Как турбина увеличивает мощность двигателя?

7 главных минусов и 2 плюса турбомоторов

Наддувные моторы постепенно вытесняют атмосферные. Однако некоторые производители сокращают интервал ТО для автомобилей с турбодвигателем. Почему? Давайте разбираться.

Чем турбомотор отличается от атмосферного?

Атмосферный мотор засасывает воздух в цилиндры под действием разрежения, которое возникает, когда поршень движется к нижней мертвой точке. В большинстве случаев давление в цилиндре в конце хода впуска чуть ниже атмосферного. И вот с этим количеством воздуха и осуществляется рабочий цикл мотора. Наддувный двигатель получает на входе в цилиндр воздух, сжатый компрессором до определенного давления, а потому его в цилиндр войдет больше, чем у мотора со свободным всасыванием. Больше воздуха — больше кислорода, а значит, и топлива сгорит больше, и мощность при том же рабочем объеме поршневой части будет выше (или мотор компактнее при сохранении мощности).

Поскольку воздух в компрессоре подогревается, температуру перед подачей в цилиндр желательно снизить. Это делает специальный охладитель — интеркулер. Компрессоры могут использоваться разных типов — и с приводом от коленвала, и волновые обменники давления, но наиболее распространен турбонаддув. Последний способ использует энергию выхлопных газов для вращения центростремительной турбины, а сидящее на том же вале колесо центробежного компрессора обеспечивает сжатие воздуха перед подачей в цилиндры.

Как видим, конструкция наддувного мотора сложнее, чем атмосферника. Отсюда и первый недостаток турбомоторов.

1. Низкая надежность

Наддувные двигатели состоят из большего числа агрегатов, а надежность многокомпонентной системы всегда ниже, чем у более простой. Нагрузки на детали больше из-за большей литровой мощности. Да и конструкционные материалы в автомобильной промышленности используются преимущественно недорогие. Это же вам не аэрокосмическая отрасль…

К примеру, у турбокомпрессора есть система регулирования давления наддува, которая порой может заедать и отказывать. У редакционного Volkswagen Golf уже дважды при пробеге 80 000 и 100 000 км полностью теряла подвижность тяга привода клапана перепуска газов мимо турбины.

2. Недостаточный ресурс

Все мы вздыхаем по моторам-миллионникам конца прошлого века. Сейчас ресурс мотора в 400 000 км считается огромным достижением, а в прошлом он был нормой. Турбодвигатели современных автомобилей до таких пробегов не доживают. Турбокомпрессоры на бензиновых моторах редко ходят больше 150 000 км, а начавшая «хандрить» турбина вскоре может погубить и поршневую часть. Ведь турбокомпрессор может «выхлебать» весь запас моторного масла — в поддоне и поршневой части ничего не останется.

А еще многие производители с целью сэкономить «апгрейдят» атмосферные моторы до турбонаддувных, не особо заморачиваясь усилением некоторых деталей. Соответственно, высокие нагрузки на поршневую часть при небольшом усилении конструкции приводят к снижению ресурса.

3. Необходимость более частого и высококвалифицированного обслуживания

Многие производители для своих моделей с турбомоторами снизили периодичность ТО с 15 000 до 10 000 км. Так поступили, к примеру, Geely и Haval.

Наддувный мотор сложнее в обслуживании и особенно в диагностике. У него гораздо больше количество дополнительных соединений в системе турбонаддува. Потерять герметичность могут: подвод и отвод воздуха, подвод и отвод отработанных газов, системы подачи масла под давлением и его слива, а также подачи охлаждающей жидкости. Все это требует дополнительного внимания и опыта у сервисмена во время ТО.

4. Дорогой ремонт

Ремонт наддувного мотора всегда обходится дороже. Даже если турбокомпрессор в ремонтной фирме и не трогали, то прайс на восстановление двигателя все равно выше. Просто потому, что разбирать-собирать все перечисленные выше системы дольше и сложнее. А если предстоит замена турбокомпрессора, то готовьтесь выложить от 60 000 руб. Восстановление узла может потребовать половину этой суммы.

5. Обязательно применять хорошее топливо и смазки

Все современные моторы довольно требовательны к качеству топлива и моторного масла. Но если атмосферник на некачественных жидкостях «умрет» не сразу, то жизнь форсированного наддувного мотора будет измеряться минутами. Кроме того, расход даже самого дорогого масла у наддувного мотора будет выше, чем у большинства атмосферников.

