Турбонаддув

[Santer]

Смысл наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - улучшить наполнение цилиндров двигателя топливо-воздушной смесью для повышения среднего эффективного давления цикла и, как следствие, мощности двигателя путем принудительного увеличения заряда воздуха, поступающего в цилиндры. При этом существует лишь один вид атмосферного наддува - так называемый резонансный наддув, при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах, и технически реализуемый с помощью воздушных коллекторов переменной длины и тщательной настройкой фаз газораспределения двигателя. Все остальные виды наддува связаны с увеличением давления поступающего в цилиндры воздуха выше атмосферного, используя для этого различные механические, электромеханические и газодинамические способы. При турбонаддуве в качестве привода используется отработавший газ, который в обычном случае просто выбрасывается в атмосферу, без утилизации его энергии в полезную работу.



При работе двигателя с турбонаддувом выхлопные газы подаются в турбину, где отдают часть своей энергии, раскручивая ротор турбокомпрессора, и затем поступают через приемную трубу в глушитель. На одном валу с лопаточным колесом турбины находится колесо компрессора, который засасывает воздух из воздушного фильтра, повышает его давление на 30-80% (в зависимости от степени наддува) и подает в двигатель. В один и тот же литраж (объем) двигателя поступает большее по весу количество рабочей смеси и, следовательно, обеспечивается достижение на 20-50% большей мощности, а за счет использования энергии выхлопных газов повышается КПД двигателя и снижается удельный расход топлива на 5-20%.

Среди ведущих мировых производителей и разработчиков дизельных двигателей в 90-е годы сформировалась концепция о том, что система турбонаддува является неотъемлемым компонентом современного экологически чистого двигателя. При этом турбонаддув, в отличие от 70-80-х годов, перестал рассматриваться как средство форсирования двигателей, и подавляющее большинство современных базовых моделей дизелей проектируются и разрабатываются с наддувом.

Турбонаддув бензиновых двигателей приобретает в настоящее время все более широкое распространение, несмотря на некоторые возникающие при этом проблемы. Первая - это детонация, появляющаяся вследствие повышенного давления конца такта сжатия и накладывающая ограничения по максимальной величине объемной степени сжатия в цилиндрах, и повышенные требования к качеству бензина, а именно к октановому числу. Во-вторых, предельно высокая максимальная температура рабочего цикла бензинового двигателя с турбонаддувом требует повышенного внимания к выбору материалов выпускной системы и лопаток турбины, конструкции корпусных деталей турбокомпрессора (ТКР), необходимости дополнительного охлаждения подшипникового узла ТКР, а также к эксплуатационным качествам моторного масла.


Образец механического нагнетателя

Механические нагнетатели могут быть установлены в любом месте на двигателе, с одним условием - шкив нагнетателя должен быть выровнен по отношению к шкиву коленвала двигателя, т.к. нагнетатель приводится в действие ременной передачей. Механический нагнетатель имеет прямую связь с впускным коллектором и дроссельной заслонкой, соответственно, при монтаже необходимо учитывать расстояние от нагнетателя до дроссельной заслонки (впускной коллектор вопросов не вызывает). После установки нагнетателя необходимо настроить электронные системы управления двигателем.

Источник: Mashina.info




Как известно, мощность двигателя можно повысить несколькими путями. Самый распространенный путь – американский. «Объему нет альтернативы» – это именно их пословица. Другой вариант – повысить частоту вращения коленвала. Можно, но сложно. При высокой скорости вращения поршни догоняют клапаны, что «лечится» установкой пружин повышенной жесткости. Зато возникают другие проблемы – мала тяга и момент на «низах». Годы идут, научно-технический прогресс не дремлет и... появилась такая замечательная система, как VTEC.



Однако имеется еще один, самый эффективный способ. Есть великий соблазн увеличить количество рабочей смеси, попадающей в цилиндры. Тогда мощность будет ограничена только прочностью мотора. В принципе, любое усовершенствование всегда тянет за собой ворох проблем – в данном случае это октановое число (для бензиновых двигателей) и требовательность так называемых надувных агрегатов к качеству обслуживания.

