Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Турбонаддув в автомобиле: принцип работы

Турбонаддув в автомобиле: принцип работы

В массовом сознании слова «турбо», «турбонаддув», «турбированный двигатель» прочно ассоциируются со спортивными машинами и мощными двигателями. При этом, немногие представляют себе устройство и принцип работы турбонаддува. Хотя ничего особенного сложного в нём нет.

Что такое турбонаддув в автомобиле

Турбонаддув это специальная система, которая закачивает (наддувает) дополнительный воздух в цилиндры двигателя. Такая система используется не только в автомобильных двигателях, но и в авиационных, тепловозных, корабельных, и многих других. Широкое распространение турбонаддува вызвано тем, что это очень простой и дешёвый способ повышения мощности двигателя. Турбировать можно почти любой автомобильный двигатель, даже если это изначально не предусмотрено конструкцией.

Устройство турбонаддува относительно простое:

§ ряд датчиков и клапанов.

Полный комплект не занимает много места, его установка не требует серьезной переработки силового агрегата. Поэтому поставить турбонаддув на свою машину может любой желающий. Цены на турбосистемы сильно разнятся, в зависимости от мощности, эффективности, фирмы-производителя.

Принцип работы турбонаддува

Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы, которые выбрасывает двигатель, попадают на турбину и придают ей вращение. Турбина, в свою очередь, передаёт крутящий момент компрессору, он засасывает воздух и сжимает его. После этого сжатый воздух направляется в цилиндры двигателя. Опционально в эту схему вносится промежуточный охладитель воздуха — интеркулер. Он снижает температуру сжатого компрессором воздуха, соответственно уменьшая его объём. Это избавляет от неприятных эффектов вроде детонации, и повышает общую эффективность системы.

Смысл закачивания дополнительного воздуха становится ясен, если вспомнить принцип работы двигателя внутреннего сгорания. В его цилиндрах сгорает топливо-воздушная смесь, этот процесс толкает поршень, который проворачивает коленвал. Но, для эффективного сгорания смеси важно соблюдать правильное соотношение топлива и воздуха, поэтому нельзя повысить мощность просто добавив в смесь больше топлива. Вместе с увеличением количества топлива нужно увеличивать и количество воздуха.

Это можно сделать увеличив объём цилиндра, чтобы в него помещалось побольше воздуха. Но можно пойти другим путём — повысить плотность воздуха, загоняемого в цилиндры. Тогда с той же единицы рабочего объёма двигателя можно снимать ощутимо большую мощность. Хороший пример — спорткары, где каждый литр объёма может выдавать более 150 л.с. Конечно, помимо турбонаддува там используют ещё массу ухищрений. Но вполне реально получить 105-115 л.с. на литр с помощью одного только турбирования.

Что такое турбояма или турболаг

Принцип работы турбонаддува заключается в том, что двигатель «разгоняет» себя за счёт своей же работы. Эта особенность вызывает появление такой проблемы как турбояма или турболаг. Она проявляется в виде провала мощности, который появляется после резкого нажатия на педаль газа.

На заре турбированных моторов доходило до смешного — слишком резко и сильно нажав на педаль «газа», можно было полностью заглушить его. Сейчас сложная механическая и электронная начинка не даст этому произойти, но эффект турбоямы с неприятным провалом мощности всё равно остаётся. Особенно этим страдают дешевыё турбо-системы или неправильно установленные и настроенные.

Чтобы сгладить турболаг, используют хитрые электронные системы упреждающего наращивания оборотов. Они регистрируют резкие нажатия на педаль акселератора и раскручивают компрессор электроприводами, не дожидаясь, когда «проснётся» турбина. Цена таких решений, как правило, немаленькая, поэтому они встречаются в осномном только на спортивных авто.

Плюсы и минусы турбонаддува

Использовать турбонаддув имеет смысл только в том случае, если крайне необходимо придать автомобилю более динамичный, спортивный характер. Это действительно отличный способ минимальными затратами повысить мощность двигателя. Турбирование увеличивает максимальную скорость машины и улучшает ее динамику.

При этом турбонаддув позволяет обходиться меньшим объемом топлива по сравнению с двигателем такой же мощности и большего объёма . На эту деталь нужно обратить самое пристальное внимание, так как сам по себе турбонаддув не уменьшает, а увеличивает расход топлива. Потому что при росте количества воздуха в цилиндрах нужно соответствующе нарастить подачу топлива.

Помимо увеличенного расхода горючего, турбонаддув имеет следующие недостатки:

§ турбокомпрессор вращается на огромных оборотах и сильно нагревается, что отрицательно сказывается на его долговечности;

§ непредусмотренное изначально увеличение мощности усиливает износ всех частей двигателя;

§ турбонаддув предъявляет повышенные требования к качеству топлива и моторных масел;

§ турбирование включает в себя изменения настроек работы двигателя, фаз газораспределения.

Турбонаддув

В турбокомпрессоре используются центробежные насосы. Под действием центробежных сил, вызванных вращением колеса с лопатками, воздух отбрасывается к периферии колеса, а в его центре создается разрежение, что обеспечивает всасывание воздуха. Для эффективной работы турбокомпрессора частота вращения колеса компрессора должна быть очень высокой не менее 50–100 тыс. мин –1 .
При работе ДВС из выпускного трубопровода под давлением выбрасываются продукты сгорания, которые имеют высокую температуру. Поток газов приводит во вращение колесо турбины, которое передается закрепленному на общем вале колесу компрессора.
Для достижения фазы наддува, т. е. момента, когда давление воздуха на впуске превысит атмосферное, необходимо, чтобы была достигнута определенная частота вращения турбины (не менее 60 000 мин –1 ). При малых оборотах двигателя турбокомпрессор работает в дежурном режиме (частота 5 000–10 000 мин –1 ). Необходимо учитывать, что наличие турбины в выпускном тракте создает сопротивление выходу отработавших газов.

Очень важный вопрос — выбор правильного размера турбины для конкретного двигателя. В первых двигателях с турбонаддувом для легковых автомобилей 1970-х гг. использовались готовые конструкции, разработанные, как правило, для дизелей больших грузовых автомобилей. Такие устройства давали хороший результат для увеличения максимальной мощности, но были неэффективными для получения большого крутящего момента в среднем диапазоне частот вращения двигателя, т. е. для получения достаточной приемистости автомобиля. Большие турбины требовали некоторого времени на «раскрутку», когда при небольших нагрузках открывалась дроссельная заслонка, что приводило к задержке нарастания давления наддува. Этот эффект получил название турбоямы.

Читать еще:  Что такое перегрузочная способность синхронного двигателя

Большинство современных турбокомпрессоров легковых автомобилей имеют небольшие размеры и высокую частоту вращения. Для того чтобы увеличить диапазон частот вращения двигателя, при которых турбонаддув обеспечивает повышение давления, применяются по два турбокомпрессора на одном двигателе. Один турбокомпрессор работает при низких оборотах, а второй при высоких. В последних поколениях наддувных двигателей стали применяться турбокомпрессоры с переменной геометрией, которые сохраняют высокую скорость газов при малых нагрузках, так что турбина всегда вращается с нужной скоростью. В таких турбокомпрессорах поток направляемых на турбину газов управляется с помощью специальных поворачивающихся заслонок. Одновременный поворот заслонок производится с помощью штока вакуумной камеры. Разрежение в камере регулируется электромагнитным клапаном по сигналу компьютера.

При работе системы турбонаддува происходит сильный нагрев турбины, а компрессор остается сравнительно холодным. Очень важным узлом, определяющим долговечность турбокомпрессора, является узел подшипников вала. Обычно масло для смазки подшипников подается под давлением из системы смазки двигателя. Иногда для повышения работоспособности наддува применяют охлаждение корпуса турбины жидкостью из системы охлаждения двигателя. После продолжительного движения на высокой скорости автомобиля с турбонаддувом турбина может раскрутиться до высоких скоростей (сотни тысяч оборотов в минуту). После остановки двигателя турбокомпрессор останавливается не сразу, а масло уже не поступает к подшипникам. Чтобы не произошло повреждения подшипников, рекомендуется перед выключением двигателя дать ему возможность некоторое время поработать на холостом ходу.

