Крутящий момент двигателя: что это такое

Визуальный осмотр

В самом начале проведения диагностики проверяется уровень и качество моторного масла

Также очень важно, чтобы внутрь турбокомпрессора не попадали сторонние предметы

Затем можно приступать к анализу выхлопного газа. Уменьшение мощности и общей динамики, а также черный выхлоп указывает на переобогащение топливной смеси. Это может быть вызвано недостаточным количеством подаваемого в цилиндры кислорода из-за неисправностей в системе впуска. Иногда мощность падает из-за утечек на выпуске.

Для проверки потребуется завести двигатель и послушать нет ли посторонних шумов при работе турбокомпрессора. Не должно быть свистящих или скрипящих звуков, шума прорывающегося воздуха в местах соединения и тому подобного. Проверяются на герметичность патрубки по которым подается воздух в мотор. Наличие любых неплотностей или повреждений недопустимо

Важно проверить состояние воздушного фильтра – загрязнения снижают его пропускную способность, что ведет к недостаточному количеству воздуха в цилиндрах

Появление белого или сизого дыма может быть вызвано как неисправность самого компрессора, так и других узлов двигателя. На эту проблему может также указать и резко возросший расход масла.

При таких обстоятельствах следует еще раз перепроверить воздушный фильтр и ротор турбины. Забитый фильтр не пропускает достаточного количества воздуха, а это ведет к перепаду давления между корпусом и картриджем с подшипниками, из него начинает течь масло и попадать в корпус компрессора. Если и здесь все в порядке, тогда следует осмотреть сливной маслопровод на присутствие перегибов, повреждений и т.п.

Турбонагнетатели: плюсы и минусы

Принцип действия обычных компрессоров, которые приводятся в движение ременной или кривошипно-шатунной передачей в том, что устройство и принцип действия таких устройств потребляют энергию двигателя. На двигатель создается дополнительная нагрузка.

Турбонагнетатели используют дармовую энергию. Такой принцип действия почти идеальный, так как отработанные газы попросту выбрасываются, а здесь они еще служат приводом ротора и сидящих на нем колес.

Турбонаддув может получить развивать мощность до 300 лс с одного литра объема.
Двигатель с установленным турбонагнетателем (турбонаддувом) может развивать мощность на 40% больше, чем ДВС без него. К тому же, турбированные движки намного экономичнее. У ДВС без турбонагнетателя низкий КПД из-за потери на трение и низкой тепловой эффективности.

Соответственно, при увеличении объема двигателя без турбированного наддува, коэффициент полезного действия еще ниже. Турбированные моторы с малым объемом эффективнее ДВС с большим объемом.

Недостатки турбонагнетателей

При эксплуатации этого устройства появляется, так называемый, эффект турбоямы. Так привод осуществляется без механического соединения с валом двигателя, а за счет физического воздействия газов, то иногда появляется несоответствие в работе турбонаддвува и самого двигателя. То есть, мощность, которую задает водитель нажатием на педаль газа не соответствует мощности компрессора. Такие проблемы в работе составных устройств мотора можно выявить, если делать диагностику авто через ноутбук.

У турбонагнетателей есть еще такие недостатки, которые присущи обычным компрессорам. Чтобы их работа была максимально эффективной, они должны вращаться на максимальной скорости. К тому же, при таком режиме работы температура некоторых деталей доходит до 1000 С, также есть сложность в смазке и отведении тепла.

Высокие температуры уменьшают качество смазки и создают очень горячий поток входящего воздуха. Охлаждение нагнетаемого воздуха — острый вопрос.
Для обеспечения эффективного охлаждения подбирается интеркулер с особой тщательностью по данным режима работы устройства.

В конструкции устройства турбонагнетателя, как и любом другом нагнетающем устройстве, должен быть вмонтирован спускной клапан (стравливающий избыточное давление). С турбиной немного сложнее. В турбине, помимо, отслеживания избыточного давления наддува нужно еще перепускать отработанные газы, чтобы обеспечить снижения излишнего давления во впускном коллекторе для исключения образования чрезмерно высокой скорости вращения ротора при больших оборотах ДВС.

Для увеличения ресурса эксплуатации турбонаддува, турбине надо дать остыть на холостом режиме работы мотора после работы на очень высоких оборотах. Достаточно дать поработать на холостых оборотах несколько минут, затем мотор можно заглушить.

Для удобства водителям, создан специальный турботаймер. Турботаймер — электронное устройство, которое после выключения замка зажигания, позволяет мотору еще некоторое время работать, чтобы эксплуатировать турбонагнетатель в щадящем режиме и не сломать его. Его можно запрограммировать на определенное время или сделать, чтобы работал в зависимости от температуры нагрева двигателя.
Если турботаймера нет, то водителю надо самостоятельно ждать несколько минут на холостом ходу и не глушить мотор сразу.