Отдельного разговора требует расход топлива. Любой маркетолог, желающий продать вам машину с турбомотором, будет уверять, что она экономичнее, чем автомобиль с атмосферным двигателем. В теории так и есть. Но ведь турбомашина — это «великий провокатор». Некоторые автомобилисты сознательно выбирают турбодвигатель, чтобы ездить напористо и агрессивно. В этом случае расход будет не меньше, а даже больше, примерно на 30%, чем у спокойного водителя. Для неторопливого водителя мощность турбомашины может показаться избыточной, а повышенные затраты на содержание, (частые ТО, дорогие бензин и масло) — неоправданными.

6. Необходимость дополнительного охлаждения

Недаром многие сигнализации имеют опцию «турботаймер». Это устройство позволяет не глушить разогретый турбомотор сразу после остановки машины, а дает двигателю поработать на холостом ходу для охлаждения — прежде всего турбины. Похожий алгоритм у некоторых мощных автомобилей штатно заложен в блок управления двигателем. Без этого в остановившейся, но раскаленной докрасна турбине масло закоксуется, нарушив герметичность уплотнений. В итоге значительно вырастет расход масла на угар.

7. Проблемы с ликвидностью

Обо всех вышеперечисленных неприятностях осведомлены, в той или иной степени, многие автолюбители. Именно поэтому большинство предпочтет на вторичном рынке машину с атмосферным двигателем. А заезженные «турбозажигалки» приобретать будут, в основном, молодые поклонники всех серий «Форсажа».

Впрочем, есть у турбомоторов и неоспоримые плюсы.

1. Отличная характеристика крутящего момента

Разгон автомобиля — хоть с механической коробкой передач, хоть с автоматом — очень зависит от того, насколько быстро мотор из режима холостого хода сможет достигнуть оборотов максимальной мощности. А мощность, как известно, пропорциональна произведению оборотов коленвала на крутящий момент. Именно поэтому нужно, чтобы мотор на как можно более низких оборотах выдавал большой крутящий момент.

Наддувный мотор проектируют так, что турбокомпрессор обеспечивает довольно высокое давление наддува очень «рано», при небольших оборотах коленвала. В результате мы получаем большой крутящий момент на небольших оборотах. Далее момент увеличивать нельзя во избежание чрезмерных нагрузок на детали мотора. Начинает работать перепускной клапан, направляя часть выхлопных газов в обход турбины. Так производительность турбокомпрессора ограничивается, а на кривой крутящего момента появляется горизонтальная полка. Вот за такую характеристику турбомоторов их и любят, особенно активные водители.

2. Низкий расход топлива

У атмосферного двигателя значительная часть энергии сгоревших газов теряется вместе с горячими выхлопными газами. Наддувный двигатель использует температуру и давление выпускных газов, срабатывая их в турбине. Меньше энергии пропадает зря, значит, больше используется для движения автомобиля. Но, повторюсь, при условии спокойной манеры вождения.

Турбодвигатели совершенствуются и захватывают все новые модельные ряды автомобилей самых разных производителей на всех континентах. Вначале они оккупировали дороги старушки Европы. Япония давно и массово загружает ими внутренний рынок. США и Корея немного более сдержанны в распространении турбированных двигателей. Зато Китай в последнее время массово пересаживается на турбонаддув. Так что за наддувными двигателями будущее. Если, конечно, их не вытеснят электрокары.

  • Самые надежные двигатели (из тех, что еще продаются) мы собрали тут.

Способы повышения мощности дизелей. Турбонаддув

Из формулы для определения эффективной мощности дизеля:

можно определить способы повышения мощности. Таковыми являются:

1. Увеличение диаметра цилиндра D , целесообразно до определенного предела. С увеличением диаметра цилиндра увеличиваются инерционные силы, действующие на подвижные части дизеля, возрастают массогабаритные показатели двигателя. В настоящее время диаметр цилиндров наиболее мощных МОД достигает 105…106 см;

2. Увеличение хода поршня S (расширение области применения длинноходовых дизелей). Ход поршня дизельного двигателя тесно связан с диаметром цилиндра соотношением S D . Для различных классов дизелей существуют рекомендованные значения соотношения S D . Поэтому этот способ увеличения мощности непосредственно связан с предыдущим.

