Турбонаддув: принцип дії, переваги, недоліки

2

Переваги і недоліки турбонаддува на автомобілі

Щоб відповідати запитам сучасності, тПорадиційний двигун внутрішнього згоряння повинен володіти значним набором видатних показників, які тПорадиційним конструктивним шляхом досягти все складніше. Саме тому навіть у сімейних автомобілях найчастіше застосовується система примусового нагнітання, або турбонаддув.

Передові конструкторські розробки вже направлені не тільки на вдосконалення наддуву системи живлення двигуна, яка була винайдена більш ста років тому, але і на оснащення аналогічною системою автомобільного вихлопу. Все це повинно вивести характеристики скромних по робочому об’єму моторів на небувалий рівень.

Для того щоб зрозуміти, для чого потрібен турбонаддув, а також як він діє, необхідно знати, що для повноцінної роботи двигуна внутрішнього згоряння потрібно не тільки паливо, але й повітря, який забезпечить його горіння. Фактично, в камеру згоряння повинна надходити топливовоздушная суміш в певній пропорції. Після цього відбувається згоряння суміші і по завершенні робочого циклу – видалення вихлопних газів.

Класичний турбонагнітач дозволяє домогтися збільшення потужності двигуна за рахунок створення надлишкового тиску повітря в камері згоряння, таким чином підвищуючи займистість суміші. Турбонаддув фактично створює тиск, достатній для того, щоб стиснути повітря і закачати в двигун більше його кількість, ніж при атмосферному тиску.

Основний робочий елемент нагнітача – лопатева крильчатка, яка виконує подвійну функцію: засмоктує повітря в камеру турбіни, а потім, завдяки величезній швидкості обертання в 150-200 тисяч обертів у хвилину, створює тиск, здатне зменшити обсяг, займаний цим повітрям. Як відомо з курсу фізики, в процесі стиснення відбувається нагрівання повітря, що можна вже віднести до недоліків цієї системи. Саме необхідність вирішення даної проблеми змусила конструкторів вдатися до використання проміжного охолодження повітря, перекачується з турбіни в мотор.

Рознос дизельного двигуна. Суть явища, як його уникнути і як його зупинити?

Пристрій для такого охолодження отримало назву «інтеркулер» і використовує принцип теплообмінника, що знижує температуру повітря за допомогою охолоджуючої рідини.

Кардинальних відмінностей між системами турбонаддуву, що встановлюються на бензинових і дизельних двигунах, немає, все залежить тільки від ступеня наддуву. Як правило, дизельні мотори оснащуються більш продуктивними конструкціями, а бензинові – створюють невеликий тиск наддуву. Це обумовлено тим, що при істотному підвищенні оборотів, відбувається при наявності турбокомпресора, бензинові мотори схильні до виникнення детонації, тому їх системи не настільки ефективні.

Переваги турбонаддува:

Додаткова «безкоштовно» потужність

Прийнято вважати, що установка додаткової турбіни на випускному колекторі двигуна внутрішнього згоряння дасть додаткову енергію для обертання аналогічного пристрою на впуску, що дозволить замість простого викиду вихлопних газів отримати додаткове джерело енергії для турбонаддуву.

Це твердження досить спірне, оскільки протягом десятиліть автомобільні інженери боролися за зниження опору випуску, що в свою чергу знижує внутрішні втрати і підвищує потужність мотора. Якщо вмонтувати в цю систему генеруюче пристрій, то ми отримаємо суттєве зростання опору на виході з двигуна. Таким чином, турбонаддув – це не безкоштовна додаткова енергія, доцільніше використовувати поняття «дешева додаткова енергія».

