Как работает турбонаддув

Принцип действия турбонаддува

Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.

Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.

Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.

Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.

Применение

Военно — транспортный самолет , более 2500 Lockheed C-130 Hercules были построены

По сравнению с турбовентиляторных , турбовинтовых являются наиболее эффективными при скоростях полета ниже 725 км / ч (450 миль в час; 390 узлов) , потому что скорость струи винта (и выхлопных газов) является относительно низким. Современные турбовинтовые авиалайнеры работают почти с той же скоростью, что и небольшие региональные реактивные авиалайнеры, но сжигают две трети топлива на одного пассажира. Однако по сравнению с турбореактивным двигателем (который может летать на большой высоте для повышения скорости и топливной экономичности ) винтовой самолет имеет более низкий потолок.

Бук King Air и Super King Air наиболее доставляемых турбовинтового самолетов бизнес с комбинированным 7300 примеров по состоянию на май 2018 года

По сравнению с поршневыми двигателями их более высокое отношение мощности к массе (что позволяет сократить время взлета) и надежность могут компенсировать более высокие первоначальные затраты, техническое обслуживание и расход топлива. Как топливо для реактивных двигателей может быть легче получить , чем Avgas в отдаленных районах, турбовинтовой питанием самолетов , как Cessna Caravan и Quest Kodiak используются в качестве куста самолетов .

Турбовинтовые двигатели обычно используются на небольших дозвуковых самолетах, но Туполев Ту-114 может развивать скорость до 470 узлов (870 км / ч, 541 миль в час). Большие военные самолеты , такие как Туполев Ту-95 , и гражданские самолеты , такие как Lockheed L-188 Electra , также были турбовинтовыми. Airbus А400Й питаются от четырех Europrop TP400 двигателей, которые являются вторым наиболее мощными турбовинтовыми двигателями, когда — либо созданные после 11 МВт (15000 л.с.) Кузнецов НК-12 .

В 2017 году, наиболее распространенные турбовинтовые лайнеры в обслуживании были на ATR 42 / +72 (950 самолетов), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash , 8 -100/200/300 (374), Бичкрафт 1900 (328), де Хэвилленд Канада DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). Менее распространенные и старые авиалайнеры включают BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 и MA700 , Fokker 27 и .

Турбовинтовые бизнес-самолеты включают Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air и Super King Air . В апреле 2017 года во всем мире насчитывалось 14 311 турбовинтовых бизнес-самолетов.

Надежность

В период с 2012 по 2016 год ATSB зафиксировала 417 событий с турбовинтовыми самолетами, 83 в год, более 1,4 миллиона летных часов: 2,2 на 10 000 часов. Три из них были «высоким риском», включая неисправность двигателя и незапланированную посадку в одномоторном караване Cessna 208 , четыре «среднего риска» и 96% «низкого риска». Два происшествия привели к легким травмам из-за неисправности двигателя и столкновения сельскохозяйственных самолетов с землей, а пять несчастных случаев были связаны с авиационными работами: четыре — в сельском хозяйстве и одно — в машине скорой помощи .

Небольшой прирост или солидное увеличение мощности

Существует несколько способов форсирования силовой установки без турбонаддува. Можно произвести ряд доработок конструкции головки блока цилиндров, обеспечить установку спортивных распредвалов, поставить фильтр нулевого сопротивления, улучшить продувку и тем самым обеспечить подачу большего количество воздуха в цилиндры при  езде в режиме максимально высоких оборотов.

Вполне можно и вовсе не стремится менять количество поступающего в мотор воздуха, а вместо этого увеличить степень сжатия и перейти на использование горючего с более высоким октановым числом. Доступно даже расточить цилиндры и нарастить их объем. Это также позволит увеличить КПД Вашего мотора.

Все указанные способы уместны и работают, но только тогда, когда мощность планируется увеличить всего на 15-20%.

Если речь заходит о кардинальных изменениях и значительном увеличении мощности мотора, тогда без компрессора уже не обойтись. Наиболее эффективным методом будет установка турбокомпрессора. Более того, установка турбонаддува способна увеличить мощность  любого специально подготовленного для таких возросших нагрузок мотора.

В предыдущих статьях мы поверхностно  перечислили основные элементы системы турбонаддува. Теперь давайте подробнее рассмотрим те главные этапы и процессы, когда сначала воздух проходит в системе с установленным турбокомпрессором, а затем отработавшие газы приводят в действие компрессор. Для примера возьмем турбокомпрессор дизельного ДВС.

