Турбонагнетатель с механическим приводом

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.

Втулочные турбины были самыми распространенными в течение долгого времени, тем не менее, новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях.

Отзывчивость турбины на дроссель в значительной степени зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику.

Шарикоподшипниковые турбины также требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки подшипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.

По материалам Garrett TurboTech.Перевод и адаптация Oleg Coupe (TurboGarage)При использовании материалов ссылка на источник обязательна.

Что такое турбированный двигатель в автомобиле

Первые турбированные двигатели были сконструированы ещё в 1905 году, однако на легковые автомобили их начали устанавливать во второй половине 20-го века. Турбонаддув – система нагнетания в цилиндры атмосферного двигателя дополнительного воздуха, вследствие чего происходит повышение среднего эффективного давления в цилиндрах. Это увеличивает мощность мотора без внесения изменений в его конструкцию. Работу мотора с турбонаддувом обеспечивает приводной нагнетатель, использующий энергию отработанных газов. Они приводят в движение колесо турбины, которая в свою очередь вращает колесо компрессора с помощью роторного вала. Компрессорное колесо сжимает воздух, который нагревается, а после поступления в интеркулер охлаждается и подаётся в цилиндры.

До недавнего времени двигатели с турбонаддувом устанавливались исключительно на дорогостоящие спортивные модели автомобилей. Но, по утверждению маркетологов, в настоящее время доля моделей с такими моторами стремительно увеличивается, и турбина становится практически обязательным элементов престижных марок авто.

Турбины устанавливают гораздо чаще на дизельных двигателях, чем на бензиновых

Производители машин делают акцент на том, что турбодвигатели беспощадно теснят «атмосферники», и большинство покупателей хороших машин предпочитают именно такой тип двигателя. Но так ли хорош турбомотор, как это расписывают конструкторы и инженеры автопредприятий? Чтобы сделать выводы, стоит рассмотреть его конструктивные особенности и поближе познакомиться с принципом действия.

Конструктивные особенности

Система турбонаддува состоит из компрессора, интеркулера, регулятора давления наддува и других узлов. Главная деталь – турбокомпрессор, регулирующий рост давления в системе впуска воздуха. Интеркулер охлаждает воздух и повышает его плотность.

Схема движения воздуха во время работы турбированного двигателя

Всей системой управляет регулятор наддува. Это перепускной клапан, ограничивающий давление отработанных газов. Отсекая некоторое их количество, клапан делает давление наддува оптимальным.

Турбокомпрессор работает следующим образом:

1. Воздух проходит через воздушный фильтр и поступает во входное отверстие.
2. Происходит сжатие воздуха, и в нём увеличивается содержание кислорода. Воздух нагревается, и его плотность снижается.
3. Массы воздуха покидают турбокомпрессор и попадают в интеркулер, в котором происходит охлаждение.
4. Сжатый воздух проникает через дроссель и впускной коллектор в цилиндры мотора.
5. Часть выхлопных газов, образовавшихся при сгорании топлива в цилиндрах, передаётся турбодвигателем назад в коллектор турбины. Этот поток воздуха запускает движение вала, на противоположном конце которого расположен компрессор. Здесь начинается повторное сжатие воздуха.

Схема турбокомпрессора

Эксплуатация турбины

Устройство турбокомпрессора делает его зависимым от качества масла, поэтому пытаться сэкономить на нем не стоит. Несвоевременно поменянное масло может стать причиной нарушений в работе механизма.

Автомобиль, оснащенный турбиной, нуждается после покупки в замене масла и тщательной прочистке топливной системы, при этом смешивать разные масла нельзя.

После продолжительной поездки сразу глушить двигатель не рекомендуется, дав ему немного поработать и охладиться. Резкое выключение может сказать на снижении прочности элементов конструкции, вызванном перепадом температуры.

История изобретения

Принцип турбонаддува был запатентован Альфредом Бюхи в 1911 году в патентном ведомстве США.

