Зачем нужен турбонаддув: Турбонаддув – назначение, устройство, принцип работы

Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель — Autodromo

Турбонаддув представляет собой разновидность наддува, позволяющий подавать воздух в цилиндры ДВС под высоким давлением, которое обеспечивается высвобождаемой от сгорания топлива энергией выхлопных газов.

За счет турбонаддува повышается рабочая мощность двигателя, при этом не увеличивается внутренние объемы цилиндров двигателя и количество оборотов, совершаемых коленвалом. Кроме всего прочего турбонаддув позволяет снизить прожорливость двигателя, а также уменьшить токсичность газов благодаря более эффективному сгоранию топливовоздушной смеси.

Турбонаддув довольно широко используется на ДВС, работающих как на бензине так и на дизтопливе. При этом использование системы турбонаддува на дизелях считается более выгодным благодаря высокому показателю сжатия ДВС и малой частоте оборотов коленвала.

В бензиновых двигателях высока вероятность возникновения детонирующего эффекта вследствие значительного увеличения количества оборотов двигателя и высокого температурного режима газов при сгорании топлива (до 1000 °C, у дизеля лишь 600 °C).

Содержание

1. Устройство системы турбонаддува
2. Турбинный компрессор (нагнетатель)
3. Интеркулер
4. Регулятор давления наддува
5. Предохранительный клапан
6. Принцип действия турбонаддува
7. Для устранения эффекта турбоямы используются три основных метода:

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

• воздушный заборник и фильтр;
• дроссельная заслонка;
• турбинный компрессор;
• интеркулер;
• коллектор впускной;
• соединительные патрубки;
• напорные шланги

Турбинный компрессор (нагнетатель)

Основной элемент устройства турбонаддува, который предназначен для увеличения рабочего давления воздушной массы в системе впуска. Турбокомпрессор состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу. Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах.

Турбинное колесо используется для переработки энергии, выделяемой отработанными газами. Колесо и его корпус изготавливаются из высокопрочных и жароустойчивых материалов – стальных и керамических сплавов.

Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС.

Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по канальцам, расположенным в подшипниковом корпусе.

Интеркулер

Интеркулер – воздушный или жидкостной радиатор, который применяется для своевременного охлаждения предварительно сжатого воздуха, вследствие чего происходит увеличивается давление и плотность воздушного потока.

Регулятор давления наддува

Ключевым элементом управления турбонаддувом является регулятор давления наддува, который по сути своей является перепускным клапаном. Основным назначением клапана является сдерживание и перенаправление части вырабатываемых газов в обход турбинного колеса для снижения давления наддува. 

Перепускной клапан может быть оснащен приводом электрического или пневматического типа. Активация клапана происходит вследствие приема сигналов от датчика давления.

Предохранительный клапан

Клапан предохранительный используется для предотвращения скачков давления воздушной массы, которое часто возникает при быстром закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление либо стравливается в атмосферу, либо переподается на вход компрессора.

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.

Для устранения эффекта турбоямы используются три основных метода:

• Использование системы с двумя (и более) турбокомпрессорами. Турбины могут устанавливаться параллельно – это допускается на двигателях V-образного типа. При этом каждая турбина устанавливается на свой ряд цилиндров. Идея данного метода в том, что две турбины меньшего размера обладают более низкой инерционностью, чем одна большая турбина. Турбины так же могут устанавливаться и последовательно, причем их может быть от двух до четырех (Bugatti). Увеличение производительности и максимальная эффективность турбонаддува в этом случае достигаются за счет того, что при разных оборотах двигателя используется свой турбокомпрессор.
• Использование турбины с изменяемой геометрией. Подобный метод обеспечивает более рациональное использование энергии отработанных газов за счет изменения площади сечения входного канала турбины. Данный метод весьма часто используется на дизельных двигателях, например всем известная система TDI от Volkswagen.
• Использование комбинированного типа турбонаддува. Данный метод позволяет применять симбиоз двух систем – механического и турбинного наддува. Механический наддув эффективен на малых оборотах коленвала, при которых сжатие воздуха обеспечивается нагнетателем механического типа. Турбонаддув применяется при высоких оборотах коленвала, где функцию нагнетания воздуха берет на себя турбинный компрессор. Наиболее распространенной системой комбинированного наддува является наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Для чего нужен датчик наддува турбины?

Датчик наддува турбины является неотъемлемым элементом любого турбированного двигателя. От его правильной работы зависят эксплуатационные характеристики силового агрегата.