Как работает турбонаддув в машине

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

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

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

Видео — для чего нужен турбокомпрессор и как он работает:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Газотурбинный наддув

Устройство турбонаддува

Чаще всего моторы современных автомобилей оснащаются газотурбинными нагнетателями. Их устройство сходно с механическими компрессорами, различается лишь принцип действия – вместо зубчатого ремня работают выхлопные газы.

«Турбина включилась, и машине как будто пинка дали», — такое довольно часто можно услышать от автовладельцев, моторы машин которых имеют турбонаддув. На самом деле турбина – это только одна из составных частей всей системы, представляющая собой крыльчатку, жестко закрепленную на валу и приводящую в действие другую крыльчатку, также закрепленную на этом же валу. Устройство турбонаддува газотурбинного типа несколько сложнее.

Основными составными частями являются:

• корпус;
• две крыльчатки;
• вал, на котором располагаются крыльчатки;
• две улитки, в которых вращаются крыльчатки;
• три подшипника скольжения (один упорный и два опорных);
• перепускной клапан (необходим для стравливания избыточного давления).

Принцип работы турбонаддува

Принцип работы турбонаддува довольно прост. На одном валу расположены крыльчатка-нагнетатель и крыльчатка-турбина, каждая из которых вращается в своей улитке. Отработавшие газы из выпускного коллектора проходят через одну из улиток и вращают крыльчатку-турбину. Вращение посредством общего вала передается второй крыльчатке, которая повышает давление атмосферного воздуха, проходящего через вторую улитку.

Турбонаддув с использованием отработавших газов

В системах турбонаддува с использованием отработавших газов некоторая часть энергии отработавших газов преобразуется в механи­ческую энергию, необходимую для привода нагнетателя при помощи турбины (турбонаг­нетателя отработавших газов). Таким образом, этот процесс использует некоторую часть энтальпии, которая на безнаддувных двигателях остается неиспользованной. Однако эти си­стемы вызывают увеличение противодавле­ния отработавших газов. Для сжатия воздуха в таких системах используются исключительно гидрокинетические компрессоры.

Рис. «Сравнение кривых мощности и крутящего момента двигателей без наддува и с турбонаддувом»

Турбонагнетатели отработавших газов обычно применяются для создания высокого давления наддува даже при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Другими словами, турбина турбонагнетателя рассчитана на среднюю частоту вращения. При этом следует учитывать, что при высоких частотах вращения давление наддува может возрастать до уров­ней, которые вызовут чрезмерные нагрузки на двигатель. Поэтому турбина снабжается пере­пускным клапаном, который при определенной частоте вращения начинает пропускать часть потока отработавших газов мимо турбины. При этом энергия этих отработавших газов остается неиспользованной. Значительно более удовлет­ворительные результаты (т.е. высокое давление наддува в нижнем диапазоне оборотов и в то же время возможность избежать перегрузки в верхнем диапазоне) могут быть получены при использовании турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VTG). В этих системах за счет изменения положения направляющих ло­паток осуществляется регулирование сечения потока и угла атаки рабочих лопаток (и, таким образом, давления отработавших газов, посту­пающих на турбину) (см. «Турбо­нагнетатели»).

Преимущества турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Значительное увеличение выходной мощ­ности на литр рабочего объема;
• Значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности;
• Снижение содержания токсичных продук­тов в отработавших газах;
• Сравнительно небольшой занимаемый объем;
• Может быть использован совместно с си­стемами рециркуляции отработавших га­зов низкого давления.

Недостатки турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Установка турбокомпрессора в тракте с «горячими» отработавшими газами требует применения термостойких материалов;
• Повышенная тепловая инерция в системе выпуска отработавших газов;
• Без принятия дополнительных мер сравни­тельно низкий пусковой крутящий момент в случае установки на двигателях с малым рабочим объемом.

Специальные виды турбонаддува

В электрифицированных системах турбонаддува используется дополнительный электродвигатель, приводящий во вращение турбонагнетатель при отсутствии потока отработавших газов. Преиму­щество такой системы заключается в обеспече­нии турбонаддува в переходных режимах работы двигателя и при низких частотах вращения. Эти системы пока что не нашли применения в серий­ном производстве автомобилей ввиду их большой сложности и высокой потребляемой электриче­ской мощности. Применение электрифицирован­ных систем турбонаддува позволит значительно уменьшить занимаемый системой объем.

