Принцип работы турбонаддува

Турбонаддув. Есть Плюсы и Минусы - фотография 1

Турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива и снижение токсичности отработавших газов. 

Это вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

Турбонаддув применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. 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 их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува.

Также может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана.

Принцип работы двигателя с турбонаддувом

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 интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбоподхват.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на 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-turbo и 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. Примером такой системы является двойной наддув моторов TSI от Volkswagen.

Минусы двигателя с турбонаддувомО плюсах мы поговорили в начале статьи, теперь расскажем про минусы двигателя с турбонаддувом. Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – более 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 к вниманию владельца воздушный фильтр.

Еще один явный недостаток системы турбонаддува – она очень чувствительна 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 выходу из строя всего двигателя.

Наличие технически сложного турбонаддува двигателя делает мотор автомобиля более сложным, увеличивая число деталей, а значит, снижая общую надежность. К тому же, ресурс самого турбокомпрессора значительно меньше, чем аналогичный показатель двигателя в целом.

Устройство и принцип работы турбонагнетателя - фотография 4Преимущества турбонаддува - фотография 5Недостатки - фото 6

Турбонаддув описание,принцип работы,устройство,фото . - фото 7

Устройство и принцип работы турбонагнетателя

Twin- и Biturbo - фотография 10

Главная деталь нагнетателя, выполняющая основную функцию – это крыльчатка с лопастями. Вращаясь с огромной скоростью (200 тыс. оборотов в минуту) и действуя как компрессор, она закачивает воздух в турбинную камеру.

После этого происходит сжатие воздуха, за счет чего объем, который этот воздух занимает, уменьшается. Однако давно известно, что по законам физики во время сжатия воздух имеет свойство нагреваться. И это является главным недостатком системы турбонаддува.

Разумеется, эта проблема не могла пройти мимо внимания конструкторов. Решая эту задачу, специалисты попробовали использовать промежуточное охлаждение воздуха на пути его перехода в двигатель.

В результате появился интеркулер. В этом устройстве применяется эффект теплообменника, который имеет свойство охлаждать воздух за счет хладагента. Интеркулер способен увеличить мощность мотора до 20%, и при этом он еще снижает вероятность детонации выхлопных газов.

Особой разницы между турбонаддувом бензиновых и дизельных двигателей почти нет. Отличие лишь в степени наддува. Дизельные двигатели требуют большего давления, и поэтому они оснащены более мощными нагнетателями воздуха. В бензиновых моторах установлены нагнетатели меньшей мощности, потому что при слишком большом давлении в камере сгорания может возникнуть детонация.

Преимущества турбонаддува

Twincharger - фото 11

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.

Недостатки

Устройство турбокомпрессора - изображение 12

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

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

 

  1. перепускной клапан наддува (bypass);
  2. клапан управления подачей воздуха;
  3. датчик разности давлений;
  4. клапан управления подачей отработавших газов;
  5. вторичный турбокомпрессор;
  6. интеркулер;
  7. первичный турбокомпрессор;
  8. 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

 

  1. охладитель наддувочного воздуха;
  2. перепускной клапан наддува (bypass);
  3. турбокомпрессор ступени высокого давления;
  4. турбокомпрессор ступени низкого давления;
  5. 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

Twincharger

Объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем (т.к. эффективность турбины в этой зоне низкая). С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Принцип работы турбины: видео - изображение 22

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:

- Установка турбонаддува

- Увеличение рабочего объёма двигателя

- Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

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.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 1217)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты