для чего нужен турбонагнетатель воздуха
Турбонагнетатель
Турбонагнетатель — это устройство на нагнетания воздуха под определенным давлением, то есть, простыми словами, это компрессор. Отличие от принципа действия обычных компрессоров в том, что принцип действия основан за счет применения отработанных газов, а не приводным ремнем от коленчатого вала.
Работа турбонагнетателя
Устройство турбонагнетателя позволяет работать ему по такому принципу действия — выхлопные газы при попадании в турбину, начинают вращать ротор. На роторе жестко сидят рабочие колеса центробежного компрессора, которые вращаются с той же угловой скоростью, что и сам ротор.
Частота вращения вала и рабочих колес турбонагнетателя может быть довольно высокой и доходить до 150 000 оборотов в минуту.
Много турбонагнетателей имеют возможность менять геометрию турбины с помощью специального механизма. В конструкции этого устройства есть дополнительное кольцо с направляющими лопатками, которыми можно управлять. Они могут поддерживать поток отработанных выхлопных газов не только постоянным, но и изменять этот поток.
При низких оборотах работы турбокомпрессора, при малом потоке поперечное сечение турбины уменьшается и за счет этого увеличивается скорость подачи поступающих на колесо газов. Что ведет, соответственно, к увеличению мощности.
При высоких оборотах работы поперечное сечение турбины больше, лопасти полностью открывают подачу газов. Пропускная способность движения газов больше.
Что такое РДТ? Это регулятор давления топлива, который создает нужное давление топлива на форсунки. При его неисправностях, двигатель получает топливо в беспорядочном объеме.
Такая способность регулировки площади сечения турбины позволяет уменьшать расход топлива и минимизировать вредных выхлопные выбросы. Турбонагнетатель с возможностью самостоятельно изменять геометрию турбины, повышает эффективность работы устройства как на высоких, так и на низких оборотах.
Устройство турбонагнетателя
Турбонагнетатель состоит из:
Турбина состоит из:
Корпус служит для направления потока движения отработавших газов (3) на рабочее колесо турбины. Отработанные газы служат приводом для рабочего колеса. Поток газов вращает рабочее колесо и выводится через зону вывода отработанных газов.
Компрессор состоит из:
Принцип действия компрессора обратно противоположный принципу работы турбины. Кованый стальной вал, на котором жестко закреплено рабочее колесо, соединяется с турбиной. Рабочее колесо, при вращении турбины на высоких оборотах захватывает и сжимает воздух. Далее происходит такое явление — диффузия. То есть, поток воздуха в корпусе компрессора, который имеет низкое давление и высокую скорость преобразуется в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью движения. Далее, сжатый воздух (8) направляется в мотор, это обеспечивает сжигание большего количества топлива (чтобы топливо сгорало полностью) и увеличивает мощность ДВС авто.
Турбонагнетатели: плюсы и минусы
Принцип действия обычных компрессоров, которые приводятся в движение ременной или кривошипно-шатунной передачей в том, что устройство и принцип действия таких устройств потребляют энергию двигателя. На двигатель создается дополнительная нагрузка.
Турбонагнетатели используют дармовую энергию. Такой принцип действия почти идеальный, так как отработанные газы попросту выбрасываются, а здесь они еще служат приводом ротора и сидящих на нем колес.
Турбонаддув может получить развивать мощность до 300 лс с одного литра объема.
Двигатель с установленным турбонагнетателем (турбонаддувом) может развивать мощность на 40% больше, чем ДВС без него. К тому же, турбированные движки намного экономичнее. У ДВС без турбонагнетателя низкий КПД из-за потери на трение и низкой тепловой эффективности.
Соответственно, при увеличении объема двигателя без турбированного наддува, коэффициент полезного действия еще ниже. Турбированные моторы с малым объемом эффективнее ДВС с большим объемом.
Недостатки турбонагнетателей
При эксплуатации этого устройства появляется, так называемый, эффект турбоямы. Так привод осуществляется без механического соединения с валом двигателя, а за счет физического воздействия газов, то иногда появляется несоответствие в работе турбонаддвува и самого двигателя. То есть, мощность, которую задает водитель нажатием на педаль газа не соответствует мощности компрессора. Такие проблемы в работе составных устройств мотора можно выявить, если делать диагностику авто через ноутбук.