Еще один специальный вид турбонаддува — системы турбонаддува с использованием энер­гии волн сжатия, которые пока что не нашли применения в серийном производстве. Принцип действия основан на отражении волн сжатия во вращающемся секционном роторе (см. «Нагне­татели и турбонагнетатели»). Основным преи­муществом является очень высокое быстродей­ствие, обеспечивающее быстрое нарастание крутящего момента в переходных режимах. Од­нако применение таких систем связано с высо­кими затратами, а необходимость в отдельном приводе создает проблему нахождения соответ­ствующего свободного пространства.

Технологии двойного турбонаддува

Технологии двойного турбонаддува разделяются не на Twin-Turbo и Bi-Turbo, а на параллельную, последовательную и ступенчатую.

Самая простая технология, которую, как я уже писал выше, многие ошибочно называют Twin-Turbo, это параллельная, которая состоит из двух одинаковых и постоянно задействованных турбин. Такой вид двойного турбонаддува идеально подходит для V-образных двигателей, поскольку выход каждой турбины можно направить не только в один общий впускной коллектор, но и раздельно во впускной коллектор каждого из двух блоков цилиндров.

Последовательная
технология, которую ошибочно называют Bi-Turbo, состоит из основной и
вспомогательной турбин, выходы которых соединяются параллельно и
направлены в один общий впускной коллектор. При этом последовательной
эта технология называется потому, что турбины задействуются
последовательно. Основная турбина может быть задействована, как только
на низких оборотах двигателя, так и постоянно, а вот вспомогательная,
задействуется только на высоких оборотах двигателя.

Самая
сложная технология двойного турбонаддува это ступенчатая, которая
является подвидом последовательной технологии. Главное её отличие в том,
что вспомогательная турбина соединена с основной не параллельно, а
последовательно, то есть с выходом основной турбины. В этом случае
основная турбина задействована постоянно и когда задействуется
вспомогательная турбина, то она увеличивает давление, создаваемое
основной турбиной.

Любая
из этих технологий двойного турбонаддува у разных автопроизводителей
может называться как Twin-Turbo, так и Bi-Turbo или просто Turbo.

Ещё публикации по теме:

Понравилась публикация? Поделись!

Преимущества

Теперь рассмотрим основные положительные черты каждого из видов двигателей.

Атмосферный мотор

Атмосферный мотор имеет следующие плюсы:

Большой ресурс.

За все годы применения атмосферный тип двигателей показал себя в отношении трудоспособности и выносливости только с лучшей стороны.

При этом не имеет значения, какое топливо является основным – бензин или солярка. Есть моторы, которые спокойно проезжают по 400-500 тысяч километров без серьезного вмешательства.

Истории известны и такие экземпляры атмосферных «сердец», когда кузов полностью выгнивал, а мотор еще долго дохаживал на другом автомобиле.

Простота в эксплуатации и надежность.

Все мы знаем, что чем проще аппарат, тем он надежнее. Здесь «золотая середина» идеально соблюдена.

Особый плюс, которым обладает атмосферный двигатель — способность справляться даже с бензином очень низкого качества.

Здесь более подробно можно узнать про автомобильное топливо и его стандарты.

Конечно, не исключены определенные сбои, но на общую функциональность и ресурс это сказывается незначительно.

Если же и потребуется ремонт, то затраты на него будут минимальными.

Ремонтопригодность.

Обусловлена простотой конструкции, о которой мы уже упоминали. Атмосферный мотор при необходимости можно перебрать до последнего винтика и собрать все обратно.

Следовательно, в сравнении с турбированным двигателем ремонт обходится намного дешевле.

Турбированный мотор

Турбированный мотор имеет следующие преимущества:

• более высокую мощность и крутящий момент, если сравнивать с обычным ДВС при аналогичном объеме двигателя. В итоге автолюбитель может наслаждаться много лучшей динамикой в движении;
• данный вид мотора менее вреден для окружающей среды, ведь за счет дополнительного наддува воздуха поступающая топливная смесь сгорает практически без остатка;
• меньшую шумность (атмосферный мотор этим не может похвастаться).

Что необходимо для установки турбины

Помимо самой турбины, в системе присутствуют еще некоторые компоненты, которые не обходимы для её работы. Такими компонентами являются:

Выпускной коллектор турбины.

Так как турбина работает на отработавших газах, её нужно врезать в магистраль выхода выхлопных газов из двигателя. Поможет на в этом так называемый специальный выпускной коллектор. Вот так вот она выглядет в сборе с турбиной.

Пайп для вывода отработавших газов

Еще одним необходимым элементом системы с установленным турбокомпрессором является специальный пайп для вывода отработавших газов наружу.

