Турбина автомобильного двигателя что это

Что такое турбонаддув и зачем он нужен

Все мы знаем, как «валят» турбированные машины. Но четкого представления, что такое турбина и как она работает, не имеют многие даже бывалые водители. В данной заметке предлагаю разобрать этот вопрос досконально и простым языком. Сначала, как обычно, немного теории. Итак.

Чтобы быстрее ехать, двигателю нужно больше топлива. Однако, «не бензином единым»! 😉 Для эффективной работы любого ДВС, состав смеси в любой момент времени должен быть примерно одинаковым по соотношению воздух/топливо. Конечно, это соотношение для разных моторов и на разных режимах несколько варьируется, но считается, что для среднестатистического двигателя эта цифра составляет 14.7/1. То есть, именно при смешивании 14.7 частей воздуха и 1 части бензина, сгорание будет наиболее полным и, соответственно, эффективным. Такая условно-идеальная смесь называется стехиометрической .

Итак, мы неспешно едем, поршни засасывают в цилиндры необходимое количество воздуха (оно дозируется дроссельной заслонкой), а форсунки впрыскивают долю бензина — соответствующую данному количеству воздуха. Но вот, нам необходимо резко ускориться — мы давим педаль газа в пол. Поршни начинают двигаться всё быстрее, воздуха в каждый такт впуска поступает всё больше, а форсунки льют бензин всё обильнее, чтобы поддерживать идеальное соотношение смеси. И тут — засада. 🙂 После достижения определенных оборотов, воздух уже просто не успевает наполнять цилиндры необходимым объемом до того, как закроются впускные клапаны. Это первый вариант. Или, второй сценарий: воздух-то «зайти» успел, но на эффективность это уже не сильно влияет: для продолжения роста мощности при данном объеме цилиндра, воздуха нужно больше, чем физически может «засосать» из атмосферы поршень на такте впуска.
СпрОсите, почему нельзя просто залить больше топлива ? Можно. Вот только смесь уже будет не стехиометрической (помните?) — а значит, сгорание будет не полным. Расход топлива будет расти, а эффективность — нет.

Можно пойти по старому-доброму проторенному пути: увеличить рабочий объем двигателя. Воздуха будет поступать больше, а значит — и топлива можно будет сжечь тоже больше. Вырастет мощность. И всё бы хорошо, да вот только минусов у такого решения тоже хватает. Во-первых, это масса двигателя (теряем в экономичности). Во-вторых, это его возросшие габариты и инертность всех движущихся частей (труднее скомпоновать под капотом и тяжелее раскручивать). Ну и куча других факторов: экологичность, объем заправочных жидкостей, удобство обслуживания, и т.п.

А можно просто загнать больше воздуха в цилиндр не меняя его объем. Как? А очень просто — «вдуть» принудительно. 🙂 Вот для этого-то и придумали такую штуку как агрегатный наддув . Иными словами, компрессор (это общее название расхожего понятия «турбина», ибо есть различные варианты её исполнения) — это устройство, которое нагнетает воздух в цилиндры принудительно , создавая увеличенное по сравнению с атмосферным, давление. Кстати, наверняка слышали про «атмосферники»: да-да, это обычные двигатели без наддува, у которых давление поступившего в цилиндры воздуха примерно равняется атмосферному.

Как вы уже догадались, применение компрессора позволяет повысить мощность двигателя не увеличивая его рабочий объем. То есть снова возвращаемся к началу нашего повествования. Загнали больше воздуха в цилиндр — получили возможность «влить» в него больше топлива, не отклоняясь от примерного соотношения 14.7 / 1. Получили более мощный заряд смеси и, как следствие, более мощный её «взрыв» на такте рабочего хода. Мощность увеличилась. Profit!

