Турбонаддув на бензиновом двигателе¶
Турбонаддув — система принудительного наддува двигателя внутреннего сгорания, в которой сжатие воздуха (или воздуха с топливом) осуществляется турбокомпрессором, приводимым отработавшими газами. На бензиновых двигателях турбина позволяет увеличить мощность и крутящий момент без роста рабочего объёма цилиндров, а также применить downsizing — уменьшение объёма при сохранении отдачи.
¶Устройство турбокомпрессора
Турбокомпрессор состоит из двух основных элементов, закреплённых на общем валу:
- Турбинная часть — колесо с лопатками, которое раскручивается потоком горячих отработавших газов, выходящих из выпускного коллектора.
- Компрессорная часть — колесо, нагнетающее воздух во впускной коллектор под давлением выше атмосферного.
Между колесами расположен подшипниковый узел, работающий в масляной ванне: смазка подаётся из системы смазки двигателя по маслоподводящим каналам. Корпус турбины изготовлен из жаропрочного чугуна или никелевого сплава, компрессор — из алюминиевого сплава.
¶Принцип работы
Принцип действия турбины на бензиновом двигателе основан на использовании энергии отработавших газов, которая в атмосферном двигателе уходит в выхлопную систему. Процесс состоит из следующих этапов:
- Выпуск газов. После сгорания топливовоздушной смеси горячие газы (600–950 °C) с высокой скоростью выходят из цилиндра через выпускной клапан в коллектор.
- Раскрутка турбины. Поток газов направляется на лопатки турбинного колеса, приводя его во вращение со скоростью до 150 000–250 000 об/мин.
- Передача вращения. Вал, соединяющий турбину и компрессор, передаёт вращение компрессорному колесу.
- Сжатие воздуха. Компрессор засасывает атмосферный воздух и сжимает его, повышая давление до 0,5–1,5 бар (в форсированных двигателях — выше).
- Охлаждение воздуха. Сжатый воздух нагревается, поэтому он пропускается через интеркулер (промежуточный охладитель), где охлаждается до температуры, близкой к атмосферной.
- Подача в цилиндры. Охлаждённый плотный воздух поступает во впускной коллектор, через форсунки смешивается с топливом и сгорает в цилиндрах.
Благодаря большему количеству кислорода в цилиндре сжигается больше топлива, что и обеспечивает прирост мощности — обычно на 20–50 % по сравнению с атмосферной версией того же двигателя.
¶Турбояма и способы борьбы с ней
Главный недостаток турбонаддува — задержка отклика, известная как «турбояма». Она возникает потому, что турбокомпрессору необходимо время, чтобы раскрутиться до рабочей скорости. Для её уменьшения применяются:
- Варгейт (wastegate) — клапан, отводящий часть газов мимо турбины, ограничивая максимальное давление наддува.
- Буст-контроллер — электронное или пневматическое устройство, управляющее варгейтом.
- Двойная турбина (twin-turbo) — два компрессора, работающие последовательно или параллельно; на низких оборотах работает маленькая турбина, на высоких — большая.
- Твин-скролл (twin-scroll) — разделённый выпускной коллектор, разделяющий потоки газов от цилиндров с разными фазами, что улучшает заполнение турбины.
- Переменная геометрия (VGT) — подвижные лопатки, изменяющие направление потока газов; на бензиновых двигателях применяется реже, чем на дизельных.
- Электрическая турбина — компрессор с электродвигателем, раскручивающим его на низких оборотах до прихода выхлопных газов.
¶Защита от детонации
Бензиновый двигатель с турбонаддувом склонен к детонации — самопроизвольному сгоранию смеси, разрушающему поршни и цилиндры. Для предотвращения детонации применяются:
- Понижение степени сжатия по сравнению с атмосферным двигателем (обычно с 10–12:1 до 8–9:1).
- Повышение октанового числа топлива (рекомендуется АИ-95 и выше).
- Датчики детонации, корректирующие зажигание по цилиндрам.
- Охлаждение наддувочного воздуха интеркулером.
¶Применение
Турбонаддув широко применяется на легковых автомобилях, в автоспорте и коммерческом транспорте. Среди российских производителей турбокомпрессоров выделяется компания «Компрессормаш» (Санкт-Петербург), а также завод «Турбонаддув» в Казани. Зарубежные поставщики — Garrett (США), BorgWarner, Mitsubishi Heavy Industries, IHI — поставляют турбокомпрессоры на конвейеры автопроизводителей по всему миру.
В автоспорте турбонаддув применяется в классах, где он разрешён регламентом: ралли, дрэг-рейсинг, кольцевые гонки. В гражданских автомобилях турбированные двигатели получили массовое распространение с 2010-х годов в рамках тенденции downsizing.