У турбонагнетателей есть еще такие недостатки, которые присущи обычным компрессорам. Чтобы их работа была максимально эффективной, они должны вращаться на максимальной скорости. К тому же, при таком режиме работы температура некоторых деталей доходит до 1000 С, также есть сложность в смазке и отведении тепла.
Высокие температуры уменьшают качество смазки и создают очень горячий поток входящего воздуха. Охлаждение нагнетаемого воздуха — острый вопрос.
Для обеспечения эффективного охлаждения подбирается интеркулер с особой тщательностью по данным режима работы устройства.
В конструкции устройства турбонагнетателя, как и любом другом нагнетающем устройстве, должен быть вмонтирован спускной клапан (стравливающий избыточное давление). С турбиной немного сложнее. В турбине, помимо, отслеживания избыточного давления наддува нужно еще перепускать отработанные газы, чтобы обеспечить снижения излишнего давления во впускном коллекторе для исключения образования чрезмерно высокой скорости вращения ротора при больших оборотах ДВС.
Для увеличения ресурса эксплуатации турбонаддува, турбине надо дать остыть на холостом режиме работы мотора после работы на очень высоких оборотах. Достаточно дать поработать на холостых оборотах несколько минут, затем мотор можно заглушить.
Для удобства водителям, создан специальный турботаймер. Турботаймер — электронное устройство, которое после выключения замка зажигания, позволяет мотору еще некоторое время работать, чтобы эксплуатировать турбонагнетатель в щадящем режиме и не сломать его. Его можно запрограммировать на определенное время или сделать, чтобы работал в зависимости от температуры нагрева двигателя.
Если турботаймера нет, то водителю надо самостоятельно ждать несколько минут на холостом ходу и не глушить мотор сразу.
Механический нагнетатель или турбонагнетатель: что лучше?
Двигатели с турбонагнетателями выпускаются в массовом производстве, благодаря чему цены на них снижаются. Самостоятельно устанавливать его в ДВС, тюнинговать — это достаточно сложное занятие, которое без специальных навыков трудно будет сделать своими руками.
Аналоги — центробежные механические нагнетатели имеют простую конструкцию и их легче эксплуатировать. Ателье по тюнингу авто, чип-тюнингу имеют готовые решение для некоторых двигателей — готовые комплекты турбонаддувов. Турбонаддувы пользуются спросом.
Видео
В этом видео подробно и понятно рассказывается об отличиях турбноганетателя от механического нагнетателя.
Как продлить срок службы турбокомпрессора:
Полезные советы об ошибках при эксплуатации ДВС с турбонагнетателями:
Как работает турбонагнетатель воздуха в автомобиле, плюсы и минусы
Статья о работе автомобильного турбо нагнетателя: общая теория, принцип функционирования, плюсы и минусы. В конце статьи — видео о том, как дешево увеличить мощность машины. Статья о работе автомобильного турбонагнетателя: общая теория, принцип функционирования, плюсы и минусы. В конце статьи — видео о том, как дешево увеличить мощность машины.
С момента разработки двигателя внутреннего сгорания перед инженерами встала задача повысить его мощностные характеристики. Решение данной задачи путём установки большего количества цилиндров влечёт за собой ряд таких проблем, как увеличение размеров и веса двигателя, поэтому не является оптимальным.
Ещё на заре автомобилестроения, в 1905 году, было предложено принципиально иное решение: увеличить мощность двигателя за счёт нагнетания в него дополнительного воздуха. Один из вариантов этого решения – турбонагнетатель.
Немного истории и общей теории о турбине
Для понимания роли турбонагнетателя воздуха достаточно вспомнить, что скорость до 200 км/ч, автомобили, оборудованные двигателем внутреннего сгорания, могли развивать уже в 1909 году.
