Турбонаддув

Теория газообмена в ДВС

Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Причины неисправности турбины автомобиля

Причиной неисправности турбины является выброс синего выхлопного дыма при разгоне автомобиля, а при постоянных оборотах его исчезновения. Это может быть вызвано сгоранием масла, попадающего в цилиндры мотора из-за утечки в турбокомпрессоре.

Также о неисправности в системе управления ТКР (турбокомпрессор) может свидетельствовать черный дым, появляющийся во время сгорания обогащенной смеси за счет утечки воздуха в нагнетающих магистралях.

Белые же выхлопные газы, наоборот, говорят о том, что засорился сливной маслопровод ТКР. Увеличение расходов масла (0,2 – 1 л на 1 тыс. км) и наличие подтеков на стыках патрубков воздушного тракта и на турбине, происходит, вероятнее всего, из-за загрязнения сливного маслопровода или воздушного канала.

Также причиной может стать закоксовывание корпуса оси ТКР. За счет недостаточного поступления воздуха из неисправного турбокомпрессора, может ухудшиться динамика разгона авто.

Если во время работы двигателя слышен посторонний шум или свист, то источником проблемы может быть утечка воздуха на стыке выхода мотора и компрессора.

Видео — свист на Mercedes-Benz Sprinter

Если же вы услышите характерный скрежет при работе или заметите трещины и деформацию корпуса турбины, то будьте готовы к тому, что ТКР в скором времени может выйти из строя.

Компоненты, из которых состоит система турбонадува: турбина, электронные датчики давления, воздуха, масла, магистраль по забору и передаче воздуха в нагнетающий трубопровод, клапан-отсекатель и т.п. Многие современные машины оснащены системами автоматики, которые немедленно отключат турбину, если одна из перечисленных систем выйдет из строя. А это, в свою очередь, скажется на возможности развить максимальную мощность двигателем.

Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

Особенности эксплуатации турбированных двигателей

На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название «турбояма». Сущность явления заключается в следующем:

• Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
• Турбина вращается в соответствующем режиме.
• При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
• После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.

Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка — «турбояма». Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Виды систем турбонаддува

Производители разработали различные способы избавления от «турбоямы»:

• Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
• Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
• Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
• Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.

Что такое турботаймер и для чего он необходим

Турботаймер

Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему — возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.

Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува — Увеличение рабочего объёма двигателя — Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени.

Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя.

Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива.

При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток.

Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Визуальный осмотр

На начальном этапе диагностики следует проверить уровень и качество дизельного моторного масла. Также необходимо исключить возможное попадание сторонних предметов в турбокомпрессор.

Далее приступаем к анализу цвета выхлопных газов. Падение мощности и черный цвет выхлопа дизеля говорит о переобогащении смеси. Это может указывать на недостаточное количество подаваемого в цилиндры воздуха по причине неисправностей во впуске. Тяга дизельного мотора может также пропадать в результате утечек на выпуске.

Для проверки мотор необходимо завести и оценить звуки в процессе работы турбокомпрессора. Турбина не должна свистеть или скрипеть, не должно быть звука прорывающегося воздуха через соединения. Нужно проверить состояние и герметичность соединений патрубков, по которым осуществляется подача воздуха. Любые неплотности или повреждения недопустимы. Также обязательно проверяется состояние воздушного фильтра, так как загрязнение и снижение его пропускной способности приведет к недостаточной подаче воздуха в цилиндры.

Если дизель дымит белым или сизым выхлопом, тогда это указывает на попадание масла в цилиндры двигателя и его сгорание в рабочей камере. Подобная неисправность может возникать как по причине неисправностей турбокомпрессора, так и других узлов ДВС. Также на проблему указывает большой расход масла (около литра на 1 тыс. пройденных км.)

В этом случае необходимо снова вернуться к проверке воздушного фильтра и ротора турбины. Загрязненный фильтр пропускает малое количество воздуха, что приводит к сильной разнице давлений между корпусом турбины и картриджем с подшипниками. Из этого картриджа масло начинает вытекать в корпус компрессора. Если неисправностей не выявлено, тогда нужно приступить к осмотру сливного маслопровода на наличие загибов, трещин и других дефектов.