Для необходим турбонаддув?

Прежде чем говорить о том, для чего необходим датчик наддува турбины, стоит разобраться в том, что представляет собой само понятие турбонаддува. Автопроизводители постоянно стремятся повысить эксплуатационные характеристики силовых агрегатов. С каждым годом появляется все больше технологических новшеств, однако суть и принцип работы моторов остается прежним.

Сам термин «наддув» характеризует процесс увеличения свежего заряда топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания посредством искусственного нагнетания давления. Эта технология необходима для повышения мощности мотора. В наиболее благоприятных ситуациях мощность можно увеличить почти на половину от номинальной.

Турбонаддув

Самое широкое распространение получил так называемый турбонаддув, который обеспечивается специальным турбокомпрессором. Механический компрессор, сильно распространенный ранее, постепенно уходит в прошлое.

В силовые агрегаты, которые не оборудованы турбокомпрессором, воздух поступает естественным образом от возникновения разряжения при открытии поршня. Искусственное нагнетание воздуха обеспечивает поступление в цилиндры гораздо большего количества топливно-воздушной смеси. Это ведет к возрастанию мощности двигателя. Однако у турбокомпрессора существуют и свои существенные недостатки. При увеличении объема сгораемой рабочей смеси очень сильно повышается температура внутри цилиндров. Это может приводить к появлению детонации.

Для недопущения этого явления становится необходимой установка дополнительных элементов, таких, как:

• Датчик турбонаддува;
• Промежуточный охладитель;
• Регулятор степени сжатия.

Без вышеперечисленного невозможна слаженная работа всей системы турбонаддува. При выходе из строя любого из этих элементов необходима срочная замена.

Как устроен датчик турбонаддува?

Датчик давления надува устанавливается непосредственно между турбокомпрессором и впускным коллектором. Он служит для контроля за давлением наддува и по его показаниям электронный блок управления делает выводы о потребностях силового агрегата в нагнетаемом воздухе.

Датчик турбонаддува

На сегодняшний день производство этих датчиков осуществляется по двум технологиям: микромеханической и толстопленочной. Первая является наиболее совершенной и прогрессивной. Большинство этих устройств сегодня построены именно по этой технологии. Основным элементами в данном случае являются чип, выполненный из кремния, диафрагма, а также четыре тензорезистора, расположенные непосредственно на ней. Когда на эту диафрагму оказывается давление, она изгибается. Вследствие ее механического растяжения тензорезисторы начинают менять свое сопротивление. Пропорционально ему происходит изменение напряжения. Для большей чувствительности терморезисторы соединяются между собой по особой мостовой схеме. Электросхема чипа увеличивает мостовое напряжение, которое на выходе составляет от одного до пяти вольт. Анализируя величину этого напряжения, электронный блок управления двигателем дает оценку давлению во впускном коллекторе. Чем больше напряжение, тем выше давление воздуха.

Если мотор не заведен, то величина давления во впускном коллекторе равняется величине атмосферного давления. В момент запуска силового агрегата во впускном коллекторе образуется разряжение или вакуум. Когда двигатель работает с открытой дроссельной заслонкой давление во впускном коллекторе начинает сравниваться с атмосферным.

Выход из строя датчика может привести к отключению турбонаддува. Однако для точной постановки правильного диагноза необходимо провести грамотную диагностику. Вполне возможно, что неисправен не датчик, а сама турбина. В этом случае будет необходима ее замена.

Проверка датчика турбонаддува

Силовые агрегаты с турбонаддувом должны быть оборудованы специальным датчиком, который следит за отклонениями давления наддува. Для того чтобы в нужный момент времени ограничить это давление, электронный блок управления двигателем приводит в действие специальный электромагнитный клапан, который способен устанавливать разряжение.

Контроль над отклонением давления наддува турбины весьма схож с контролем отклонения рециркуляции отработавших газов. Если давление наддува в течение достаточно долгого времени выходит за определенные рамки, то это может говорить о том, что в системе турбонаддува велика вероятность неисправности. Если же эти отклонения носят достаточно непродолжительный характер, то наличие неисправности является маловероятным.

Давление наддува должно контролироваться абсолютно у всех турбированных двигателей, поскольку этот показатель влияет на правильное наполнение цилиндров, а также на развиваемую мощность, величину крутящего момента и химический состав отработавших газов. Проверка точности показаний датчика давления наддува производится на незаведенном силовом агрегате в момент между включением зажигания и запуском мотора. В процессе проверки сопоставляют значения, полученные с датчика давления наддува турбины и датчика атмосферного давления. В результате сравнения этих показателей получают так называемое дифференциальное давление, которое в норме не должно превышать определенного предела. Если это предел не превышен, то датчик давления наддува можно считать полностью исправным.