Число выглядит фантастическим ровно до того момента, пока рядом с ним не встаёт рядом другое число: объём двигателя, обеспечившего автомобилю эту скорость, составлял… 28 литров! Естественно, ни о каком массовом производстве подобных монстров не могло быть и речи: они просто не могли обслуживаться без специального габаритного оборудования.
А для того, чтобы транспортное средство стало доступно широким массам потребителям, а не превратилось в аналог паровоза, объём двигателя следовало уменьшить, при этом по возможности выжав из него максимальную мощность.
Идея нагнетателя дополнительного воздушного потока позволила увеличить мощность мотора на пятьдесят процентов. Понять основные моменты, определяющие действие технического узла, несложно, если знать принципы функционирования автомобильного мотора на основе ДВС.
Для эффективного функционирования работы двигателя внутреннего сгорания важен процент соотношения воздуха и топлива в камере внутреннего сгорания. Естественным ограничением объёма смеси топлива и воздуха является объём камеры, куда эта смесь попадает благодаря перепаду давления на такте впуска топлива и где происходит её воспламенение.
Если увеличить количество топливной смеси в камере, при её сгорании будет получена большая мощность, что позволит увеличить возможности автомобиля. Подача смеси в камеру под давлением (компрессия) позволяет этого добиться.
Способы компрессии
За историю автомобилестроения конструкторы создавали различные устройства компрессии воздуха. Что-то осталось на страницах истории, что-то прошло через горнило усовершенствования и дожило до наших дней. Сейчас существуют четыре основных способа нагнетания воздуха в камеру внутреннего сгорания:
Принципы работы автомобильного турбонагнетателя воздуха
Между объёмом воздуха в цилиндрах двигателя и объёмом сжигаемого в камере внутреннего сгорания топлива существует прямая связь. При этом чем больше энергии имеют выхлопные газы, тем больший вращательный момент получают турбинные колёса и, соответственно, сам компрессор.
Особой проблемой при разработке турбонагнетателя является подбор материала, из которого он изготовлен. Турбинные лопасти вращаются со скоростью более десяти тысяч оборотов в минуту и могут разогреваться до тысячи градусов. Вопрос охлаждения отчасти решается за счёт поступления дополнительного воздушного потока.
Объясним подробнее. Когда скорость вращения двигателя невелика и поток отработанных выхлопных газов низкий, турбина за счёт уменьшения своего поперечного внутреннего сечения повышает скорость потока отработанных газов, идущих на колесо. Если же обороты двигателя высокие, пропускная способность турбины увеличивается за счёт роста поперечного внутреннего сечения, и, следовательно, плотность потока пропускаемых через неё отработанных газов снижается.
При таком «разумном» управлении диапазон, в котором работа турбо нагнетателя является эффективной, существенно расширяется. Более того, вредные выбросы в атмосферу сокращаются, потребление топлива падает.
Плюсы и минусы турбонагнетателя воздуха в автомобиле
В чём достоинства турбонагнетателей
В отличие от ранних моделей механических наддувов, которые работали от коленвала и, следовательно, использовали часть мощности двигателя, работа турбонагнетателей использует по сути «дарёную» энергию выхлопных газов.
По этой причине турбо нагнетатели, безусловно, являются более эффективным инженерно-техническим решением.
Если двигатель оборудован турбонагнетателем, к его мощности прибавляется до 40 процентов. При этом налицо существенная экономия топлива.
Если же говорить о коэффициенте полезного действия, то и тут работа турбо наддува идёт «в плюс»: с увеличением размера двигателя его КПД снижается из-за потерь на трение и понижением тепловой эффективности; следовательно, чем меньше размер двигателя (что как раз и даёт наличие турбо наддува), тем выше его КПД.
Недостатки турбонагнетателей
Недостатки у дано конструкции также присутствуют, и автовладельцу следует их знать.
Данная проблема отчасти успешно решается за счёт функции изменения геометрии турбины в зависимости от интенсивности работы двигателя и плотности потока выхлопных газов.
Эффект вызван тем, что без жёсткой механической связи между мотором и компрессором неизбежно возникает несоответствие между эффектом работы компрессора и необходимой мощностью, которая задаётся водителем при нажатии педали газа. Инерция турбины вызывает «провал» оборотов двигателя.