3. Увеличение числа цилиндров i – для этого способа увеличения мощности дизеля так же существует разумный предел. Увеличение числа цилиндров двигателя значительно усложняет его конструкцию, снижает показатели надежности. В современных дизелях число цилиндров достигает: в МОД –до 12, в СОД – до 18, в ВОД – до 50;

4. Расширение области применения двухтактных дизелей ( z =1), имеющих большие возможности по дальнейшему снижению удельных массогабаритных показателей, чем четырехтактные дизели;

5. Увеличение числа оборотов n (форсирование дизеля) – приводит к значительному снижению ресурсных показателей двигателя, особенно у ВОД (высокооборотный двигатель);

6. Повышение среднего эффективного давления pe за счет увеличения плотности воздуха, вводимого в цилиндр.

Последний способ является наиболее эффективным и получил наименование «наддува дизеля». Использование наддува дает возможность в несколько раз (4 ÷ 5) увеличить удельную мощность двигателя без изменения его основных размеров только за счет повышения давления наддувочного воздуха – pК , и надлежащего его охлаждения.

Наддув дизеля может осуществляться следующими способами: механическим, газотурбинным и комбинированным.

При механическом наддуве нагнетатель поршневого, ротативного или центробежного типа приводится в действие от коленчатого вала двигателя. Применение механического наддува влечет за собой потерю мощности двигателя на привод компрессора, которая может достигать 7 ÷ 10 % от эффективной мощности двигателя. В чистом виде механический наддув в современных дизелях, как правило, не применяется.

Будет полезно:  Как полировать черную машину?

В настоящее время в двух- и четырехтактных дизелях применяют газотурбинный наддув. Он может осуществляться следующими способами:

– турбонаддув с изобарной турбиной : при этом способе наддува выхлопные газы собираются в выхлопном коллекторе. В коллекторе происходит выравнивание давления газов и поля скоростей. Из выхлопного коллектора при постоянном давлении газы подаются на рабочие лопатки газовой турбины, приводящей во вращение компрессор;

– турбонаддув с импульсной турбиной: при таком способе наддува используется кинетическая энергия газов в виде импульсов в периоды свободного выпуска. Соединительные трубы между выпускными окнами или клапанами и газовыми турбинами делаются как можно короче с целью уменьшения дросселирования газов в выхлопном патрубке и максимального сохранения их кинетической и тепловой энергии.

Рабочий цикл дизельного двигателя без наддува состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 27):

Рабочий цикл дизеля с изобарным наддувом состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 28):

  • 1− 2 – адиабатное сжатие воздуха в рабочем цилиндре двигателя;
  • 2 − 3 – изохорный подвод тепла Q1′ в цилиндре при сжигании части топлива в конце такта сжатия;
  • 3 − 4 – изобарный подвод тепла Q 1′′ при сжигании части топлива в начале такта расширения;
  • 4 − 5 – адиабатное расширение газов в цилиндре двигателя;
  • 5 −1 – изохорный отвод тепла в газовыхлопной коллектор;
  • 9 − 6 – изобарный подвод теплоты Q2 к рабочему телу (выравнивание давлений газов в коллекторе перед подачей их в изобарную турбину);
  • 6 − 7 – адиабатное расширение газов в газовой турбине;
  • 7 − 8 – изобарный отвод теплоты Q2′ к холодному источнику (выброс выхлопных газов в атмосферу;
  • 8 − 9 – адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре;
  • 9 −1 – изобарный отвод теплоты Q2′′ в охладителе надувочного воздуха

Площадь фигуры a − 6 − 7 − b на диаграмме численно равна работе, совершаемой при расширении газов в газовой турбине. Площадь фигуры a − 9 − 8 − b численно равна работе, затраченной на сжатие воздуха в компрессоре. Площадь, ограниченная фигурой 6 − 7 − 8 − 9 численно равна полезной работе, полученной при использовании турбокомпрессора (приращение полезной работы цикла с изобарной турбиной).

