Як працює двигун з турбонаддувом: пристрій, принцип роботи системи (відео), схема дизельного двигуна з турбіною

Ідея додаткового нагнітання повітря зародилася ледь не відразу ж після спорудження перших повноцінних двигунів внутрішнього згоряння. Спочатку використання енергії вихлопних газів для підвищення потужності обмежувалася корабельними ДВС, пізніше двигун з турбонаддувом прийшов в авіабудування. І тільки в 1931 році перший турбокомпресор був встановлений на вантажний автомобіль. Що таке турбонаддув і як використання нагнітачів позначається на ККД двигуна – тема сьогоднішньої статті.

Теорія газообміну в ДВС

Основний принцип роботи 4-х тактного ДВС ми вже розглядали, тому для автолюбителів, які тільки починають свою вивчення технічної складової автомобіля, було б украй корисно ознайомитися зі статтею для кращого розуміння призначення турбонаддува.

Знання того, що двигун внутрішнього згоряння працює на повітрі, є основоположним для розуміння призначення турбонаддува. Формулювання саме така, оскільки подача в циліндри палива на сучасному етапі розвитку техніки не є проблемою. Технічно реалізувати вкрай продуктивний бензонасос, ТНВД і паливні форсунки дуже просто. Одна з головних проблем в роботі двигуна – подача в циліндри повітря. Чим більше окислювача ми можемо подати в циліндри, тим більший обсяг паливоповітряної суміші можна приготувати, а чим більший обсяг ТПВС ми маємо, тим більшу віддачу ми отримаємо при її згорянні. У свою чергу, потужність, що видається двигуном, безпосередньо залежить від роботи, що виконується при згорянні ТПВС.

Подача окислювача в циліндри

В атмосферному двигуні всмоктування повітря відбувається через розрядження, що виникає при русі поршня до нижньої мертвої точки (НМТ). У теорії ми маємо певне ідеальне кількість повітря, яке може поміститися в циліндр, обмежується об’ємом циліндра. Насправді через всіляких втрат циліндр наповнюється лише на 70-80% свого об’єму. Саме в цьому моменті розкривається головне призначення турбонаддува – примусове нагнітання повітря в циліндри.

Використовуючи турбокомпресор, ми можемо не тільки заповнити повністю циліндри, а й навіть перевищити цей показник, подаючи повітря під тиском, що веде до збільшення щільності на одиницю об’єму і, як наслідок, збільшення загальної маси повітряного заряду.

види турбонаддува

Принципова різниця полягає лише в конструкції турбокомпресора. Для додаткового нагнітання повітря можуть використовуватися:

  • турбіна, яка приводиться в дію енергією вихлопних газів. Конструктивно турбіну можна уявити як два вентилятора, які розташовані на одній осі. Один з вентиляторів сочленен з вихлопною системою автомобіля, другий розташовується у впускному тракті. Вихідні на такті випуску з циліндра гази призводять в русі турбінне колесо. Оскільки обидва «вентилятора» закріплені на одній осі, то колесо компресора у впускному тракті також починає обертатися, прискорюючи тим самим проходження повітря. Чим вище обороти двигуна, тим більший тиск вихлопних газів у впускному тракті, а ніж більший тиск на випуску, тим швидше буде обертатися турбінне колесо у впускному тракті. Відповідно, в циліндри можна заштовхнути більше повітря, подати більше палива, згенерувавши більше вихлопних газів на випуску. Детально принцип роботи розглянуто в статті «Пристрій турбіни на пальцях«;
  • механічний нагнітач, відомий ще як Supercharger або Kompressor. Нагнетатель розкручується приводним ременем від шківа колінчастого вала, тому вихлопні гази в роботі компресора ніяк не використовуються.

турбіна

Очевидно, що для розуміння пристрою досить поглянути на фото. Принцип роботи турбонаддува також досить ясно продемонстровано на відео. Більш докладно зупинимося на перепускному клапані і призначення интеркуллера, який обов’язковий для ефективної роботи авто з турбонаддувом.
У момент різкого закриття дросельної заслінки на великих оборотах двигуна у впускному тракті створюється сильний помпаж. Колесо компресора «холодної» частини (впускний) турбіни продовжує по інерції обертатися, створюючи в перекритому заслінкою каналі надлишок тиску. Відбувається різке уповільнення компресорного колеса, що автоматично веде до уповільнення турбінного колеса в випускному тракті і створення сильного протидії вихлопних газів. Для запобігання такого ефекту призначений перепускний клапан, який або скидає надлишок тиску в атмосферу (Blow-off), або перенаправляє потік знову на вхід у напрямку обертання турбінного колеса (Bypass).

Для контролю повітряного потоку, а також скидання надлишку тиску в гарячій частині використовується wastegate. Надлишкова швидкість вихлопних газів призводить до того, що повітряний потік зривається з лопатей колеса, знижуючи тим самим на нуль ефективність турбінного колеса. Також збільшення перетину випускної системи, за яке і відповідає клапан вестгейта, зменшує підпір вихлопних газів на високих оборотах. Для підвищення ефективності, зменшення турбоями і більшої еластичності на авто встановлюються турбіни із змінною геометрією.

Интеркулер в системі турбонаддува призначений для охолодження повітряного потоку. При підвищенні температури щільність повітря зменшується, що веде до зменшення маси на одиницю об’єму.

характеристики системи

Особливості роботи турбіни:

  • найбільш ефективна в режимі високих і середніх оборотів;
  • дуже низька ефективність до моменту, званого виходом на буст. Ще більше погіршує ситуацію зменшення ступеня стиснення для запобігання детонації. Тому у авто з одноступінчастої системою турбонаддува присутній турбояма, або турболаг;
  • так чи інакше, але є протидія вихлопних газів на випуску, що трохи погіршує ККД двигуна, хоч в цілому турбонаддув дозволяє збільшити потужність ДВС;
  • підвищуються вимоги до якості і періодичності заміни моторного масла.

механічний нагнітач

У механічної системі всмоктування повітря здійснюється лопатями роторів, що обертаються назустріч один одному. Найбільшого поширення набула конструкція системи Roots з прямими лопатями. Компанія Eaton удосконалила нагнітач, застосувавши косозубиє ротори. Серед механічних систем можна виділити відцентровий нагнітач, який багато в чому нагадує принцип роботи турбіни.
Особливості механічних нагнітачів:

  • відсутня інерційність, властива турбіні. Нагнітання додаткового повітряного заряду збільшується пропорційно збільшенню кількості оборотів ДВС і триває до моменту зриву потоку з лопатей;
  • найбільш ефективні в режимі низьких і середніх оборотів;
  • невелике зниження ККД двигуна внаслідок додаткових втрат на тертя.

експлуатація

Найбільшого поширення система турбонаддува отримала на дизельних двигунах. У високотехнологічних моторах часто застосовуються двоступеневі системи наддуву:

  • Biturbo – одна маленька турбіна для збільшення в потужності на низьких оборотах і велика турбіна для високих обертів;
  • Турбіна + механічний нагнітач. Конструкцію і принцип роботи такої системи ми розглядали на прикладі двигунів TSI від Volkswagen Group.

Для кращого розуміння того, що таке турбонаддув, пропонуємо подивитися відео Олександра Кулика.

Ссылка на основную публикацию