Наддувши: пристрій турбокомпресора

Постійна гонка інженерів за збільшенням потужності ДВС привела до появи турбокомпресорів. Дане рішення виявилося найефективнішим як на бензинових, так і на дизельних моторах.

Стає цілком очевидним, що підсумкова потужність ДВС пропорційна кількості паливо-повітряної робочої суміші, яка потрапляє в циліндри двигуна. Закономірно, що двигун з великим об'ємом здатний пропускати більше повітря і тим самим видавати більше потужності порівняно з двигуном меншого об'єму. Якщо перед нами стоїть завдання добитися від малооб'ємного ДВС такої ж потужності, яку демонструють мотори більшого обсягу, тоді необхідно примусово вмістити якомога більше повітря в циліндрах такого двигуна.

Невеликий приріст або солідне збільшення потужності

Існує кілька способів форсування силової установки без турбонаддува. Можна зробити ряд доробок конструкції головки блоку циліндрів, забезпечити установку спортивних распредвалов, поставити фільтр нульового опору, поліпшити продування і тим самим забезпечити подачу більшої кількості повітря в циліндри при їзді в режимі максимально високих обертів.

Цілком можна і зовсім не прагне міняти кількість що надходить в мотор повітря, а замість цього збільшити ступінь стиснення і перейти на використання пального з вищим октановим числом. Доступно навіть розточити циліндри і наростити їх обсяг. Це також дозволить збільшити ККД Вашого мотора.

Всі зазначені способи доречні і працюють, але тільки тоді, коли потужність планується збільшити всього на 15-20%.

Якщо мова заходить про кардинальні зміни і значне збільшення потужності мотора, тоді без компресора вже не обійтися. Найбільш ефективним методом буде установка турбокомпресора. Більш того, установка турбонаддува здатна збільшити потужність будь-якого спеціально підготовленого для таких великих навантажень мотора.

У попередніх статтях ми поверхнево перерахували основні елементи системи турбонаддува. Тепер давайте докладніше розглянемо ті головні етапи і процеси, коли спочатку повітря проходить в системі з встановленим турбокомпресором, а потім відпрацьовані гази призводять в дію компресор. Для прикладу візьмемо турбокомпресор дизельного ДВС.

  • На самому початку шляху повітря пропускається через повітряний фільтр і виявляється на вході в турбокомпресор;
  • Усередині турбонагнетателя потрапило туди проходить процес стиснення.При цьому зростає кількість необхідного для ефективного згоряння паливно-повітряної суміші кисню на одиницю об'єму повітря. У цей самий момент стиснення проявляється небажаний в даному випадку ефект нагрівання повітря від стиснення і зниження його щільності;
  • Для охолодження після стиснення в турбокомпресорі повітря потрапляє в інтеркулер. У інтеркулере температура повітря практично повністю повертається на початковий рівень. Завдяки охолодженню досягається як збільшення щільності повітря, так і знижується ймовірність появи детонації від використання подальшої паливо-повітряної суміші;
  • За интеркулером охолоджене повітря мине дросельну заслінку і виявляється у впускному колекторі. Останнім етапом стає такт впуску, коли робоча суміш виявиться в циліндрах двигуна;
  • Обсяг циліндра являє собою незмінну постійну величину, яка залежить від його діаметра і ходу поршня. Завдяки турбокомпресору цей обсяг активно заповнюється стисненим і охолодженим повітрям. Це означає, що кількість кисню в циліндрі сильно зростає в порівнянні з атмосферними моторами.Не важко здогадатися, що чим більша кількість кисню надійшло, тим більше пального можна спалити за робочий такт. Від згоряння більшої кількості пального в результаті призводить до помітного збільшення підсумкової потужності мотора;
  • Після ефективного згоряння паливоповітряної суміші в циліндрах двигуна настає такт випуску. На цьому такті відпрацьовані гази йдуть в випускний колектор через випускні клапани. Весь цей потік розігрітого (від 500С до 1100С залежно від типу двигуна) газу проникає в турбіну і починає впливати на турбінне колесо. Колесо під тиском вихлопних газів передає енергію на вал турбіни, а на іншому кінці вала знаходиться компресор.

Так і відбувається процес стиснення свіжої порції повітря для наступного робочого такту. Одночасно відбувається падіння тиску відпрацьованих газів, а також знижується температура вихлопу. Це виходить через те, що частина енергії газів йде на забезпечення роботи турбокомпресора на іншій стороні вала турбіни;

Додаткові елементи системи турбонаддува

Якщо говорити про конкретні модифікаціях двигуна, а також про компонування різних елементів в підкапотному просторі, турбокомпресор може мати ряд додаткових елементів.Ми вже згадували такі деталі системи, як Wastegate і Blow-Off. Давайте розглянемо їх більш детально.