История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885—1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путём сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1905 г. швейцарский инженер Альфред Бюхи впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности до 120 %. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.

Сфера использования первых турбокомпрессоров ограничивалась чрезвычайно крупными двигателями, в частности, корабельными. В авиации с некоторым успехом турбокомпрессоры использовались на истребителях с двигателями Рено ещё во время Первой Мировой войны. Ко второй половине 1930-х развитие технологий позволило создавать действительно удачные авиационные турбонагнетатели, которые у значительно форсированных двигателей использовались в основном для повышения высотности. Наибольших успехов в этом достигли американцы, установив турбонагнетатели на истребители P-38 и бомбардировщики B-17 в 1938 году. В 1941 году США был создан истребитель P-47 с турбонагнетателем, обеспечившим ему выдающиеся летные характеристики на больших высотах.

В автомобильной сфере первыми начали использовать турбокомпрессоры производители грузовых машин. В 1938 г. на заводе «Swiss Machine Works Sauer» был построен первый турбодвигатель для грузового автомобиля. Первыми массовыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962—1963 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.

Начало использования турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности, на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка «турбо» стала входить в моду. В то время почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. На первых порах задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой, что также являлось серьёзным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.

Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошёл с установкой в 1977 г. турбокомпрессора на серийный автомобиль Saab 99 Turbo и затем в 1978 г. выпуском Mercedes-Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes-Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel, сохранив при этом значительно более низкий уровень расхода топлива. Вообще, дизельные двигатели имеют повышенную степень сжатия и, вследствие адиабатного расширения на рабочем ходу, их выхлопные газы имеют более низкую температуру. Это снижает требования к жаропрочности турбины и позволяет делать более дешёвые или более изощрённые конструкции. Именно поэтому турбины на дизельных двигателях встречаются гораздо чаще, чем на бензиновых, а большая часть новинок (например, турбины с изменяемой геометрией) сначала появляется именно на дизельных двигателях.

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 , 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 автомобильного двигателя с турбонаддувом

Механизм работы системы довольно прост. Он наглядно показан на схеме.

Включая турбонаддув, вы запускаете в моторе авто следующие
процессы:

• выхлопные газы из двигателя автомобиля подаются на турбину, придавая ей импульс вращения;
• с турбины крутящий момент передается компрессору;
• компрессор засасывает воздух и производит его сжатие;
• сжатый воздух проходит через интеркулер, охлаждаясь и уплотняясь при этом;
• сжатый охлажденный воздух подается на цилиндры двигателя.

Тем, кому знаком принцип работы классического двигателя внутреннего сгорания, понятен смысл подачи дополнительного воздуха в цилиндры. Ведь в цилиндры подается воздушно-топливная смесь в строго определенном соотношении. И обычно, для того чтобы увеличить мощность двигателя, приходится изменять конструкцию – увеличивать объем цилиндров.

Включая турбоподдув в автомобиле, можно добиться увеличения
мощности двигателя при тех же объемах. Происходит это за счет подачи
уплотненного (сжатого) воздуха.

Как работает?

Рассмотрим принцип работы турбонаддува подробнее. Система функционирует на энергии отработанных газов. Они вращают турбинное колесо, которое, в свою очередь, крутит компрессорное. Оно сжимает воздух, а затем он охлаждается в интеркулере и переходит в цилиндры «движка».

Эффективность функционирования системы зависит от оборотов мотора. Получается, что чем больше происходит вращения коленвала, тем больше энергия газов, быстрее крутится турбина и большое количество сжатого воздуха уходит в цилиндры.

У турбонаддува есть некоторые отрицательные «стороны». К ним относят «турбояму» и «турбоподхват». Первый возникает при резком «старте» при задержке увеличения мощности «движка». Второй появляется при увеличении давления после преодоления турбоямы.

Если водитель знает, как функционирует классический двигатель внутреннего сгорания, то ему не составит труда разобраться в процессе подачи дополнительного воздуха в цилиндры. Получается, что при включении турбонаддува происходит увеличение мощности мотора при стандартных объемах.