Очень хорошо система турбонаддува работает в дизелях. Отработавшие газы в дизеле холоднее, чем в бензиновых двигателях, что облегчает работу турбокомпрессора, и, кроме того, в дизеле не существует опасности возникновения детонации. Поэтому неслучайно, что турбонаддув устанавливается почти на всех современных дизельных двигателях легковых автомобилей.

В многоцилиндровых двигателях с большим рабочим объемом некоторых грузовых автомобилей отработавшие газы продолжают обладать большой энергией, даже после прохождения турбокомпрессора. Эту энергию можно использовать для дальнейшего повышения мощностных характеристик двигателя, создавая так называемые турбокомпаундные двигатели. В таком двигателе часть энергии отработавших газов используется для раскручивания дополнительной турбины, которая через гидравлическую муфту связана с коленчатым валом. Такая конструкция дает возможность, увеличить крутящий момент на вале двигателя.
Подробнее о турбонаддуве — в главе Турбокомпрессор

Стоит ли покупать машину с турбированным двигателем

Многие производители используют турбонаддув для повышения мощности двигателя машины. Этот узел работает по достаточно простому принципу: выхлопные газы вращают крыльчатку турбины, а она передаёт полученный крутящий момент на крыльчатку компрессора, оснащённую широкими лопастями.

Компрессор в системе впуска автомобиля играет роль насоса — он повышает давление воздуха, позволяя одновременно подавать в цилиндры больше топлива без риска его неполного сгорания. Несмотря на возможность значительного повышения мощности и КПД двигателя, турбированные моторы не получили очень широкого распространения.

Чтобы понять, почему, а также решить, стоит ли приобретать автомобиль, оснащённый таким агрегатом, нужно рассмотреть плюсы и минусы турбированных двигателей.

Преимущества

Сразу стоит сказать, что дальше речь пойдёт только о бензиновых двигателях. Установка турбонаддува на дизельный мотор является практически единственным способом эффективно дозировать количество топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндры. Около 90% современных легковых дизелей и 70% грузовых агрегатов оснащается турбонаддувом, поэтому говорить про их плюсы и недостатки будет некорректно.

Главной положительной стороной любого турбированного двигателя по сравнению с атмосферным является повышенная мощность. Причём производитель может создавать несколько вариантов мотора с различными показателями производительности — для этого достаточно только изменить максимальное давление наддува и перенастроить систему впуска. Серийные бензиновые двигатели с турбонаддувом имеют на 10–150% большую мощность, чем их аналоги, оснащённые обычными системами впуска и выхлопа.

Кроме того, плюсы турбированных агрегатов проявляются и в более эффективной работе за счёт оптимизированного процесса сгорания бензовоздушной смеси в цилиндрах. Благодаря этому удельный расход топлива в расчёте на одну лошадиную силу несколько снижается, хотя абсолютное значение может и вырасти за счёт повышенной мощности. Оптимизированный процесс сгорания также позволяет уменьшить уровень шума и неприятной вибрации по сравнению с атмосферными агрегатами. В особенности такие плюсы актуальны для моторов с неуравновешенной компоновкой,например, с двумя, тремя и пятью цилиндрами.

Видео, как работает турбированный двигатель:

Более эффективное сгорание топлива даёт возможность уменьшить объём токсических веществ, которые выбрасываются в воздух через выхлопную трубу. Именно поэтому многие производители начали выпуск турбированных агрегатов очень малого объёма вместо привычных атмосферных моторов. По оценкам специалистов, введение новых норм токсичности выхлопа в Европе и США на 25% увеличило количество выпускаемых турбированных моторов.