Читайте также:  Какой двигатель будут ставить на ниву урбан

Как и в любом техпроцессе, здесь есть вагон и маленькая тележка нюансов и вариантов технической реализации данной схемы. Например, компрессор может работать от выхлопных газов (турбокомпрессор), а может приводиться ремнем (механический компрессор). В качестве механизма сжатия воздуха может выступать крыльчатка (центробежный компрессор), а может червячная пара («шнеки Лисхольма»). Может иметь регулируемые лопатки для изменения давления в разных режимах, а может не иметь. И так далее. Описание всех этих тонкостей займёт не одну страницу и не имеет смысла в рамках данного опуса.

Минусы двигателей с наддувом:

  • Как обычно, стоимость. Лишние детали, лишняя электроника, общее усложнение конструкции ДВС.
  • Относительная прихотливость турбины (на сегодняшний день, это наиболее распространенный вид компрессора). Но только относительная, а не те страшные сказки, которые вам нарисуют на форумах. Просто нужно почаще менять масло и лить не абы что, а предусмотренный производителем продукт, не подделанный в подвале.
  • Ресурс. Да, он несколько снижен по сравнению с атмосферными моторами, это факт. Компрессорные моторы в процессе эксплуатации, как ни крути, подвергаются бОльшим нагрузкам, нежели их атмосферные собратья.

А теперь, плюсы:

  • КПД. Основной аргумент. Увеличение мощности по сравнению с безнаддувным мотором такого же объема может достигать 20-50%, и даже больше. Но всегда нужно помнить, что чудес не бывает, и чем выше мощность наддУвного мотора — тем ниже его ресурс.
  • Расход топлива. Здесь, правда, до сих пор не утихают священные войны среди «адептов» двух школ, но современная регулируемая турбина позволяет уверенно ехать на средних оборотах там, где атмосферник вынужден будет крутиться в зоне высоких. А учитывая, что современные турбодвигатели уже сплошь и рядом оснащены непосредственным впрыском — более высокая экономичность становится очевидна даже непросвещенному в технических деталях водителю.
  • Экологичность. Поддержание максимально-стехиометрического состава смеси даже на высоких оборотах, позволяет ей наиболее полно и без лишней «сажи» сгорать в цилиндрах, обеспечивая более чистый выхлоп.

Резюмируя:

На данный момент, турбонаддув стал обыденностью даже на относительно недорогих автомобилях, и продолжает своё внедрение всё ниже по классовой лестнице машин. И несмотря на сниженный ресурс (кого это нынче волнует), более высокую стоимость и сложность, плюсов у данного типа двигателей всё же больше. Так что, друзья: всем бУста и качественного масла! 😉

Источник

—>Автозапчасти и СТО —>

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота.

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

Читайте также:  Дровокол конусный своими руками с двигателем от стиральной машины

— Установка турбонаддува
— Увеличение рабочего объёма двигателя
— Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

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.

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.

Читайте также:  Перестал работать шаговый двигатель

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.

При этом многие автопроизводители используют даже не два, а три турбокомпрессора, как например компания BMW в своей схеме triple-turbo. А вот инженеры, проектировавшие суперкар Bugatti, вообще оснастили силовой агрегат сразу четырьмя последовательными компрессорами, что позволило достичь уникальных мощностных характеристик при вполне «гражданском» поведении мотора в рядовых режимах езды.

Схема так называемого комбинированного наддува или, как ее называют автопроизводители, twincharger, подразумевает совместное использование механического и турбонаддува. При малых оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем, а турбина вступает в действие при увеличении числа оборотов. При этом механический нагнетатель отключается. По такой схеме работают наддувные моторы TSI компании Volkswagen.

Как видим, принципы работы турбонаддува достаточно просты и понятны. При этом сегодня автопроизводители всячески делают ставку на турбированные агрегаты малого рабочего объема, которые обеспечивают достаточную мощность при относительной экологической чистоте выхлопа.

Но не следует забывать и еще об одном серьезном недостатке – турбированный мотор испытывает гораздо большие нагрузки и, что вполне закономерно, имеет меньший моторесурс, чем безнаддувный агрегат. Соответственно, взвесив все преимущества и недостатки, и следует выбирать тот или иной силовой агрегат.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Источник

Оцените статью