Каждый автомобилист знает, что по своему устройству и принципу действия разделяются на атмосферные и турбированные. Но не все понимают, в чем разница между этими силовыми агрегатами. Давайте рассмотрим, чем отличается двигатель турбо, как он устроен и как работает. Познакомимся с этими моторами на примере современных агрегатов группы VAG.

Бензиновые турбомоторы

Бензиновый турбомотор - это с искусственно повышенной за счет турбины степенью сжатия в камерах. Повышение данного показателя дает увеличение мощности и других технических характеристик. Еще с момента создания первого двигателя внутреннего сгорания инженеры пытались прибавить мощность без существенного изменения рабочего объема ДВС.

На первый взгляд это решение было практически на поверхности - нужно было помочь мотору более эффективно «дышать». Это бы позволило получить лучшие характеристики сгорания топливной смеси. Обеспечить это можно за счет дополнительной подачи воздуха. Значит, необходимо подавать его в цилиндры принудительно, под давлением. Благодаря дополнительному объему воздуха топливо будет полностью сгорать, что и поможет увеличить мощность. Но внедрялись данные технологии очень медленно. В самом начале турбокомпрессорное оборудование использовалось только для больших моторов кораблей и авиации.

История бензиновых турбированных ДВС

Первый двигатель турбо был установлен еще в прошлом веке. Впервые автомобильные турбированные ДВС начали выпускать в 1938 году. В начале 60-х в США стали производить и первые моторы с турбиной для легковых авто. Это автомобили Oldmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza. При всех своих характеристиках двигатели не отличались высокой надежностью и износостойкостью.

Начало популярности

Популярными ДВС с турбокомпрессором стали в 70-х годах. Тогда их стали массово устанавливать на спортивные авто. Но в гражданских автомобилях двигатель турбо не стал популярным из-за высокого расхода топлива. Этим недостатком отличались все турбированные бензиновые двигатели той эпохи. А ведь расход топлива был очень важен в тот период. Это время пришлось на нефтяной кризис в 70-х годах.

Устройство бензиновых турбо-ДВС

Алгоритм работы бензинового турбированного силового агрегата заключается в применении специального компрессора. Задача последнего - нагнетать в камеры сгорания дополнительный объем воздуха. За счет улучшения наполнения цилиндров смесью воздуха и топлива растет среднее эффективное давление за цикл и повышается мощность. В качестве привода системы турбонаддува применяются отработанные газы, энергия которых делает полезную работу.

Современный компрессор представляет собой корпус с подшипниками, колесо, корпус турбины. В последнем имеются каналы для движения смазки. Также присутствует в конструкции вал ротора, компрессор, пневматический привод В корпусе, где монтируются подшипники, установлен ротор. Он представляет собой вал с закрепленными на нем турбинным и компрессорным колесами. На последних имеются лопасти. Данный ротор может вращаться за счет подшипников скольжения. Для их смазки и охлаждения поступает масло из смазочной системы двигателя. Чтобы дополнительно охлаждался, используются также и каналы охлаждающей жидкости. Данный элемент компрессора изготовлен в форме улитки.

Принцип действия

Колесо компрессора и «улитки» установлены на одном и том же валу. За счет вращения турбины компрессорное колесо всасывает воздух из воздушного фильтра и нагнетает его в камеры сгорания. В зависимости от уровня наддува устройство может повысить силу давления от 30% до 80%. При помощи этого двигатель с одним и тем же объемом может принимать смесь в больших количествах. Именно за счет этого мощность агрегата повышается от 20% до 50%. Выхлопные газы и их энергия в значительной мере повышают КПД мотора.

Турбодизельные агрегаты

Примерно так же устроен и двигатель турбо (дизель). Принцип действия турбокомпрессора не отличается от бензинового. Единственное отличие - наличие интеркулера. Это специальный механизм, который охлаждает воздух, прежде чем он попадет в цилиндры. Объем холодного воздуха меньше, чем теплого. Это значит, что холодный воздух можно «затолкать» в цилиндр в большем количестве.

