Установка турбіни на двигун дизельний, бензиновий, принцип роботи турбонаддува, експлуатація

1. Принцип роботи турбонаддува
2. Плюси і мінуси турбонаддува
3. Експлуатація двигуна з турбіною
4. Ефективність двигуна з турбіною

Наши партнеры ArtmMisto

Автопромисловість розвивається семимильними кроками, і для сучасних автовласників знання про різні нових автомобільних технологіях виявляються дуже корисними. Двигуни з турбінами, роботизовані коробки передач і варіатори, системи захисту автомобіля, навігація і багато іншого - стають новою реальністю. В даній статті поговоримо про те, що дає установка турбіни на бензиновий і дизельний двигун, які відгуки і несправності, особливості експлуатації та ремонту турбін, розберемо плюси і мінуси, принципи роботи турбонаддува.

Дійсно, навряд чи можна зустріти людину, якій ні разу в своєму житті не помітив би машину, принаймні зовні нічим не відрізняється від звичайних, з невеликим шильдиком «turbo». І тільки присвяченому в можливості турбонаддува відомо, скільки цікавого і захоплюючого приховано під цією скромним написом.

Принцип роботи турбонаддува

Трохи фізики. Перед автомобільними конструкторами стоїть одвічна проблема підвищення потужності двигуна. Ще зі шкільної лави ми пам'ятаємо, що потужність мотора знаходиться в прямій залежності від обсягу палива, що спалюється за робочий цикл палива. Інакше кажучи, чим більше пального спалюється, тим більшу потужність отримують. Але не все так просто на шляху збільшення кількості кінських сил під капотом - як правило, тут конструкторів-мотористів чекає чимало проблем.

Як відомо, процес горіння палива проходить в присутності кисню, тому
в циліндрах фактично згоряє не паливо, а змішані в певному співвідношенні паливо і повітря. Особливості процесу паливного горіння залежать, наприклад, від складу пального або режиму роботи мотора, і деяких інших чинників. Наприклад, в разі бензинових двигунів паливо і повітря знаходяться в співвідношенні один до 14-15, тобто повітря потрібно досить багато. Збільшити подачу палива - не проблема, чого не скажеш про таке значне збільшення подачі повітря.
В основі роботи звичайного ДВС лежить різниця між тиском безпосередньо в циліндрах і атмосферних стовпом, завдяки чому необхідний повітря потрапляє в двигун самостійно. В цьому випадку виходить пряма залежність між об'ємом циліндра і киснем, який потрапляє в нього на кожному циклі. Цим шляхом пішли американці - випущені ними величезні двигуни мають запаморочливий витрата пального.

Як загнати в циліндр більше повітря? Перший спосіб збільшити в певному обсязі кількість повітря придумав німецький інженер-конструктор Готліб Вільгельм Даймлер. Це та сама світла голова, чиє ім'я стало частиною назви знаменитої автомобільної марки Daimler Benz AG. 1885 рік був ознаменований народженням нового мотора, який при своєму незначному вазі і невеликих розмірах забезпечував більшу потужність. Повітря в нього закачувався за допомогою спеціального нагнітача, що представляє собою вентилятор (компресор). Отримавши обертання безпосередньо від валу двигуна, він заганяв стиснене повітря в циліндри.
На початку XX століття швейцарському інженеру-винахіднику Альфреду Бюхи вдалося піти ще далі. Під його керівництвом у виробничій фірмі Sulzer Brothers проходили роботи з розробки дизельних двигунів. З одного боку йому категорично не подобалися великі і важкі, до того ж малопотужні двигуни, з іншого - не хотілося використовувати і ідею обертання приводного компресора за рахунок енергії движка. Це і призвело до пошуків нового рішення нагнітання повітря. Так, в 1905 році вперше в світі було запатентовано новий пристрій нагнітання, засноване на використанні енергії вихлопних газів в якості рушія.

Ідея турбонаддува - проста, як, втім, і все геніальне. Аналогічно роботі вітру по обертанню крил млини, колесо з лопатками тут крутять відпрацьовані гази. Ротор турбіни, як називають маленьке колесо з великою кількістю лопаток, і колесо компресора посаджені на один вал. Отриману конструкцію, турбонагнетатель або турбокомпресор (лат. Turbo - вихор, compressio - стиснення) можна умовно розділити на:

• ротор - обертається під дією вихлопних газів
• і компресор - будучи з'єднаним з ротором, він виступає в ролі вентилятора, що нагнітає додатковий повітря в циліндри.

Повітря, що потрапляє в циліндри турбомотора, часто потребує додаткового охолодженні. В цьому випадку, загнавши туди більше кисню, можна буде підвищити його тиск, оскільки вже в циліндрі ДВС стиснути холодне повітря набагато легше, ніж гарячий. При проходженні через турбіну повітря за рахунок стиснення і розігрітих вихлопними газами деталей турбонаддува нагрівається. Його охолоджують за допомогою проміжного охолоджувача, інтеркулера. Це радіатор, який встановлений по ходу руху повітря межу компресором і циліндрами двигуна. При проходженні через інтеркулер повітря віддає тепло атмосфері і охолоджується. А вже холодний, щільніше повітря можна заганяти в циліндр в більшому обсязі.
Виходить певний ланцюжок - більшу кількість вихлопних газів, що потрапили в турбіну, змушує її швидше обертатися, а більший обсяг додаткового повітря, що надходить в циліндри, підвищує потужність.
Рішення це - досить ефективне, оскільки в порівнянні, скажімо, з приводним нагнітачем потрібно значно менше витрат енергії двигуна (близько 1,5%) на самообслуговування наддуву. Це легко пояснюється тим, що джерелом енергії ротора турбіни є не уповільнення вихлопних газів, а їх охолодження - вихлопні гази після турбіни йдуть так само швидко, але вони більш холодні.
Більш того, на стиснення повітря витрачається дармова енергія, що сприяє підвищенню ККД двигуна. До того ж, можливість отримати більшу потужність з робочого об'єму поменше призводить до менших втрат на терті, меншою масою мотора (слідчо і машини в цілому).