Недостатки

Установка турбонаддува на автомобиль способствует повышению его стоимости — комплект деталей для повышения мощности двигателя оценивается примерно в 1–3 тысячи долларов. Конечно, некоторые производители могут снижать цены, чтобы стимулировать продажи авто с турбированными двигателями, но общая закономерность именно такова. Стоит сказать и про стоимость ремонта турбированного агрегата — она возрастает за счёт увеличенной сложности разборки всего мотора, а также за счёт необходимости обслуживания нового узла. Средний срок службы турбины составляет 100–150 тысяч километров, после чего ей потребуется капитальный ремонт либо полная замена.

Читать еще:  Авто включение света при запуске двигателя

Недостатки проявляются и в необходимости частой замены масла. Межсервисные интервалы для турбированных двигателей сокращены примерно на 30–40%, что связано с большими нагрузками, приходящимися на все узлы силового агрегата. Несвоевременная замена масла приведёт к полной потере его свойств за счёт окисления. Смазывающая жидкость подвергается сильному нагреву в системе турбонаддува, что приводит к полному изменению её параметров.

Нужно вовремя менять масло в турбированных двигателях

Управлять автомобилем с турбированным двигателем не столь удобно — наверняка все слышали про такое понятие, как «турбояма». Она представляет собой определённый диапазон оборотов, в котором давления выхлопных газов недостаточно для того, чтобы раскрутить крыльчатку турбины до рабочей скорости. Поскольку двигатель рассчитан на работу с увеличенным давлением в системе впуска, его динамика будет сильно ухудшена, пока водитель не увеличит обороты. Конечно, на современные автомобили устанавливаются системы турбонаддува с изменяемой геометрией крыльчатки, с малоинерционной турбиной или вовсе с двумя компрессорами наддува, отличающимися базовыми параметрами, но недостаток остаётся актуальным, хотя и не столь очевидным.

Все, знакомые с физикой и сопротивлением материалов также знают, что при быстром изменении температурного режима работы металлические детали теряют свою прочность и быстро выходят из строя. Это правило актуально и для турбированных двигателей. Поэтому силовому агрегату стоит дать поработать на невысоких оборотах около 1–2 минут в следующих случаях:

  • Перед началом езды;
  • После окончания поездки;
  • После активной езды или во время сильных морозов время может увеличиваться до 3 минут.

Многие водители ставят на свои автомобили «турботаймеры», которые позволяют засечь время, необходимое для прогрева или должного охлаждения силового агрегата.

Быть или не быть?

Большинство турбированных моторов предназначено для активной езды — их повышенная мощность позволяет улучшить разгонную динамику. Хотя современные силовые агрегаты малого объёма, оснащённые турбонаддувом, разрабатывались скорее для снижения токсичности выхлопа по сравнению с атмосферными двигателями большего объёма, но аналогичной мощности. В любом случае турбированный двигатель имеет более высокие показатели эффективности работы и позволяет лучше использовать все возможности автомобиля.

Однако при этом водителю придётся мириться с некоторыми неудобствами, связанными с необходимостью прогрева и охлаждения двигателя, а также поддержания определённого минимального уровня оборотов. Кроме того, установка турбонаддува повышает цену машины и стоимость её ремонта.

Вся правда о турбомоторах: список проблемных двигателей

Анализ вторичного рынка не оставляет сомнений: россияне при покупке автомобиля в подавляющем большинстве случаев выбирают машины с атмосферным двигателем. Хотя при сопоставимых ценах турбомотор экономичнее и мощнее.

Сказанное в большей степени относится к автомобилям по умеренной цене. В премиум-сегменте предпочтения выражены не столь очевидно — обеспеченные покупатели не чураются даже битурбо­двигателей.

Главные неудачники

В Европе «эффект турбостраха» не наблюдался — переход на «турбо» происходил постепенно и плавно, хотя в 1980‑е сами турбины были весьма капризными. В СССР таких моторов никогда не было, отсюда и недоверие. Чужая, незнакомая вещь — непонятно, как и где ее чинить, случись что. Поначалу в России были ощутимые трудности с ремонтом турбомоторов (и дизелей тоже). Специализированные сервисы по турбомоторам и их компонентам появились не сразу. Да и там дорогостоящий ремонт не всегда гарантирует качество.