• В самом начале пути воздух пропускается через воздушный фильтр и оказывается на входе в турбокомпрессор;
• Внутри турбонагнетателя попавший туда воздух проходит процесс сжатия. При этом возрастает количество необходимого для эффективного сгорания топливно-воздушной смеси кислорода на единицу объема воздуха. В этот самый момент сжатия проявляется нежелательный в данном случае эффект нагрева воздуха от сжатия и снижение его плотности;
• Для охлаждения после сжатия в турбокомпрессоре воздух попадает в интеркулер. В интеркулере температура воздуха практически полностью возвращается на начальный уровень. Благодаря охлаждению достигается как увеличение плотности воздуха, так и снижается вероятность появления детонации от использования последующей топливовоздушной смеси;
• За интеркулером охлажденный воздух минует дроссельную заслонку и оказывается во впускном коллекторе. Последним этапом становится такт впуска, когда рабочая смесь окажется в цилиндрах двигателя;
• Объем цилиндра представляет собой неизменную постоянную величину, которая зависит от его диаметра и хода поршня. Благодаря турбокомпрессору этот объем активно заполняется сжатым и охлажденным воздухом. Это означает, что количество кислорода в цилиндре сильно возрастает по сравнению с атмосферными моторами. Не трудно догадаться, что чем большее количество кислорода поступило, тем больше горючего можно сжечь за рабочий такт. Сгорание большего количества горючего в результате приводит к заметному увеличению итоговой мощности мотора;
• После эффективного сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя наступает такт выпуска. На этом такте отработавшие газы уходят в выпускной коллектор через выпускные клапаны. Весь этот поток разогретого (от 500С до 1100С  зависимо от типа двигателя) газа проникает в турбину и начинает воздействовать на турбинное колесо. Колесо под давлением выхлопных газов передает энергию на вал турбины, а на другом конце вала находится компрессор.

Так и происходит процесс сжатия свежей порции воздуха для следующего рабочего такта. Одновременно происходит падение давления отработавших газов, а также снижается температура выхлопа. Это получается по причине того, что часть энергии газов уходит на обеспечение работы турбокомпрессора на другой стороне вала турбины;

Особенности и преимущества двигателя TDI

После вхождения Audi в состав WAG, концерн Volkswagen занял первые позиции в списке производителей дизельных двигателей. Инновационные инженерные решения и наработанные технологии производства обеспечили моторам TDI:

— низкий уровень шума при работе;
— высокий показатель крутящего момента;
— небольшой расход топлива;
— снижение токсичности отработавших газов;

Сегодня дизельный двигатель TDI сравнительно с аналогами имеет ряд преимуществ, среди которых отдельно выделяют топливную экономичность и КПД. Одним из основных плюсов заслуженно считается более высокое давление впрыска сравнительно с производительностью других систем. Давление впрыска в моторах TDI находится на отметке 2050 бар, тогда как аналоги выдают всего 1350 бар.
В TDI инжектор объединен с насосом, что позволяет реализовать максимальный контроль над всеми процессами топливного впрыска. Такое решение обеспечивает двигателю TDI высокий крутящий момент, а также эластичную работу данного дизеля на разных режимах. Благодаря данной системе топливоподачи сам процесс сгорания дизтоплива в моторах ТДИ более равномерный и происходит «деликатно», то есть с минимальными ударными нагрузками. По этой причине существенно снизился уровень шума во время работы дизеля, а также упало содержание оксида азота в отработавших газах. Другими словами, дизельный TDI двигатель является мощным, тихим, наименее вредным для окружающей среды и самым экономичным мотором среди доступных на рынке дизельных силовых агрегатов.

Как работает турбина на бензиновом двигателе?

Турбина бензинового мотора за счёт использования компрессора принудительно нагнетает в цилиндры массу воздуха. Значительно повышается обогащение кислородом топливно-воздушной смеси и улучшается сгораемость бензина. Коэффициент полезного действия существенно возрастает. Эффективность работы мотора увеличивается при неизменно объёме.

Мощность двигателя при использовании турбины возрастает прямо пропорционально количеству сжигаемого за единицу времени бензина. Для обеспечения максимального быстрого сгорания топлива в цилиндрах мотора необходим значительный объём воздуха. Именно его в достаточном количестве направляет турбина за счёт работы компрессора. Он принудительно подаётся в цилиндры, обогащая топливно-воздушную смесь.

Корпус подшипников.

Служит для размещения ротора, представленного валом несущим на себе турбинные и компрессорные кольца, оборудованные лопастями. Именно они при вращении захватывают воздуха и направляют его в цилиндры мотора.

Масляные каналы.

