Как устроена турбина в двигателе автомобиля

13

Что такое турбина простым языком

Турбина (турбокомпрессор, турбонаддув) – это автомобильный узел, который использует энергию выхлопных газов для создания избыточного давления во впускном коллекторе, для большей закачки воздуха в камеры сгорания двигателя.

Сегодня разберем на простом языке устройство турбокомпрессора, как он работает. Зачем нужна турбина в машине, что такое вестгейт и актуатор. Рассмотрим возможные неисправности и как их избежать. Какие бывают виды автомобильных турбонагнетателей, что такое твинскрольная турбина и изменяемая геометрия.

Что делает турбина или зачем она нужна в машине

Дело в том, чтобы увеличить мощность двигателя, нужно, помимо всего остального, больше воздуха подать в камеры сгорания. На «атмосферниках» это делается увеличением объёма силового агрегата.

В них поршень самостоятельно всасывает большой объём воздуха в камеру сгорания. Происходит это за счет разряжения, создаваемого над поршнем. Поэтому они называются «атмосферники» – внутрь воздух подается при атмосферном давлении.

Чтобы не увеличивать объём мотора, но повысить его мощность, были придуманы нагнетатели. Они сжимали воздух и под избыточным давлением подавали его в камеру сгорания. То есть, вдували воздух. Отсюда и название «турбонаддув» – надувают моторы воздухом.

Существует два вида нагнетателя:

1. Турбонагнетатель, она же турбина. Был разработан в Европе и применятся в европейских машинах.
2. Компрессор. Его придумали в США, там его и устанавливали до конца 20 века.

Существенных различий между этими двумя типами нагнетателей достаточно. Поэтому, если интересно – разберем подробно в следующий раз.

Как устроена турбина

Она состоит:

1. Из корпуса
2. Внутренней части – картриджа.
3. Перепускного клапана, он же «калитка». Им управляет актуатор турбины, он же Вестгейт.

В свою очередь корпус можно условно разделить на две части: горячая и холодная части. Так как турбина работает за счет энергии выхлопных газов, а они горячие, то ту часть, через которую они проходят и называют «горячей». Холодная – через неё всасывается уличный воздух, там же он сжимается до определенного давления.

Картридж турбины

Он состоит из двух крыльчаток, насаженных на противоположные стороны одного штока. Крыльчатки это и есть лопасти турбонагнетателя, которые вращаются и выполняют полезную работу.

На оси штока находится подшипник. Он позволяет беспрепятственно вращаться крыльчаткам и удерживает их в фиксированном радиальном и осевом положении, не допуская люфта. Именно люфт относительно корпуса является самой распространенной неисправностью турбины.

К этому подшипнику подводиться моторное масло для его смазки. В некоторых типах турбин оно используется для его охлаждения. Современные виды турбонагнетателей оснащены жидкостной системой охлаждения. Через патрубки подводиться тосол или антифриз из системы охлаждения двигателя.

Актуатор

Это отдельный узел, установленный на корпусе турбонагнетателя. Он состоит из нескольких частей:

1. Пневмоклапана, внутри находится мембрана, соединенная со штангой.
2. Тяги вестгейта.
3. Перепускного клапана, он же «калитка».

Пневмоклапан актуатора регулирует степень открытия перепускного клапана. При изменении разряжения в пневмоклапане, мембрана изгибается и тянет за собой штангу. Она поворачивает тягу, за которую закреплена «калитка». Открываясь, она снижает уровень наддува.

Где находиться турбина

Если она использует энергию выхлопных газов, то логично её искать недалеко от выпускного коллектора. Поэтому, от двигателя двигаемся по трубам выпуска и находим узел с двумя улитками. Одна из которых соединена с выпуском, вторая с впуском.

То есть, выхлопные газы проходят через одну улитку и уходят в выхлопную трубу. А воздух от воздушного фильтра проходит через вторую улитку и идет к интеркулеру – дополнительному радиатору спереди автомобиля.

На разных машинах она может находиться впереди или сзади двигателя. В зависимости от того, в какую сторону выведен выпускной коллектор. В некоторых моделях авто, турбокомпрессор сделан единым узлом с выпуском.

Как работает турбина

Отработанные газы из двигателя попадают в горячую часть турбонагнетателя. Проходя через лопасти крыльчатки, они её раскручивают. После этого, выхлопные газы уходят в выхлопную систему и в атмосферу. Чем выше скорость газов, тем выше скорость вращения лопаток турбоколеса.

Так как оно жестко соединена осью с лопастями холодной части, они начинают вращаться с такой же скоростью. Чем выше их скорость, тем больше воздуха всасывается с улицы. Воздух сжимается и с избыточным давлением поступает через интеркулер во впускной коллектор.

Значит, чем сильнее вы нажимаете на педаль газа, тем выше обороты двигателя, и выше обороты турбины. А значит, больше давление воздуха на впуске.