Специалисты борются с данным нежелательным эффектом, настраивая двигатель, используя дополнительный электрический наддув или установку второго турбонагнетателя.
Для того, чтобы этого избежать, турбонагнетатель снабжается турботаймером, который программируется на определённое время работы турбины вхолостую после остановки транспортного средства.
Если же автомобиль «доведён» кустарным способом и оснащён турбиной без турботаймера, о её корректном охлаждении и остановке после того, как работа двигателя прекращена, придётся позаботиться самому автомобилисту.
Особенности работы на бензиновых двигателях
Турбонагнетатель для бензиновых двигателей эффективен на двигателях впрыскового типа. Если возникает желание установить этот узел на карбюраторный мотор, это потребует целого ряда доработок — от корректировки уровня поплавковой камеры до замены жиклеров на большее сечения.
Турбонагнетатели доказали свою эффективность. Не зря ими оснащается большинство автомобилей спортивного класса. Данный технический узел применяют как на этапе производства автомобилей, так и в ситуации, когда автовладелец желает выполнить тюнинг авто. Высокий уровень КПД и ряд решений, найденных для устранения эффекта турбоямы, делают применение турбо нагнетателя наиболее эффективным на уровне остальных способов повышения давления в камере внутреннего сгорания.
Видео о том, как дешево увеличить мощность автомобиля:
Нагнетатель как радикальное средство дать пинок под зад своему автомобилю
Увеличить мощность двигателя можно единственным способом — сжигая больше горючей смеси. Этого можно добиться разными способами, но наиболее распространенные — увеличение рабочего объема двигателя или увеличение подачи горючей смеси в цилиндры посредством наддува. Первая схема хорошо известна по американским многолитровым машинам. Очевидный плюс — простота конструкции такого двигателя и, следовательно, более высокий ресурс. Минус — большая масса, что ведет за собой увеличение габаритов и веса автомобиля и, как следствие, ухудшение управляемости.
Наддув обязательно ведет к усложнению конструкции двигателя, что не может не сказываться на надежности, но позволяет достичь большей мощности при меньших размерах и габаритах. Если на Porsche поставить 12-цилиндровый двигатель, мы получим классический американский автомобиль, пускай и с прекрасной разгонной динамикой. Удивительно маневренными немецкие машины делают компактные 6-цилиндровые двигатели, в которых они умудряются снимать с 3,5 л объема мощность в 456 л.с.
Наддувательство
Самым элементарным является инерционный наддув. Принцип его действия действительно прост: на капоте, если двигатель находится впереди, или по бокам или на крыше, если мотор сзади, ставятся дополнительные воздухозаборники, от которых по воздуховоду подводится дополнительный воздух к впускному коллектору. Заметим сразу, что воздухозаборники «ушастого» «Запорожца» никакого отношения к наддуву не имели — они служили для охлаждения двигателя. Точно так же заблуждались владельцы «тюнинговых» «Жигулей», которым умельцы устанавливали такие воздухозаборники на капоте. Дело в том, что инерционный наддув начинает работать только на скорости выше 180 км/ч, которую продукт отечественного автопрома развить не мог ни при каких обстоятельствах. А увидеть действующую систему в Москве можно на нескольких Pontiac Firebird Trans Am, на которые инерционный наддув ставился на заводе.
Реальную же прибавку в мощности можно получить, только установив компрессор. Если он приводится механической передачей от коленвала, то такое устройство чаще всего называют механическим нагнетателем в России, compressor — в Германии, supercharger — в Америке и blower — в Англии. Если же компрессор вращается турбиной, размещенной в выпускном тракте двигателя, то его чаще всего называют турбонагнетателем (turbocharger).
