается как на бензиновый, так и практический на каждый современный дизельный…

Нагнетатель с механическим приводом

Что лучше: турбина или механический компрессор?

Многие автолюбители очень часто задаются вопросом касательно того, какое решение окажется в итоге лучшим-турбина или…

Двигатель с компрессором

Устройство механического компрессора

Механический компрессор представляет собой одну из разновидностей систем наддува воздуха для увеличения мощности двигателя. Главной…

Страница 1 из 212