Все, что вам нужно знать о турбокомпрессорах

Турбокомпрессоры появились в 1885–1896 годах, когда Рудольф Дизель и Готлиб Даймлер начали исследовать способы улучшения двигателя внутреннего сгорания. Их основная задача состояла в том, чтобы свести к минимуму расход топлива, но с повышением эффективности производства. Именно тогда впервые возникла идея сжигания и предварительного сжатия воздуха.

С тех пор двигатель с турбонаддувом постоянно совершенствовался, что привело к сегодняшней роли, которую они играют в придании каждому автомобилю дополнительной искры производительности за счет подачи в двигатель большего количества воздуха. В этой статье делается попытка осветить некоторые факты о любимых модификациях редукторов, которые могут быть не очевидны для всех, в том числе для некоторых турбовентиляторных двигателей.

14/14 Первое применение турбонаддува после Alfred Büchi

Via Popularmechanics.com

Использование турбокомпрессоров на заре их изобретения в судоходной отрасли началось еще в 1923 году. Примерно в это же время турбодвигатели были внедрены в дизельные двигатели (четырехтактные). Судовые двигатели смогли увеличить мощность судна с 1750 до 2500 л.с. В 1952 году Dorthe Maersk стал первым коммерческим судном с турбодвигателем мощностью 8000 л.с.

13/14 Первый турбированный Oldsmobile 1962 года

Через youtube.com

модели автомобилей Oldsmobile Jetfire и Chevy Corvette Monza 1962 года были первыми, испытавшими мощность турбодвигателей. Хотя эти автомобили просуществовали недолго, испытания вызвали повышенный интерес к разработке автомобильных двигателей с турбонаддувом. Только в 1978 году компания Mercedes-Benz выпустила первый легковой автомобиль с турбонаддувом — Mercedes Benz 300 SD с 5-цилиндровым двигателем W116 с турбонаддувом.

14 декабря Самый большой в мире турбонаддув (107 389л.с.)

Через zmescience.com

Самый мощный и самый большой турбодвигатель в мире установлен на покоряющем океан контейнеровозе Emma Maersk. Произведенный в Финляндии дизельный двигатель с турбонаддувом представляет собой 14-цилиндровый двигатель мощностью 107 389 лошадиных сил. И в довершение всего океанский лайнер получает от него крутящий момент в 7 миллионов ньютон-метров (около 5,16 миллионов фунтов-футов). Интересные факты: высота двигателя примерно с двухэтажный дом; он может разбить в клочья военный танк и способен обеспечить электроэнергией целый город.

14/11 Недостатки слишком высокого или слишком низкого турбонаддува

Через howstuffworks. com

Турбодвигатель состоит из двух частей: кронштейна корпуса и турбинного колеса. Поскольку корпус направляет газ от выхлопа к колесу турбины, результирующая энергия вращает колесо турбины. Таким образом, большее количество сжатого газа означает больший наддув, но слишком большое его количество может повредить двигатель. С другой стороны, низкий наддув может возникнуть из-за негерметичной прокладки, что приведет к снижению давления, и поэтому турбо не будет производить мощность.

Среднее время наработки на отказ турбонагнетателя 14 октября

Через unsplash.com

С небольшими изменениями турбодвигатель можно установить на любой обычный бензиновый автомобиль. Такие модификации часто приводят к увеличению мощности в районе 50 лошадиных сил. Турбокомпрессоры обычно начинают проявлять признаки неисправности, когда пробег составляет от 100 000 до 150 000 миль. Однако регулярное техническое обслуживание может значительно увеличить срок службы вашего турбокомпрессора.

14 сентября крутится на безумных оборотах

через Autoevolution

В то время как обычный повседневный автомобиль может раскручиваться до 7000 об/мин, турбокомпрессор может раскручиваться до 150 000 об/мин. Это более чем в 20 раз быстрее, поэтому звук такой слышимый и уникальный.