3 Механический турбонагнетатель воздуха – своими руками совершенствуем авто!

Наиболее эффективен режим турбо на впрысковых бензиновых двигателях. Моторы карбюраторного типа также могут работать с механическим нагнетателем, однако им необходима определенная доработка своими руками, в частности, установка жиклеров с увеличенным сечением и другие меры. В случае с инжекторным двигателем все сводится к новой прошивке.

Механический нагнетатель, работающий от коленвала двигателя, имеет несомненное достоинство – он работает абсолютно синхронно с агрегатом и в режиме турбо обеспечивает равномерную подачу воздуха в соответствии с оборотами мотора. Однако такое устройство будет отбирать для своей работы часть мощности движка.

Самыми распространенными вариантами построения механических нагнетателей, которые можно установить своими руками, являются три типа:

• Центробежный аппарат – применяется как самостоятельно в виде компрессора, так и в комбинации с другими устройствами. Принцип работы достаточно прост – лопатки, вращающиеся на большой скорости, захватывают воздух и забрасывают внутрь корпуса, который имеет улиткообразную форму. На выходе из корпуса поток воздуха приобретает нужное для режима турбо давление. Невысокая стоимость устройства и возможность установки своими руками сделали его наиболее популярным. Однако в его работе хватает и сложностей, в частности, с техобслуживанием.
• Нагнетатель ROOTS – представляет собой лопатки ротора, которые помещены в замкнутый корпус. Воздух захватывается на входе, за счет высокой скорости вращения лопаток воздух приобретает более высокое давление на выходе. Главный недостаток устройства такого типа – неравномерность подачи воздушного потока, что вызывает пульсацию давления в режиме турбо. Однако относительно тихая работа, надежность и компактность заставляют автомобилистов мириться даже с таким недостатком. При определенных навыках обращения с техникой вам не составит труда установить такой наддув своими руками.
• Нагнетатель LYSHOLM – представитель винтового типа аппаратов. Принцип работы схож с предыдущим – поток воздуха создается роторами, которые вращаются на высокой скорости. Главное отличие этого типа нагнетателей – маленький зазор между винтами, что вызывает множество сложностей в проектировании и установке таких изделий. Встречаются они на автомобилях нечасто и стоят недешево. Устанавливать их своими руками не рекомендуется, лучше обращаться к специалистам по турбонаддуву.

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

Турботаймер

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.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

Преимущества и недостатки двойного турбонаддува

В настоящее время TwinTurbo в основном устанавливается на мощных автомобилях. Применение этой системы позволяет добиться такого преимущества как обеспечение максимального крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя. Также благодаря двойному турбонаддуву достигается увеличение мощности при относительно небольших габаритах двигателя, что делает его более экономичным по сравнению с атмосферным двигателем.

К основным недостаткам БиТурбо можно отнести высокую стоимость, что обусловлено сложностью конструкции. Так же, как и с классической турбиной, системы с двумя турбокомпрессорами нуждаются в более бережном отношении, качественном топливе и своевременной замене масла.

Устройство и принцип действия

Основными деталями системы турбонаддува являются:

• Корпус нагнетательного компрессора (улитка).
• Компрессорное рабочее колесо (крыльчатка).
• Вал – общий для компрессора и турбины.
• Корпус турбины (обратная улитка).
• Турбина (колесо с лопастями).
• Интеркулер (охладитель воздуха).

В системе есть подшипники скольжения, в корпусах которых предусмотрены входы для подачи смазки. И герметичные патрубки для воздуха и масла. Также в современных устройствах турбонаддува имеются:

• Wastegate (регулировочный клапан). Поддерживает в системе оптимальное давление. Если надо, сбрасывает газ в приемник.
• Bypass-valve (перепускной клапан). Если надо понизить мощность, отводит нагнетаемый воздух во впускной патрубок, расположенный перед турбиной.
• Blow-off-valve (стравливающий клапан). При закрытом дросселе сбрасывает нагнетаемый воздух в атмосферу.