Видео, принцип работы турбины в машине простыми словами:

Поэтому, на низких оборотах мотора, турбина почти не работает. Если резко нажать на газ, то возникает эффект «турбоямы» – это краткосрочное явление, во время которого раскручивается турбонагнетатель и выходит на свою номинальную производительность. В это время наблюдается небольшой провал в тяге, мотор рычит, но не едет.

На определенных режимах работы силового агрегата, нужно уменьшить степень наддува. Для этого в работу вступает клапан вестгейта. Он приоткрывается, часть выхлопных газов проходят мимо лопастей турбины прямо в выпускную систему. Обороты снижаются, и снижается производительность турбокомпрессора. Значит, уменьшается количество всасываемого воздуха и его давление на впуске.

Этот клапан называют еще байпасом. Потому что газы проходят байпасом, мимо крыльчатки турбины.

Неисправности турбонаддува

Во время работы турбины подшипник нагревается от температуры выхлопных газов. В старых типах для его охлаждения используют моторное масло, которое подается из системы смазки двигателя. В современных турбокомпрессорах применяется охлаждающая жидкость из системы охлаждения силового агрегата.

Поэтому, снижение давления масла в системе или уменьшение его количества сокращает срок службы подшипника, а значит и турбины. Неполадки в системе охлаждения двигателя также ведет к перегреву подшипника и его разрушению. Из-за этого появляется люфт на оси лопаток.

Как следствие:

1. Через разрушенный подшипник масло попадает во впускной коллектор.
2. Лопатки турбины, разрушаясь, могут цепляться за стенки улитки. Их может заклинить.
3. Уменьшается производительность и степень наддува. Появляется ошибка «недодув» или низкая производительность турбокомпрессора .
4. Закисание клапана актуатора приводит к передуву или недодуву турбины, в зависимости от того, в каком состоянии он заклинил. Если в открытом положение – недодув, если в закрытом – передув.

Всё это приведет к замене дорогостоящего агрегата. Хотя его уже научились ремонтировать. В продаже появились отдельные компоненты турбонагнетателя, которые можно менять по отдельности.

Тягу перепускного клапана нужно периодически расхаживать и смазывать жаростойкой смазкой. Это продлит срок службы калитки вестгейта. В запущенных случаях ломается шток, здесь только полная замена актуатора.

Какие бывают турбонагнетатели

Это мы рассматривали сингл-скролл турбины классического типа. Теперь вкратце поговорим о других видах турбонагнетателях в автомобиле. В чём их преимущество и зачем заморачивались инженеры.

Твинскрольные

Это турбины для машин, которые имеют в горячей части два отдельных канала для подачи отработанных газов от двигателя. Кроме этого, они имеют разный угол наклона лопаток по длине крыльчатки, омываемой выхлопными газами.

При определенных режимах работы мотора, часть выхлопа попадает через первый канал на лопатки с одним изгибом. В других режимах, газы проходят через второй канал на лопатки с большим углом изгиба.

Таким образом повышается эффективность турбина на разных режимах работы двигателя. Такой конструкцией производители хотели избавиться от эффекта турбоямы, вместо установки битурбо систем на один мотор.

С изменяемой геометрией

Это турбокомпрессор, у которого изменяется геометрия горячей части. В простых агрегатах устанавливается одна заслонка на входе в улитку. В современных автомобильных турбонагнетателях внутри улитки ставят несколько заслонок вокруг крыльчатки. Их поворот направляет поток газов на лопасти турбоколеса.

Изменение сечения горячей части турбины увеличивает её производительность на низких оборотах двигателя. Это снижает эффект турбоямы или турболага. Механизмом изменения геометрии, то есть, этими заслонками, управляет ЭБУ двигателя.

Для чего нужна турбина в автомобиле и как она работает

Слово «турбонаддув» хоть раз в жизни слышал, вероятно, каждый автомобилист. Еще в старые советские времена среди гаражных мастеров ходило множество невероятных слухов о колоссальном приросте мощности, даваемом турбонаддувом, однако реально с моторами такого типа в легковых авто никто тогда не сталкивался.

Сегодня же наддувные двигатели прочно вошли в нашу действительность, однако в реальности далеко не каждый может сказать о том, как работает турбина в автомобиле, и какая существует реальная польза либо вред от использования турбины.

Что ж, попробуем разобраться в этом вопросе и узнать, каков принцип работы турбонаддува, а также о том, какие он имеет преимущества и недостатки.

Автомобильная турбина — что это такое

Говоря простым языком, автомобильная турбина представляет собой механическое устройство, подающее в цилиндры воздух под давлением. Задачей турбонаддува является увеличение мощности силового агрегата при сохранении рабочего объема мотора на прежнем уровне.

То есть, по факту, используя турбонаддув, можно добиться пятидесятипроцентного (и даже более) прироста мощности в сравнении с безнаддувным мотором аналогичного объема. Обеспечивается повышение мощности тем, что турбина подает в цилиндры воздух под давлением, что способствует лучшему горению топливной смеси и, как результат, мощностной отдаче.

Чисто конструктивно турбина представляет собой механическую крыльчатку, приводимую в действие выхлопными газами двигателя. По сути, используя энергию выхлопа, турбонаддув способствует захвату и подаче «жизненно важного» для мотора кислорода из окружающего воздуха.

Сегодня турбонаддув выступает самой эффективной в техническом плане системой для повышения мощности мотора, а также достижения малого расхода топлива и токсичности отработанных газов.

Видео — как работает автомобильная турбина:

Турбина одинаково широко применяется как на бензиновых силовых агрегатах, так и на дизелях. При этом в последнем случае турбонаддув оказывается наиболее эффективным ввиду высокой степени сжатия и малой (относительно бензиновых моторов) частоты вращения коленвала.

Кроме того, эффективность применения турбонаддува на бензиновых двигателях ограничена возможностью проявления детонации, которая может возникать при резком увеличении оборотов мотора, а также температура выхлопных газов, которая составляет порядка одной тысячи градусов по Цельсию против шестисот у дизеля. Само собой, что подобный температурный режим способен привести к разрушению элементов турбины.

Конструктивные особенности

Несмотря на то, что турбонаддувные системы у различных производителей имеют свои отличия, существует и ряд общих для всех конструкций узлов и агрегатов.

В частности, любая турбина имеет воздухозаборник, установленный непосредственно за ним воздушный фильтр, заслонку дросселя, сам турбокомпрессор, интеркулер, а также впускной коллектор. Элементы системы соединяются между собой шлангами и патрубками, выполненными из прочных износостойких материалов.

Как наверняка заметили читатели, знакомые с конструкцией автомобиля, существенным отличием турбонаддува от традиционной системы впуска является наличие интеркулера, турбокомпрессора, а также конструктивных элементов, предназначенных для управления наддувом.

Турбокомпрессор или, как его еще называют, турбонагнетатель, представляет собой основной элемент турбонаддува. Именно он отвечает за увеличение давления воздуха во впускном тракте двигателя.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из пары колес – турбинного и компрессорного, которые размещаются на роторном валу. При этом каждое из этих колес имеет собственные подшипники и заключено в отдельный прочный корпус.

Как работает турбонаддув в машине

Энергия отработанных выхлопных газов в двигателе направляется на турбинное колесо нагнетателя, которое под воздействием газов вращается в своем корпусе, имеющем особую форму для улучшения кинематики прохождения выхлопных газов.

Температура здесь весьма высока, а потому корпус и сам ротор турбины вместе с ее крыльчаткой выполняются из жаропрочных сплавов, способных выдерживать длительное высокотемпературное воздействие. Также в последнее время для этих целей используются керамические композиты.

Компрессорное колесо, вращаемое за счет энергии турбины, осуществляет всасывание воздуха, его сжатие и последующее нагнетание в цилиндры силового агрегата. При этом вращение компрессорного колеса также производится в отдельной камере, куда попадает воздух после прохождения через воздухозаборник и фильтр.

Видео — для чего нужен турбокомпрессор и как он работает:

Как турбинное, так и компрессорные колеса, как уже говорилось выше, жестко закрепляются на роторном валу. При этом вращение вала производится с помощью подшипников скольжения, которые смазываются моторным маслом из основной системы смазки двигателя.

Подача масла к подшипникам производится по каналам, которые располагаются непосредственно в корпусе каждого подшипника. Для того, чтобы герметизировать вал от попадания масла внутрь системы, используются специальные уплотнительные кольца из жаростойкой резины.

Безусловно, основной конструктивной сложностью для инженеров при проектировании турбонагнетателей является организация их эффективного охлаждения. Для этого в некоторых бензиновых моторах, где тепловые нагрузки наиболее высоки, нередко применяется жидкостной охлаждение нагнетателя. При этом корпус, в котором расположены подшипники, включается в двухконтурную систему охлаждения всего силового агрегата.

Еще одним важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Его предназначением выступает охлаждение поступающего воздуха. Наверняка многие из читателей этого материала зададутся вопросом о том, зачем охлаждать «забортный» воздух, если его температура и так невелика?

Ответ кроется в физике газов. Охлажденный воздух увеличивает свою плотность и, как результат, возрастает его давление. При этом конструктивно интеркулер представляет собой воздушный либо жидкостный радиатор. Проходя через него, воздух снижает температуру и увеличивает свою плотность.

Важной деталью системы турбонаддува автомобиля выступает регулятор давления наддува, представляющий собой перепускной клапан. Он применяется с целью ограничить энергию отработавших газов двигателя и направляет их часть в сторону от колеса турбины, что позволяет регулировать давление наддува.

Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля. Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления.

Помимо клапана, регулирующего давление наддува, в воздушном тракте непосредственно после компрессора (где давление максимально) может монтироваться предохранительный клапан. Целью его использования является защита системы от скачков давления воздуха, которые могут быть в случае резкого перекрытия дроссельной заслонки двигателя.

Избыточное давление, возникающее в системе, стравливается в атмосферу с помощью так называемого блуофф-клапана, либо направляется на вход в компрессор клапаном типа bypass.

Принцип работы автомобильной турбины

Как уже писалось выше, принцип действия турбонаддува в автомобиле основывается на использовании энергии, выделяемой отработавшими газами двигателя. Газы вращают колесо турбины, которое, в свою очередь, через вал передает крутящий момент колесу компрессора.

Видео — принцип работы двигателя с турбонаддувом:

Тот, в свою очередь, сжимает воздух и осуществляет его нагнетение в систему. Охлаждаясь в интеркулере, сжатый воздух попадает в цилиндры двигателя и обогащает смесь кислородом, обеспечивая эффективную «отдачу» мотора.

Собственно, именно в принципе действия турбины в автомобиле кроются ее достоинства и недостатки, устранить которые инженерам весьма непросто.

Плюсы и минусы турбонаддува

Как уже известно читателю, турбина в автомобиле не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя. По логике, подобное решение должно нивелировать зависимость оборотов турбины от частоты вращения последнего.

Тем не менее, в реальности эффективность работы турбины находится в прямой зависимости от оборотов мотора. Чем сильнее открыта дроссельная заслонка, чем больше обороты мотора, тем выше энергия выхлопных газов, вращающих турбину и, как результат, больше объем воздуха, нагнетаемого компрессором в цилиндры силового агрегата.

Собственно говоря, «опосредованная» связь между оборотами и частотой вращения турбины не через коленвал, а через выхлопные газы, приводит к «хроническим» недостаткам турбонаддувов.

Среди них – задержка роста мощности мотора при резком нажатии на педаль «газа», ведь турбине нужно раскрутиться, а компрессору – дать цилиндрам достаточную порцию сжатого воздуха. Подобное явление называют «турбоямой», то есть моментом, когда отдача мотора минимальна.

Исходя из этого недостатка сразу исходит и второй – резкий скачок давления после того, как двигатель преодолевает «турбояму». Это явление получило название «турбоподхвата».

И главной задачей инженеров-мотористов, создающих наддувные двигатели, является «выравнивание» этих явлений для обеспечения равномерной тяги. Ведь «турбояма», по своей сути, обуславливается высокой инерционностью системы турбонаддува, ведь для приведения наддува «в полную готовность» требуется определенное время.

В результате потребность в мощности со стороны водителя в конкретной ситуации приводит к тому, что мотор не способен «выдать» все свои характеристики одномоментно. В реальной жизни это, например, потерянные секунды при сложном обгоне…

Безусловно, сегодня существует ряд инженерных ухищрений, позволяющих минимизировать и даже полностью исключить неприятный эффект. В их числе:

• использование турбины с переменной геометрией;
• использование пары турбокомпрессоров, расположенных последовательно либо параллельно (так называемые схемы twin-turdo или bi-turdo);
• применение комбинированной схемы наддува.

Турбина, имеющая переменную геометрию, осуществляет оптимизацию потока выхлопных газов силового агрегата за счет изменения в режиме реального времени площади входного канала, через который они поступают. Подобная схема турбин очень распространена в турбонаддувах дизельных моторов. В частности, именно по этому принципу функционируют турбодизели Volkswagen серии TDI.

Схема с парой параллельных турбокомпрессоров используется, как правило, в мощных силовых агрегатах, построенных по V-образной схеме, когда каждый ряд цилиндров оснащен собственной турбиной. Минимизация эффекта «турбоямы» достигается за счет того, что две малые турбины имеют гораздо меньшую инерцию, нежели одна большая.

Система с парой последовательных турбин используется несколько реже двух перечисленных, но она же обеспечивает наибольшую эффективность за счет того, что двигатель оснащается двумя турбинами, обладающими различной производительностью.

То есть при нажатии на педаль «газа» в действие вступает малая турбина, а при росте скорости и оборотов подключается вторая, и они работают суммарно. При этом эффект «турбоямы» практически исчезает, а мощность нарастает планомерно сообразно ускорению и росту оборотов.

При этом многие автопроизводители используют даже не два, а три турбокомпрессора, как например компания BMW в своей схеме triple-turbo. А вот инженеры, проектировавшие суперкар Bugatti, вообще оснастили силовой агрегат сразу четырьмя последовательными компрессорами, что позволило достичь уникальных мощностных характеристик при вполне «гражданском» поведении мотора в рядовых режимах езды.

Схема так называемого комбинированного наддува или, как ее называют автопроизводители, twincharger, подразумевает совместное использование механического и турбонаддува. При малых оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем, а турбина вступает в действие при увеличении числа оборотов. При этом механический нагнетатель отключается. По такой схеме работают наддувные моторы TSI компании Volkswagen.

Как видим, принципы работы турбонаддува достаточно просты и понятны. При этом сегодня автопроизводители всячески делают ставку на турбированные агрегаты малого рабочего объема, которые обеспечивают достаточную мощность при относительной экологической чистоте выхлопа.

Но не следует забывать и еще об одном серьезном недостатке – турбированный мотор испытывает гораздо большие нагрузки и, что вполне закономерно, имеет меньший моторесурс, чем безнаддувный агрегат. Соответственно, взвесив все преимущества и недостатки, и следует выбирать тот или иной силовой агрегат.

Посмотрите принцип работы гидрокомпенсатора клапанов двигателя автомобиля.

Прочитайте статью, рассказывающую о предпусковом подогревателе двигателя Бинар.

Что такое тосол и антифриз https://voditeliauto.ru/poleznaya-informaciya/obsluzhivanie/avtoximiya/antifriz/ili-tosol-raznica.html какая между ними разница.

Что такое турбированный двигатель

Современные тенденции автопроизводителей сделали ставку на компактный турбированный двигатель. Это дало ряд преимуществ, среди которых компактность, экономичность, экологичность и максимальный КПД при малых объемах.

Основные отличия турбированного двигателя от атмосферного

Если атмосферный двигатель подразумевает впуск воздуха посредством разряжения, созданным поршнем, то с турбированным мотором все иначе. Для максимально эффективного сгорания топлива необходимо большое количество воздуха, чего невозможно добиться от атмосферника, поэтому нужно было воздух, в большом объеме, «затолкать».

В атмосферном силовом агрегате крутящий момент и мощность во многом зависит от объема цилиндров, что и стало основным отличием от турбомоторов.

Особенности турбированных двигателей

Принцип работы турбины состоит в принудительном нагнетании воздуха под давлением в цилиндры. Такое действие позволяет увеличить рабочий объем камеры сгорания за счет сильного сжатия, поэтому при равном объеме двигателя, разница в мощности между атмосферником и турбомотором колоссальная.

Главные предпосылки появления турбированных моторов:

• Невозможность существенного увеличения мощности без увеличения объема и количества цилиндров (отсюда мы имеем агрегаты V8 и V12)
• «Выжимание» максимальной мощности с помощью уменьшения камеры сгорания увеличивает степень сжатия, а значит работа двигателя без детонации невозможна. Детонация разрушает поршни.
• Любые манипуляции по увеличению мощности атмосферника увеличивают расход топлива, а также делают невозможным комфортную эксплуатацию во всем диапазоне оборотов двигателя.

Изначально в массовое производство был запущен дизельный турбированный двигатель — такие моторы «наматывали» миллионы километров без особых проблем. В 80-х годах прошлого века среди легковых автомобилей начали появляться бензиновые турбоагрегаты.

Стоимость таких автомобилей существенно отличалась от обычных. До 90-х годов широко использовались механические нагнетатели, приводящиеся в движение через ремень от коленвала. Конструкция довольно проста и надежна, о чем свидетельствует яркий пример в лице двигателя Mercedes-Benz M111 E23 Compressor.

Позднее решено было переходить на турбокомпрессор, работающий от выхлопных газов, так как механический нагнетатель забирал значительную мощность на раскручивание лопастей.

Как работает турбина

Турбина состоит из двух частей:

1. Холодная – всасывает и раскручивает впускной воздух,
2. Горячая – раскручивается воздух посредством движения выхлопных газов.

В турбине установлен картридж с лопастями, которые от движения воздуха раскручиваются вплоть до 150 000 оборотов в минуту, создавая давление. Вращаются лопасти на подшипниках, а за смазывание и охлаждение отвечает подача масла с двигателя.

Так как при резком повышении давления воздух сильно нагревается, был изобретен интеркуллер, охлаждающий воздух до нужной температуры.

Во впускной магистрали установлен клапан, отвечающий за сброс избыточного давления впускного воздуха (Blow off), а также вестгейт, ограничивающий количество отработанных газов, попадающих в турбину, что позволяет избежать резкого роста повышения оборотов крыльчатки (простыми словами-ограничитель).

Работа турбины крайне проста: в горячую часть турбины попадают отработанные газы и раскручивают крыльчатку. В холодной части раскрученная крыльчатка всасывает большое количество воздуха, который проходит через интеркулер, и в охлажденном состоянии попадает в цилиндры. После того, как отработанные газы раскрутили турбину, они идут далее по выпускной магистрали.

Турбированный двигатель, плюсы и минусы

Сначала о преимуществах:

1. Возможность с малого объема “выжать” большую мощность, зачастую это 100 л.с. на каждый литр объема.
2. Крутящий момент уже с холостых оборотов дает уверенную тягу, но только в случае, если турбина маленькая, она раскручивается быстрее.
3. Диапазон крутящего момента широкий.
4. Расход топлива, при одинаковой мощности с атмосферным моторов, явно ниже.
5. Возможность увеличивать мощность с помощью прошивки на 20-30% без вреда ресурсу и комфорту движения.

1. Ресурс турбины современных авто едва достигает 100 тыс.км.
2. Возникновение «турбоямы», процесса между провалом и резким набором скорости из-за ожидания раскрутки турбины.
3. Стоимость ремонта дороже, обслуживать двигатель нужно чаще.
4. Возрастает потребность в качественном масле и топливе.

Отличие от механического нагнетателя

Приводной нагнетатель широко используется на американских автомобилях с V-образными «восьмерками». Явной потери мощности не ощущается в силу большого объема, зато компрессор уже с холостых оборотов обеспечивает стабильный крутящий момент. К тому же, конструктивно приводной компрессор удобнее и дешевле, чем установка двух турбин.

Турбина, работающая от выхлопных газов, значительно повышает КПД, а его сопротивление приравнивается к 0, так как используется энергия отработанных газов.

У приводного компрессора есть два недостатка: повышенный шум работы и потери мощности на раскручивание.

Основной проблемой турбированного двигателя является незнание правильного ухода и обслуживания таких агрегатов. Турбомоторы требуют более частого внимания, в таком случае дорогой ремонт турбины можно отсрочить на долгие годы.

Для чего нужна турбина в автомобиле и как она работает

Слово «турбонаддув» хоть раз в жизни слышал, вероятно, каждый автомобилист. Еще в старые советские времена среди гаражных мастеров ходило множество невероятных слухов о колоссальном приросте мощности, даваемом турбонаддувом, однако реально с моторами такого типа в легковых авто никто тогда не сталкивался.

Сегодня же наддувные двигатели прочно вошли в нашу действительность, однако в реальности далеко не каждый может сказать о том, как работает турбина в автомобиле, и какая существует реальная польза либо вред от использования турбины.

Что ж, попробуем разобраться в этом вопросе и узнать, каков принцип работы турбонаддува, а также о том, какие он имеет преимущества и недостатки.

Как устроена турбина?

Точное название этого устройства – турбокомпрессор. В его состав входят 3 основные части, а именно – корпуса:

· турбины – горячая часть;

· компрессора – холодная часть;

· подшипника, или картридж.

В картридже – ротор с крыльчатками турбины и компрессора на его концах. В среднем на крыльчатке от девяти до двенадцати лопастей. Для крепления вала используются опорные и упорные подшипники (втулки). Но сейчас выпускается все больше турбин, в которых используются шариковые подшипники.

Подшипникам необходимо масло: на образовавшемся масляном клине происходит вращение ротора турбины, который скользит по маслу при вращении. Масло постоянно поступает в картридж и сливается. Масло не поступает в корпуса турбины и компрессора благодаря хитрой конструкции – уплотнительным кольцам из стали.

Турбина с изменяемой геометрией

Работа турбонаддува может сопровождаться некоторыми сложностями: происходит задержка усиления мощности («турбояма») в момент резкого давления на газ; выход из такого состояния меняется резким повышением воздействия наддува («турбоподхват»). Возникновение первого явления возможно из-за инерционности системы. Чтобы решить такую проблему, применяют:

• турбинное устройство с изменяемой геометрией;
• используют пару параллельных либо последовательных компрессорных устройств;
• наддув комбинированного вида.

Турбина с изменяемой геометрией: 1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

Управление турбиной

Турбина может быть капризной: при ее высокой скорости работы возникает «передув», что плохо и для турбины, и для двигателя. Поэтому турбина нуждается в управлении, для чего используется перепускной клапан (на дизельных и бензиновых двигателях). Это хорошее и надежное решение, так как при высоком значении наддува клапан открывается, выпуская отработавшие газы через выхлопную систему, не попадая в колесо турбины. Клапан открывается с помощью пневматического актуатора.

Есть и более гибкий выход: управлять направлением потока с помощью пневмопривода или электронного привода с сервомотором. На помощь приходят лопатки с регулируемым углом атаки, установленные в горячей части «улитки». Такое решение получило название «управляемая геометрия». Угол большой при малых оборотах, благодаря чему газы «отклоняются» на лопасти турбины, а при росте давления и мощности мотора лопатки устанавливаются так, что никак не воздействуют на поток газов. Управляемая геометрия применяется только в турбинах дизельных моторов, исключение составляют некоторые спорткары Porsche. Это обусловлено высокой температурой выхлопных газов в бензиновых силовых агрегатах, из-за чего лопатки должны быть выполнены из дорогих сплавов.

В особо мощных моторах перепускной клапан также установлен в впускном коллекторе. Он нужен для того, чтобы сбрасывать избыточное давление в различных ситуациях, когда резко растет нагрузка на ротор и крыльчатку компрессора.

Устройство и принцип работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор (турбина) — механизм, применяемый в автомобилях для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. При этом привод турбины осуществляется исключительно за счет действия отработавших газов (выхлопа). Применение турбокомпрессора позволяет существенно увеличить мощность двигателя (примерно на 40%), сохраняя компактными его габаритные размеры и низкий уровень расхода топлива.

Конструкция и принцип работы турбины

Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:

1. Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
2. Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
3. Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
4. Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
5. Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
6. Перепускной клапан — предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.

Принцип работы турбокомпрессора

Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:

• Отработавшие газы направляются в корпус турбокомпрессора, где воздействуют на лопатки турбинного колеса.
• Колесо турбины начинает вращаться и разгоняться. Скорость вращения турбины при высоких оборотах может достигать до 250 000 оборотов в минуту.
• Пройдя через колесо турбины, отработавшие газы отводятся в систему выпуска.
• Компрессорное колесо синхронно вращается (поскольку находится на одном валу с турбинным) и направляет поток сжатого воздуха в интеркулер и далее во впускной коллектор двигателя.

Особенности эксплуатации турбин

В сравнении с механическим нагнетателем, работающим от привода коленчатого вала, достоинствами турбины является то, что она не отнимает мощность у двигателя, а использует энергию побочных продуктов его работы. Она дешевле в изготовлении и экономичнее в эксплуатации.

Хотя технически устройство турбины дизельного двигателя практически не отличается от систем для бензиновых моторов, на дизеле она встречается чаще. Основная особенность заключается в режимах работы. Так для дизеля могут применяться менее жаропрочные материалы, поскольку температура отработавших газов в среднем составляет от 700 °С в дизельных двигателях и от 1000°С в бензиновых моторах. Это значит, что устанавливать дизельную турбину на бензиновый двигатель нельзя.

С другой стороны, для этих систем характерны и разные уровни давления наддува. При этом стоит учитывать, что производительность турбины зависит от ее геометрических размеров. Давление нагнетаемого в цилиндры воздуха складывается из двух частей: 1 атмосфера давления окружающей среды плюс избыточное, создаваемое турбокомпрессором. Оно может варьироваться от 0,4 до 2,2 и более атмосфер. Если учесть, что принцип работы турбины на дизельном двигателе предусматривает поступление большего объема выхлопных газов, конструкция для бензинового мотора также не может устанавливаться на дизелях.

Разновидности турбин

· парными (выпускаются двойные, тройные, четверные модели).

Выпускаются в том числе и «твинскрольные турбины», которые устанавливаются в легковых бензиновых силовых агрегатах и дизельных грузовых. В таких турбинах потоки выхлопных газов попадают в 2 раздельных канала, что исключает взаимное противодавление. Как результат – уменьшается расход топлива.

В последние годы получили распространение компрессоры с электроприводом, в которых не используется работа выхлопных газов. Главное отличие в том, что в устройстве установлен мощный электромотор, который заменяет крыльчатки турбины. Отличий в компрессорной части практически нет.

Типы устройств

На сегодня можно выделить два основных типа устройств — с водным или воздушным охлаждением.

Конструкция самого охладителя очень проста — он представляет собой систему промежуточных пластин и труб. Наибольшей популярностью (именно по причине своей простоты) пользуются воздушные охладители.

Устройство воздушного интеркулера

Разработчики с умом подошли к созданию устройства. Для повышения эффективности охлаждения конструкторами были увеличены специальные камеры устройства, толщина и направление которых может меняться.

Многочисленные «хода» интеркулера выполнены из медных или алюминиевых пластин, что увеличивает площадь и, как следствие, эффективность охлаждения.

Но не стоит и забывать об одном «но». Чем больше препятствий создается для воздуха, тем меньшим будет давление в самом турбонаддуве. Соответственно, эффективность турбонаддува также упадет.

Где устанавливается «воздушный» интеркулер

Монтаж интеркулера воздушного типа осуществляется непосредственно под капотом, в местах, где скапливаются большие потоки воздуха. Чаще всего специалисты производят установку прямо перед радиатором охлаждения.

Ранее была популярной установка интеркулера над двигателем, но сегодня данный вариант встречается все реже. Если же принимается такое решение, то без установки воздухозаборника на крыше обойтись не получится.

Кроме этого, интеркулер может получать «порцию» воздуха через дополнительные отверстия в боковой части кузова транспортного средства.

Интеркулер с водным охлаждением.

Интеркулер, имеющий водяное охлаждение, может похвастаться целым рядом преимуществ.

Во-первых, он более компактный, поэтому установку можно произвести в любом месте под капотом.

Во-вторых, эффективность данного устройства намного выше, чем у интеркулера с воздушным охлаждением.

Нельзя не отметить и некоторые недостатки водного охлаждения. В частности, устройства такого типа обладают сложной конструкцией.

Обязательным элементом системы является воздушный радиатор, электронных блок управления, система патрубков и водяная помпа.