Еще одной причиной роста давления может служить активное попадание газов из камеры сгорания в картер двигателя, что препятствует нормальному сливу масла из турбины. Данная неисправность может быть связана с проблемами в работе системы вентиляции картерных газов, дизель начинает сапунить. На моторе с исправной турбиной во впускном и выпускном коллекторе не должно быть признаков обильного попадания масла.

Снова проводим анализ состояния турбины на осевой люфт. Если с компрессором все в норме, тогда причины наличия масла в турбине заключаются именно в повышении давления в картере двигателя. Дополнительно возможно присутствие пробки в сливном маслопроводе.

В случае шумной работы дизеля нужно проверить трубопроводы, через которые воздух подается под давлением, а также ротор турбокомпрессора. Ротор турбины во время прокрутки не должен касаться стенок. Повышенного внимания заслуживает состояние крыльчатки турбины. Любые зазубрины или признаки повреждений крыльчатки требуют немедленного ремонта компрессора. При обнаружении заметных дефектов ротора турбину необходимо снимать для детальной диагностики.

Суть процесса

Идея принудительно нагнетать дополнительный воздух в цилиндры возникла в 60-е годы минувшего века. Однако в то время технология широкого распространения не получила. Если использовать турбину с выхлопными газами, то проблема была в ее бездействии на малых оборотах. При небольшой скорости машине не хватало «лошадиных сил». А при включении турбины в работу мощность настолько резко увеличивалась, что малоопытному водителю справиться с управлением становилось сложно.

Что касается компрессоров, тут была иная проблема. Изначально они пользовались популярностью в Англии, где их устанавливали на машины с восьмицилиндровыми движками, которые и без того обладали солидной мощностью. Мотор с компрессором имел приличные габариты и запихать его под капот – та еще задача! К тому же оборудованную таким образом машину сложно было обслуживать – требовался специализированная СТО. В обычных сервисах за ремонт просто не брались, поэтому даже небольшая поломка превращалась в головную боль владельца авто. Но сегодня ситуация несколько изменилась: турбины и компрессоры стали более надежными и менее габаритными. Остается разобраться в их устройстве, плюсах и минусах.

Турбина и ее влияние на надежность мотора

Когда-то было принято считать, что применение системы турбонаддува чуть ли не автоматически ведет к снижению ресурса двигателя на 30%.

Эксперты из «БР Турбо» это не подтверждают: по их словам, само по себе наличие турбины не влияет напрямую на надежность мотора.

И если раньше, когда производители двигателей просто ставили нагнетатели на изначально атмосферные моторы, турбины действительно пагубно влияли на их надежность, то сегодня уровень технологий таков, что моторостроителям удается увеличить КПД двигателей при сохранении их надежности именно благодаря турбинам.

«Современные двигатели с турбонаддувом разрабатываются с учетом нагрузок, свойственных именно турбомоторам, – рассказали „Движку“ в „БР Турбо“. – Вместе с тем ресурс всех современных двигателей из-за их сложности стал немного меньше, чем был раньше, вне зависимости от наличия турбины».

На вопрос же о том, сколько в среднем в состоянии «прожить» турбина в штатных условиях эксплуатации, однозначного ответа, по словам наших экспертов, нет. Однако можно выделить ряд факторов, существенно влияющих на ресурс турбонагнетателя. Один из главных – регулярность и качество технического обслуживания мотора

Не менее важно качество используемых при этом расходных материалов: фильтров и масла

Что касается регулярности техобслуживания, то рекомендации автопроизводителей обычно созданы на основе усредненных данных. В России же, в связи с тяжелыми условиями эксплуатации и пробками, масло редко выдерживает положенный ресурс, вследствие чего ухудшаются его свойства, и далее начинает резко снижаться ресурс турбины и мотора в целом. Поэтому применительно к замене масла в турбомоторах в нашей стране вполне работает принцип «чем чаще, тем лучше» (это же, впрочем, относится и к «атмосферникам»).