Между тем с приходом экологических норм Евро‑5 (в Евросоюзе — с 2009 года) моторы с наддувом стали самым простым и эффективным решением для всех производителей. А Евро‑6 оказался и вовсе труднодостижимым уровнем для атмо­сферников.

Мощная волна даунсайзинга (сокращение рабочего объема моторов и уменьшение их габаритов при повышении производительности, часто с помощью турбонаддува) поднялась лет пятнадцать назад. Всего двадцатью годами ранее литровая мощность под 100 л.с./л встречалась только у спортивных машин. Сегодня это обыкновенный показатель для относительно простых и массовых моделей.

На этой волне практически все заводы выпустили множество турбомоторов. Часть из них оказались не слишком удачными. То ли недостаток инженерного опыта сказался (все новые двигатели намного сложнее предыдущих), то ли поспешность разработок. Список общепризнанных «неудачников» довольно длинный. Выборочно: трехцилиндровый опелевский 1.0 R3, Ford 1.0 EcoBoost, сильно страдавший перегревами, «Инновация 2007 года» 1.4 TSI/TFSI Volkswagen/Audi, моторы BMW семейств N45 и N46 периода 2001–2011 годов, обладатель многих премий «Двигатель года» 1.6 THP (EP6), созданный концерном PSA совместно с BMW и получивший имя собственное Prince (Принц). Локальные проколы случались и у Мерседеса, и у Тойоты, и у Рено. У всех турбоновинок были передовые характеристики, но это сопровождалось снижением надежности.

Преждевременно и скоропостижно из строя выходят, разумеется, не все поголовно двигатели некоего семейства или серии, а только отдельные экземпляры. Постепенно накапливается статистика: что чаще всего ломается и почему. Тысячи остальных точно таких же двигателей успешно отрабатывают заявленный ресурс — и даже больший, но репутация в итоге портится у всех.

Главные проблемы

Что произошло? Мотористы под давлением экологических нормативов вынужденно избрали невыгодный с точки зрения надежности путь — сочетание увеличения давления в цилиндрах (рост температур и механических нагрузок) с облегчением шатунно-поршневой группы (уменьшение размеров и массы элементов ради снижения инерционных нагрузок). Сократился расчетный запас прочности многих нагруженных деталей — по некоторым оценкам, примерно на 40%. Это сопровождалось общим усложнением конструкции с той же целью оптимизации процесса сгорания топлива и минимизации вредных выбросов. Например, бээмвэ-пежо-ситроеновский Prince, дебютировавший на Mini, совместил в себе несколько передовых решений — турбину Twin-Scroll, систему изменения фаз газораспределения, непосредственный впрыск, систему охлаждения с умным насосом и управляемым ­термостатом.

Читать еще:  Что такое рампа в дизельном двигателе

Проблемы у многих турбодвигателей разных фирм оказались если не идентичными, то схожими. Неэффективные и не доведенные системы смазки и, как следствие, склонность к масляному голоданию, нередко одновременно с масложором (до литра на тысячу километров). Высокие термонагруженность (приводящая к ускоренной деградации резиновых и пластиковых деталей) и чувствительность к качеству топлива и октановому числу (некоторым двигателям даже АИ‑95 противопоказан). Вкупе с небрежным отношением к обслуживанию мотора суммарным проявлением становились нагар на форсунках и клапанах, отложения в цилиндрах и масляных каналах. Результат загрязнений — от течей «всего и везде» до деформации клапанов, прогорания поршней, задиров цилиндров и распредвалов.

Иногда всё это усугублялось низким ресурсом цепного привода ГРМ: цепь растягивалась намного раньше ожидаемого срока — именно на турбоверсиях, а на атмосферниках точно такой же узел работал нормально. Растянувшаяся цепь могла перескочить на несколько зубьев, что приводило к встрече поршней с клапанами.

Многие агрегаты этого «нехорошего» поколения в Россию официально не ввозили. Но остальных с лихвой хватило, чтобы накопить определенный скепсис ко всем турбированным моторам — при активном обсуждении в интернете, где негатив как обычно подается с большим преувеличением, а позитив гораздо менее интересен.