Двигатели TSI

Эти агрегаты устанавливаются на современные модели автомобилей от «Фольксваген», «Ауди» и «Шкода». Все они относятся к одному концерну. Производители утверждают, что это моторы нового поколения, в которых удачно сочетаются мощность и экономичность. В случае с обыкновенным классическим ДВС при малом объеме, особой мощности от него ждать не приходится. Если вес автомобиля равен одной тонне, а двигатель маломощный, это приведет к высокому расходу топлива из-за малой динамики и работы на высоких оборотах.

Двигатель с большим объемом имеет высокий расход за счет увеличенной камеры сгорания. Турбо-двигатели («Шкода Октавия», «Фольксваген» и «Ауди») - это настоящее чудо инженерной мысли. В данных силовых агрегатах сочетается скромный расход топлива и достаточная мощность при сравнительно небольшом объеме.

TSI: устройство

По объему эти агрегаты могут быть различными. Так, производят ДВС на 1,2; 1,4; 1,6 л. А также двигатель 1,8 турбо, 2,0 л. Мощность мотора растет за счет большего объема. И это верное решение. А дальше поговорим об отличиях.

Турбированный и компрессорный

TSI - это одновременно и турбированный, и компрессорный агрегат. Специалисты группы VAG применили такую конструкцию, чтобы решить стандартную проблему мотора. Это провалы на небольших оборотах двигателя. Если рассматривать классические турбодвигатели, то «улитка» функционирует за счет отработанных газов. Сила давления при работе на небольших оборотах не дает возможности нагнетателю создавать нужное усилие и подавать в камеры сгорания достаточное количество воздуха.

На двигатель 1,8 турбо («Фольксваген») устанавливается компрессор. Он не дает падать мощности. Максимальный крутящий момент в обыкновенном атмосферном двигателе находится на уровне около 5000 об./мин. В случае с моторами TSI максимум крутящего момента пребывает в диапазоне от 1500 об./мин до 4500 об./мин. Это рабочий интервал, который используют большинство водителей. В моторах TSI за счет применения двух турбин создается давление до 2,5 Бар.

Компрессор

Данный узел функционирует от отдельного привода ременного типа. Он отличается высоким передаточным числом. Включается компрессор только тогда, когда водитель нажмет на газ. На оборотах, близких к холостым, давление составляет 0,8 BAR - это достаточно много. За счет этого получаются отличные динамические характеристики. Так работает двигатель «Ауди» 1,8 турбо с TSI. Прошлое поколение этих моторов не оснащено компрессором. Здесь имеется только турбина.

Турбированный двигатель 1,8 от «Фольксваген»

Этот агрегат присутствует на рынке порядка 20 лет. Данная модель ДВС очень популярна и дала старт спросу на моторы с турбонаддувом. Таким двигателем оснащались многие модели автомобилей от группы VAG. Дебют этой силовой установки состоялся в 1995 году.

Впервые двигатель («Фольксваген Пассат» б5) 1.8 турбо был установлен на Ауди «А4» (да, на них используют одинаковые моторы). Что касается характеристик, то существует несколько моделей мощностью в 150 и 210 лошадиных сил. В 2002 году создали мотор мощностью 190 «лошадей». Турбированный двигатель от «Фольксвагена» стал началом совершенно новой философии относительно бензиновых ДВС. Он дал хорошую производительность при сравнительно небольшом объеме за счет турбины. Преимуществом данного агрегата является умеренный аппетит.

Модель «А4» от «Ауди» потребляет до 8 литров на 100 километров по трассе. В городских условиях расход топлива составляет не более 10 литров. За счет наличия 20 клапанов в ГБЦ и турбонагнетателя, инженеры «Фольксвагена» смогли получить более высокие показатели крутящего момента до того, как обороты достигнут отметки в 2 тысячи.

Так, в этом моторе объединена отличная эластичность, которая свойственна турбодизельным установкам, но при этом культура работы - бензиновая. Данный агрегат может быть также легко переоборудован на газ. Силовая установка является одной из лучших во всей линейке. Производительностью, умеренным расходом топлива и высокой надежностью может похвалиться двигатель. «Пассат» (1.8 турбо) не имеет никаких конструктивных недостатков агрегата. Даже сейчас, в эпоху современных TSI, равных этому мотору практически нет.