Дивіться також: Історія розвитку бензинових двигунів внутрішнього згоряння

Механіка цього процесу гранично проста. Турбокомпресор, створює надмірний тиск на впуску, складається з двох основних елементів – турбінне та компресорне колесо. Турбінне колесо використовує енергію вихлопних газів для того, щоб створювати крутний момент для компресорного, яке і стискає повітря. Сам компресор вбудовується в контур системи охолодження двигуна, оскільки в процесі роботи його температура досягає високих величин. Для регулювання ступеня наддуву використовується перепускний клапан, який при необхідності може пускати частина вихлопних газів в обхід турбіни, щоб знизити тиск усередині системи.

Оптимізація співвідношення маси двигуна і його ваги

Перехід на технологію турбонаддува дозволив відмовитися від необхідності збільшення робочого об’єму і кількості циліндрів для підвищення потужності двигуна. Це дозволяє отримати хороші показники від невеликих і, відповідно, легких моторів, в результаті чого зменшується і споряджена маса автомобіля, і, як наслідок, зростає динаміка розгону і скорочується гальмівний шлях.

Економічність

Якщо порівнювати показники питомої витрати палива турбірованного мотора і атмосферного двигуна аналогічної потужності, то різниця на користь першого буде очевидна. Це обумовлено тим, що на один робочий цикл витрачається менше палива, за рахунок підвищення повноти його згоряння. Фактично ми маємо збіднену суміш, негативні фактори якій повністю компенсуються надлишковим тиском повітря.

Недоліки турбонаддува:

Провал в розгінній динаміці або «турбояма»

Суть цього явища полягає в тому, що при розгоні з малих оборотів, замість інтенсивного прискорення, ми отримуємо мляву динаміку, часто поступається атмосферних аналогам. Справа в тому, що робота турбонаддува безпосередньо пов’язана з частотою обертання коленвала двигуна (при цьому механічного зв’язку між цими елементами немає), і якщо ця величина невелика, то і ефективності від наддуву не буде.

Крім того, певний вплив на цей процес впливає і велика інертність системи надуву, оскільки для створення необхідного тиску на впуску потрібен певний час. Для вирішення цієї задачі проводиться величезна робота, результати якої вже дозволили мінімізувати тривалість такого провалу в динаміці. Крім того, перехід на автоматичну трансмісію або використання варіатора дозволяє автомобілю при розгоні переходити на знижену передачу, що зводить негативне явище до нуля.

Конструктивне рішення вищеописаної проблеми інертності наддуву зводиться до впровадження одного з наступних механізмів:

— битурбонаддув (подвійний наддув);
— турбіна з адаптивною геометрією;
— комбінований наддув.

Подвійний турбонаддув (битурбонаддув) полягає в застосуванні двох паралельних систем наддуву і базується на тому принципі, що дві невеликі турбіни мають меншу інерцією, ніж одна повнорозмірна. Кількість циліндрів, для яких кожна з цих турбін створює необхідний тиск, ділиться між ними порівну. Різновидом цієї системи є використання декількох компресорів, активуються на різних обертах двигуна (кожен у своєму робочому діапазоні).

Турбіна з адаптивною геометрією дозволяє підвищити ефективність системи за рахунок оптимізації потоку вихлопних газів шляхом зміни площі впускного каналу.

Комбінований наддув являє собою систему, що складається з механічного нагнітача, що забезпечує необхідний тиск на малих обертах, і турбокомпресора, що включаються в роботу по досягненні певної частоти обертання колінвала.

Підвищена температура

Як вже згадувалося вище, стиснення повітря нерозривно пов’язане з його нагріванням, що негативно позначається на роботі двигуна. Зважаючи на це, необхідно вводити додаткову систему охолодження, яка також є споживачем виробленої енергії.

Дивіться також: BMW представила нове покоління двигунів

Таким чином, турбонаддув є відмінним способом підвищення ефективності двигуна внутрішнього згоряння за рахунок оптимізації процесу спалювання палива. Незважаючи на всі недоліки, це ефективний спосіб досягнення високих показників потужності і економічності. Крім того, роботи по вдосконаленню цієї системи наочно демонструють, що незважаючи на її багаторічну історію, потенціал турбонаддува ще не вичерпаний.

Автор: Сергій Василенков