Термодинамический цикл дизеля с импульсным наддувом, в отличие от изобарного, имеет следующие особенности (рис. 29):

  • 5 − 6 – продукты сгорания, совершив работу расширения в цилиндре двигателя, без потерь поступают в газовую турбину, где продолжается их дальнейшее расширение;
  • 6 − 7 – изобарный отвод теплоты Q′2 от продуктов сгорания к холодному источнику (выброс газов в атмосферу);
  • 7 − 8 – адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре;
  • 8 −1 – изобарный отвод теплоты Q′′2 от сжатого воздуха в воздухоохладителе.

Площадь диаграммы a − 5 − 6 − b численно равна работе, совершаемой газами в газовой турбине; площадь диаграммы c − 8 − 7 − b – работе сжатия компрессора. Площадь фигуры 1 − 5 − 6 − 7 − 8 численно равна полезной работе турбокомпрессора с импульсной турбиной (приращение полезной работы цикла с импульсной турбиной).

Применение газотурбинного наддува дизельного двигателя позволяет:

  • – наиболее полно использовать тепловую и кинетическую энергию продуктов сгорания, покидающих цилиндры двигателя (т.е уменьшить потери с уходящими газами QГ – самую большую составляющую тепловых потерь дизельного двигателя);
  • – без дополнительных затрат энергии осуществить сжатие воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, что в свою очередь повышает среднее эффективное давление и, соответственно, мощность дизеля;
  • – за счет использования перечисленных мероприятий повысить общий КПД дизельной энергетической установки.

Основные компоновочные схемы дизельных двигателей с наддувом

Все компоновочные схемы судовых дизельных установок с наддувом можно разделить на три большие группы:

  • схемы наддува с механической связью между поршневым двигателем и наддувочным агрегатом (схемы с подключенным турбокомпрессором);
  • схемы наддува с газовой связью (со свободным турбокомпрессором);
  • комбинированые схемы наддува , включающие сочетания механической и газовой связи, либо использование различных способов газотурбинного наддува (изобарный и импульсный наддувы).

Ниже рассмотрены наиболее часто применяемые схемы осуществления механического, газового и комбинированного наддува дизелей, их особенности, преимущества и недостатки.

Схема наддува с механической связью

В схеме наддува с механической связью (рис. 31.а) компрессор приводится в действие непосредственно от коленчатого вала дизеля через повышающую механическую передачу – мультипликатор. Сжатый в компрессоре воздух поступает в воздухоохладитель, где от него отводится часть теплоты (повышается плотность заряда воздуха), и затем направляется в наддувочный ресивер двигателя.

Основным недостатком схемы является тот факт, что на привод компрессора затрачивается значительная часть мощности (от 7 до 10 %), полученной в рабочих цилиндрах двигателя (потери N К ). Это в свою очередь приводит к некоторому снижению мощности двигателя и его экономичности. Такая схема обычно применяется в дизелях с низкой степенью наддува, а также в двухтактных дизелях без наддува.

Схема наддува с газовой связью (импульсная турбина)

В данной схеме наддува (рис. 31.б) продукты сгорания из двигателя по коротким патрубкам направляются в импульсную газовую турбину, где продолжается их расширение. Газовая турбина преобразует энергию газов в механическую работу и передает ее компрессору, находящемуся с ней на одном валу. При использовании схемы с чисто газовой связью мощность, полученная в турбине, на всех режимах работы равна мощности компрессора. Как и в предыдущей схеме, воздух, сжатый в компрессоре, через воздухоохладитель поступает в наддувочный ресивер двигателя.

Основными преимуществами рассмотренной схемы являются: простота конструкции, небольшие габариты турбокомпрессора, автоматическая газовая связь между нагрузкой двигателя, частотой вращения турбины и параметрами наддувочного воздуха. Недостатком схемы (по сравнению со схемой с механической связью) является ухудшение пусковых качеств дизелей, так как в начальный момент пуска дизеля турбина не работает.

Схема наддува с комбинированной связью

В рассматриваемой схеме наддува (рис. 31.в) турбоагрегат частично снимает мощность с коленчатого вала двигателя через мультипликатор, и частично – с вала импульсной газовой турбины. Причем на мощностях двигателя, близких к полным, работа турбокомпрессора обеспечивается только за счет мощности, вырабатываемой газовой турбиной, а на малых мощностях и в пусковых режимах бóльшая часть мощности отбирается от коленчатого вала двигателя. Данная схема обеспечивает хорошие пусковые качества дизеля и возможность форсирования двигателя по наддуву. Недостатками схемы являются усложнение дизеля за счет применения повышающей передачи – мультипликатора, и связанные с механической передачей дополнительные потери на привод компрессора на малых нагрузках двигателя.