Клапан Blow-off

Блоу-офф є перепускний клапан. Цей пристрій встановлюється в повітряній системі. Місцем розташування стає ділянку між виходом з компресора і дросельною заслінкою. Головним завданням блоу-офф клапана стає запобігання виходу компресора на характерний режим роботи surge.

Під таким режимом варто розуміти момент різкого закриття дроселя. Якщо описати те, що відбувається простими словами, то швидкість повітряного потоку і сам витрата повітря в системі різко знижуються, але турбіна ще певний час продовжує обертання по інерції. Інерційно турбіна обертається з тією швидкістю, яка вже більше не відповідає новим потребам мотора і впав таким чином витраті повітря.

Наслідки після циклічних стрибків тиску повітря за компресором можуть бути плачевні. Явною ознакою стрибків є характерний звук повітря, який проривається через компресор. З плином часу з ладу виходять опорні підшипники турбіни, так як вони відчувають сильні навантаження в момент зазначених стрибків тиску при скиданні газу і подальшій роботі турбіни в цьому перехідному режимі.

Блоуофф реагує на різницю тисків в колекторі і спрацьовує завдяки встановленій всередині пружині. Це дозволяє виявити момент різкого перекриття дроселя. Якщо дросель різко закрився, тоді блоу-офф здійснює підбурювання в атмосферу раптово з'явився в повітряному тракті надлишку тиску. Це дозволяє істотно убезпечити турбокомпресор і вберегти його від надлишку навантажень і подальшого руйнування.

клапан Wastegate

Дане рішення є механічним клапан. Вестгейт установливают на турбінної частини або ж на самому випускному колекторі. Завданням пристрою є забезпечення контролю за тим тиском, який створює турбокомпресор.

Варто відзначити, що деякі дизельні силові агрегати використовують в своїй конструкції турбіни без вейстгейт. Для моторів, які працюють на бензині, в більшості випадків наявність такого клапана є обов'язковою умовою.

Головним завданням вейстгейт стає забезпечення можливості безперешкодного виходу для вихлопних газів з системи в обхід турбіни. Запуск частини відпрацьованих газів в обхід дозволяє здійснювати контроль за необхідною кількістю енергії цих газів. Взаємозв'язок очевидна, адже саме вихлоп обертає через вал колесо компресора.Даний спосіб дозволяє ефективно управляти тиском наддуву, яке створюється в компресорі. Найбільш частим рішенням стає контроль вейстгейт за тиском наддуву, який здійснюється за допомогою противодавления вбудованої пружини. Така конструкція дозволяє контролювати обхідний потік вихлопних газів.

  • Вейстгейт може бути як вбудованим, так і зовнішнім. Вбудований вейстгейт конструктивно має заслінку, яка вбудована в турбінний хаузінг. Хаузінг в народі просто називають "равлик" турбіни. Додатково wastegate має пневматичний актуатор і тяги від даного актуатора до дросельної заслінки.
  • Гейт зовнішнього типу являє собою клапан, який встановлений на випускний колектор перед турбіною. Необхідно зауважити, що зовнішній гейт має одну незаперечну перевагу порівняно з вбудованим. Справа в тому, що скидається їм обхідний потік можна повертати назад у вихлопну систему досить далеко від виходу з турбіни, а на спортивних авто і зовсім здійснити прямий скид в атмосферу. Це дозволяє помітно поліпшити проходження відпрацьованих газів через турбіну завдяки тому, що спостерігається відсутність різноспрямованих потоків.Все це дуже важливо стосовно до обмеженого компактному обсягом "равлики".

Вибираємо турбіну для мотора

Правильний підбір турбокомпресора є головним моментом в процесі побудови якісного турбомотора. Підбирати турбіну слід на основі багатьох даних.

Першим і основним фактором при виборі є та потужність, яку Ви хочете отримати в результаті від мотора. Дуже важливо підходити до цього показника розумно і реально зважувати можливості ДВС стосовно тій чи іншій мірі наддуву.

Ми знаємо, що потужність силової установки безпосередньо залежить від кількості паливно-повітряної суміші, яка потрапить в циліндри за одиницю часу. Потрібно на самому початку визначити бажаний показник потужності. Тільки потім можна здійснювати вибір турбіни, яка буде здатна забезпечити достатній потік повітря для отримання підсумкового показника запланованої віддачі від побудованої силової установки.

Другим за значимістю показником при виборі турбіни стає швидкість її виходу на ефективний наддув. Більш того, цей вихід на наддув зіставляється з мінімальними оборотами двигуна, на яких і буде відбуватися нагнітання.Чим менше турбіна або менше сам гарячий хаузінг (равлик), тим більше шансів на поліпшення цих показників. Врахуйте, що максимальна потужність при цьому однозначно буде нижче в порівнянні з турбіною більшого розміру.

На ділі все може виявитися не так погано, адже менша турбіна забезпечує більший робочий діапазон в процесі роботи двигуна. Така турбіна здатна швидше виходити на наддув при відкритті дросельної заслінки, а підсумковий результат в кінцевому підсумку може виявитися навіть набагато більш позитивним. Використання ж більшою турбіни з великою максимальною потужністю дозволить забезпечити перевагу тільки в досить вузькому діапазоні роботи двигуна на високих оборотах.

Особливості експлуатації турбокомпресора

Найбільш частою причиною виходу з ладу сучасних турбокомпресорів є те, що масло забиває центральний картридж турбіни. Закоксовка маслом відбувається після швидкої зупинки турбомотора після серйозних і тривалих навантажень. Справа в тому, що посилений теплообмін між турбіною і розігрітим випускним колектором супроводжується відсутністю потоку свіжого масла і надходжень охолодженого зовнішнього повітря в компресор.Виникає загальний перегрів картриджа і відбувається закоксовка залишився в турбіні масла.

Звести такий негативний ефект до мінімуму дозволяє рішення водяного охолодження турбіни. Магістралі з охолоджувальною рідиною створюють теплопоглинальних ефект і знижують рівень температури в центральному картриджі. Це відбувається навіть після повної зупинки двигуна і при відсутності примусової циркуляції ОЖ. З урахуванням цього рекомендується забезпечити мінімум неравномерностей по вертикальній лінії подачі ОЖ, а також здійснити розворот центрального картриджа навколо осі турбіни (це можна зробити під кутом близько 25 градусів).

Додатково в ряді випадків потрібно установка "турботаймера". Під цим рішенням розуміється пристрій, який не дозволяє двигуну відразу зупинитися після того, коли водій вимкнув запалювання. Пристрій дозволяє вийняти ключ, вийти з автомашини, поставити автомобіль під охорону сигналізації, а потім саме заглушить мотор через задану кількість часу. Для повсякденної експлуатації турботаймер дуже зручний, простий і практичний у використанні.

Види турбін: втулкові і шарікоподшипниковиє турбіни

Турбіни втулкового типу були сильно поширені досить довгий час. Вони мали ряд конструктивних недоліків, які не дозволяли повною мірою насолоджуватися перевагами турбомотора. Поява більш ефективних шарікоподшипникових турбін нового покоління поступово витісняє втулкові рішення. Для прикладу можна згадати шарікоподшипниковиє турбіни Garrett, які є вінцем інженерної думки і використовуються на багатьох гоночних двигунах.

На сьогоднішній день шарікоподшипниковиє турбіни є оптимальним рішенням, оскільки вимагають значно меншої кількості масла порівняно з Втулкові аналогами. Врахуйте, що установка масляного рестриктора на вході в турбокомпресор є дуже бажаною, особливо якщо тиск масла в системі знаходиться на позначці вище 4 атм. Здійснювати слив масла необхідно шляхом спеціального підведення в піддон, причому з урахуванням того, що слив повинен бути вище рівня масла.

Завжди пам'ятайте, що слив масла з турбіни відбувається самостійно і під дією сили гравітації.Знання цього диктує необхідність орієнтування центрального картриджа турбіни так, щоб слив масла був спрямований вниз.

Той показник, який визначає реакцію турбіни на натиснення педалі газу, демонструє сильну залежність від самої конструкції центрального картриджа турбіни. Шарикопідшипникових рішення від Garrett здатні на 15% швидше вийти на наддув порівняно з Втулкові аналогами. Шарикопідшипникових турбіни знижують ефект турбо-ями і роблять використання турбомотора максимально схожим на їзду з таким атмосферним двигуном, який має великий робочий об'єм.

Шарикопідшипникових турбіни мають ще один позитивний момент. Такі турбіни вимагають помітно меншого потоку масла, яке проходить через картридж і здійснює мастило підшипників. Рішення відчутно знижує ймовірність виникнення витоку масла через сальники. Шарикопідшипникових турбіни не є надміру вимогливими до якості масла, а також менш схильні до закоксовке після планової або раптової зупинки двигуна.

Підведемо підсумки

Використання сучасних турбін від провідних виробників дозволяє говорити про отримання двигунів з видатними динамічними показниками.Ефект турбоями, а також жорсткі вимоги до особливостей експлуатації турбомоторов за останнім часом помітно знизилися, зросла надійність масових систем турбонаддува. Активне використання електронних блоків управління дозволило підняти турбокомпресори на абсолютно новий якісний рівень.

Такі характеристики дозволяють даного рішення впевнено випереджати большеоб'емная атмосферники практично всім. Сьогодні автомобіль з турбонаддувом для багатьох автовласників є потужним, надійним, динамічним та практично ідеальним вибором як для повсякденної, так і для спортивної їзди!

Для того, щоб остаточно переконатися у всесильність турбокомпресора, просто подивіться наступний захоплюючий відеоролик. Нам же на цій позитивній ноті пора закінчувати і залишається тільки побажати читачам стабільного наддуву і повної відсутності турбоям!