14 августа Преимущества турбонагнетателя с изменяемой геометрией (VGT)

Via Volkswagen Newsroom

 Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) был разработан иначе, чем турбокомпрессор с фиксированной геометрией, для достижения трех целей: (1) для достижения максимального крутящего момента двигателя, (2) для создания плавного времени отклика турбонагнетателя и (3) для увеличения впуска воздуха на низких оборотах. обороты двигателя. Эта топология была использована в Mercedes Benz 300 SD, который стал первым легковым автомобилем с дизельным двигателем с турбонаддувом, который достиг управляемости, близкой к бензиновой.

7/14 Назначение промежуточного охладителя

через систему Extreme Turbo

В то время как большее количество воздуха, всасываемого в турбонагнетатель, обычно означает большую мощность двигателя, мы не хотим, чтобы этот воздух был горячим (таким образом, расширяясь). Поэтому используется устройство, называемое интеркулером. Он охлаждает воздух, поступающий в турбокомпрессор, чтобы уменьшить его, обеспечивая еще больший отскок.

6/14 Преимущества бензиновых двигателей с турбонаддувом

Via Motor Trend

Турбокомпрессоры

долгое время рассматривались в первую очередь как дизельные. Это созрело, и теперь бензиновые двигатели, работающие на турбо-алгоритмах, стали обычным явлением. Бензиновые двигатели с турбонаддувом предпочтительнее из-за их экономии топлива, что делает их более экологичными.

СВЯЗАННЫЕ: 15 самых популярных автомобилей для уличных гонок в 2020 году

Частота отказов турбокомпрессора 5/14

Через carmagazine.co.uk

Нередки случаи отказа двигателя с турбонаддувом, потому что чем больше компонентов взаимосвязано в функциональном блоке двигателя, тем больше он подвержен повреждениям. При пробеге более 100 000 миль на стенках цилиндров турбокомпрессора начинают появляться зазоры, возникающие в результате постоянного износа в течение всего периода эксплуатации. То же самое относится и к поршневым кольцам.

СВЯЗАННЫЙ: Gearheads отказываются от турбодвигателей, вместо них просто используют сжатый воздух

4/14 Симптомы неисправного турбонагнетателя и что делать

Через dragzine.com

Как и любое другое активное механическое устройство, турбокомпрессоры со временем выходят из строя. Симптомы неисправного турбонагнетателя включают треснувший корпус, неровный подшипник и практически любой изношенный компонент вокруг кронштейна двигателя. Турбина подлежит ремонту в зависимости от степени повреждения.

3/14 Turbo Failure: купить или заменить?

через Полную гонку

Причины неисправности турбокомпрессора возникают из-за плохой смазки маслом, а также из-за сочетания загрязнителей выхлопных газов, включающих сажу и любой мусор, который может попасть в турбокомпрессор. Неравномерная закупорка выхлопных газов может усугубить проблемы с турбонаддувом. Вопрос стоит купить или заменить турбо. Как правило, турбодетали стоят около 2800 долларов, а недавно собранный агрегат стоит более 4000 долларов. Вам решать, какой вариант выбрать, конечно, в зависимости от того, сколько ваш турбо-эксперт требует в ремонте.

СВЯЗАННЫЙ: Представлен Porsche Taycan Turbo S с 750 л.с. и полностью электрической трансмиссией

2/14 Turbo Совместимость с обычными двигателями

Через wardsauto.com

Турбокомпрессор несовместим напрямую с обычными бензиновыми двигателями, но его можно установить на свое место, если позволяет место. Также возможно с некоторыми изменениями. С турбодвигателями лучше всего то, что вы можете увеличить его выходную мощность без соответствующего увеличения веса.

СВЯЗАННЫЙ: Monster Drifter: 1000 л.с. Twin-Turbo VR38 с двигателем Infiniti Q60

14 января 2020–2024 гг. Прогноз производства турбонагнетателей

Via wikipedia.org

Крупнейшие на сегодняшний день производители турбодвигателей включают Borg Warner Inc., Mitsubishi Heavy Industries, Cummings Inc. и IHI Corporation. В то время как эти отрасли производят турбины всех категорий, прогнозы показывают увеличение спроса на двигатели с турбонаддувом с 2020 года в будущем. Отчасти это связано с выполнением федерального законодательства, которое требует строгого соблюдения требований по выбросам углерода, даже когда производители конкурируют за топливосберегающие модули. Кроме того, после пандемии Covid-19 ожидается рост цен на нефть.Пандемия спровоцирует потребительский спрос на экономичные автомобили.

