Турбонаддув двигателя автомобиля: как устроен и как работает

Турбонаддув двигателя автомобиля: как устроен и как работает 16.02.2023 12:14

Турбонаддув является способом агрегатного наддува, при котором воздух подается в отсеки цилиндров под давлением. Процесс сжатия и нагнетания выполняют отработанные газы, вращающие вал турбины. Такой метод сегодня применяется повсеместно. Турбированные двигатели обладают большей мощностью и экологичностью, при этом сам объем ДВС можно не увеличивать. Турбина также позволяет достичь большего значения крутящего момента при небольшом расходе топлива.

В целом, преимуществ у данного метода предостаточно, что делает его одним из наиболее популярных способов повышения характеристик автомобиля.

Применения турбины на дизельных и бензиновых силовых агрегатах

Турбины используются как на бензиновых, так и на дизельных силовых установках. Однако более широкое распространение данный метод получил именно на последних вариантах ДВС. Это связано с характеристиками самого топлива и двигателя. Дизельные моторы имеют более высокую степень сжатия, меньшую температуру отработанных газов и меньшую частоту вращения коленчатого вала. Вследствие этого достигаются необходимые условия для более высокого КПД от турбоустановки.

Бензиновые моторы также подходят для установки турбонаддува. Однако здесь есть свои особенности. Вследствие использования бензина в качестве топлива возрастает температура отработанных газов – около 1000 градусов. Это повышает тепловую нагрузку на поршневую группу и на крыльчатку самого нагнетателя. Учитывая дополнительную подачу воздуха от турбины, может спровоцировать детонацию. В качестве решения можно использовать бензин с высоким октановым числом, однако это не всегда экономически оправдано.

Применение турбонаддува на бензиновых ДВС возможно с дополнительными техническими решениями.

Устройство турбонаддува

Конфигурация узла турбонагнетателя может меняться в зависимости от инженерных решений производителя. Однако базовые элементы этой установки остаются практически неизменными. К ним относятся:

• воздухозаборный тракт с воздушным фильтром – для стабильной работы крыльчатки и сохранения чистоты цилиндров крайне важен подготовленный воздух, очищенный от мелких частиц пыли, грязи;
• узел дросселя – отвечает за регулирование подачи воздуха на впуске ДВС;
• сам турбокомпрессор – повышает давление воздуха во впускном тракте;
• интеркулер – его задача заключается в охлаждении поступающего воздуха, вследствие чего цилиндры лучше наполняются, а вероятность возникновения детонации уменьшается;
• датчики давление воздуха в системе, снимающие информацию для бортовой системы управления о работе турбонаддува;
• патрубки – герметизируют и соединяют все узлы воедино.

Классическая турбина представляет собой улитку, состоящую из двух частей – холодную и горячую. Оба турбинных колеса связаны между собой валом. Таким образом, вращение горячей части (от выхлопных газов) автоматически передается на холодную сторону (сжатие и нагнетание воздуха в цилиндры) без лишних технических средств.

Турбине жизненно важны два параметра: надежная смазка и тепловая устойчивость. Вал устройства вращается во вкладышах, которые работают именно на масляном клине. Для этого в корпусе турбины предусмотрены соты – небольшие каналы для доставки масла к трущимся узлам. Потеря давления практически сразу вызывает износ вращающихся частей.

Горячая часть турбины работает с выхлопными газами. Ее температурный режим – 600-1000 градусов. Очевидно, что материал лопаток должен быть изготовлен из жаропрочных сплавов. Часто применяется инконель – сплав стали, хрома и никеля. Холодная часть всегда связана с воздухом обычной температуры, поэтому такие свойства ей не нужны. Ее часто изготавливают из легких сплавов, чтобы уменьшить инертность крыльчатки во время раскручивания.

Здесь возникает один неприятный момент – дисбаланс системы. Крыльчатка из инконеля и, например, алюминия, имеет разные весовые показатели. Один из способов балансирования системы и повышения КПД турбонаддува – производство обеих сторон из легких, но прочных сплавов. Например, титан, керамика и магний. Такие конструкции уже есть, но их цена пока достаточно высока. Поэтому такое решение может быть не по карману.

Принцип работы турбонаддува

Схему функционирования турбины можно описать следующими пунктами:

• выхлопные газы попадают из выпускного коллектора в приемную улитку горячей части турбины;
• крыльчатка горячей части разгоняется в той степени, в которой на нее давят газы – прямая зависимость от оборотов двигателя;
• вращение горячей крыльчатки через вал передается на холодную часть;
• компрессорное колесо затягивает, сжимает фильтрованный из воздухоприемника воздух;
• сжатый газ направляется в интеркулер, где охлаждается и направляется в цилиндры мотора.

В системе турбонаддува также предусмотрены дополнительные узлы, выполняющие защитные функции. К ним относятся:

1. Вестгейт. Представляет собой предохранительный клапан, отсекающий подачу горячих газов и дальнейшее раскручивание турбины. Вестгейт включается тогда, когда турбина достигает пика давления. В результате часть отработанных газов просто проходят мимо горячей части, непосредственно в выхлопную систему. Вестгейт приводится в действие пневматикой или электроприводом, которым управляет блок управления.
2. Предохранительный клапан. При резком отпускании дроссельной заслонки, обороты мотора быстро снижаются. При этом давление в горячей части турбины также падает, но вал продолжает дальше вращаться по инерции, создавая давление. Этих секунд может хватить для того, чтобы вал сместился и разрушил масляную пленку, по которой скользит. В результате – быстрый износ поверхности. Чтобы этого не произошло, в систему включается предохранительный клапан.

Защита бывает двух вариантов: байпас и редукционная заслонка. Первый вариант сбрасывает избыточное давление обратно во впускной тракт, до турбины. Байпас отлично амортизирует подобные динамические толчки. Однако он имеет один неприятный момент - повышенная нагрузка на крыльчатку турбину. Иногда можно услышать характерный хлесткий звук в момент сброса газа - это воздух бьет по лопастям.

Редукционный клапан или блоу-офф работает по аналогичной схеме, однако сбрасывает воздух не во впускной тракт, а наружу. Такой подход практически не оказывает негативного влияния на крыльчатку. Работа блоу-офф сопровождается характерным звуком выходящего воздуха (свист), который любят многие любители автотюнинга. Однако такие спецэффекты не всегда оправданы в семейных автомобилях, поэтому производители в штатных комплектациях используют байпасы.

Особенности работы турбины

Турбонаддув имеет некоторые особенности работы, которые инженерам необходимо учитывать, а в некоторых случаях – бороться с ними. К таким можно отнести:

• изменяемая геометрия турбины – техническое решение, позволяющее работать турбине даже при недостаточных оборотах ДВС (подрыв снизу);
• турбояма – классическая проблема, проявляется при резком нажатии педали на газ.

При турбояме автомобиль не реагирует на нажатие дросселя и начинает разгон спустя некоторое время. Для борьбы с этим явлением применяются разные технические методы, включая изменяемую геометрию и антилаги.