Выхлопные газы из двигателя поступают в обратную улитку. Там они проходят по суживающемуся каналу, разгоняются и попадают на турбину со специальными «воздухозаборными» лопастями, которая от этого начинает вращаться с огромной скоростью (100-150 тыс. об/мин). После этого, выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.

Крыльчатка компрессора, расположенная с турбиной на одном валу, вращается одновременно с ней. Лопасти у нее другой формы, предназначенные для нагнетания. На некоторых моделях грузовиков ставятся турбины с лопатками изменяемой геометрии – в зависимости от режима работы мотора. Воздух подается снаружи, разгоняется и, через расширяющийся канал, под высоким давлением отправляется на интеркулер.

Охлаждение нагнетаемого воздуха в интеркулере требуется по нескольким причинам. Прежде всего, для снижения опасности возникновения детонации. Кроме того, во время сжатия, воздух нагревается, что приводит к падению его плотности – а это, в свою очередь, может значительно понизить эффективность работы системы. Конструктивно интеркулер представляет собой радиатор охлаждения.

После интеркулера, охлажденный сжатый воздух поступает в камеру сгорания дизеля.

Атмосферный двигатель или турбированный – главные различия

Пример атмосферного двигателя БМВ

Если говорить грубо, то наличие турбины (компрессора, нагнетателя) является единственным, чем отличается атмосферный двигатель от турбированного. Но производители сегодня инвестируют именно в турбоагрегаты, так что их количество на рынке постоянно растет, а технологии активно меняются.

Принципиальная разница между этими моторами заключается в том, что у атмосферного агрегата воздух подается под естественным давлением через впускной клапан. В турбомоторе воздух подается принудительно компрессором под большим давлением.

Пример турбированного двигателя

Это порождает следующие отличия атмосферного двигателя от турбированного:

• на нижнем диапазоне оборотов большинство моторов
  работают примерно в одинаковом режиме;
• на более высоких оборотах включается турбина,
  силовая установка получает значительный прилив мощности;
• в рабочем диапазоне оборотов турбомотор
  потребляет меньше топлива, так как работает более эффективно;
• разгон современного агрегата с нагнетателем
  гораздо более динамичный, а максимальная скорость часто выше;
• эластичность работы мотора с компрессором лучше,
  так как функциями турбины управляет умный компьютер.

Если раньше турбокомпрессор мог работать в дух режимах (дуть или не дуть), то сегодня техника стала гораздо умнее. Нагнетание давления воздуха не чувствуется в виде резких толчков или рывков, мотор просто получает отличный задор и динамику.

В этом и заключается разница между атмосферным и турбированным двигателем – турбоагрегат лучше подстраивается под пожелания водителя и может работать эффективнее.

Устройство

Турбонаддув сегодня используется на разных типах двигателя, в том числе на бензиновых и на дизельных. Чаще система используется все-таки на дизельном моторе, он обладает высокой степенью сжатия и низкими оборотами коленвала.

Что касается бензиновых двигателей, то в них t отработанных газов выше. Это способно произвести эффект детонации, то есть спровоцировать ускоренный износ поршневой группы. Это явление возможно предотвратить.

Система турбонаддува включает в себя множество важных элементов. Основной элемент — нагнетатель. Его также еще именуют как турбинный компрессор. Он функционирует в системе впуска, увеличивая давление воздушной массы.

Сам компрессор состоит из колес (турбинного и компрессорного). Первый предназначен для переработки энергии, второй — для всасывания воздушной массы, а затем для ее сжатия и нагнетания. Еще одним важным элементом является интеркулер и регулятор давления наддува.

Выбор турбины.

Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбомотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность

Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливовоздушной смеси, которая через него проходит за единицу времени, определив целевую мощность, мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха.Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя, на которых это происходит

Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее, за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выхода турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.