Основных видов двигателей всего два: атмосферные и с турбиной. Принципиальная разница между ними заключается в способе поступления воздуха в двигатель. Атмосферный агрегат работает строго в соответствии с законами физики: направляясь вниз, поршень затягивает воздух, т.е. обеспечивает самостоятельное поступление воздуха в места более низкого давления. В турбированных двигателях помимо естественной разницы в давлении, искусственно создается принудительный наддув путем установки «вентилятора» на впуске.
Турбонаддув является одним из методов агрегатного наддува. Основным элементов турбонаддува является турбокомпрессор, реже турбонагнетатель.
Разработка турбокомпрессора проводилась в 80е-90е годы XIX столетия, в это же время были построены и первые образцы моторов внутреннего сгорания. В самом начале XX века впервые было проведено нагнетание с помощью отработавших газов, что позволило увеличить мощность на 120%, а это, в свою очередь, послужило толчком для более активного исследования, развития и внедрения в жизнь турботехнологий. Помимо этого, в 1911 гг. инженер из Швейцарии Альфред Бюхи зарегистрировал патент на принцип турбонаддува.
Первыми турбокомпрессоры стали использовать производители грузовиков, затем их поставили на спортивные машины и только в 1977 году впервые установили двигатель с турбокомпрессором на выпущенный с конвейера автомобиль «Saab», а в 1978 году турбокомпрессором впервые оснастили дизельный двигатель легкового «Mercedes-Benz».
Установка турбокомпрессора на авто с дизельным двигателем позволила не только повысить эффективность работы агрегата при сокращении расхода топлива, но и снизить коэффициент жаропрочности турбины благодаря более высокой (в сравнении с бензиновыми моторами) степени сжатия дизельных агрегатов, в результате чего турбины на дизельных автомобилях стали использовать все чаще.
Все просто: чтобы увеличить мощность двигателя необходимо сжечь в нем большее количество топлива, а вот чтобы его выработать, надо подать в мотор большой объем воздуха. Добиться этого можно путем увеличения объема самого мотора либо увеличением объема сжигаемого топлива при прежних размерах двигателя.
Много лет конструкторы разрабатывали, усовершенствовали, модернизировали моторы именно за счет увеличения их объемов и наращивания числа цилиндров. В целом назвать данный способ развития неэффективным нельзя т.к. в результате этих работ были созданы авиационные двигатели класса W12 и V16, рабочий объем которых составлял более сотни литров, и автомобильные V8. Но дальнейшее развитие в усовершенствовании моторов за счет их объема стало нерациональным в связи с их большим весом.
После того, как увеличение размера самого мотора потеряло всякий смысл, пришло время подумать, каким еще способом можно увеличить объем сжигаемого топлива. Оказалось, что сделать это можно за счет принудительного нагнетания воздуха в цилиндры с помощью наддува.
Для увеличения давления на впуске существует 2 основных способа: турбокомпрессор и механический нагнетатель.
Турбокомпрессор выглядит как сдвоенный корпус в виде улиток, принцип его работы - использование энергии выхлопных газов. Попробуем представить, как происходит нагнетание воздуха в турбокомпрессоре: в корпусе на одном валу вращаются 2 крыльчатки, одна из них раскручивается потоком отработавших газов, поступающих из выпускного коллектора, вторая же крутится за счета движения вала, цель второй крыльчатки – нагнать воздух во впускной коллектор.
На впуске механического нагнетателя используют воздушный насос (компрессор), который приводится в движение коленвалом двигателя. Минус в том, что агрегату на это приходится тратить часть своей мощности.
Как и у любого другого агрегата, у наддувных моторов есть свои плюсы и минусы.
Одним из минусов можно отметить работу двигателя при более высоких температурах и давлении, что приводит к более скорому изнашиванию, но нужно учитывать, что моторы с турбонаддувом производят с более высоким запасом прочности.
К минусу так же можно отнести и саму сложность конструкции наддувных моторов т.к. более сложный двигатель имеет большее количество датчиков, трубопроводов, нагревающихся мест, что увеличивает стоимость диагностики при выявлении неисправности, а также нахождение самой поломки.
Помимо этого, некоторые автовладельцы отмечали нестабильность тяги у турбодвигателей, но это касается старых машин и связано с так называемым «турболагом» (время, необходимое для раскрутки крыльчатки выхлопными газами), с новыми технологиями данная проблема была решена.
Таким образом, явным минусом бензинового двигателя с турбиной можно назвать только его срок службы, который составляет примерно 120-150 тыс. км., после чего автовладельцу придется выложить приличную сумму за ремонт.
Разобравшись с минусами, давайте поговорим о плюсах.
Главные плюсы турбодвигателей представляют собой цели этих разработок, которые, безусловно, оправдали ожидания своих изобретателей: высокая мощность и низкий расход топлива.
Что касается мощности, то на серийных двигателях ее смогли увеличить от 20 до 100%, на спортивных в разы больше этих показателей.