Турбодизели этап даунсайзинга пережили более благополучно, чем бензиновые собратья. Те же наклонности у них проявлялись в меньшей степени. Правда, добавлялись индивидуальные проблемы в системе питания: некорректная работа засоренных форсунок приводила к разно­образным фееричным финалам.

Как с этим жить?

Теперь уже очень просто. К 2010–2012 годам все проблемные моторы обстоятельно модернизировали и довели до приемлемого состояния. Чаще и масштабнее всего совершенствовали систему смазки, привод ГРМ (вплоть до перехода с цепи на ремень), материалы и конструкцию поршней и колец.

А к 2015‑му практически все «жертвы даунсайзинга» получили замену в виде двигателей новых серий и поколений, в которых прежние недочеты в целом учтены и исправлены. Сего­дняшний фольксвагеновский 1.4 TSI — сильно другой и в кошмарных болезнях не уличен. У Принца 1.6 THP также мало общего осталось с первоначальным вариантом, и его до сих пор выпускают (в Китае, для местных компаний) как новое семейство.

Пробег 250–300 тысяч километров вполне достижим для современных турбомоторов — и бензиновых, и дизельных. Но все они любят хороший уход: регулярную чистку форсунок, своевременную (а лучше упреждающую) замену масла, пристальное внимание к звукам в приводе ГРМ. И промывку радиаторов — то, чего старым атмосферникам обычно не требовалось. И да, не нужно разбавлять бензин ослиной мочой.

1.4 TSI (ЕА111)

В 2005 году этот мотор поражал инновационной архитектурой, изяществом решений и отличными характеристиками. В самих буквах TSI зашифрована технология послойного непосредственного впрыска топлива и турбонаддува. Была заявлена пятипроцентная экономия топлива при увеличении мощности на 14% по сравнению с двухлитровым (!) FSI. Но эксплуатация быстро выявила уязвимые места.

Первый вал претензий — к цепи ГРМ и неудачному натяжителю. Цепь растягивалась, а натяжитель не натягивал, из-за этого сходили с ума фазорегуляторы. Оказалось, что машину нельзя оставлять на склоне на передаче без ручного тормоза — не исключалась вероятность проскока цепи. Реакцией на промах с топливом (или на короткие поездки зимой без прогрева) была детонация, засорение впускных клапанов и маслоприемника нагаром, падение компрессии, масложор, изредка — разрушение хрупких поршней с тонкими стенками. Нарекания в адрес турбин были малозначимые.

Мотор выпускали до 2012 года и ставили на множество автомобилей Volkswagen, Audi, Skoda и Seat. Затем ему на смену пришел 1.4 TSI нового поколения EA211, полностью переработанный. Злосчастную цепь ГРМ заменили привычным ремнем.

Брать или не брать?

Машины с турбомоторами часто выбирают адепты активной езды, потому при покупке ­бэушных машин требуется особое внимание. От приобретения техники с бензиновыми турбомоторами проблемного периода (примерно до 2011 года) лучше отказаться. Слишком большой заявленный пробег (от 200 000 км) намекает на предельный износ элементов двигателя, а за подозрительно маленьким (скажем, 50 000 км для десятилетней машины) могут скрываться годы простоя в ремонте — это если пробег не скручен. В любом случае полезна диагностика мотора и турбины.

С новыми автомобилями проще: пока действует гарантия, беспокоиться не о чем. Да и надежность турбомоторов подросла. Крайне интересно посмотреть на продажи в России потенциального бестселлера Renault Arkana, у которого альтернативу старому атмосфернику 1.6 составляет современнейший турбомотор 1.3 TCe (он же М282 в номенклатуре Мерседеса), представленный в 2017 году. Пока доля турбоверсий в общем объеме продаж Арканы составляет около 50 %. Значит, довольно скоро будет собрана статистика насчет надежности (или проблемности) этого мотора — и мы вернемся к теме.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector