Применение турбокомпрессоров в двигателях легковых автомобилей

Введение

Современные автомобильные двигатели постоянно совершенствуются, и одним из ключевых элементов повышения их эффективности является турбокомпрессор. Он позволяет значительно увеличить мощность без существенного роста рабочего объема двигателя, что делает его популярным как в спортивных, так и в экономичных моделях. Кроме того, турбонаддув способствует снижению расхода топлива и вредных выбросов, что особенно важно в условиях ужесточающихся экологических норм.

В этой статье мы рассмотрим принцип работы турбокомпрессоров, их преимущества и недостатки, а также роль в современных автомобилях.

Теория работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор — это устройство, которое использует энергию выхлопных газов для нагнетания дополнительного воздуха в цилиндры двигателя. За счет большего количества воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, можно подать больше топлива, соответственно, возрастает мощность двигателя и его КПД.

Основные компоненты турбины:

1. Турбина – турбинное колесо вращается под действием потока выхлопных газов. Так как выхлопные газы нагреваются до очень высокой температуры, турбина может нагреваться до красна при большой нагрузке на двигатель.
2. Компрессор – с помощью рабочего колеса, нагнетает сжатый воздух во впускной коллектор.
3. Интеркулер (охладитель воздуха) – снижает температуру сжатого воздуха, повышая его плотность и эффективность сгорания.

Принцип работы:

• Выхлопные газы попадают из цилиндров двигателя на крыльчатку турбины, раскручивая ее. Потом они вылетают наружу через выхлопную систему (глушитель)
• Через общий вал турбина передает вращение компрессору. Вал вращается во втулке, он смазывается и охлаждается маслом из системы смазки двигателя.
• Компрессор засасывает воздух, сжимает его и подает в цилиндры. Так как при сжатии воздух нагревается, он увеличивается в объеме, что снижает эффективность работы всей системы. Чтобы охладить сжатый воздух, он проходит через интеркулер (радиатор) и потом попадает в цилиндры.

Преимущества турбокомпрессоров

1. Повышение мощности – турбокомпрессор может увеличить мощность двигателя на 20–50% без увеличения рабочего объема.
2. Улучшение топливной экономичности – двигатели с турбонаддувом потребляют меньше топлива при той же мощности.
3. Снижение вредных выбросов – более эффективное сгорание топлива уменьшает количество вредных веществ в выхлопе
4. Гибкость применения – турбины используются как в бензиновых, так и в дизельных двигателях.
5. Увеличение КПД двигателя - турбина работает за счет энергии выхлопных газов, которые обычно просто выбрасываются в атмосферу.

Недостатки турбокомпрессоров

1. Турбояма (лаг) – задержка реакции на нажатие педали газа из-за инерции рабочих колес турбокомпрессора (в современных двигателях этот эффект минимизирован за счет специальных мероприятий).
2. Повышенные требования к обслуживанию – турбина требует качественного моторного масла и своевременной его замены. Бензин тоже должен использоваться качественный, не ниже Аи-95.
3. Перегрев и износ – высокие температуры и нагрузки сокращают ресурс турбокомпрессора.
4. Сложность и стоимость ремонта – замена турбины обходится дорого.
5. Чувствительность к режиму эксплуатации – резкое выключение двигателя после нагрузки может привести к закоксовыванию масла во втулке соединительного вала и дальнейшему повреждению турбокомпрессора.

Особенности использования турбокомпрессоров на малолитражных двигателях.

Во многих современных автомобилях применяются турбированные двигатели относительно небольшого объема. Турбокомпрессоры позволяют значительно повысить мощность и эффективность двигателей с небольшим рабочим объемом (1.0–1.6 л), но у такого решения есть ряд существенных недостатков. Рассмотрим основные проблемы.

1. Ярко выраженная турбояма (лаг)

Малолитражные двигатели обладают небольшой инерцией и объемом выхлопных газов, из-за чего рабочее колесо турбины раскручивается медленнее, чем на моторах с большим объемом. Это приводит к задержке отклика при резком нажатии на педаль газа (особенно на низких оборотах).

2. Повышенная нагрузка на двигатель

При использовании турбокомпрессора, чтобы не было детонации в двигателе, степень сжатия в цилиндрах значительно выше, чем в двигателях без наддува. Это приводит к:

• Ускоренному износу поршневой группы и шатунных вкладышей.
• Перегреву двигателя, особенно при активной езде.
• Необходимости использования высококачественного масла и более частых ТО.
  

3. Ограниченный ресурс турбины

На малолитражных двигателях турбина часто работает в режиме высоких нагрузок при высоких оборотах коленчатого вала двигателя (из-за необходимости компенсировать недостаток объема), что сокращает ее срок службы. В среднем ресурс турбокомпрессора на таких моторах составляет 120–200 тыс. км.

4. Чувствительность к качеству топлива и масла

• Детонация – из-за высокой степени сжатия и давления наддува требуется качественное топливо с высоким октановым числом (АИ-95/98).
• Закоксовывание – при несвоевременной замене масла или использовании некачественных смазочных материалов возможно засорение каналов турбины, что приведет к дорогостоящему ремонту
  

5. Дороговизна обслуживания и ремонта

• Турбированные двигатели сложнее в ремонте
• Замена турбокомпрессора может стоить 30–70% от стоимости самого двигателя.
• Требуется чаще менять свечи, масло, воздушный фильтр.
  

6. Нелинейная характеристика мощности двигателя

Из-за особенностей работы турбины, малолитражные двигатели часто имеют "провалы" в мощности на определенных оборотах:

• На низах – недостаточно выхлопных газов для раскрутки турбины.
• На верхах – возможен перегрев и срабатывание защиты.
  

7. Обязательное охлаждение турбины перед остановкой двигателя

При активной езде, корпус турбины, включая соединительный вал, сильно нагревается. Для смазки и охлаждения вала турбины, к нему под давлением подается масло из системы смазки двигателя. Нагревающееся в турбине масло охлаждается в двигателе. Если двигатель остановить, а турбина еще не остыла, масло во втулке вала начнет закоксовываться и тонкой твердой “корочкой” оседать на поверхностях вала и втулки. Через некоторое время, из-за этих твердых отложений, повреждаются поверхности трущихся деталей, образуется повышенный зазор. Из-за этого масло начинает попадать в подающийся в двигатель воздух, в самой турбине нарушаются внутренние размеры, что в итоге приводит к ее замене на новую.

Выводы

Турбированные двигатели позволяют добиться высокой мощности, по сравнению с двигателями аналогичного объема без турбины, но их эксплуатация требует соблюдения жестких правил:
✔ Использование качественного топлива и масла.
✔ Прогрев и охлаждение турбины.
✔ Аккуратный стиль вождения (избегать постоянных перегрузок).

При этом турбокомпрессоры стали неотъемлемой частью современных автомобильных двигателей, позволяя сочетать высокую мощность с экономичностью и экологичностью. Несмотря на некоторые недостатки, технологии продолжают развиваться, делая турбины более надежными и эффективными. В будущем распространение электрических турбин и гибридных систем еще больше расширит возможности турбонаддува, обеспечивая мгновенный отклик и еще большую топливную экономичность.

Таким образом, турбокомпрессоры остаются одним из ключевых инструментов в создании мощных, но при этом экологичных двигателей для легковых автомобилей.