Кстати говоря в него нужно встраивать датчик лямбда зонда. Вот так это выглядит.

Магистраль подачи воздуха

Следующий необходимый элемент это сооружение магистрали подачи воздуха. Тут используются алюминиевые трубки и силиконовые патрубки для их соединения.

Прежде чем попасть воздух в мотор, для его более эффективного использования его нужно охладить. Для этого применяется интеркуллер. Вот так вот он выглядит.

На картинки он уже вместе с необходимыми патрубками. Следует отметить, что так как в турбину поступают отработанные газы, то она очень сильно нагревается, и просто необходимо подвести к ней канал с охлаждающей жидкостью.

Так – же обороты крыльчатки турбины очень высокие, и для обеспечения её долгой и надежной работы, необходимо подвести к ней масло канал из двигателя.

Электроника

Если вы решили установить турбину на свой автомобиль, то необходимо позаботится о форсунках. Форсунки нужно приобреси с более высокой производительностью, так мощность двигателя возрастет и стандартных форсунок просто напросто не хватит. У народных тюнеров пользуются спросом форсунки от субару, ну или более дешевый вариант — поставить волговские.

Так же стоит уделить внимание и на ЭБУ. Так как стандартная программа больше не подойдет, ее нужно будет менять и откатывать онлайн

Для этого нужно будет воспользоваться услугами настройщиков у которых есть специальное оборудование для этого.

Виды систем турбонаддува

Турбонаддув, устанавливающийся на современные двигателя, можно разделить на 3 вида:

• Резонансный. Особое распространение получил на двигателях с распределенным впрыском. Работа основана на кинетической энергии объема воздуха, при этом происходит повышение давления воздушно-топливной смеси в момент открытия впускного клапана;
• Газотурбинный. Является более популярным и приводится в действие выхлопными газами;
• Объемный нагнетатель. Привод таких турбин выполняется в основном ременной передачей, а работает она по принципу обычного механического компрессора.

Так как наиболее распространенным видом является все-таки газотурбинные системы, то и рассмотрим конструкцию принцип работы турбонаддува именно этого типа. Итак, турбина – это механизм, состоящий из корпуса, в котором вращаются вал с крыльчаткой. На конструкции навешен пневмопривод, роль которого состоит в активации перепускного клапана, который необходим для регулировки вращения турбины. То есть это выглядит следующим образом: в процессе нагнетания воздуха компрессором происходит повышение давления, пневмопривод в этот момент открывает клапан и выбрасывает часть газов в выхлопную систему, тем самым уменьшая скорость вращения турбины.

Турбонаддув

Турбонаддув работает по такой схеме: отработанные газы выводятся из выпускного коллектора на лопасти турбинного колеса, оно приводит в движение, находящееся с ним на одном валу, компрессионное колесо, которое, в свою очередь,во время вращения создает большое давление воздуха и подает его во впускной коллектор двигателя. Увеличенное количество воздушно-топливной смеси. Этот процесс в конечном итоге приводит к повышению мощности двигателя автомобиля.

Преимущества и недостатки турбированного двигателя

Как и любой другой двигатель, турбированный тоже обладает своими преимуществами и недостатками.

Преимущества:

1. Самое главное преимущество турбированного двигателя – высокая мощность. Пожалуй, это главная цель, которую получили при минимальном изменении конструкции двигателя. При одинаковом объеме с атмосферным двигателем, турбированный может выдавать мощность и крутящий момент на 70 процентов больше.

2. Турбокомпрессор позволяет снизить содержание вредных веществ в выхлопном газе, что делает такой двигатель намного экологичнее. Это связано с тем, что воздух в цилиндрах сгорает намного эффективнее и полностью, в связи с этим, количество выхлопных газов уменьшается, а то и вовсе пропадает по пути в компрессор.

3. Двигатель, оборудованный турбиной, имеет низкий уровень шума, в отличие от атмосферного аналога.

4. Турбированный двигатель можно установить практически на любой автомобиль. Это связано с тем, что его конструктивные особенности мало чем отличаются от обычного ДВС. А значит, при равном объеме, они имеет такие же габариты, что позволяет монтировать его на те же крепежные элементы. Данное свойство касается как бензиновые, так и дизельные двигатели.

Недостатки:

1. Пожалуй, это самый логичный недостаток из всех – повышенный расход топлива. Дело в том, что при потреблении большего объема воздуха, необходимо и соответствующее количество топлива. Решить эту проблему невозможно, так как двигатель, раскручиваясь быстрее, будет самостоятельно закачивать требуемый уровень топлива.

