Турбонаддув двигателей: принцип работы, типы, плюсы и минусы

Слышали о устройстве для повышения мощности ДВС? Секрет в турбонаддуве (turbocharger), также называемом турбо. Изобретён в начале XX века швейцарским инженером Альфредом Бухи (Alfred Büchi), представившим прототип для усиления дизелей.

Сегодня турбонаддув — стандарт для большинства бензиновых и дизельных двигателей. Научные работы продолжаются для улучшения конструкций ради лучшей характеристик при меньшей стоимости. Вибрационные напряжения и работа подшипников — основные факторы отказов, поэтому ротодинамический анализ важен при проектировании.

В ДВС мощность рождается в камере сгорания от сжатой топливовоздушной смеси. После сжатия смесь выходит как отработавшие газы — отходы, загрязняющие атмосферу. Но турбонаддув использует эту энергию для разгона двигателя. Как — читайте ниже.

Рассмотрим определение, функции, применение, детали, историю, схемы, типы, принцип работы, плюсы и минусы турбонаддува. Статья обширная — читайте внимательно.

Определение турбонаддува

Турбонаддув — турбинный приводной прибор принудительного нагнетания, повышающий эффективность и мощность ДВС за счёт закачки дополнительного сжатого воздуха в камеру сгорания. Горячий закачанный воздух работает, потому что компрессор может закачать больше воздуха и пропорционально больше топлива, чем при атмосферном давлении.

Турбонаддув — устройство на двигателе для повышения КПД и мощности. Изначально назывались турбосуперчарджерами, так как все приборы принудительного нагнетания классифицируются как суперчарджеры. Суперчарджер — механически приводной прибор принудительного нагнетания.

Разница: турбонаддув приводится в движение турбиной от отработавших газов. Суперчарджер — механически от коленчатого вала (часто ремнем). Турбонаддувы эффективнее, но менее отзывчивы. Твинчарджинг (Twin-charger) — двигатель и с турбо, и с суперчарджером.

История

Основатель — Альфред Бухи (1879–1932), инженер компании Gebruder Sulzer (Винтертур, Швейцария). Проект разработан за год до Первой мировой, запатентован в Германии в 1905 г. Бухи улучшал его до смерти через четыре десятилетия.

Заслуги есть и у других. Сэр Дугалд Кларк (1854–1932) — шотландский изобретатель двухтактника, экспериментировал с разделением сжатия и расширения на двух цилиндрах. Его эксперимент работал как нагнетание, увеличивая приток воздуха и сжигаемого топлива. Вклад вносили также Луи Рено, Готлиб Даймлер, Ли Чадвик.

Функции турбонаддува

• Дополнительная мощность без увеличения рабочего объёма.
• Разгон двигателя без роста удельного расхода топлива.
• Использование CO₂ (отработавших газов) вместо загрязнения атмосферы.

Применение турбонаддува

Грузовики, легковые авто, поезда, авиация, строительная техника. Современные двигатели циклов Отто и дизеля оснащаются турбонаддувами.

Бензиновые и дизельные авто

Турбонаддув на легковых авто повышает мощность при данном объёме и топливную эффективность, позволяя использовать двигатель меньшего объёма. Потеря веса ~10%, экономия топлива до 30% при сохранении пиковой мощности.

Первый серийный турбоавтомобиль — Oldsmobile Jetfire (215 куб. дюймов алюминиевый V8) и Chevrolet Corvair Monza Spyder (пятицилиндровый боксер). Первый дизельный пассажирский с турбо — Mercedes с турбо Garrett (1978).

Грузовики

Дизельные грузовики с турбонаддувом с 1938 года.

Авиация

Турбонаддув повышает КПД самолётов.

Мотоциклы

Японские компании с начала 1980-х выпускали мощные турбомотоциклы. Их мало из-за изобилия крупногабаритных атмосферных двигателей, дающих аналогичный крутящий момент с более линейной характеристикой.

Детали турбонаддува

• Картриджи (собранные и балансированные ядра)
• Вакуумные и пневматические актуаторы
• Электронные актуаторы (электроприводы)
• Корпуса компрессора (холодная часть)
• Ремонтные наборы
• Рабочие колёса компрессора
• Валы с турбинными колёсами (роторы турбины)
• Корпуса соплового кольца (управление геометрией VNT)
• Корпуса подшипников (картриджи, ядра)
• Тыльники (пластины ядра со стороны компрессора)
• Сопловые кольца VNT (узлы управления геометрией)
• Теплозащитные экраны ядра
• Прокладочные наборы
• Датчики актуаторов (давления, положения)
• Прокладки VNT (внутренние)
• Корпуса турбины (горячая часть)
• Детали электронных актуаторов (моторы, валы, шестерни сервоприводов)

Типы турбонаддувов

Однотурбинный (Single turbo)

Простейший, самый распространённый и дешёвый. Безграничная вариативность. Малый турбо даёт лучший тягу на низах — быстрее раскручивается. Шариковый или вкладышный подшипник — меньше трение для вращения компрессора и турбины.

Плюсы: допуск малых двигателей, дешевизна, простота, монтаж, рост КПД. Минусы: узкий эффективный диапазон оборотов. Проблема подбора: либо лучшая мощность на верхах, либо хороший момент на низах. Реакция медленнее других типов.

