Приветствую Вас!
В этой теме хотелось бы поговорить о турбокомпрессорах.
Думаю, многие знают двигателестроителей Николауса Отто — немецкий инженер самоучка, изобретатель двигателя внутреннего сгорания, а так же Рудольфа Дизель — немецкий инженер и изобретатель, создатель дизельного двигателя.
Эти изобретатели всегда думали как максимально возможно наполнить цилиндры воздухом. Чем больше в цилиндры поступает воздуха, тем больше энергии можно от мотора получить, результат — это значительный прирост мощности и крутящего момента.
У изобретателей сидела идея, как использовать энергию выхлопных газов, которая тратится впустую. Сейчас это звучит просто, но прошло очень много лет до того как их идею удалось реализовать. Турбокомпрессор появился только через 100 лет после изобретения двигателя внутреннего сгорания.
В 1905 году принцип работы турбокомпрессора запатентовал Альфред Бюхи.
Инженеры, которые использовали в своих моторах турбо никогда не сталкивались с нехваткой воздуха, ведь даже совсем небольшой компрессор может накачать большое количество воздуха.
Проблема заключалась в другом, как контролировать давление наддува, например, между переключением передач ? На высоких оборотах турбонагнетатели давали слишком большое давление.
Турбокомпрессоры первоначально устанавливали на самолеты и корабли. На этих транспортных средствах обороты двигателя изменялись плавно. В 50 годы инженеры General Motors начали экспериментально устанавливать турбокомпрессоры на серийные автомобили и сразу же столкнулись с проблемой — это "турбояма", или по другому называют "турболагом". При разгоне автомобиля, с малых оборотов, компрессор реагировал слишком медленно.
В начале 70-х годов фирма Porsche совместно с фирмой ККК положили начало эры серийного использования турбокомпрессоров в автомобилестроении. Они поступили следующем образом: когда давление становилось большим выхлопные газы перепускались мимо турбины. При этом крыльчатка турбокомпрессора еще вращается, но не в полную силу. Когда давление наддува снова необходимо, перепускной клапан закрывается, и турбина быстрее раскручивается.
Всё дальнейшее развитие систем турбонаддува было направлено на уменьшение эффекта турбоямы.
Вот примерные этапы развития систем турбонаддува:
Классический турбонаддув
Твинскрольная турбина (Twin-scroll)
Турбины с изменяемой геометрией
Двойной параллельный наддув
Двойной последовательный наддув
Классический турбонаддув, турбокомпрессор с постоянной геометрией.
Классическая турбина состоит из корпуса (две улитки горячая и холодная), внутри которой находятся две крыльчатки на одном валу. Одна крыльчатка контактирует с отработавшими газами, а вторая нагнетает воздух во впуск, повышая его давление и обеспечивая максимально возможную отдачу.
Твинскрольная турбина (Twin-scroll)
Твинскрольная турбина — это улучшенная классическая конструкция.
Принцип работы твинскрольных турбин основан на раздельной подаче выхлопных газов под разным углом на турбинное колесо. 4-цилиндровые моторы функционируют в порядке 1-3-4-2. В данном случае один канал объединяет 1 и 4 цилиндры, другой – 2 и 3. На большинстве 6-цилиндровых моторов подача выхлопных газов осуществляется раздельно из 1, 3, 5 и 2, 4, 6 цилиндров.
Турбокомпрессор с изменяемой геометрией
Это современная разработка, которая позволяет обеспечить максимально возможную эффективность работы надува. Основой такой турбины является статичная крыльчатка с лопатками, угол атаки которых изменяется в зависимости от оборотов двигателя. Привод соединен с кулачковым рычагом, который приводит в действие систему турбины для регулировки положения лопаток. Работой привода лопаток управляет блок управления двигателем, который способен менять угол атаки турбины, обеспечивая оптимальную мощность на всём диапазоне оборотов двигателя.
A = низкие обороты двигателя; B = средние обороты двигателя; C = максимальные обороты двигателя
1. Блок управления двигателем
2. Привод лопаток
3. Корпус турбокомпрессора
4. Поворотные лопатки
5. Рабочее колесо компрессора
Низкие обороты двигателя. При низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя объем ОГ незначителен, поэтому лопатки перемещаются в сторону закрытого положения для уменьшения площади сечения впуска турбины. Это уменьшение вызывает увеличение скорости подачи газа на рабочее колесо, тем самым, увеличивая частоту оборотов колеса и давление наддувочного воздуха.
Средние обороты двигателя. При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличивается и объем ОГ. Лопатки перемещаются в сторону открытого положения для увеличения площади сечения впуска турбины и поддержания скорости газа.
Максимальные обороты двигателя. При максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя лопатки почти полностью открыты, поддерживая скорость газа, поступающего на рабочее колесо турбины.
На турбокомпрессорах с изменяемой геометрией, помимо электронного сервопривода, устанавливали и вакуумное управление. Все то же самое, но изменение положения лопаток осуществляется мембранным вакуумным приводом.
Двойной параллельный наддув (Твин турбо — TwinTurbo или BiTurbo)
На эффект турбоямы влияет множество факторов. Одним из самых существенных — инерция самого ротора турбины. Инерция зависит от массы. Поэтому инженеры решили использовать две маленькие турбины с низкой массой крыльчатки вместо одной большой. Так родились системы наддува с несколькими турбоагрегатами.
Системы с двумя компрессорами применяются как на дизельных, так и на бензиновых двигателях. Помимо основной функции уменьшения времени турбозадержки, схема Твин Турбо позволяет получить более высокую мощность двигателя автомобиля, снижает расход топлива и сохраняет максимальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов.
В зависимости от способа подключения пары турбокомпрессоров различают три основных схемы системы TwinTurbo:
— параллельная
— последовательная
— ступенчатая
Параллельная схема подключения турбин, например Volvo S80 T6 первого поколения и Range Rover Sport с двигателем 3,6D
Перед подачей в цилиндры воздух, нагнетаемый обоими турбокомпрессорами, поступает в один впускной коллектор, где смешивается с топливом и распределяется в камеры сгорания. Эта схема чаще используется на дизельных двигателях.
Последовательное включение, например Land Rover Discovery 4 с двигателем 3.0Д или Volvo XC60 / XC70 с моторами D5244T15/T17
Одна маленькая турбина работает постоянно, а вторая подключается при повышении оборотов двигателя, увеличении нагрузки или других особых режимах. Переключение режимов работы осуществляется с помощью клапана, приводимого в действие блоком управления двигателя автомобиля.
Вот еще один пример последовательного наддува, напримере Land Rover Discovery 5 с новым двигателем 2.0 ingenium и Volvo с моторами поколения Drive-E. Кстати, здесь второй (большой) турбокомпрессор еще и с изменяемой геометрией.
Такой же турбокомпрессор устанавливается и на Volvo XC90 двигатель D4204T11 Drive-E
Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.
В турбированном двигателе помимо самого турбокомпрессора есть еще один не маловажный элемент — это интеркулер, то есть охладитель воздуха.
Интеркулер обеспечивает охлаждение нагнетаемого воздуха. Как известно из курса физики :) сжимаемый воздух нагревается (в дизельных двигателях за счет этого эффекта происходит воспламенение топливовоздушной смеси) плотность воздуха при повышении температуры уменьшается. Поэтому для повышения эффективности моторов нагнетаемый воздух необходимо охладить.
На разных автомобилях интеркулеры выполнены по-разному. В основном интеркулеры устанавливаются в составе пакета радиаторов. Где-то они такого же размера как и основной радиатор охлаждения двигателя, где-то в виде длинного прямоугольника в нижней части радиаторов, а у кого то за бампером в разных сторонах.
Вот, например интеркулер от Range Rover
Такой интеркулер установлен на Discovery 3/4
Интеркулер от Freelander 2 похож на интеркулер как у Volvo P3 платформы, даже не похож, а такой же
На Range Rover последнего поколения начали ставить интеркулеры слевой и справой стороны за передним бампером. Они примерно в 2,5 раза меньше, чем интеркулер Discovery 3/4
Турбоагрегаты подвержены высокой температуре и поэтому на большинстве моделей турбокомпрессор, дополнительно охлаждаться. Охлаждение происходит за счет подвода к подшипнику турбины антифриза из системы охлаждения двигателя.
Какие плюсы и минусы двигателей с турбинами?