2. Очень большие трудности в эксплуатации. Они связаны с высокой чувствительностью качества топлива и моторного масла. Если атмосферный двигатель менее привередлив к этим показателям, то турбированный может запросто выйти из строя.

3. В дополнение ко второму недостатку можно отметить очень низкий срок службы масло и его фильтра. Дело в том, что турбированный двигатель строится на основе обычного ДВС, а значит, рассчитан на такой же пробег и количество оборотов. Так как турбированный двигатель чаще работает на повышенных оборотах, соответственно масло быстрее теряет свои свойства.

4. Большие цены. Суть данного вопроса начинается с того, что цена на турбину и ее комплектующие изделия достаточно высокая. Соответственно турбокомпрессор очень дорого ремонтировать, что не каждому по карману.

5. Есть некоторые особенности охлаждения турбины после долгой поездки. Дело в том, что она достаточно сильно перегревается и может остыть только на холостых оборотах. Поэтому, прежде чем глушить двигатель, ему дают поработать еще около двух минут.

6. Двигатель с турбокомпрессором в сборе стоит дороже своего атмосферного аналога на 20-30 процентов.

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.

Плюсы и минусы турбомотора

В плюсе — понятное дело: увеличение мощности мотора, улучшение динамики машины и снижение вредных выбросов за счет более полного сгорания смеси. К плюсам можно отнести и более устойчивую работу двигателя в условиях высокогорья.

Но за эти плюсы придется очень многим заплатить (минусы):

Увеличенный расход топлива. При равных объемах, двигатель с турбонаддувом будет потреблять больше топлива примерно на 20%, но и выдавать лошадиных сил на 70% больше.

Ресурс турбодвигателя. Увеличение мощности двигателя при таких же массово-габаритных показателях, приводит к повышенному износу основных узлов. Результатом этого является уменьшение ресурсных возможностей двигателя.

Масляное голодание. Снижается устойчивость к износу поршневой группы. Этому способствует то, что возрастает давление со стороны картерных газов. При работе продолжительное время в таких условиях может возникнуть «масляное голодание». Оно в свою очередь может привести к поломке турбокомпрессора. Ресурс самой турбины так же невелик 100-150 тыс.км.

Турбояма и турбоподхват. Турбояма возникает когда резко нажимают на педаль газа, а турбина еще не успела набрать обороты. Турбоподхват возникает сразу после прохождения турбоямы, когда резко увеличивается давление выхлопных газов, что ведет к перегреву турбины.
Существует несколько способов решения данной проблемы:

применение турбины с изменяемой геометрией;
использование двух параллельных турбонагнетателей;
использование двух последовательных турбонагнетателей;
комбинированный наддув.

Качественное топливо и масло. Заправлять топливо придется только высокого качества, в противном случае турбина может очень быстро умереть. Помимо этого, использование турбины предполагает наличие моторных масел особых сортов, которое вдобавок придется в два раза чаще менять. Так же высокие требования предъявляются и к воздушному фильтру, который тоже придется менять гораздо чаще.

Дорогостоящий ремонт и обслуживание. Конструкция и устройство турбины довольно сложны и применяются там только качественные материалы, поэтому и стоимость их не маленькая.

Кроме этих минусов, есть ещё особенности в управлении двигателем:

Запуск турбодвигателя при низкой температуре. Запускать турбодвигатель при низкой температуре рекомендуется с предварительной прокруткой. Сначала стартером делаются 2 – 3 короткие прокрутки, после чего производится запуск турбодвигателя на холостых оборотах. Предварительная прокрутка позволяет запустить циркуляцию масла в двигателе и начать постепенное заполнение системы маслом, что предотвратит масляное голодание.

Выключение двигателя с турбиной (термоудар) Главным «врагом» турбины является так называемый «термоудар». При движении на высоких скоростях число оборотов турбины составляет более 100 тыс. об/минуту. При этом сама турбина, естественно, сильно нагревается.

Охлаждение турбины происходит с помощью масла, циркулирующего в самом устройстве. Если охлаждающий поток масла вместе с остановкой двигателя резко остановится, то турбина перегреется и выйдет из строя. Поэтому после больших нагрузок, перед остановкой, турбомотору надо какое то время поработать на холостом ходу.

Работа турбомотора на холостых оборотах. Долгая работа турбированного двигателя на холостых может привести к протечкам масла в местах соединений.

В данной ситуации давление масла в турбине гораздо выше чем давление подаваемого воздуха, что способствует протеканию масла через соединения, это будет заметно по характерному синему цвету выхлопа. Масло будет оседать на элементах турбины в виде нагара, что по мере пробега скажется на ее ресурсе.