Турбодвигатели: преимущества и недостатки

Главный плюс, которым обладает турбомотор, - повышенная мощность. Это основная цель, которую удалось достичь без существенных изменений в конструкции. При одинаковых объемах с может выдавать на 70% больше крутящего момента и мощности. Компрессор снижает процент вредных веществ в выхлопных газах. Двигатель, оснащенный турбиной, имеет значительно более низкий уровень шума.

Эти силовые установки можно устанавливать на любые автомобили. Главный недостаток - высокий расход топлива. Объем воздуха увеличивается, растет и количество потребляемого топлива. Данную проблему инженеры решить не могут. Также к недостаткам относятся трудности в эксплуатации. Эти ДВС очень чувствительны к качеству горючего и масла. Дополнительно к минусам относят низкие сроки службы масла и очистительных фильтров. Мотор работает на повышенных оборотах. За счет этого масло быстрее теряет свои свойства.

Среди всех возможных вариантов наддува двигателя внутреннего сгорания наибольшее распространение получил турбонаддув, в котором воздух подается в цилиндры при помощи специального устройства — турбокомпрессора (турбины). Вращение турбины осуществляют отработавшие газы, что позволяет существенно увеличить мощность двигателя без увеличения частоты оборотов последнего. Помимо этого, турбонаддув позволяет получать большие значения крутящего момента при небольшом расходе топлива. В сравнении с классическими конструкциями при аналогичной мощности турбированный двигатель имеет более компактные габаритные размеры.

Устройство системы турбонаддува

На практике турбонаддув применяется как на моторах, использующих дизельное топливо, так и на бензиновых. Однако наиболее часто эта система встречается именно на дизельном двигателе, поскольку для них характерна высокая степень сжатия, меньшая температура выхлопа и низкие обороты коленчатого вала. Более высокая степень сжатия обеспечивает повышение мощности турбированного двигателя и увеличивает его КПД.

В бензиновых моторах температура отработавших газов выше, что может спровоцировать эффект детонации, приводящий к быстрому износу поршневой группы. Для предотвращения этого явления необходимо использовать бензин с более высоким октановым числом, что не всегда является экономически выгодным.

Принцип работы турбины

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

• Воздухозаборник;
• Воздушный фильтр;
• Перепускной клапан — регулирует подачу отработавших газов;
• Дроссельная заслонка — регулирует подачу воздуха на впуске;
• Турбокомпрессор — повышает давление воздуха во впускной системе. Состоит из турбинного и компрессорного колес;
• Интеркулер — охлаждает воздух, способствуя лучшему наполнению цилиндров и снижению вероятности детонации;
• Датчики давления — фиксирует давление наддува в системе;
• Впускной коллектор — распределяет воздух по цилиндрам;
• Соединительные патрубки — необходимы для крепления элементов системы между собой.

Принцип работы турбонаддува

Принцип работы системы турбонаддува заключается в следующем:

• Отработавшие газы двигателя, проходя через турбокомпрессор, раскручивают турбинное колесо.
• Вращение турбинного колеса передается компрессорному, поскольку они закреплены на одном валу.
• Компрессор сжимает воздух, поступающий из воздухозаборника, и направляет его в интеркулер.
• В интеркулере воздух охлаждается и поступает на впуск в цилиндры двигателя.

В турбокомпрессоре предусматривается возможность регулировки давления выхлопных газов на лопасти турбины с целью не допустить превышение давления наддува в системе. Это осуществляется с помощью перепускного клапана, который приводится в движение пневмо- или электроприводом. В свою очередь, управление приводом осуществляется электронным блоком управления, который считывает информацию с датчика давления.

Особенности эксплуатации турбированных двигателей

На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название «турбояма». Сущность явления заключается в следующем:

• Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
• Турбина вращается в соответствующем режиме.
• При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
• После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.

Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка — «турбояма». Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Виды систем турбонаддува

Производители разработали различные способы избавления от «турбоямы»:

• Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
• Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
• Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
• Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.

Что такое турботаймер и для чего он необходим

Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему — возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.

Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.

Достоинства и недостатки системы турбонаддува

Подводя итоги, можно выделить плюсы и минусы использования на моторе турбонаддува. В числе достоинств:

• увеличение мощности двигателя;
• повышение КПД двигателя;
• снижение расхода топлива.

К минусам можно отнести:

• низкий крутящий момент на малых оборотах двигателя;
• более высокая стоимость;
• более сложное обслуживание и эксплуатация.