Схема с изобарным наддувом

В этой схеме наддува (рис. 31.г) отработавшие газы из цилиндров двигателя выходят в выпускной коллектор, где выравнивается поле скоростей и давлений газов, а затем, практически при постоянном давлении, поступают в изобарную газовую турбину. Газовая турбина передает мощность компрессору, осуществляющему сжатие воздуха и находящемуся с ней на одном валу. Сжатый воздух через охладитель направляется в наддувочный ресивер двигателя.

При использовании чисто изобарного наддува на режимах малых нагрузок двигателя турбокомпрессор не обеспечивает потребный расход воздуха. На этих режимах работы двигателя дополнительно включаются в работу электроприводные компрессоры, специально установленные на дизеле.

Схема двухступенчатого комбинированного наддува

В рассматриваемой схеме наддува (рис. 31.д) продукты сгорания из цилиндров дизеля сначала направляются в импульсную газовую турбину, где происходит преобразование энергии газов в механическую работу вращения ротора турбины, а затем в выхлопной коллектор дизеля, где происходит выравнивание давления газов. Из выхлопного коллектора продукты сгорания поступают на рабочие лопатки изобарной газовой турбины, отдают ей свою энергию и выбрасываются в атмосферу. Мощность, вырабатываемая импульсной газовой турбиной, передается компрессору второй ступени сжатия, мощность изобарной турбины – компрессору первой ступени сжатия. Воздух из атмосферы поступает в компрессор первой ступени сжатия, охлаждается в промежуточном охладителе, досжимается в компрессоре второй ступени сжатия, и через воздухоохладитель поступает в наддувочный ресивер дизеля.

Такие схемы используются при высокой степени наддува с целью повышения показателей экономичности дизеля за счет более эффективного использования энергии газов а также более высоких КПД газовых турбин.

Схема наддува с использованием подпоршневых полостей

В малооборотных крейцкопфных дизелях в качестве приводного компрессора нередко используют подпоршневые полости цилиндров. В этом случае воздух, сжатый в основном турбокомпрессоре, приводимом в действие изобарной газовой турбиной, через охладитель поступает в герметичный картер двигателя к подпоршневым полостям (рис. 31.е). При движении поршня от ВМТ к НМТ воздух дополнительно сжимается и направляется в наддувочный ресивер дизеля.

При такой схеме наддува часть мощности двигателя тратится на сжатие воздуха в подпоршневых полостях.

В некоторых случаях могут использоваться и более «экзотические» схемы наддува. Например, в конструкции дизельного двигателя японской фирмы ххххххх для наддува могут использоваться часть рабочих цилиндров двигателя. При работе двигателя на частичных нагрузках часть цилиндров отключается от топливной системы, и они используются в роли компрессорных цилиндров.

Литература

Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]

Что такое турбонаддув

Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.

Будет полезно:  Проблемы АКПП Опель Aстра н 1.8 (Opel Astra H)

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.

Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

А вот так выглядит интеркулер.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.

, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, , температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Турбина twin-scroll имеет двойную «улитку» турбины — одна эффективно работает на высоких оборотах двигателя, вторая — на низких

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Турбина с изменяемой геометрией.

Будет полезно:  Замерз тросик ручника что делать?

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Как турбина влияет на мощность двигателя. Система турбонаддува и как она работает

Опубликовано Master в 7 марта, 2019

Выбор правильного автомобиля как средства передвижения является важным решением. Здесь необходимо учитывать цену, потребление, комфорт, но есть и другие незаменимые факторы. Одним из таких факторов, который привлекает внимание к авто, является двигатель с турбонаддувом (турбина). Данная система помогает повысить мощность двигателя и предлагает экономию потребления топлива. Что такое турбонаддув, как турбина влияет мощность двигателя и общую производительность автомобиля – об этом расскажем в данном посте.