Пронизывают корпус турбины словно кровеносные сосуды на теле человека. Служат для своевременной доставки моторного масла к трущимся и вращающимся элементам. Снижают тем самым износ рабочих элементов бензиновой турбины.

Подшипник скольжения.

Его главная задача обеспечить свободное и плавное вращение ротора турбины с его лопастями для захвата достаточного количества воздуха. Его смазку и охлаждение обеспечивает циркулирующее в турбине моторное масло.

Корпус.

Корпус турбины, имеющий форму улитки обеспечивают защиты от внешних механических воздействий рабочие элементы устройства для нагнетания воздуха.

Привод турбины бензинового мотора осуществляется за счёт подачи отработанного газа энергия которого заставляет ротор вращать лопасти. Сложного в конструкции и работе ничего нет всё понятно и достаточно просто.

При запуске бензинового мотора отработанные газы и цилиндров мотора направляются  прямиком в турбину. Они приводят в движение ротор, отдавая ему свою энергию. Далее, через приёмную трубу они поступают в глушитель и выводятся в окружающую среду.

Вал ротора раскручивает колесо компрессора и лопаточное колесо. Они захватывают воздух из окружающей среды, поступающий через воздушный фильтр мотора. Он принудительно подаётся в цилиндры двигателя. Компрессор турбины может повышать давление воздуха до 80%.

Работа турбины бензинового мотора позволяет обогащённую кислородом топливно-воздушную смесь наполнять цилиндры в большом количестве. Объём мотора остаётся неизменным, но его мощность существенно возрастает. В среднем использование турбины даёт возможность увеличить мощность силовой установки машины на 20-30%.

Виды нагнетателей

Справедливости ради надо сказать, что первыми появились механические нагнетатели (kompressor, supercharger), которые приводятся в действие механической энергией вырабатываемой двигателем.
Различают несколько типов механических нагнетателей:
— центробежные, наиболее похожие на турбонаддув, поскольку воздух засасывается центробежной крыльчаткой;
— нагнетатели типа «Рутс»(Roots), в котором воздух нагнетается двумя роторами, как в маслонасосе;
— винтовые нагнетатели (Lysholm), по принципу похожие на Roots, но вместо двух роторов с лопастями применены винтовые роторы;

Компрессор Рутса

Компрессор Лисхольм

Центробежный компрессор

Плюсы механических нагнетателей:
— начинают работать сразу, как только начинает работать двигатель — нет турбоямы;
— прямая связь с оборотами двигателя — мгновенный отклик на нажатие педали газа;
— отличная тяга на «низах»;

Минусы механических нагнетателей:
— весьма существенно отнимают мощность у мотора (до 20%);

Есть и «электрический наддув» (электрокомпрессор), когда приводом компрессора служит электродвигатель. Но как правило такие нагнетатели устанавливаются не автономно, а в паре с турбонагнетателем.

Электрический нагнетатель

Плюсы электрических нагнетателей:
— можно настроить программу оборотов под любой режим работы ДВС — нет «провалов»;

Минусы электрических нагнетателей:
— для обеспечения требуемого потока воздуха необходим мощный электродвигатель, который потребляет много энергии;

Поскольку и у механических и у электрических нагнетателей есть один, но существенный минус — они требуют много дополнительной энергии для работы, то наибольшего распространения получили турбонагнетатели с приводом от выхлопных газов (турбокомпрессоры), которые такого недостатка лишены.
Турбокомпрессор приводится в движение отработанными газами, которые все равно «выбрасываются» наружу.

Турбокомпрессор в разрезе:

Плюсы турбокомпрессоров:
— нет потери мощности ДВС;

Минусы турбокомпрессоров:
— задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма;
— резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбоподхват.
— воздух в турбокомпрессоре сильно нагревается, для его дальнейшего использования необходимо дополнительное охлаждение;
— требуется более качественное масло и более частая его замена;

Турбонаддув

Турбонаддув – это система, позволяющая увеличить максимальную мощность двигателя, используя для этого энергию выхлопных газов. 

Первые турбины хотя и давали весьма ощутимую прибавку в мощности, но из-за своей громоздкости во много раз увеличивали и без того немаленький вес двигателей автомобилей тех лет.

Конструкторы со временем усовершенствовали технологию, сделав элементы системы более легковесными, одновременно повысив ее производительность. Но одним из существенных недостатков оставался повышенный расход топлива.

Конструкторам удалось решить одну из главных проблем турбодвигателя – расход топлива, ведь, как известно, дизельный агрегат менее «прожорливый», чем бензиновый.

Еще один несомненный плюс дизельного топлива – его отработанные газы имеют температуру ниже, чем бензиновые, стало быть, основные агрегаты системы турбонаддува можно было производить из менее тяжеловесных и жаростойких материалов. 

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

Турбонаддув имеет особую конструкцию из двух элементов:

• турбина;
• компрессор.

Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

Турбокомпаунд

Принцип турбокомпаунда состоит в утилизации дополнительной тепловой энергии выхлопных газов, которая в простых турбо- и атмосферных двигателях буквально вылетает в трубу, посредством еще одной турбины и механического ее привода на коленвал двигателя. КПД обычного грузового турбодизеля большого объема составляет около 44%, еще 21% съедает система охлаждения. Турбокомпаунд частично улавливает энергию тех 35%, которые покидают двигатель вместе с выхлопом. Особенность турбокомпаунда в том, что прибавка момента и мощности двигателя происходит без дополнительного расхода топлива.

Был впервые применен фирмой Scania в 1990 году на дизельном двигателе DTS 11 01 объемом 11 литров.

Эксплуатация и меры безопасности

Турбокомпрессор в основном подчиняется двум ограничениям: трению оси турбины и температуре отработавших газов. Чтобы сохранить этот элемент от износа и охладить его, используется масло. Но и эта особенность имеет недостаток, заключающийся в том, что при остановке двигателя смазывание турбокомпрессора прекращается – масляный насос больше не приводится в действие, что в конечном итоге приведет к повреждению агрегата.

Фактически, масло, присутствующее между осью и подшипником турбины, начинает чрезмерно нагреваться, потому что температура в турбине может повыситься до 1000° C и более. Оно создает вредный остаток, состоящий из абразивных твердых тел, которые в долгосрочной перспективе будут вызывать чрезмерный люфт. Кроме того, турбина, все ещё движимая своей инерцией, больше не смазывается и не охлаждается, а затем может сломаться из-за чрезмерных термических и механических нагрузок.

Какие могут быть причины выхода из строя турбокомпрессора, видео:

Чтобы преодолеть эту проблему, перед выключением хорошо дать двигателю поработать на холостом ходу в течение 1-3 минут, в зависимости от модели, чтобы внутренняя турбина увидела падение скорости вращения. Смазка двигателя, следовательно, турбокомпрессора, продолжает проходить и рассеивать тепло системы.

Регулировка давления наддува

Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

Минусы турбины на дизельном двигателе

Как и любое устройство, у турбины есть свои положительные характеристики (которые были описаны выше), так и недостатки. К минусам можно отнести в первую очередь увеличенный расход топлива, особенно это касается неправильно отрегулированных агрегатов. Второй минус — чувствительность к качеству топлива, что особенно актуально в российских условиях. Дело в том, что некачественный дизель может привести к детонации. Отметим и другие недостатки:

• общее удорожание двигателя;
• повышенная требовательность к моторному маслу;
• масло и фильтры приходится менять чаще (примерно каждые 5-6 тыс. км);
• нужно часто менять воздушный фильтр;
• ресурс турбины на дизельном двигателе значительно ниже, чем на бензиновом (из-за более высокой температуры выхлопа);
• средний ресурс агрегата составляет 200-250 тыс. км, после чего потребуется замена или, как минимум, капитальный ремонт;
• достаточно сложный ремонт, провести его среднестатистическому автовладельцу самому не получится.

Однако стоит отметить, что плюсы всё-таки перевешивают минусы. В противном случае турбины не пользовались бы такой большой популярностью.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась  на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Что такое турбояма или турболаг

Принцип работы турбонаддува заключается в том, что двигатель «разгоняет» себя за счёт своей же работы. Эта особенность вызывает появление такой проблемы как турбояма или турболаг. Она проявляется в виде провала мощности, который появляется после резкого нажатия на педаль газа.

На заре турбированных моторов доходило до смешного — слишком резко и сильно нажав на педаль «газа», можно было полностью заглушить его. Сейчас сложная механическая и электронная начинка не даст этому произойти, но эффект турбоямы с неприятным провалом мощности всё равно остаётся. Особенно этим страдают дешевыё турбо-системы или неправильно установленные и настроенные.

Чтобы сгладить турболаг, используют хитрые электронные системы упреждающего наращивания оборотов. Они регистрируют резкие нажатия на педаль акселератора и раскручивают компрессор электроприводами, не дожидаясь, когда «проснётся» турбина. Цена таких решений, как правило, немаленькая, поэтому они встречаются в осномном только на спортивных авто.