Двойной турбо (Twin Turbos)

По одному турбо на каждую головку блоков (V8, V12). Или последовательная схема: малый турбо на низах, большой — на верхах. Два одинаковых: один на низах, оба — на верхах (BMW X5 M, X6 M — twin-scroll по одному на каждую банку V8).

Плюсы: шире и плоская кривая момента, хороший низ, на верхах мощность не проваливается. Минусы: стоимость и сложность (почти удвоение), есть более лёгкие альтернативы.

Twin-Scroll (Двухканальный) турбо

Почти во всём лучше односкроллового: два спираля разделяют выпускные пульсации. На 4-цилиндровом (порядок 1-3-4-2) цилиндры 1 и 4 — в один скролл, 2 и 3 — в другой. Цель — избежать перекрытия фаз: когда цилиндр 1 закантает рабочий ход и откроется выпускной клапан, цилиндр 2 закрывает выпускной и открывает впускной. На односкролле давление от цил.1 мешает цил.2 всасывать свежий воздух — падает давление на турбине и всасывание.

Плюсы: больше энергии на турбине, шире диапазон эффективного наддува, больше перекрытие фаз без вреда для выхлопной системы, больше гибкость настройки. Минусы: дороже и сложнее, требует специфическую компоновку выпускной системы.

Турбонаддув с переменной геометрией (VGT)

Част на дизелях, ограничены в производстве из-за стоимости и экзотических материалов. Внутренние лопатки меняют отношение площадь/радиус (A/R) под обороты. На низах — низкий A/R для высокой скорости газов и быстрой раскрутки. На верхах — A/R растёт для большего потока, низкий турболаг, низкий порог наддува, широкая и ровная кривая момента.

Плюсы: широкая ровная кривая момента на широком диапазоне, один турбо вместо последовательной схемы. Минусы: только дизели (газы холоднее, лопатки не плавятся). На бензине нужны дорогие термоустойчивые сплавы.

Variable Twin-Scroll

Дешевле VGT, лучше для бензиновых. Комбинирует VGT и twin-scroll: на низах один скролл полностью закрыт, весь воздух в другой. На верхах клапан открывает второй скролл для высокой мощности.

Плюсы: широкая ровная кривая момента, конструкция прочнее VGT. Минусы: стоимость, сложность, технология долго не востребована.

Электрический турбонаддув

Электромотор в турбонаддуве даёт мгновенный наддув. Низовый момент легко, лаг устранён. Лучший из всех, пока не выйдет новая версия.

Плюсы: широкий диапазон с ровным моментом. Рекуперация энергии: мотор на турбине. Лаг и нехватка газов виртуально устранены вращением компрессора мотором. Минусы: сложность и цена (мотор, батарея, вес). Похожий эффект дают VGT или twin-scroll.

Принцип работы

Зная, как работает реактивный двигатель, легко понять турбоавто. Реактивный: засасывает воздух спереди, смешивает с топливом, сжигает, выхлоп проходит через турбину (ветряк), вращающую компрессор спереди, закачивающий воздух для сгорания.

В турбоавто отработавшие газы вращают турбину, которая крутит компрессор, закачивая лишний воздух в цилиндры. Сжигается больше топлива в секунду — больше энергии в секунду.

Турбонаддув — две половины на общем валу. Одна — турбина, крутящаяся от горячих газов. Другая — компрессор, засасывающий и сжимающий воздух в двигатель. Сжатие даёт лишнюю мощность и КПД. Больше воздуха — больше топлива — больше мощности.

Сжатый воздух горячий, менее плотный, менее эффективен для сгорания. Поэтому его охлаждают перед подачей в цилиндры. Горячий воздух из компрессора проходит через промежуточный радиатор (интеркулер), сбрасывая тепло перед входом в камеру сгорания.

Откуда берется лишняя мощность и сколько её можно получить

Многие думают: турбина даёт мощность от газов. Неправда. Газы крутят компрессор, закачивающий воздух, позволяя сжигать больше топлива в секунду. Лишняя мощность — от лишнего топлива, сгорающего быстрее.

Мощность зависит от размеров компонентов. Можно усилить двигатель до желаемой мощности. Но есть предел: цилиндры могут принять ограниченное количество воздуха и топлива.

Преимущества и недостатки турбонаддувов

Преимущества:

• Дополнительная мощность.
• Бесплатная энергия от отработавших газов — не требует мощности двигателя.
• Применяется на дизелях и бензиновых.
• Повышает топливную эффективность.

Недостатки:

Два главных ограничения:

Турболаг (turbo lag): при резком нажатии газа двигатель не сразу набирает обороты. Турбонаддуву нужно время. На низких оборотах недостаточно газов для раскрутки компрессора. Газы накопятся после нажатия. Эффект смягчается пониженной передачей, но профи чувствуют задержку.

Перегрев на пределе: в обычных условиях не проявляется. Только при экстремальной нагрузке. Выхлопные газы разогревают турбину до краснота. Поэтому у турбо-спортивок вентиляционные отверстия под двигателем для постоянного обдува и охлаждения.

Итог: рассмотрены функции турбонаддува (повышение КПД и топливной эффективности), типы, принцип работы, плюсы и минусы.