СЛЕДУЮЩАЯ: 25 заманчивых слухов о будущем маслкаров

Совет CarPro: не бойтесь турбокомпрессора

В последнее время на выставке CarPro Show горячо обсуждалась тема людей, беспокоящихся о турбокомпрессорах. Я думаю, что это, вероятно, восходит к 30 годам или около того, когда турбины не были такими надежными, как сегодня.

В то время, чтобы не было проблем, нужно было дать турбированному автомобилю поработать на холостом ходу 60 секунд, пока турбо не остынет. Большинство людей не придерживались этого совета, выключая машину сразу по прибытии в пункт назначения.

Сегодня турбокомпрессоры чрезвычайно распространены в новых автомобилях. Причина этого в том, что автопроизводители изо всех сил пытаются достичь средней экономии топлива в 52,5 мили на галлон к 2025 году. Автомобильные компании знают, что установка обычных 4-цилиндровых двигателей на автомобили помешает им продаваться, потому что, как американцы, мы хотим хорошего бензина. пробег, но не хочу бороться, выезжая на автостраду. Турбонаддув решает эту проблему. Вы получаете большой пробег, но когда вам нужна мощность, она есть.

Так как же работает турбокомпрессор? Турбина нагнетает больше воздуха в цилиндры двигателя, чтобы они могли сжигать топливо с большей скоростью, что приводит к увеличению мощности. Не вдаваясь в технические подробности, скажу, что турбокомпрессор — это фактически два маленьких вентилятора, которые сидят на одном металлическом валу, так что оба вращаются вместе. Один из этих вентиляторов называется турбиной; он находится в потоке выхлопных газов из цилиндров. Когда цилиндры продувают горячий газ мимо лопастей вентилятора, они вращаются, и вал, к которому они подключены, также вращается. Второй вентилятор называется компрессором, и, поскольку он находится на том же валу, что и турбина, он тоже вращается. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому при вращении втягивает воздух в автомобиль и нагнетает его в цилиндры.

Даже если вы мало что знаете о двигателях, эта технология существует уже несколько десятилетий. Это мало чем отличается от того, как работают двигатели реактивных самолетов. Холодный воздух всасывается в двигатели, а горячий воздух выходит через заднюю часть двигателя через турбину, чтобы реактивное топливо сгорало быстрее и создавало тягу.

Ford Bronco 2021 года оснащен двумя двигателями EcoBoost на ваш выбор.

Почти каждый автопроизводитель предлагает автомобили с турбонаддувом. Некоторые, например Ford Motor Company, уже давно внедрили эту технологию. Если мне не изменяет память, первый двигатель Ford EcoBoost, который я когда-либо водил, был еще в 2009 году.. Сегодня Ford предлагает турбодвигатели практически для каждого автомобиля, который он производит, и его два двигателя для пикапов с турбонаддувом являются его бестселлерами. 3,5-литровый шестицилиндровый двигатель F-150 имеет две турбины и может буксировать почти 12 000 фунтов. Не так много лет назад, до появления турбин, вам требовался как минимум 6-литровый двигатель V8 или больше, чтобы буксировать такой большой вес.

Насколько надежны новые двигатели с турбонаддувом? Как человек, который разговаривает со многими потребителями, у них, похоже, дела идут очень хорошо. General Motors сообщает, что у них очень мало случаев отказа турбины, основываясь на гарантийных претензиях. У Ford была проблема с EcoBoost на раннем этапе из-за влаги, но она была быстро решена, и сегодня я разговариваю с людьми, которые проехали более 300 000 миль на своих двигателях F-150 EcoBoost без каких-либо проблем. В дизельных двигателях уже много лет используются турбины, включая 18-колесные автомобили, которые вы видите на дороге.

Технологии и долговечность турбин значительно улучшились. Еще лет 10 назад турболаг (небольшое колебание при ускорении) был проблемой, и в некоторых автомобилях, которые я рассматривал, он был почти опасен. Сегодня вы заметили очень небольшую турбо задержку.

Суть в том, что турбины повышают мощность и позволяют управлять более мощным автомобилем, сохраняя при этом хорошую экономию топлива. Сегодня я рассматриваю четырехцилиндровые автомобили, которые развивают мощность более 300 лошадей. Из всего, что я могу собрать, турбины сегодня служат потрясающей цели и чрезвычайно надежны, практически не требуют дополнительного обслуживания.

Новый 1,5-литровый двигатель VC Turbo для Nissan Rogue. Кредит: Ниссан.

Джерри Рейнольдс

От полицейского до самого продаваемого дилера Ford и автомобильного эксперта, Джерри ведет нашу еженедельную радиопередачу.