Наверное, вы хоть раз обращали внимание на автомобили с шильдиками или наклейками «turbo». Внешне они ничем не отличаются от своих «атмосферных» собратьев, разница лишь в наличии турбонаддува под капотом. Мы постараемся дать внятное объяснение что такое турбонаддув, для чего он нужен и как работает.

Примерный вид газовой турбины

С самого своего появления, автомобили, стараниями своих создателей, претерпевают модернизации и более всего в вопросах мощности двигателей. Так как этот параметр напрямую связан с рабочим объемом мотора а также с качеством подаваемой воздушно-топливной смеси, для увеличения мощности есть два пути — либо увеличить объем агрегата (в современном массовом автомобилестроении этот способ не очень популярен), либо каким-то образом нагнетать в цилиндры больше воздуха. Первый способ не популярен по понятным причинам — вместе с увеличением объема цилиндров возрастет и расход горючего, кроме того, сам агрегат существенно прибавит в размерах и массе, что тоже не всегда приемлемо. Поэтому автомобильными инженерами был найден способ увеличить подачу воздуха в цилиндры.

Какие бывают виды турбонаддува

Есть несколько способов нагнетания большего количество воздуха в двигатель:

• резонансный наддув — реализуется без нагнетателя за счет кинетической энергии воздуха во впускных коллекторах;
• механический наддув — подача воздуха увеличивается благодаря применению механического компрессора, который, в свою очередь, приводится в движение двигателем автомобиля;
• газотурбинный наддув — турбину приводит в движение поток отработавших газов.

В первом случае наддув происходит лишь за счет особенной формы и размера впускных коллекторов без применения каких-либо нагнетателей. Поэтому мы не будем описывать его в этом материале, а остановимся подробнее на двух других вариантах, которые, на наш взгляд, заслуживают особого внимания.

Механический наддув

Некоторые современные автомобили до сих пор оснащают компрессорами

Механический наддув — способ увеличения подачи воздуха в двигатель посредством использования компрессора. Принцип работы компрессора выглядит следующим образом: когда двигатель начинает работать, его коленвал приводит в действие весь механизм. То есть механический наддув работает с первых моментов запуска мотора автомобиля.

Несомненным плюсом такой системы можно назвать, то что воздух принудительно нагнетается в цилиндры на любых оборотах двигателя (даже самых низких) и давление, соответственно возрастает с увеличением оборотов коленчатого вала. Поэтому автомобилям с механическими компрессорами не знакомо такое понятие, как «турбояма». Но такое устройство имеет и свои отрицательные стороны. Дело в том, что на приведение в движения компрессора мотор автомобиля расходует некоторую часть своей мощности, что снижает в итоге его КПД. Кроме того, для установки механического наддува нужно больше места в подкапотном пространстве. Также такое устройство создает повышенный уровень шума.

Нагнетание воздуха в мотор при помощи компрессора стало использоваться в автомобилестроении гораздо раньше, нежели применение газотурбинного механизма. Тем не менее, несмотря на некоторую устарелость, подобные устройства все еще можно встретить на современных автомобилях (ярким примером выступает компания Mercedes-Benz, на свежевыпущенных машинах которой до сих пор красуются шильдики «Kompressor»).

Газотурбинный наддув

В большинстве своем современные автомобили оснащены газотурбинными системами наддува. Принцип работы турбины сходен с компрессорным наддувом, разница лишь в том, что турбина приводится в действие потоком отработавших газов автомобиля, а не коленвалом двигателя. По ощущениям, включение турбины некоторые водители сравнивают с «пинком». Газотурбинный механизм наддува представляет собой устройство из двух крыльчаток жестко соединенных между собой валом. Каждая крыльчатка заключена в корпус, так называемую улитку.

Устройство газовой турбины

Устройство турбины достаточно несложное и состоит из:

• двух крыльчаток;
• двух улиток, внутри которых крутятся крыльчатки;
• вала, соединяющего крыльчатки;
• подшипников скольжения — двух опорных и одного упорного;
• перепускного клапана, который используется для сброса избыточного давления.

Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы из выпускного коллектора попадают в первую улитку и вращают ее крыльчатку. Через соединительный вал вращение передается второй крыльчатке, которая и нагнетает давление во второй улитке.