С немецким акцентом
Впервые наддув применил в своих автомобилях легендарный француз Луис Рено. По иронии судьбы сегодня Renault — одна из немногих компаний, не применяющая наддув в своих двигателях для легковых автомобилей. Мировую же известность механическим нагнетателям принесла компания Mercedes-Benz, устанавливающая наддувочные компрессоры в конце 20-х сначала на гоночные, а начиная с 30-х — и на серийные машины. После того, как компрессорные «Мерседесы» полюбили Адольф Гитлер и немецкие кинодивы, мода на наддувные машины перекинулась на Голливуд и оттуда — на весь мир. Золотой век немецких «компрессоров» закончился одновременно с началом Второй мировой войны. Основное применение компрессоров в военное время пришлось на авиацию: наддув использовался для компенсации недостатка кислорода на больших высотах. Особенно в этом преуспели американцы. Поэтому неслучайно в послевоенное время центр производства механических нагнетателей переместился за океан. Даже вновь появившиеся на «Мерседесах» после полувекового перерыва механические нагнетатели для немецкого гиганта поставляет американская компания Eaton, что, впрочем, не очень афишируется.
Но это не значит, что европейцы распрощались с идеей наддува. Ни для кого не секрет, что к мерседесовским нагнетателям в 30-е годы приложил руку небезызвестный конструктор Фердинанд Порше. Но на собственных двигателях он решил ставить турбонагнетатели. Проблема заключалась в том, что они приводятся в действие отработанными газами и должны выдерживать довольно высокие температуры. Долгое время не существовало жаропрочных и прочных материалов и турбокомпрессоры оставались капризными и ненадежными агрегатами. И только сильный прогресс немецкой оборонной промышленности 40-х годов в области авиационных турбореактивных двигателей наконец-то дал технологии и материалы для производства надежных автомобильных турбин. С тех пор лучшие турбомоторы в Европе — у Porsche.
Борьба с ямами
Современный турбокомпрессор конструктивно проще механического нагнетателя, но имеет собственные проблемы — высокую требовательность к качеству масла и, самое главное, медленный отклик на нажатие педали газа, что обусловливается инерцией турбины. С недостатком борются, устанавливая вместо одной большой две маленькие турбины (меньше масса — меньше инерция), по одной на свою сторону двигателя. Такая схема часто называется «битурбо».
Другая проблема, связанная с аэродинамикой турбины, так называемая «турбояма», — практически полное отсутствие наддува до 2500−2800 об./мин. Проблему решают разными способами, включая такую экзотику, как подкрутка турбины высокоскоростным электродвигателем.
Механический нагнетатель, который жестко связан с валом двигателя, имеет линейную зависимость наддува от оборотов: автомобиль практически мгновенно реагирует на нажатие педали акселератора, что особенно ценно при разгоне. Недостаток же данной схемы состоит в меньшем КПД по сравнению с турбонагнетателями: механический нагнетатель отбирает мощность с вала двигателя, а турбина приводится в движение практически дармовыми выхлопными газами.
Недокрутить — пропасть, перекрутить — пропасть
Независимо от схемы привода, собственно воздух нагнетает компрессор. Наибольшее распространение получили две схемы — роторнозубчатая схема Roots, запатентованная в 1866 году братьями Филандером и Фрэнсисом Рутсами, и центробежные нагнетатели.
Достоинство нагнетателей Roots в их простоте. Первоначально рассчитанные для двухтактных двигателей, подобные нагнетатели по сути являются импульсными, что не лучшим образом сказывается на характеристиках двигателей. При такой схеме частота вращения компрессора обычно составляет 0,5−2 частоты оборотов коленвала двигателя. На больших оборотах компрессор может выйти из строя, поэтому на современных нагнетателях применяются специальные центробежные муфты, ограничивающие обороты.
Рабочая частота вращения центробежных нагнетателей составляет 40−90 тыс. об./мин (на некоторых моделях — 90−130). Если перекрутить такой компрессор, поток нагнетаемого воздуха перестает быть ламинарным и возникающая турбулентность начинает тормозить поток — давление падает. Если же недокрутить, то центробежная сила становится недостаточной для создания давления и наддув практически сходит на нет. В итоге получается, что частоту вращения центробежного нагнетателя надо поддерживать в пределах +/- 50%, тогда как во время движения частота работы двигателя меняется в среднем в 7 раз. Все это приводит к установке разнообразных вариаторов и усложнению конструкции.
