Турбонаддув в автомобиле¶
Турбина в машине — это турбонагнетатель (турбокомпрессор), устройство принудительного наддува, нагнетающее сжатый воздух во впускную систему двигателя внутреннего сгорания с целью увеличения его мощности и крутящего момента без изменения рабочего объёма. Турбина приводится в действие энергией отработавших газов, что отличает её от механического компрессора, работающего от коленчатого вала.
¶Принцип работы
Турбокомпрессор состоит из двух соосных колёс: газовой турбины и компрессора. Отработавшие газы, выходящие из выпускного коллектора под высоким давлением и температурой, раскручивают лопатки турбинного колеса. Второе колесо — компрессор — закреплено на том же валу и всасывает наружный воздух, сжимает его и подаёт во впускной коллектор. Сжатый воздух имеет более высокую плотность, поэтому в цилиндр за такт наполнения попадает больше кислорода, что позволяет сжечь больше топлива и получить большую мощность.
Турбина начинает эффективно работать при определённых оборотах, когда поток отработавших газов становится достаточным для раскрутки колеса. На малых оборотах давление газов невелико, поэтому мощность турбонаддува проявляется не сразу — этот эффект известен как «турбояма».
¶Турбояма и способы борьбы с ней
Турбоямой называют провал мощности на низких и средних оборотах, вызванный инерцией турбины: колесу требуется время, чтобы набрать рабочие обороты. Для минимизации этого эффекта применяются несколько решений:
- Переменный геометрия турбины (VNT) — подвижные лопатки впускной улитки меняют сечение потока газов, что улучшает отклик на низких оборотах. Широко применяется на дизельных двигателях.
- Двойное наддува — две турбины разного размера работают последовательно: маленькая включается первой на низких оборотах, большая — на высоких.
- Электрическая турбина (e-turbo) — электродвигатель на валу турбины раскручивает колесо до начала работы от газов, устраняя задержку.
- Анти-турбояма (anti-lag) — система, поддерживающая обороты турбины на холостом ходу за счёт поджига топлива во впускном коллекторе. Применяется преимущественно в автоспорте.
¶Виды турбонаддува
| Тип | Особенности |
|---|---|
| Одинарная турбина | Простая конструкция, используется на большинстве серийных автомобилей |
| Турбина с изменяемой геометрией (VNT/VGT) | Подвижные лопатки улитки, чаще на дизелях |
| Двойной последовательный наддув | Две турбины разного размера для расширения диапазона |
| Двойной параллельный наддув | Две одинаковые турбины, по одной на каждый ряд цилиндров |
| Твин-турбо | Общее название для двухтурбинных схем |
¶Преимущества и недостатки
К достоинствам турбонаддува относятся:
- увеличение мощности двигателя на 20—50 % без увеличения объёма цилиндров;
- снижение удельного расхода топлива при частичных нагрузках;
- уменьшение объёма двигателя при сохранении мощности (даунсайзинг), что снижает массу автомобиля и потери на трение;
- снижение выбросов углекислого газа в ряде режимов.
Недостатки:
- повышенная тепловая нагрузка на двигатель и масло;
- сложность конструкции и более высокая стоимость обслуживания;
- турбояма на низких оборотах;
- задержка отклика (турбо-лаг);
- требование использовать только рекомендованные масла и соблюдать интервалы замены;
- после интенсивной езды двигатель желательно дать поработать на холостых для охлаждения турбины.
¶Турбина и компрессор: отличия
Механический компрессор приводится от коленчатого вала ремнём или шестернями, обеспечивает наддув сразу на любых оборотах, но отнимает часть мощности двигателя. Турбина использует «бесплатную» энергию отработавших газов, но имеет инерцию и турбояму. На практике компрессор чаще применяется на спортивных и тюнингованных двигателях, турбина — на серийных.
¶Применение в автомобилестроении
Турбонаддув массово применяется на дизельных двигателях легковых автомобилей с 1990-х годов. На бензиновых моторах турбины стали распространены с 2000-х годов в рамках концепции даунсайзинга: производители уменьшают объём цилиндров, компенсируя мощность наддувом. В России турбодизели широко представлены в модельных рядах ведущих автопроизводителей; отечественные разработки турбонагнетателей применяются в дизельных двигателях для коммерческого транспорта и спецтехники.
В автоспорте турбины используются в различных категориях, включая ралли и кольцевые гонки, где системы анти-турбоямы и продвинутые схемы наддува позволяют получить значительный прирост мощности.
¶Обслуживание
Ресурс турбины зависит от условий эксплуатации и качества масла. Основные причины поломок — недостаток смазки, попадание посторонних частиц во впуск, перегрев и износ подшипников. Симптомы неисправности: сизый или синий дым из выхлопной трубы, свист на впуске, падение мощности, утечки масла.
Источники:
- Руководство по эксплуатации современных автомобильных двигателей
- Автомобильные двигатели: конструкция / Под ред. В. С. Тарасова
- Материалы Society of Automotive Engineers (SAE International)
- Энциклопедия автомобильных технологий