Плюсы и минусы турбонаддува

Главным преимуществом турбонаддува является увеличение мощности мотора без существенного увеличения расхода топлива. Чтобы объяснить это явление нужно разобраться как работает турбонаддув: турбина приводится в движение только благодаря энергии отработавших газов, а не за счет мощности мотора автомобиля. Но следует различать такие понятия, как общая и удельная экономичность мотора. Другими словами — турбированный двигатель будет иметь больший расход горючего, нежели аналогичный по объему атмосферный агрегат. Это происходит потому что увеличившийся объем воздуха, попадающего в цилиндры, позволяет сгорать большему количеству топлива. Однако у турбированного агрегата на единицу мощности приходиться меньше израсходованного топлива. Например, если взять два мотора 1,4 литра с турбиной и атмосферный 1,8 литра, оба с мощностью 130 л.с., то 1,4 будет более экономичен, за счет большего КПД.

Что касается экологичности турбомоторов: хотя среди отечественных автолюбителей еще не так развита «экологическая сознательность», не следует забывать и о том, что турбированные моторы наносят меньше вреда окружающей среде. Все потому что в камере сгорания турбированного двигателя температура несколько меньше, поэтому снижается образование оксида азота, к тому же топливо сжигается более полно.

Принцип работы газовой турбины

Впрочем, не обошлось и без недостатков. Первое о чем следует знать — турбина требует к себе бережного отношения. Пока мотор заведен на подшипники масло подается под давлением. Как только мотор заглушен масло к подшипникам поступать прекращает. Если мотор эксплуатировался под большими нагрузками, система наддува может перегреться и выйти из строя. Дабы не допустить перегрева, прежде чем глушить турбированный двигатель, ему следует дать поработать несколько минут на холостых оборотах. Многие современные автомобили оснащаются с завода специально предназначенными для этого устройствами — турботаймерами.

Есть еще один немаловажный момент — на малых оборотах мотора эффективность турбины очень мала. Также следует упомянуть об эффекте турбоямы — турбина откликается на нажатие педали акселератора с некоторой задержкой. Турбонаддув может эффективно работать только в узком диапазоне оборотов мотора, кроме того, большое значение имеет размер самой турбины. Для увеличения продуктивности этой системы многие автопроизводители устанавливают на свои автомобили две турбины разного размера или пару одинаковых турбин. Турбины разного размера позволяют существенно расширить диапазон эффективной работы турбонаддува — после того как первая турбина начинает терять продуктивность в работу вступает вторая. Две одинаковые турбины позволяют увеличить производительность, улучшить разгонную динамику и уменьшить эффект турбоямы. Для снижения этого эффекта автопроизводители прибегают к таким ухищрениям, как снижение массы движущихся частей турбины. Благодаря этому турбине нужно меньше времени чтобы раскрутиться.

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – , «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса, при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Вот это «улитка»!

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.

Считается, что престижный автомобиль просто обязан быть динамичным. Да и любому спешащему автолюбителю хочется победить время скоростью своего коня, без глобальных на это затрат топлива. И вот сегодня, в 21 веке, под массивным капотом скрыт скромный четырехцилиндровый рядный блок, разгоняющий до 100 км/час даже достаточно массивную машину за несколько секунд. А все потому, что у него есть турбина — приспособление, которое применяется в моторах с турбонаддувом.

Принцип действия турбины

Турбина, как инженерное творение было придумано и разработано в 1905 году швейцарцем Альфредом Буше. Он получил патент на компрессор, который приводился в действие за счет отработанных газов автомобиля. Целью его долгого пути развития и усовершенствования является повышение топливной эффективности.

Чтобы увеличить мощность при уменьшении рабочего объема двигателя, нужно в той же камере сгорания сжечь больше бензина. С химической точки зрения, сгорание – это реакция окисления, окислителем в которой считается кислород. Нужно умудриться забрать с внешней атмосферы больше воздуха. То есть, для решения проблемы, необходимо повысить количество топливно-воздушной смеси, подаваемую на двигатель.