Содержание

Что такое турбонаддув

Тот, кто работает за рулем, даже если он не очень осведомлен в механике, имеет острое представление о том, как работает машина. Мощность, измеряемая в лошадиных силах, является способностью двигателя превращать топливо в движение и скорость. А это и есть тот значимый элемент, когда речь идет об эффективной, качественной и экономичной работе автомобиля.

На практике это выглядит так: каждая быстрая машина – мощная, но не всякая мощная – быстрая. Это связано с тем, что чем тяжелее транспортное средство, тем больше силы оно использует для движения.

Турбонаддув (система двигателя внутреннего сгорания на основе турбокомпрессора, или турбины) – это способ повысить мощность двигателя, используя компрессор для вытягивания и сжатия большего количества воздуха в камеру сгорания, увеличивая мощность сгорания топлива и, следовательно, увеличивая скорость передвижения авто, вне зависимости от его веса.

Как работает турбонаддув в машине

Двигатель с турбонаддувом состоит из двух частей – выпускного коллектора и турбокомпрессора. Первый отвечает за сбор газов из каждого цилиндра, которые будут поступать в выхлопную систему и выбрасываться в атмосферу.

Турбина собирает воздух, который, в свою очередь, приводит в движение винт, производя прохладный, чистый воздух. Этот воздух передается в компрессор, который уплотняет его и направляет в радиатор промежуточного охладителя, тем самым, охлаждая воздух. Таким образом, большее количество воздуха проходит через цилиндры и попадает в зону сгорания.

Схема работы турбонаддува

Двигатель работает на взрыве, а это значит, что ему нужен огонь, верно? То есть: тепло + топливо + кислород (газы, собираемые из выхлопных газов). Чем больше воздуха в системе, тем больше возможностей сжигать бензин и вырабатывать больше энергии. Прелесть в том, что он создает действенный круг, в котором тот самый газ, генерируемый двигателем (посредством взрывов), становится силой, приводящей в движение турбо систему.

Как турбина влияет на производительность автомобиля

После теоретической части следует объяснить, как турбина влияет на мощность двигателя и производительность автомобиля. Самым большим преимуществом турбины является экономный расход топлива. Но чтобы добиться такой экономии, водителю также необходимо внести свой вклад, научившись управлять своим транспортным средством безопасно, с наименьшим количеством тормозов и внезапным ускорением.

Помимо экономного расхода топлива, турбина помогает снизить выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. И, конечно же, с турбиной производительность авто будет на высоте (из-за нехватки кислорода транспортные средства теряют около 25% своей мощности). Двигатели с турбонаддувом повторно используют выхлопные газы.

Турбонаддув сегодня признан самым действенным механизмом усиления мощности двигателя внутреннего сгорания без увеличения частоты оборота его коленчатого вала и рабочего объема цилиндров. Система с турбонаддувом используется на бензиновых и дизельных двигателях, однако её максимальная действенность доказана на дизельных двигателях за счет высокой степени сжатия в двигателе и относительно невысокой частоты оборота коленчатого вала. В бензиновом двигателе турбонаддув может вызвать эффект детонации по причине резкого увеличения частоты оборотов двигателя, а также высокой температуры отработанных газов и сильного нагрева турбины.

Что даёт больше мощности автомобилю – турбина или нагнетатель? И что они из себя представляют

Долго обсуждалось, что лучше для вашего двигателя – нагнетатели или турбокомпрессоры? Что добавляет больше энергии? И что более надежно?

Разные производители могут комплектовать свою продукцию различными системами увеличения мощности, – нагнетателями, турбокомпрессорами, двойными турбокомпрессорами или последовательными нагнетателями. В поисках большего количества лошадиных сил, установка таких систем, является одним из самых быстрых способов увеличить мощность вашего двигателя. Так, какой же из них выбрать?

Идея нагнетателя проста. Воздушный компрессор с ременным приводом прикреплен к аксессуарам двигателя и доставляет большее количество воздуха в двигатель. Звучит достаточно просто, но все немного сложнее.

