Турбонаддув: как устроен и как работает

Турбонаддув уже стал стандартной технологией для большинства современных автомобилей. Этот элемент теперь настолько привычен, что постепенно с кузовов новых машин пропадают шильдики Turbo и T. В этой статье мы разберемся в строении турбины и принципе ее работы, выделим ее плюсы и минусы, а также дадим советы по эксплуатации автомобилей с турбодвигателем.

Содержание

• Что такое турбонаддув: из чего состоит турбина
• Как работает турбонаддув
• Что дает наличие турбины
• Преимущества и недостатки турбонаддува
• Сколько турбин может быть в двигателе
• Заключение

Что такое турбонаддув: из чего состоит турбина

Упрощенно турбина, а правильно «турбонагнетатель» или «турбокомпрессор» — это элемент двигателя, позволяющий использовать энергию отработавших газов для подачи воздух в цилиндры под очень высоким давлением. Турбина фактически делится на две части — «холодную» и «горячую», которые внешне выглядят как раковины улитки.

«Горячая» часть турбины. Через эту половину проходят отработавшие газы. Их температура может достигать 1000 °С, поэтому для изготовления этой улитки используют жаропрочные материалы, способные выдержать большие нагрузки и при этом не деформироваться. Во внутренней части турбины находится ротор (колесо с лопатками), который закреплен на валу.

«Холодная» часть турбины. Предназначена для работы с воздухом, поступающим из окружающей атмосферы. Для производства этой улитки не нужны жаропрочные материалы, способные выдерживать значительные перепады температур, поэтому преимущественно используется алюминий. Здесь тоже закреплена крыльчатка на валу, которая называется компрессором.

Картридж. Для соединения двух частей турбины используется специальный картридж. Внутри него находятся подшипники общего вала и каналы для охлаждения, поскольку эти элементы работают под высокой нагрузкой.

Перепускной клапан. Одна из важных частей турбины — перепускной клапан («вестгейт»), который перенаправляет поток газов мимо крыльчатки в «горячей» части. Вейстгейт нужен, чтобы при необходимости снизить количество оборотов ротора и управлять производительностью системы турбонаддува в целом. Существует определенное максимальное значение давления наддува. При его достижении отработавшие газы просто перестают поступать к крыльчатке турбины и перенаправляются «наружу» благодаря работе перепускного клапана. За это отвечает актуатор.

Интеркулер (промежуточный охладитель). Это радиатор, понижающий температуру сжатого воздуха, который поступает от «холодной» части турбины. В зависимости от автомобиля интеркулер может быть воздушным и жидкостным. Охлажденный воздух затем поступает в двигатель.

Предохранительный клапан. Еще один перепускной клапан, который расположен в «холодной» части турбины. Чтобы описать принцип его работы, рассмотрим пример: когда после разгона водитель резко сбрасывает газ, обороты двигателя падают и дроссельная заслонка закрывается, но турбокомпрессор по инерции продолжает свою работу. Он засасывает воздух и создает повышенное давление, которое в этом случае становится излишним и может повредить устройство. Чтобы этого не происходило, воздух перенаправляется в воздушный фильтр или наружу в зависимости от работающей в автомобиле системы.

Как работает турбонаддув

Чтобы разобраться в принципе работы турбонаддува, нужно сначала описать, как функционирует атмосферный бензиновый двигатель. Это поможет наглядно показать, в чем разница между силовыми установками с турбиной и без нее. Атмосферный мотор получает воздух из окружающей среды, очищает и направляет его в цилиндр, чтобы получилась воздушно-топливная смесь. Затем происходит ее воспламенение под давлением, что приводит к выталкиванию поршней, чье поступательное движение вращает кривошипно-шатунный механизм. Сгоревшая смесь становится выхлопными газами и отводится из цилиндра наружу на 4-ом такте (выпуск). После этого в цилиндр снова поступают воздух и топливо, запускается следующий цикл.

Перейдем к описанию схемы работы двигателя с турбиной. Как уже говорилось выше, это устройство помогает получить гораздо больше воздуха для сжигания в цилиндрах за счет его сжатия благодаря использованию энергии отработавших газов.

1. Когда на 4-ом такте работы поршня газы выходят из цилиндра, они попадают в «горячую» часть турбины.
2. Здесь они раскручивают ротор и после этого отводятся в атмосферу.
3. Ротор передает вращение на картридж, а тот — далее на крыльчатку, находящуюся в «холодной» части турбины.
4. Компрессор раскручивается и начинает качать воздух, упрощенно говоря, с улицы, попутно сжимая его.
5. Воздух пропускается через интеркулер, потому что в процессе нагнетания он сильно нагревается. Благодаря работе промежуточного охладителя удается подать гораздо большее количество воздуха в цилиндры (холодный газ имеет большую плотность и занимает меньший объем).
6. В цилиндрах воздух смешивается с топливом и эта смесь воспламеняется свечой зажигания. Стандартное соотношение: 14-15 частей воздуха и 1 часть бензина.
7. Отработавшие газы отводятся из цилиндра и попадают в «горячую» часть турбины. Цикл перезапускается.

Все остальные части турбонагнетателя подключаются по необходимости в зависимости от режима работы.

Что дает наличие турбины

Один из важных показателей, на который всегда обращают внимание водители при выборе автомобиля — мощность двигателя. Самый простой способ повысить ее — увеличить объем воздуха и топлива, которое может поместиться в цилиндре за один цикл. То есть сжигать больше воздушно-топливной смеси во время работы мотора. В США в 60-70-х годах прошлого века поступали именно так — производили машины с огромными двигателями объемом 5-6 л и большим количеством цилиндров. В итоге получались мощные модели, которые потребляли огромное количество бензина.