Снижение расхода топлива обеспечено за счет меньшего рабочего объема турбомотора, что делает его легче. С помощью турбонаддува двигатель хорошо тянет с низов и на малых оборотах обеспечивает меньшее трение, чем снижает потерю энергии и увеличивает КПД. Нужно отметить, что экономия топлива достигается при небольших и средних скоростях.
Еще одним плюсом двигателей с турбиной является стабильность крутящего момента. Связано это с тем, что турбина управляется электроникой, что обеспечивает равномерное, полное наполнение цилиндра. Помимо этого, возможность подавать оптимальное количество воздуха для наиболее эффективного сгорания топлива позволяет создавать так называемую «полку» крутящего момента.
Покупать или нет авто с турбодвигателем вопрос двоякий. С одной стороны, если вы планируете покупку новой машины, то лучше брать с турбомотором т.к. он будет иметь более высокую мощность и экономичность при других равных показателях, а при правильной эксплуатации ездить на нем можно будет достаточно долго. Если же вы планируете покупку подержанного авто, то обязательно надо смотреть состояние двигателя и пробег.
Несмотря на то, что сегодня большинство машин, как в России, так и в Европе выпускаются с атмосферными двигателями, с уверенностью можно сказать, что будущее за турбомоторами.
ru.megasos.com
Турбированный дизельный двигатель является успешной попыткой разработчиков сделать дизель, который не будет уступать по отдаче двигателю внутреннего сгорания, который работает на бензине, при любых режимах работы. На обслуживание устройства наддува не понадобится большое количество энергии мотора. Помимо этого, вся даровая энергия, которая тратится непосредственно на сжатие воздуха, на порядок увеличивает коэффициент полезного действия двигателя автомобиля.
Следовательно, значительно снижаются потери, которые необходимы для трения, и это сопровождается небольшим весом самого двигателя. Казалось бы, что все автомобили с турбонаддувом должны были бы быть более экономичными и выгодными, так как это именно то, чего пытались добиться конструкторы. Тем не менее, не все так гладко, как хотелось и как кажется.
Современные турбины имеют иногда скорость вращения, которая может достигать 200 000 оборотов за минуту, при этом температура газов будет составлять до 1000 градусов. Для того, чтобы сделать устройство турбонаддува, которое будет способно выдерживать достаточно высокие нагрузки на протяжении длительного периода, необходимо не только значительная денежная сумма, но и определенное количество времени.
Именно исходя из этих соображений системы турбонаддува были широко распространены лишь в авиационных конструкциях периода 1941-1945 гг. После окончания войны данные устройства начали применятся и в разного рода тракторах и грузовиках.
Турбокомпрессоры для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания применялись уже на первых этапах развития данного вида технологий. Впервые запатентованный в первом десятилетии прошлого столетия турбокомпрессор сыграл особую роль в конструировании военной авиации. Первые серийные автомобили, которые имели турбированные дизели, изготавливались по большей части в Германии во второй половине двадцатого века.
Сразу же следует отметить один момент: нет особых различий в конструктивной составной турбонаддувов для разных моделей автомобилей. Есть всего небольшие вариации, которые относятся к размерам, дизайну и некоторым узлам. Если прислушаться к инструкторам по вождению, то множество из них употребляют термин «турбина», для обозначения нужного нам узла. Важно заметить, что это является ошибочным утверждением.
Турбина – это всего лишь часть турбонаддува, которая состоит из корпуса, уплотнительной системы, вала с крыльчатками и двух улиток. Кроме того, в ее состав входят два опорные подшипника скольжения. В данное устройство не крепится пневмопривод, посредством которого в работу приходит перепускной клапан. Следует отметить, что некоторые модели вообще не имеют данное устройство в своем арсенале. Основной целью перепускного клапана является регулировка оборотов турбины и производительности компрессора.
Когда уже на непосредственном выходе давление воздуха переваливает за допустимое, то устройство пневмопривода, которое открывает клапан, задействуется, вследствие чего небольшая составная выхлопных газов напрямую выходит в выхлопную систему. Именно из-за этого обороты турбины на порядок снижаются.
Турбина являет собою крыльчатку, которая располагается на валу и приводит во вращение устройство компрессора. Данный агрегат изготовляется из жаростойкого сплава, в то время как вал изготовляется из среднелегированной стали, а устройство компрессора из алюминия. Важно заметить, что эти детали не могут быть отремонтированы, вследствие чего они попросту заменяются на новые. Исключением из этого является только вал, иногда который можно перешлифовать и под него сделать новые подшипники.
Не секрет, что для того, чтобы топливо горело необходимо условие наличия кислорода. Непосредственно в цилиндрах двигателя сгорает воздушно-топливная смесь, а не само топливо. Так, происходит смешивание топлива с воздухом в определенном соотношении. Важно заметить, что воздуха при этом требуется достаточно топлива. Существует простая закономерность: увеличение подачи топлива влечет за собой увеличение подачи воздуха. В стандартных двигателя внутреннего сгорания воздух получают цилиндры из-за небольшой разницы в давлениях в цилиндре и атмосфере.