Нагнетатель с ременным приводом, как и многие другие аксессуары на вашем двигателе, такие как, – генератор, помпа, компрессор кондиционера и гидроусилитель, подключен и питается, напрямую энергией вырабатываемой двигателем вашего автомобиля. И в связи с этим у вас может возникнуть вопрос: «Если он работает за счет энергии вращения коленвала, то он забирает от двигателя ту мощность, которую ему сам и создает?» Отчасти это так, поэтому чтобы нагнетатель «не забирал» всю «заработанную» им мощность, используются шкивы различного диаметра. Чем больше шкив, тем медленнее работает нагнетатель. И наоборот, чем меньше шкив, тем быстрее работает нагнетатель, а следовательно он больше увеличивает обороты крыльчатки и подачу сжимаемого им воздуха.

Нагнетатели или приводные компрессоры бывают трех типов, – роторные, винтовые и центробежные.

Роторные и винтовые нагнетатели – заменяют существующий впускной коллектор, поэтому они не создают сложностей при установке, имеют компактные размеры и занимают меньшее пространство. Проблема с такими установками заключается в том, что они менее производительны.

Центробежный тип является самым популярным, конструкция очень схожа с турбокомпрессором, и в отличии от роторных и винтовых типов, не заменяет впускной коллектор.

Расположение выхода (откуда выводится сжатый воздух) может быть «синхронизировано» (развернуто в различные стороны) для большей гибкости при установке. Большинство центробежных нагнетателей позволяют использовать интеркулеры, так как воздух сжимается за пределами двигателя. Интеркулеры обеспечивают более высокую мощность двигателя, поскольку они понижают температуру сжатого воздуха.

1. Простота установки

2. Ременный привод

3. Никаких изменений в выпускной системе

1. На ременном приводе теряется часть мощности (ремень может проскальзывать, визжать или даже лопнуть). Запасные ремни могут быть достаточно дорогими.

2. Ограничен, размерами шкивов, при изменениях уровней мощности

3. Центробежные тип – это в основном сделанные на заказ комплекты, которые требуют значительных вложений

Турбины отличаются от нагнетателей тем, что они работают на выхлопных газах. Турбокомпрессор устанавливается на выпускном коллекторе, и когда выхлопные газы проходят через него, они вращают крыльчатку (турбину), которая соединена через вал соседней крыльчаткой, сжимающей воздух. По этой причине турбокомпрессоры сильно перегреваются и нагревают сжатый воздух, делая его не таким плотным.

Турбина также может потребовать подключения к промежуточному охладителю – интеркулеру (не обязательно, но рекомендуется). Турбины также требуют постоянной смазки, а иногда даже используется принудительное охлаждение, которое должны быть подключено к единой системе, что может быть затруднительно.

1. Приводится в действие «свободными» выхлопными газами

2. Форсирование (увеличение мощности) двигателя, можно менять вручную или при помощи электроники, оставляя неограниченный потенциал

3. Неограниченные варианты размеров и конфигураций

1. «Turbo lag» (Турбо-отставание или турбояма) – означает, что мощность не мгновенная, а между нажатием на педаль газа и ускорением проходит определенное время (в отличии от нагнетателя)

2. Дорогое техническое обслуживание

3. Из-за большого нагрева, высокая вероятность закоксовывания смазки, что может привести к преждевременному износу ( об этом дополнительно здесь )

4. Чтобы добавить турбину, выхлопная система должна быть изменена

И нагнетатели , и турбины , – значительно увеличивают мощность двигателей.

Что лучше, нагнетатель или турбокомпрессор?

При добавлении принудительного наддува в автомобиль, оба варианта требуют модернизации от компьютера, до топливной системы и сборочных сторон двигателя. Турбокомпрессор требует замены выпускного коллектора и трубопроводов. Нагнетатель требует замены впускного коллектора и трубопроводов промежуточного охладителя во всем моторном отсеке.

В конечном счете, выбор за вами. Если у вашего автомобиля действительно хорошая выхлопная система, а вы хотите получить гораздо больше энергии, рекомендуется использовать комплект нагнетателя.

Если вы собираете проектный автомобиль и двигатель, добавление турбокомпрессора было бы идеальным, потому что двигатель может быть построен с более низкой степенью сжатия, а изготовление трубопроводов и масляных линий может быть легко добавлено к двигателю.

Уважаемые гости – переходите на мой канал, кликнув – Pit Stop , ставьте лайки и не забывайте подписываться (это Вас ни к чему не обяжет, а Вы будете чаще встречать мои статьи в ленте Дзен), впереди ещё будет много нового и интересного!

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector