Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.
Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.
Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя.
То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.
Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.
Устройство турбокомпрессора
Устройство турбокомпрессора: 1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.
Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).
Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.
Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.
Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.
Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.
В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.
Принцип работы турбокомпрессора
В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.
Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха.
При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты:
• Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»).
• После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»).
Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы:
• использование турбины с изменяемой геометрией;
• применение двух параллельных или последовательных компрессоров;
• комбинированный наддув.
Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.
Турбина с изменяемой геометрией
Турбина с изменяемой геометрией: 1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.
Параллельно работающие турбокомпрессоры применяют для мощных V-образных двигателей (по одному на ряд цилиндров). Эта схема помогает решить проблему за счет того, что у двух маленьких турбин инерция меньше, чем у одной большой.
Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя.
При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.
Преимущества и недостатки турбонаддува
1. Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля.
2. Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.
3. Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.
4. Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.
5. На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.
6. Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.
Недостатки турбонаддува
У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки.
Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения — его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.
Дополнительные элементы системы турбонаддува
Blow-Off
Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.
Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge.
Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха.
Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме.
Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.
Клапан Wastegate
Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор.
Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием.
Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов.
• Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке.
• Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины
Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях.
На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.
Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.
Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем.
Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.
Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя. То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода. Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.
Устройство турбокомпрессора: 1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо. Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы). Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе. Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца. Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение. Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха. В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.
Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха. При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты: • Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»). • После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»). Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы: • использование турбины с изменяемой геометрией; • применение двух параллельных или последовательных компрессоров; • комбинированный наддув. Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.
Турбина с изменяемой геометрией: 1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо. Параллельно работающие турбокомпрессоры применяют для мощных V-образных двигателей (по одному на ряд цилиндров). Эта схема помогает решить проблему за счет того, что у двух маленьких турбин инерция меньше, чем у одной большой. Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя. При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.
Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge. Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха. Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме. Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения. Клапан Wastegate
Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор. Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием. Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов. • Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке. • Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».
Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях. На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.
Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем. Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.