Такого рода зависимость является прямой, так как больший объем цилиндра предполагает большое потребление кислорода. Все отработанные выхлопные газы, которые идут из двигателя внутреннего сгорания автомобиля, вращают ротор турбины определенным образом. Он, в свою очередь, знаменует начало движения механизма компрессора, посредством которого происходит доведение сжатого воздуха напрямую в цилиндры.
Тем не менее, перед этим сам воздух будет проходить через интеркулер, где будет охлаждаться. Таким образом, чем быстрее турбина вращается, тем больше в турбину будет попадать выхлопных газов. А это означает, что большее поступление воздуха в цилиндры будет знаменовать увеличение мощности двигателя внутреннего сгорания.
Принцип работы двигателя с турбонаддувом базируется на использовании энергии от выхлопных газов. Так, при покидании цилиндра, все отработанные газы будут направляться в крыльчатку турбины, где будут вращать ее и закрепленную на одном валу с ней турбину компрессора, который встроен в систему подачи воздуха к цилиндрам.
Так, в отличии от дизелей атмосферных, турбокомпрессорные агрегаты имеют подачу воздуха в цилиндры принудительную и под высоким давлением. В результате будет возрастать объем воздуха, который попадает непосредственно в цилиндр за один цикл. Если к этому добавить еще и увеличение объема сгорающего топлива, то прирост мощности будет достаточно существенным – в 25%. Для большего повышения объема воздуха, который поступает в цилиндры, дополнительно используется интеркулер.
Данное специальное устройство позвано охлаждать атмосферный воздух перед своим нагнетанием в мотор. Так, никому не секрет, что холодный воздух будет занимать значительно меньше места, чем воздух теплый. Таким образом, при непосредственном охлаждении в цилиндр будет доставляться большее количество воздуха.
Результат вполне очевиден. Турбодизель будет иметь менее эффективный расход топлива, при этом его объемная мощность будет достаточно высока. Все это обеспечит способность в существенном наращивании суммарной мощности двигателя без увеличения числа оборотов и его габаритов.
Сложность конструкции и дороговизна турбонаддува – это не самые существенные недостатки данного устройства. Важно заметить, что то, насколько эффективно будет функционировать турбина, напрямую зависит от оборотов двигателя внутреннего сгорания. Если выхлопных газов мало и обороты довольно невелики, то ротор будет достаточно слабо раскручиваться. В таком случае компрессор не будет давать цилиндрам дополнительную порцию воздуха. Именно из-за этого бывают случаи, когда двигатель не будет дотягивать до 3000 оборотов и будет выстреливать лишь после 4000. Такая заминка называется турбоямой.
Чем больший размер имеет турбина, тем больший промежуток времени уходит на ее раскрутку. Это будет означать, что все двигатели внутреннего сгорания, которые оснащиваются турбинами с высоким уровнем давление, и, следовательно, с высокой мощностью будут страдать турбоямой в первую очередь. Турбины, посредством которых обеспечивается низкий уровень давление, не будет подобных провалов.
Тем не менее, из-за этого и поднимаемая мощность будет не очень высокой. От турбоямы можно избавиться посредством схемы с последовательным наддувом. В таком случае на малых оборотах будет начинать работать малоинерционный турбокомпрессор, при помощи которого будет происходить увеличение тяги на низких оборотах, а на высоких, при помощи повышения давления на выпуске будет включаться иной механизм.
Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.
Была ли эта статья полезна?Да Нет
auto.today
Турбонаддув — эффективная система повышения мощности двигателя. Помимо этого он обеспечивает экономию топлива и снижение токсичности отработавших газов. Рассмотрим плюсы и минусы двигателей с турбонаддувом.
Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.
Турбонаддув применяется как на бензиновыхи дизельных двигателях. Наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения мотора. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов и соответствующий нагрев турбонагнетателя.
Отличительной особенностью двигателя с турбонаддувом является наличие: турбокомпрессора, интеркулера, регулятора давления наддува, предохранительного клапана и других элементов. Турбокомпрессор — является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе.
Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа.
Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан. Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя часть в обход турбинного колеса, обеспечивая оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува.
Также устанавливается предохранительный клапан. Он защищаетот скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферус помощьюблуофф-клапана или перепускаться на вход компрессора с помощьюбайпас-клапана.
Работа системы турбонаддува основана на использовании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулереи поступаетв цилиндры двигателя.
Турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя и эффективность работы системы зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше обороты мотора, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.
Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основномна мощныхV-образных двигателях. Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая. При установкена двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора —triple-turboи даже четыре турбокомпрессора —quad-turbo.
Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув.На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается.
В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педальгаза — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбо подхват.
Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен воздушный фильтр.
Недостаток системы турбонаддува – чувствительность к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходуиз строя всего двигателя.
autosam.su