Плюси і мінуси турбонаддува

Таким чином, автомобіль з турбонаддувом виявився значно економічніше своїх атмосферних побратимів рівній потужності. Проте, оптимальним таке рішення не назвеш з кількох причин. Почнемо, наприклад, зі швидкості обертання турбіни, яка може досягати близько 200 тисяч оборот / хв або температури розжарених газів, що досягає, важко навіть уявити 1000 ° C. Очевидно, що створення і установка турбонаддува, здатного протягом тривалого часу витримувати настільки сильні навантаження - це досить дорого і непросто.
Саме тому установка турбіни на двигун спочатку отримала досить широке поширення виключно в роки Другої світової війни, причому тільки в авіації. В подальшому, в 50-і роки ХХ століття, турбонаддув стали використовувати в тракторах американської компанії Caterpillar і перших турбодизель для вантажівок компанії Cummins. І тільки в 1962 році вони з'явилися на серійних легкових автомобілях, причому майже одночасно на Chevrolet Corvair Monza (Шевроле Корвейр Монца) і Oldsmobile Jetfire (Олдсмобіле Джетфайер).

Однак складність конструкції і її дорожнеча виявилися не єдиними недоліками турбонаддува. Наскільки ефективно буде проходити експлуатація двигуна з турбіною багато в чому визначається оборотами движка. Дійсно, на малих обертах і, відповідно, невеликому обсязі вихлопних газів ротор розкручується слабо, і компресор, в свою чергу, майже не задуває додатковий повітря в циліндри. Часом навіть до 3000 оборот / хв мотор взагалі не тягне, і «вистрілює» тільки десь після чотирьох-п'яти тисяч. Подібна ситуація називається турбоями.
Ще один момент - складний і дорогий ремонт турбіни в разі виникнення несправностей турбированного двигуна, оскільки обслуговування таких агрегатів залишається прерогативою сертифікованих станцій фірмового техосблужіванія.

Експлуатація двигуна з турбіною

Оскільки для більшої турбіни необхідно більше часу на розкрутку, то турбоями, як правило, загрожують в першу чергу моторам, які мають дуже високу питому потужність і турбіни високого тиску. Що ж стосується турбін з низьким тиском, то у них провалів тяги, можна сказати, немає, проте потужність вони здатні підняти не дуже сильно.
Від турбоями вдається майже позбутися при використанні схеми з послідовним наддувом, суть якої в наступному: на малих обертах мотора працює малоінерційний невеликий турбокомпресор, який на низах збільшує тягу, а на високих оборотах в міру зростання тиску на випуск включається другий, побільше.
У минулому столітті цей принцип був використаний на суперкарі Порше 959. Сьогодні ж ця схема використовується, наприклад, на турбодизель фірм Land Rover і BMW. У бензинових двигунах з турбінами Volkswagen в якості маленького турбокомпресора виступає приводний нагнітач.
У разі рядних двигунів частіше використовують одиночний турбокомпресор типу twin-scroll з подвійним робочим апаратом. Кожну з «равликів» наповнюють вихлопні гази від різних груп циліндрів, але вони обидві подають гази при цьому на одну турбіну, досить ефективно розкручуючи її і на малих обертах, і на великих.
Але найчастіше можна зустріти пару однакових турбокомпресорів, які обслуговують паралельно різні групи циліндрів. Типовою схемою для V-образних турбомоторов є наступна: кожному блоку - свій нагнітач, хоча і не без винятків. Наприклад, двигун V8 від Motorsport Gmbh (дочірня компанія BMW AG), який вперше був використаний на автомобілях BMW серії X5 M і X6 M, має перехресний випускний колектор, що дозволяє отримувати компресора twin-scroll вихлопні гази з працюючих в протифазі циліндрів різних блоків.

Ефективність двигуна з турбіною

Ще один варіант підвищення ефективності роботи турбокомпресора з охопленням всього діапазону оборотів - це зміна геометрії робочої частини. Спеціальні лопатки, повертаючись всередині «равлики», в залежності від оборотів, варіюють форму сопла. У підсумку виходить «супертурбіна», яка добре працює за будь-яких оборотах. Хоча ідея ця - не з нових, але реалізувати її вдалося не так вже давно. Установка подібних турбін почалася з дизельних двигунів, а з бензинових першим приміряв турбіну із змінною геометрією Porsche 911 Turbo.

Останнім часом популярність турбомоторов різко зросла, оскільки крім форсування силових агрегатів вони підвищують економічність і чистоту вихлопу. Це особливо важливо для дизельних двигунів. Сьогодні рідко який дизель обходиться без приставки «турбо», а за відгуками, якщо поставити турбіну на бензиновий двигун звичайного автомобіля, це перетворить його в справжню «запальничку». Та й просто пересічні, але сучасні седани, універсали і хетчбеки приховують під капотом бензинові та дизельні двигуни, що оснащуються турбінами, що дозволяють зменшити кількість циліндрів, робочий об'єм двигуна, а відповідно не тільки масу, але і витрата постійно зростаючого в ціні палива.