Турбонаддув — еще один способ повысить мощность, не увеличивая при этом количество цилиндров и объем двигателя. Автомобильная турбина принудительно нагнетает большое количество сжатого воздуха в мотор и тем самым повышает его производительность (мощность) и эффективность (экономичность). В итоге турбодвигатели объемом 1,5 л способны выдавать больше лошадиных сил, чем атмосферные сопоставимого и даже немного большего объема.

Преимущества и недостатки турбонаддува

Как и у любой системы, у турбонагнетателя есть плюсы и минусы, которые разберём ниже.

Преимущества

1. Высокая тяга на низких оборотах. Важное преимущество турбомоторов состоит в том, что в них создаётся высокое давление наддува даже при небольших оборотах коленвала. В итоге крутящий момент будет высоким, хотя обороты еще не успеют вырасти. На практике это позволяет получать отличное ускорение и делает автомобиль очень динамичным.
2. Экономия топлива. В моторах, оснащенных турбонагнетателем, обеспечивается более эффективное сгорание топлива, что позволяет сократить его потребление. Это становится особенно заметно, если сравнивать атмосферные и турбированные агрегаты при спокойной езде по трассе на скорости 90 км/ч.
3. Снижение размеров и массы двигателя. Использование турбонаддува позволило не увеличивать мотор, чтобы добиться повышения мощности. Наоборот, с меньшим объемом получилось добиться лучших показателей. Легкие и небольшие моторы — еще один шаг к снижению снаряженной массы автомобиля. Благодаря этому увеличивается динамика машины и сокращается скорость разгона.

Недостатки

1. Необходимость квалифицированного обслуживания. Работами с турбонагнетателями должны заниматься профессионалы. Во время ТО необходимо применять одобренные производителем расходные материалы, жидкости, запчасти. Чтобы двигатель с турбиной работал долго и качественно, обслуживать его нужно в точном соответствии с регламентом, разработанным производителем.
2. Необходимость в дополнительном охлаждении. Работа турбины связана с постоянным воздействием высоких температур: от сжатого воздуха до раскаленных отработавших газов. Чтобы избежать поломок, необходимо добавлять контуры охлаждения, которые становятся дополнительными потребителями энергии.

Сколько турбин может быть в двигателе

Под капотом автомобиля может быть не один турбонагнетатель. Разберемся, какие бывают варианты.

• Одна турбина. Наиболее распространенный вариант, который встречается на доступных массовых авто и в среднем ценовом сегменте. Это конструктивно простое решение, которое обеспечивает ощутимый прирост мощности. Его недостаток состоит в том, что при некачественной настройке турбины может возникать «турбояма»: на низких оборотах будет недостаточно выхлопа, чтобы раскрутить крыльчатки «горячей» части, как следствие, получить дополнительный воздух из атмосферы и резко стартовать с места.
• Двойной наддув. В некоторых случаях для устранения эффекта турбоямы используют дополнительный малоинерционный компрессор, который раскручивается даже на низких оборотах. Вместе с ним работает большая турбина, которая подключается на средних и высоких оборотах.
• Параллельная установка двух компрессоров. Каждый из них подает воздух только к своей группе цилиндров. Такое распределение усилий встречается на V-образных моторах с большим количеством цилиндров.

Турбина в автомобиле: советы по эксплуатации и уходу

Главный совет по обслуживанию и эксплуатации турбодвигателя — следуйте рекомендациям производителя. Вы также можете принять некоторые меры, чтобы продлить эксплуатацию турбины. Опишем их ниже.

Не глушите мотор сразу после остановки. Дайте двигателю поработать 1-2 минуты на холостых оборотах, чтобы температура турбины снизилась. Если сразу выключить авто после остановки, раскаленный элемент резко останется совсем без охлаждения и может выйти из строя: в турбине вокруг подшипника при выключении двигателя перестает циркулировать масло, которое быстро раскаляется, из-за чего подшипник со временем закоксовывается.

Меняйте моторное масло по регламенту. Система турбонаддува чувствительна к качеству моторного масла. Чем оно выше, тем меньше будет износ. Старайтесь менять моторное масло по регламенту или чаще, чтобы продлить срок службы агрегата.

Прогревайте мотор перед активной ездой. После старта не нужно сразу трогаться с места. Желательно подождать 1-2 минуты, чтобы двигатель прокачал застоявшееся масло. Это особенно важно зимой. Также не нужно активно нажимать на педаль газа первые 7-10 минут после начала движения. Дождитесь, когда рабочая температура достигнет 60-70 °С. После этого все элементы турбонаддува войдут в свой рабочий ритм и смогут выдержать повышенные нагрузки, связанные с быстрой ездой.

Выбирайте масло, рекомендованное производителем. Низкое качество или неподходящий состав смазочной жидкости приближают выход турбины из строя.

Заливайте качественный бензин. Это еще одна важная составляющая долгой эксплуатации турбоагрегата. Чем выше октановое число у топлива, тем ниже будет риск детонации в цилиндре. Чем выше производительность турбины, тем важнее становится использование качественного топлива.

Заключение

1. Турбина или турбокомпрессор — часть современных двигателей, позволяющая значительно снизить их массу и размер при сохранении или даже увеличении мощности.
2. Система турбонаддува использует энергию отработавших газов, чтобы обеспечить забор большого количества чистого воздуха из окружающей среды и подачу его в сжатом виде в цилиндры двигателя.
3. Турбина обеспечивает высокую тягу на низких оборотах и помогает экономить топливо.
4. Двигатели с турбонаддувом нуждаются в особой заботе: необходимо использовать качественное масло и топливо, прогревать и охлаждать турбину в начале и конце поездки.