Активно используется и штатная система охлаждения, которая в комплексе с вышеперечисленными устройствами образует эффективную систему

Также читайте — что такое система вентиляции картера двигателя, клапан EGR, устройство, принцип работы PCV, схема, как проверить, чистка.

Почему бывшая в употреблении турбина – хороший выбор?

Почему стоит отдать предпочтение турбинам б/у, а не новым? Основной плюс – цена: например, в каталоге «АвтоСтронг» стоимость турбин составляет от ста до восьми сотен рублей, а восстановление обойдется в 2-3 раза дороже. Хоть б/у турбины изношены, но это не так критично. Например, восстановление турбины не на заводе-изготовителе также имеет свой минус: турбина получит расходники из Китая, которые надежностью не отличаются. А если обращаться за новой турбиной, то она обойдется в несколько тысяч долларов.

При покупке турбины б/у обращайте внимание на:

· отсутствие люфта ротора. Для проверки попробуйте расшатать турбину пальцами, взявшись за кончик вала: люфт должен отсутствовать. А вот небольшой радиальный люфт вполне может быть – он существует для того, чтобы его заполняло масло для вращения ротора;

· отсутствие повреждений и сколов. Если вы видите их – откажитесь от покупки турбины;

· корпус турбины. На нем должны отсутствовать потеки масла. Если потеки есть, это сигнализирует о том, что турбина сильно изношена;

· улитку. Если она не сухая изнутри, не покупайте б/у турбину;

· трубки, через которые масло попадает в турбину и сливается из нее. Они должны быть завальцованы, чтобы грязь не оказалась в картридже.

Получаемый эффект

Не секрет, что охлаждение воздуха всего на десять-пятнадцать градусов Цельсия позволяет рассчитывать на серьезную прибавку мощности (до 3-5%). При этом горючая смесь сгорает гораздо быстрее, что дает неплохую экономию топлива.

Уменьшается и объем вредных выбросов в атмосферу. Суммарная эффективность, на которую можно рассчитывать от установки интеркулера, составляет около 20%.

Но охлаждение воздуха — не единственная особенность интеркулера. Данное устройство выступает в роли некоторого препятствия на пути воздушного потока, что приводит к резкому снижению давления наддува.

Поэтому однозначно говорить о целесообразности установки интеркулера нельзя. Перед монтажом необходимо произвести точный расчет, выиграет или потеряет двигатель в мощности.

Советы, как установить турбину

Процессы установки б/у, отремонтированной или новой турбины ничем не отличаются. Во-первых, так как турбина не ломается без причины, нужно заменить забившийся воздушный фильтр, решить возникшие проблемы с катализатором или сажевым фильтром. К тому же не рекомендуется использовать дешевое моторное масло: нужно почистить впуск от масла, вылив его из интеркулера или вовсе заменив интеркулер.

Следующий шаг – это проверка каналов подачи и слива масла из картера. Забившиеся каналы нужно почистить и заменить трубки, заодно проверив состояние системы вентиляции картерных газов.

После устранения всех проблем, из-за которых турбина и вышла из строя, можно приступать к установке. Обязательно нужно устанавливать новые комплекты прокладок и других расходников, добавлять в картридж турбины немного масла и после установки турбокомпрессора запускать двигатель, не подавая топлива: это создаст требуемое давление масла.

Выполнение таких требований поможет б/у турбине прослужить длительный срок. Заказывайте турбины в АвтоСтронг: доставим по России, Беларуси, Казахстану.

Конструктивные особенности

Несмотря на то, что турбонаддувные системы у различных производителей имеют свои отличия, существует и ряд общих для всех конструкций узлов и агрегатов.

В частности, любая турбина имеет воздухозаборник, установленный непосредственно за ним воздушный фильтр, заслонку дросселя, сам турбокомпрессор, интеркулер, а также впускной коллектор. Элементы системы соединяются между собой шлангами и патрубками, выполненными из прочных износостойких материалов.

Как наверняка заметили читатели, знакомые с конструкцией автомобиля, существенным отличием турбонаддува от традиционной системы впуска является наличие интеркулера, турбокомпрессора, а также конструктивных элементов, предназначенных для управления наддувом.

Турбокомпрессор или, как его еще называют, турбонагнетатель, представляет собой основной элемент турбонаддува. Именно он отвечает за увеличение давления воздуха во впускном тракте двигателя.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из пары колес – турбинного и компрессорного, которые размещаются на роторном валу. При этом каждое из этих колес имеет собственные подшипники и заключено в отдельный прочный корпус.

Подводим итог

Какой можно сделать вывод? В большинстве случаев достаточно интеркулера с воздушным охлаждением, ведь данное устройство обладает простой конструкцией и доступно для каждого кошелька.

В случае, если данный тип устройства по различным причинам установить на авто не удается, тогда отдается предпочтение водяному интеркулеру. В любом случае, только автолюбителю принимать решение.

ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Электромобиль AMI – меньше, чем Смарт, быстрее чем квадроцикл