Суть же турбины вот в чем: выпускающиеся под давлением из выпускного коллектора газы, попадают в систему выхлопа, вращая, как крылья мельницы, колесо с лопатками — турбину. В то же время, закрепленный с ней на одном валу, компрессор начинает нагнетать в цилиндры дополнительный воздух, тем самым повышая так недостающее количество окислителя в камере сгорания. Число оборотов турбины тесно связано с давлением газов в, так называемой, горячей части. Управлять ими можно при помощи специального клапана. В холодной части работает нагнетатель, доставляющий дополнительную порцию атмосферного воздуха во впускной коллектор. То есть, можно условно разделить турбонагнетатель на ротор и компрессор. Если потребление окислителя резко сокращается, например, при сбросе газа, когда ротор еще инерционно крутится, излишний воздух удаляется через специальный клапан впускного коллектора, называемый «блоу оф».

В отличие от механических нагнетателей в турбонаддуве нет отбора мощности от двигателя, а значит, КПД такой конструкции должен быть намного выше.

Этот круговорот вторичного использования энергии продуктов сгорания топлива эффективно повышает мощность двигателя.

Проблемы турбированных двигателей и их решение

И даже в работе такого гениального изобретения, как турбина, есть свои скрытые негативные стороны.

А дело в том, что пока мотор не раскрутится до определенных оборотов, турбина практически не работает. А начав работать, превращает смирный атмосферный мотор в ревущего хищника. Это, как два двигателя в одном: если едешь не торопясь, он ведет себя просто как маломощный мотор. Но, когда нужна дополнительная мощность, например, при обгоне, турбонаддув действует как пинок, ускоряющий автомобиль, будто под капотом находится мотор большего объема. Другими словами, на малых оборотах количество газов совсем небольшое, и их скорость и давление также мало. Поэтому и турбина раскручивается до совсем небольших оборотов, и толку от компрессора с его подачей дополнительного воздуха почти равно нулю. В результате этого непредвиденного дефекта на низах мотора отсутствует нужная мощность. И только примерно с 4000 об/мин турбонаддув «выстреливает».

Обороты, при которых турбина и компрессор начинают работать эффективно, называются «турбо-зоной», а процесс преодоления более низкого диапазона оборотов закрепилось в названии «турбо-яма».

Для борьбы с таким дефектом можно поставить две турбины вместо одной, по одному нагнетателю на каждую долю блока цилиндров. Такую схему часто называют «би-турбо». Или установить механический нагнетатель, помогающий мотору на низких оборотах. Если турбина все-таки одна, то современные многоступенчатые трансмиссии позволяют передать передаточные числа таким образом, что турбо-яма в принципе не ощущается, фактически мотор не покидает турбо-зоны. Исключение составляет только момент, когда нужно двинуться с места.

Еще один не оставленный без внимания нюанс – это то, что турбина, компрессор и все его компоненты работают в зоне самых высоких температур, так как выхлопные газы достигают температуры в 2500-3000 градусов С. Кроме того, так как турбокомпрессор нагнетает воздух двигателя под давлением, плюс еще давление, создаваемое клапанами в цилиндре, воздух в камерах сильно нагревается. Его температура может подниматься до температур, достаточных для возникновения детонации. Поэтому в комплексе с турбиной под капот устанавливают специальный охладитель, называемый «интеркуллер», обладающий также дополнительными положительными свойствами. В основном моторы с турбонагнетателем рассчитывают только на высокооктановый бензин.

Турбина на авто – и мечта, и реальность

Долгое время турбонаддув оставался исключительно дизельным явлением. Однако рост цен на нефть быстро вернул инженеров к мысли о необходимости срочной модернизации всей линейки двигателей. За что нам и можно сказать спасибо! Ведь это и привело к возможности любого желающего стать обладателем скоростного авто, всего лишь приобретя комплекс с турбонаддувом, полностью готовый к эксплуатации, с уже устраненными проблемами, наполненный сплошными плюсами и позволяющий получать лишь удовольствие от езды.

С появлением на рынках турбин, появилось множество других нововведений, таких как подшипники с керамическими шариками , которые сами по себе заполнены смазкой, и другие. Также турбонаддув помог в решении такой проблемы, как снижение рабочего объема двигателей при сохранении необходимой мощности . Что, в свою очередь, уменьшает выбросы, радуя экологов.

Неизвестно, что будет под капотами автомобилей лет через 20 – ближайшее будущее мы смело можем именовать турбо эрой.