Турбонаддув — система наддува двигателя¶

Турбонаддув — разновидность наддува внутреннего сгорания, при которой сжатие воздуха (или воздуховоздушной смеси) перед подачей в цилиндры двигателя осуществляется турбокомпрессором, приводимым отработавшими газами. В отличие от механического наддува, турбонаддув не отбирает мощность у коленчатого вала, используя энергию потока выхлопных газов, и потому считается более энергоэффективным решением.

¶Принцип работы

Турбокомпрессор состоит из двух соосных колёс, закреплённых на одном валу: турбинного и компрессорного. Отработавшие газы, выходящие из выпускного коллектора под высоким давлением и температурой, устремляются на лопатки турбинного колеса и раскручивают его. Вал передаёт вращение компрессорному колесу, которое всасывает атмосферный воздух, сжимает его и нагнетает во впускной коллектор. Давление наддува (буст) выше атмосферного позволяет подать в цилиндр больше кислорода, а значит — сжечь больше топлива и увеличить мощность.

Ключевой недостаток классической схемы — турбо-яма (турбояма): на низких оборотах энергии выхлопных газов недостаточно для быстрого раскрутки турбины, поэтому отклик на педаль газа задерживается. Для борьбы с этим явлением применяют турбины с изменяемой геометрией (VNT/VGT), параллельное соединение двух малых турбин (би-турбо), последовательное включение двух турбин (твин-турбо) либо комбинацию турбонаддува с механическим компрессором (тwin-charged).

¶Классификация

По числу турбокомпрессоров различают:

• Одинарный (сингл-турбо) — классическая схема с одной турбиной, простая и дешёвая, но с выраженной турбо-ямой.
• Твин-турбо — две турбины, работающие параллельно или последовательно; применяется, например, в BMW N54,rysler 2.7 HEMI.
• Би-турбо — две одинаковые турбины, каждая обслуживает свой ряд цилиндров (Mercedes-AMG M157).
• Твин-скролл (twin-scroll) — один турбокомпрессор, но с разделённым на два канала выпускным коллектором; импульсы газов от разных цилиндров не мешают друг другу, что улучшает отклик на низких оборотах. Широко применяется в массовых моторах (BMW N20, Volkswagen EA888).

По типу привода геометрии сопла турбины делятся на турбины фиксированной геометрии и с изменяемой геометрией (VNT). Последние получили широкое распространение на дизельных двигателях, где температура выхлопных газов ниже, чем у бензиновых.

¶Устройство и элементы системы

Помимо собственно турбокомпрессора, в систему турбонаддува входят:

• Интеркулер (охладитель наддувочного воздуха) — снижает температуру сжатого воздуха, повышая его плотность и уменьшая риск детонации. Бывает воздушного (воздух-воздух) и жидкостного (водо-воздух) типа.
• Клапан продувки (bypass / blow-off valve) — сбрасывает избыточное давление во впускном тракте при закрытии дроссельной заслонки, предотвращая компрессорный удар.
• Вакуумный регулятор (wastegate) — перенаправляет часть выхлопных газов мимо турбины, ограничивая максимальное давление наддува. Может быть встроенным в корпус турбины или выносным.
• Система контроля давления — датчики давления наддува, температуры воздуха, датчик детонации; электронный блок управления корректирует давление и состав смеси.

¶История

Идея использования энергии отработавших газов для нагнетания воздуха восходит к работам швейцарского инженера Альфреда Бюхи, запатентовавшего в 1905 году турбонагнетатель для дизельных двигателей. Первые серийные турбодизели появились в 1930-х годах (швейцарские локомотивы Sulzer). В авиации турбонаддув массово применялся во время Второй мировой войны для увеличения мощности поршневых двигателей на больших высотах.

На легковых автомобилях турбонаддув получил распространение в 1960-е годы: в 1962 году одновременно вышли Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza с турбомоторами. В 1977 году Volvo 244 Turbo стала одним из первых турбоавтомобилей, прошедших краш-тесты. В 1980-е турбонаддув стал ассоциироваться с гоночными сериями: в «турбо-эру» Формулы-1 (1977—1988) двигатели BMW M12/13 выдавали свыше 1000 л. с. в квалификации. В 1980-е—1990-е турбомоторы массово применяли японские производители (Nissan Skyline GT-R RB26DETT, Toyota Supra 2JZ-GTE, Subaru Impreza WRX EJ20).

В 2000-е—2010-е турбонаддув стал основным способом «даунсайзинга» — замены атмосферных шести- и восьмицилиндровых моторов на малолитражные турбированные двигатели с сопоставимой мощностью и меньшим расходом (Ford EcoBoost, Volkswagen TSI, BMW N20).

¶Применение

Турбонаддув применяется на автомобильных, авиационных, судовых и стационарных двигателях. В автоспорте турбомоторы доминируют в ралли (WRC), серии DTM (в 1980-е), туринговых чемпионатах. С 2014 года турбонаддув обязателен в Формуле-1: силовая установка включает турбокомпрессор, электрогенератор MGU-H, связанный с валом турбины.

В России турбированные двигатели широко распространены на коммерческом транспорте (КамАЗ, ЯМЗ) и массово используются на легковых автомобилях импортных марок. Отечественные производители также осваивают турбомоторы: АвтоВАЗ выпускал 1.8-литровый турбированный мотор для Lada Vesta, а «Уралвагонзавод» и «КамАЗ» применяют турбодизели собственной разработки.

¶Эксплуатация и ресурс

Ресурс турбокомпрессора зависит от условий эксплуатации и качества масла. Типичный срок службы — 150—250 тысяч километров пробега. Основные причины отказов — недостаточное смазка при холодном пуске, попадание посторонних частиц, перегрев после остановки двигателя под нагрузкой (масляное коксование подшипников). Для продления ресурса рекомендуется прогрев двигателя перед нагрузкой, использование масла соответствующей вязкости и своевременная замена масляного фильтра.

Источники:

• Гуляев В. В. Конструкция и расчёт автомобильных двигателей. — М.: Машиностроение.
• Кленовский В. Н. Турбонаддув автомобильных двигателей. — М.: Транспорт.
• Справочник по конструкции автомобильных двигателей / под ред. В. М. Бабича. — СПб.: Политехника.
• Статьи журнала «За рулём» о турбонаддуве и даунсайзинге.
• Материалы монографий по двигателестроению издательства SAE International.