Другая проблема — в предельном максимальном давлении, которое могут выдержать автомобильные двигатели. Хорошие моторы позволяют поднимать давление во впускном коллекторе в 1,6−1,7 раза, а компрессоры запросто усиливают давление в 2,7 раза. Чтобы избежать повышенного давления, приходится ставить перепускные клапана для ограничения максимального давления.
Само собой разумеется, повышение давления на входе ведет к повышению давления в цилиндрах. Но современные автомобильные двигатели уже подошли к пределу. Степень сжатия в последних моторах Mercedes достигла 10−10,5 раз, а в Porsche — 11−11,5 раз. При большем сжатии даже высокооктановый бензин перестает гореть и начинает детонировать — взрываться. Выход — либо применять специальные гипероктановые топлива, имеющие степень сжатия 17−18, на основе метанола или нитрометана, либо ставить моторы, изначально имеющие низкую степень сжатия — 8−8,5. Это, кстати, объясняет, почему ставить нагнетатели на ультрасовременные двигатели бессмысленно.
Механика ручной сборки
В заводских условиях проще всего ставить именно турбонаддув — больше выигрыш в мощности, менее сложная конструкция, более простая регулировка. В механических нагнетателях добавляются проблемы с размыкателями на холостых оборотах, системами управления компрессора, вариатором и т. д. Хотя некоторых это не пугает — за возможность иметь ровную тягу во всех диапазонах некоторые компании идут на усложнение конструкции и ставят механические нагнетатели — например, Mercedes, Jaguar, Land Rover. Но это, скорее, исключение. Гораздо чаще на мощных машинах можно увидеть слово «Turbo».
Другое дело — тюнинг. Здесь побоку повышенный расход топлива, повышенная токсичность и холостой ход, главное — дополнительная мощность. Тюнинговый наддув двигателей — это царство механических нагнетателей и устаревших многолитровых моторов. И то и другое, само собой разумеется, американское.
С лучших современных двигателей, например с 2,2-литрового турбодвигателя Porsche, конструкторы умудряются снимать по 160 л.с. с литра. Классический 5,4-литровый двигатель GM выдает 70 л.с. с литра. Добавление дополнительных 50−100 л.с. на литр не приведет к летальным последствиям для такого мотора, в отличие от «европейца». Осталась сущая безделица — найти свободное место под капотом и купить за
$35 тыс. готовый набор для установки нагнетателя.
Вопросы и ответы по механическим нагнетателям
1. Зачем покупать нагнетатель?
Принудительный наддув воздуха способен прибавить двигателю до 46% мощности и до 31% момента, в зависимости от технических параметров двигателя и настройки системы.
2. Каковы различия между обычным и гоночным нагнетателем?
При установке стандартного механического нагнетателя не требуется переделки топливной системы и настройки двигателя. Более мощный нагнетатель потребует настройки системы управления двигателем, переделки самого двигателя, установки мощного топливного насоса. Как правило, установки обычного комплекта вполне достаточно для оптимального увеличения мощности штатного двигателя.
3. Какое обслуживание требуется для нагнетателей?
Обслуживание механических нагнетателей в основном сводится к регулярной замене масла. Так как масло используется для охлаждения нагнетателя, обратите на это особое внимание.
4. Уменьшает ли ресурс двигателя применение нагнетателя?
Совершенно необязательно, что применение нагнетателя негативно влияет на ресурс мотора. Обороты — вот то, что влияет на ресурс двигателя. Обычно двигатель для достижения максимальной мощности должен «раскрутиться» до 7−8 тыс. об./мин. При применении нагнетателя максимальные показатели мощности и момента достигаются при меньших оборотах двигателя. Меньше обороты — больше ресурс двигателя и выше экономичность автомобиля.
5. Можно ли установить систему самостоятельно?
Для человека, имеющего слесарные навыки, установка механического нагнетателя не должна вызвать существенных трудностей. Примерное время установки — 8−10 часов. Все комплекты нагнетателей включают инструкцию по установке и настройке системы и полностью совместимы с оригинальным оборудованием автомобиля.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, февраль 2003).