Турбокомпрессоры Garrett серии VNT с изменяемой геометрией турбины для дизельных (слева) и бензиновых (справа) двигателей

При этом турбированный двигатель весьма чувствителен к качеству самого масла: имеет значение, есть ли у него допуски автопроизводителя и соответствует ли оно требуемым параметрам, поскольку и мотор, и турбина разрабатываются с учетом свойств определенного масла. Именно поэтому масла, которые подходят, например, для японских автомобилей, могут быть губительны для немецких. И наоборот.

Кроме того, следует учесть, что вал в турбине работает в «масляном клину», то есть при работе турбины он не касается подшипников, так как между трущимися деталями образуется клин из масла. Если в масле есть загрязнения или абразив, оно слишком разжижено или, наоборот, в моторе образовался шлак от высоких температур, то начинается резкий износ подшипников скольжения. Таким образом, некачественное или с большим пробегом масло резко снижает ресурс турбины.

В целом, по словам специалистов «БР Турбо», если обслуживать автомобиль согласно рекомендациям автопроизводителя, то для легковых автомобилей ресурс турбины – от 250 тыс. км, для грузовиков – от 1 млн км. Если обслуживать автомобиль чаще – ресурс турбины можно увеличить на 20–40%.

Особенности эксплуатации ТД

Поняв принцип действия турбонаддува, водитель должен уяснить для себя правила эксплуатации агрегата. При соблюдении рекомендаций «срок жизни» мотора увеличится.

Особенности эксплуатации следующие:

Проверка уровня масла — самое главное условие при эксплуатации турбодвигателей. Если наблюдается отсутствие смазки, то это приводит к быстрому износу подшипников турбины.

Правильный нажим на педаль газа — ТД достигают максимальных оборотов уже сразу после запуска, поэтому удерживать педаль газа долго не следует.

Качественное масло — турбина быстро изнашивается также из-за некачественного масла. Это также негативно отражается на состоянии мотора.

Проверка двигателя после проведения ремонта — жидкость должна быть прозрачной, а сам «движок» — не издавать посторонних звуков.

Доводить двигатель до больших оборотов. Турбина должна постоянно работать, иначе она перестанет нормально функционировать. Именно поэтому раз в неделю необходимо включать двигатель на высокие обороты.

Для дизельных двигателей следует использовать только качественное топливо. Низкосортные жидкости засоряют топливную систему, снижая уровень мощности двигателя.

При низких значениях t смазка превращается в вязкое вещество. Именно поэтому во время мороза двигатель должен поработать на «холостом» ходу, чтобы жидкость зациркулировала внутри агрегата.

Турботаймер

Турботаймер — это электронное устройство, помогающее увеличить срок работы автотурбины. Иными словами, он является специальным контроллером, который заглушает двигатель через время после удаления ключа зажигания из замка. Все это время агрегат работает на холостом обороте. Турботаймер устанавливают под торпедо и подключают к замку зажигания.

Турботаймер дает возможность турбине остывать в условиях повышенной температуры. Охлаждение происходит с помощью машинного масла. Если двигатель перестает функционировать, то подача смазки-охладителя останавливается. Это все приводит к тому, что детали выходят из строя.

Автолюбители, которые постоянно эксплуатируют турбированные моторы на больших оборотах, сначала заставляют турбину работать вхолостую, и только потом выключают зажигание. Турбина остывает самостоятельно, но если использовать турботаймер, то сидеть и ждать в машине охлаждения не потребуется. Можно вытащить ключ из замка, а затем электроника сама заглушит мотор.

Если человек оставит турботаймер работающим, а сам покинет салон, то другой человек не сможет угнать машину. Устройство блокирует управление. Если человек захочет уехать на автомобиле, то сработает сигнализация.

Существует два типа монтажных комплектов ГБО для данных типов двигателей.

1 Комплект разработан под конкретный автомобиль и имеет определенный код, присутствует монтажная схема и готовая прошивка без возможности ее изменения.

Эти комплекты выпускают самые известные и премиальные бренды, такие как Prins(Голландия) и BRC(Италия).

Конечно, готовая прошивка от производителя ГБО, для разработки которых используются специальные стенды — это большой плюс, но есть и минусы — мы ограничены списком переводимых двигателей на газовый вид топлива. Существует таблица автомобилей, на которые есть готовые решения, но, к сожалению, мы ограничены этим списком, но он постоянно пополняется.

2 Универсальный комплект ГБО для двигателей с непосредственным впрыском топлива.

Он покрывает минусы варианта исполнения комплектов, описанных выше, но также имеет свои нюансы. После установки газового оборудования на автомобиль заливается прошивка, она универсальная и корректная настройка зависит только от мастерства и профессионализма мастера, также никто из клиентов не застрахован от того, какие форсунки или редуктора достанет мастер со своего склада.

Это и есть тот минус, о котором мы писали выше, плюсом же является то, что список автомобилей, на которые можно установить данное оборудование, существенно больше. В частности, это практически вся VAG группа, а также такие гиганты как BMW, Volvo, Toyota, Honda, Nissan, Mitsubishi и т. д.

Устройство и принцип работы турбины на бензиновом двигателе

По сути, принцип работы всех нагнетателей прост, а в некоторых местах примерно одинаков. Во всех системах при помощи специального компрессора воздух под давлением подается в двигатель автомобиля.

В свою очередь стоит различать два абсолютно разных типа нагнетателей воздуха в двигатель автомобиля:

1. Первый тип – это турбины, которые используют энергию отработанных газов для повышения давления в цилиндрах.
2. Второй тип – это механические компрессоры с приводом от самого двигателя.

Как правило, давление, нагнетаемое компрессором, не превышает 80 процентов от стандартной схемы заполнения камеры сгорания, которая осуществляется в атмосферном двигателе вследствие разряженности, возникающей в цилиндре.

Устройство турбинного нагнетателя зависит от его типа. Разные конструкции могут отличаться между собой. Тем не менее, основные детали турбины зачастую одни и те же:

• Крыльчатка с лопастями;
• Турбинные и компрессорные колеса;
• Вал;
• Клапан, управляющий потоком выхлопных газов;
• Сам корпус и патрубки.

Принцип работы турбины на бензиновом двигателе, которая работает благодаря энергии отработавших газов, прост:

1. Газы поступают в турбину, под их давлением раскручивается ротор.
2. Колесо компрессора, находясь на том же валу, что и ротор, вращаясь вместе с ним, засасывает воздух из атмосферы и подает его в камеры сгорания мотора.
3. Отработавшие газы после того, как раскрутили ротор, выходят через патрубок в глушитель.

В зависимости от используемого компрессора, турбинный нагнетатель может увеличить давление воздуха в цилиндре на величину от 20 до 85 процентов! При этом мощность двигателя возрастает на 10-55 процентов.

В свою очередь, если на автомобиле стоит компрессор, который работает не за счет энергии газов, а благодаря механическому приводу с коленвалом, то в таких системах часть мощности двигателя затрачивается на то, чтобы обеспечить работу нагнетателя. Как следствие, падает мощность, передаваемая на колеса, а также повышается расход топлива. Другими словами эффективность такой установки ниже, хотя и в ней есть свои плюсы, но эта статья не о них.

В остальном же, принцип работы компрессора на бензиновом двигателе схож с предыдущим вариантом:

Раскручиваясь посредством зацепления с коленчатым валом, чаще всего с помощью ремня, колесо компрессора подает воздух в двигатель.

Таким образом, получается увеличить количество подаваемого воздуха в мотор примерно до 50%.

Дело в том, что при нагревании плотность воздуха падает, а при сдавливании он может разогреваться до 170-190 градусов. Поэтому в систему был добавлен специальный радиатор, который его охлаждает и не позволяет снижать показатели наполнения цилиндров воздухом.