Плюсы:
1. Высокий крутящий момент. Двигатели с турбокомпрессором имеют отличные характеристики крутящего момента. Разгон автомобиля зависит от того, на сколько быстро двигатель выйдет из режима холостого хода до режима максимальной мощности. А мощность зависит от количества оборотов коленвала. Поэтому нужно, чтобы двигатель выдавал большой крутящий момент на низких оборотах двигателя.
2. Снижение расхода топлива. Двигатель с турбокомпрессором использует температуру и давление выпускных газов, а значит меньше энергии пропадает зря и используется для движения автомобиля. У обычных атмосферных двигателей часть энергии теряется с выхлопными газами.
Минусы:
1. Ограниченный ресурс. Турбокомпрессоры в среднем ходят по 150 т. км., а если турбина подходит к своему концу, то мало того что она выйдет из строя, она может за собой потянуть и двигатель если, например, вовремя не заметить повышенный расход масла. А разлетевшаяся крыльчатка может полететь во впуск и натворить там делов. Кроме того турбокомпрессор может гнать масло и во впуск, из-за этого может быть и гидроудар = ремонт двигателя.
2. Надежность. Турбированные двигатели состоят из большого количества агрегатов, патрубки наддува, интеркулер, датчики. Многие автовладельцы турбированных двигателей знают, проблему с патрубками наддува, когда они не выдерживают давления и лопаются в самый не подходящий момент. Иногда лопается интеркулер и даже разрывает клапанные крышки.
3. Стоимость ремонта. Ремонт турбированного двигателя всегда дороже, чем ремонт атмосферного.
4. Применение качественного топлива и масла. Современные двигатели очень требовательны к качественному топливу и масла. На турбированных двигателях желательно менять масло примерно каждые 8000 км, а не 12000 км или 15000 км. Это продлит срок службы всех узлов двигателя. Так же важно использовать моторные масла одобренные заводом изготовителем по классификации.
Несколько простых советов для турбированных двигателей:
1. Меняйте масло примерно раз в 10000 км. Несвоевременная замена масла, масляного и воздушного фильтров уменьшает ресурс всего двигателя.
2. Проверяйте уровень масла перед каждой поездкой — масляное голодание одна из причин выхода из строя не только турбины, но и двигателя в целом.
3. Не нагружайте сильно непрогретый двигатель. Подождите пока двигатель выйдет на рабочий температурный режим. В морозы дайте двигателю какое-то время поработать на холостых оборах, чтобы обеспечить нормальную циркуляцию масла.
4. Не экономьте на смазочных материалах.
5. Не глушите двигатель сразу после поездки, дайте двигателю поработать на холостом ходу, чтобы снизилась температура турбокомпрессора.
Развитие систем турбонаддува не стоит на месте и продолжается, потенциал турбин не исчерпан, посмотрите хотя-бы на уникальный шведский Koenigsegg Gemera с его 3 цилиндровым 2.0 твин турбо развивающим 608 л.с и 600 Nm
Как вы думаете, как дальше будут развиваться системы турбонаддува в будущем?
Давайте это обсудим в комментариях.
Всего хорошего и до встречи 👋
По всем вопросам звоните:
📞 +7(495)778-65-86 с 9:00 до 21:00
Тех. центр Volvo
📍 56 км. МКАД, внутренняя сторона. Торговый центр Мирус-Авто
📍Беломорская д. 9
📍ул.Большая Семеновская, строение 1.
📍Каширское шоссе, д.61, АТЦ "Москва", 4 этаж, сектор 9-А (с 10:00 до 21:00)
📍ул. Поморская д. 3
Технические центры Land Rover:
📍 56 км. МКАД, внутренняя сторона. Торговый центр Мирус-Авто
📍ул.Большая Семеновская, строение 1
Сайт: 77volvo.ru / 77Max.ru
Наша страничка в instagram: https://www.instagram.com/77volvo/
Наша страничка вКонтакте: https://vk.com/77volvo
Наш блог на Drive2 https://www.drive2.ru/o/77volvoru
Наш канал в телеграмм: https://t.me/volvo77ru
Если есть какие-то вопросы, мы с удовольствием ответим на них.
Спасибо за внимание! Ваш 77Volvo / 77Max 😉