Итак, схем для увеличения количества топливо-воздушной смеси, попадающей в цилиндры автомобильных двигателей, пока только две – компрессорная и турбонаддувная. Компрессор – это устройство для сжатия топливной смеси, имеющее привод от коленвала двигателя. Хороший способ, некоторые компании давно используют его и получают очень неплохие результаты по характеристикам моторов. В данном случае речь идет о таких грандах, как, например, Mercedes и Toyota. Mercedes до сих пор упорно использует этот прием, а Toyota практически полностью переключилась на турбонаддув, если речь идет о бензиновых двигателях.



Если же говорить о дизелях, то практически все моторы, имеющие мощность более 80 КВт, оснащены турбинами. Преимущества автомобильных двигателей, оснащенных турбокомпрессорами, очевидны:
1) хорошее соотношение масса/мощность;
2) кривая крутящего момента может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации;
3) обеспечивается лучшее сгорание топлива;
4) уменьшенное количество токсичности отработанных газов;
5) работает более стабильно, а турбина уменьшает шум от выпуска (работает как глушитель).

Дизельные двигатели по удельной мощности не могут сравниться со своими бензиновыми собратьями, поэтому легковые автомобильные дизели практически все оборудованы турбонаддувом. Вспомним, например, YD25DDTi производства Nissan – объем 2,5 л, мощность на уровне продвинутых бензиновых аналогов (174 л. с.), а крутящий момент на «низах» всегда был сильной стороной дизелей. Турбина представляет собой две крыльчатки на единой оси – одна крыльчатка на впуске, другая – на выпуске. После того как мотор начинает работать, крыльчатку на выпуске заставляет вращаться поток выхлопных газов. Соответственно, крутится и крыльчатка на впуске, создавая избыточное давление.

Теоретически, чем выше обороты двигателя, тем быстрее и объемнее поток выхлопных газов. Соответственно, давление наддува пропорционально увеличивается. Это – замкнутый круг. При такой схеме мотор просто пойдет «вразнос». Спасает его от этого байпасный (перепускной) клапан, который стравливает избыточное давление. Производители рассчитывают, до какой величины можно «дуть» в двигатель, чтобы сохранить ресурс и работоспособность.



На самом деле все, конечно, не так просто. При малых оборотах давление выхлопных газов небольшое, а турбина – штука довольно тяжелая, производится из чугуна, пока раскрутятся крыльчатки, проходит какое-то время. Кроме того, степень сжатия по сравнению с атмосферными моторами снижена. Соответственно, на малых оборотах мы имеем провал по мощности, который называется «турбояма». На высоких оборотах, когда турбина уже раскрутилась, чувствуется ощутимый рывок, так называемый «турбоподхват». Тут опять возникает проблема – нагреваются обе крыльчатки, и на впуск идет горячий воздух, в то время как для оптимизации рабочего процесса нужен холодный. Поэтому применяется специальное охлаждение наддувного воздуха с помощью так называемого интеркулера – промежуточного охладителя. Прежде чем попасть в цилиндры, наддувный воздух идет через интеркулер.

Вообще, турбонаддув – нежная штука. При покупке автомобиля на вторичном рынке нужно внимательно осматривать крыльчатки на предмет замасленности. Если турбина «гонит» масло, жить такому агрегату осталось очень недолго, особенно при наличии катализатора на автомобиле. Турбина забивает маслом ячейки катализатора, тот снижает пропускную способность на выходе, ячейки обгорают, турбина «задыхается» и еще больше «гонит» масло. Получается замкнутый круг, в результате которого владелец подобного автомобиля «попадает» на две очень дорогие вещи: турбину и катализатор.



Об особенностях обслуживания турбированных моторов поговорим чуть позже, а пока остановимся на конструктивных особенностях подобных систем. Турбояма для гражданских автомобилей – явление очень вредное. В рваном городском режиме недостаток мощности на «низах» очень хорошо чувствуется. Для «спортсменов» это некритично, в любом случае они держат обороты двигателя не ниже оборотов максимального момента. Поэтому автомобили, претендующие на экстремальную спортивность, имеют одну турбину высокой производительности, которая позволяет максимально поднять мощность. Для гражданских версий применяются различные ухищрения. Например, ставятся турбины маленького диаметра, имеющие меньшую инерционность, а чтобы не снижать значительно мощность, применяется сразу несколько штук.

Если турбины стоят параллельно, то система называется Bi Turbo. Используется она, как правило, на V-образных двигателях, на каждую половинку – своя. Намного чаще применяется схема с последовательным подключением турбин – Twin Turbo. Такую компоновку можно встретить на серийных Nissan Skyline и Toyota Supra. До определенных оборотов работает одна, а при высоких – подключается вторая. Несмотря на небольшой диаметр турбин, турбоподхват на этих культовых автомобилях весьма ощутимый, за что их и любят.

Гражданские версии спортивных машин имеют приличный запас прочности, чем и пользуются любители тюнинга. Зачастую можно поднять мощность турбомотора с минимальными затратами. Рецепт прост – переписывается программа управления двигателем и используется буст-контроллер. Буст-контроллер – это прибор, управляющий клапаном отсечки. Можно выставить давление наддува, превышающее рекомендованное заводское. Но в этом тоже необходимо знать меру. Как правило, компании, торгующие «китами» для тюнинга, располагают подобной информацией. Советую прислушаться к их советам, чтобы потом не раскошеливаться на дорогостоящий ремонт.



Лет 10 назад появилась такая интересная вещь, как турбина с изменяемой геометрией. Принцип ее работы – изменение сечения на входе. При низких оборотах сечение уменьшается, на высоких – увеличивается с помощью вакуумного привода. Таким образом оптимизируются рабочие процессы, практически полностью убирается турбояма, да и турбоподхват тоже. Более того, при такой схеме работы байпасный клапан зачастую уже не нужен. Лопатки турбины могут менять наклон в зависимости от потока выхлопных газов, привод осуществляется вакуумом либо избыточным давлением с помощью кулачков или рычагов. Оптимизирует процесс электроника.

Идея турбины с изменяемой геометрией уже давно витала в воздухе, только осуществить ее было непросто. Такая система боится высокой температуры, а выхлопные газы в бензиновых двигателях зачастую нагреваются до 1000 оС, поэтому подобные решения стали применяться сначала на дизелях, благо, температура отработавших газов там значительно ниже. По мере роста технологий подобные агрегаты появились и на бензиновых моторах. Первой ласточкой была компания Porsche со своим легендарным 911-м.

Отдельно стоит упомянуть эксплуатацию моторов с приставкой Turbo. Они, безусловно, более капризны и требовательны к качеству обслуживания. Ротор в корпусе турбины вращается на гидродинамических подшипниках. Это – подшипники скольжения, в которых масляный клин, создающийся высоким давлением, не дает перейти на пограничное трение – металл по металлу. Нечто подобное можно наблюдать на коленвале и распредвале. Разница только в скорости вращения. Если у коленвала это 5-6 тыс. об./мин., то у турбины – 110-115 тыс. об./мин., а скорость на конце лопатки ротора – как у пули, 300 м/с. Отсюда – повышенные требования к системе смазки и рабочему давлению в гидродинамических подшипниках. Поэтому сразу нужно осознать одно – торопиться не нужно. Желательно прогреть двигатель перед поездкой, чтобы вязкость моторного масла пришла в норму. Поскольку требования к системе смазки повышенные, масло для таких моторов должно быть качественное и сертифицированное.

Торопиться не нужно и в конце поездки. При глушении мотора давление в системе смазки падает до нуля, а массивная турбина продолжает вращаться уже без масляного клина. Но даже это – полбеды. Хуже другое. Раскаленная турбина изменяет смазывающие свойства масла и превращает последнее в твердое тело – лак. В результате чего ротор может приклеиться к корпусу, и следующий запуск мотора станет последним. Если водитель вовремя не заметит горящую лампочку давления масла, выйдет из строя не только турбина, но и двигатель. Давление в системе смазки большое. Соответственно, масло из системы уйдет за минуту, а дальше – сами знаете. Поэтому покупайте сигнализацию с возможностью подключения турботаймера – это намного продлит срок службы такого прецизионного, требующего внимания, но очень полезного агрегата, как турбина.



Источник: //avto.ru