Турбонаддув: принцип действия, достоинства, недостатки

Преимущества и недостатки турбонаддува на автомобиле

Чтобы отвечать запросам современности, традиционный двигатель внутреннего сгорания должен обладать внушительным набором выдающихся показателей, которые традиционным конструктивным путём достигнуть всё сложнее. Именно поэтому даже в семейных автомобилях всё чаще применяется система принудительного нагнетания, или турбонаддув.

Передовые конструкторские разработки уже направлены не только на совершенствование наддува системы питания двигателя, которая была изобретена более ста лет назад, но и на оснащение аналогичной системой автомобильного выхлопа. Всё это должно вывести характеристики скромных по рабочему объёму моторов на небывалый уровень.

Для того чтобы понять, для чего нужен турбонаддув, а также как он действует, необходимо знать, что для полноценной работы двигателю внутреннего сгорания нужно не только топливо, но и воздух, который обеспечит его горение. Фактически, в камеру сгорания должна поступать топливовоздушная смесь в определённой пропорции. После этого происходит сгорание смеси и по завершении рабочего цикла – удаление выхлопных газов.

Классический турбонагнетатель позволяет добиться увеличения мощности двигателя за счёт создания избыточного давления воздуха в камере сгорания, таким образом повышая воспламеняемость смеси. Турбонаддув фактически создаёт давление, достаточное для того, чтобы сжать воздух и закачать в двигатель большее его количество, чем при атмосферном давлении.

Основной рабочий элемент нагнетателя – лопастная крыльчатка, которая выполняет двойную функцию: засасывает воздух в камеру турбины, а затем, благодаря огромной скорости вращения в 150-200 тысяч оборотов в минуту, создаёт давление, способное уменьшить объём, занимаемый этим воздухом. Как известно из курса физики, в процессе сжатия происходит нагревание воздуха, что можно уже отнести к недостаткам этой системы. Именно необходимость решения данной проблемы вынудила конструкторов прибегнуть к использованию промежуточного охлаждения воздуха, перекачиваемого из турбины в мотор.

Устройство для такого охлаждения получило название «интеркулер» и использует принцип теплообменника, понижающего температуру воздуха с помощью охлаждающей жидкости.

Кардинальных отличий между системами турбонаддува, устанавливаемыми на бензиновых и дизельных двигателях, нет, всё зависит только от степени наддува. Как правило, дизельные моторы оснащаются более производительными конструкциями, а бензиновые – создающими небольшое давление наддува. Это обусловлено тем, что при существенном повышении оборотов, происходящем при наличии турбокомпрессора, бензиновые моторы склонны к возникновению детонации, поэтому их системы не столь эффективны.

Преимущества турбонаддува:

Дополнительная «бесплатная» мощность

Принято считать, что установка дополнительной турбины на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания даст дополнительную энергию для вращения аналогичного устройства на впуске, что позволит вместо простого выброса выхлопных газов получить дополнительный источник энергии для турбонаддува.

Утверждение это довольно спорное, поскольку на протяжении десятилетий автомобильные инженеры боролись за снижение сопротивления выпуска, что в свою очередь снижает внутренние потери и повышает мощность мотора. Если вмонтировать в эту систему генерирующее устройство, то мы получим существенный рост сопротивления на выходе из мотора. Таким образом, турбонаддув – это не бесплатная дополнительная энергия, уместнее использовать понятие «дешёвая дополнительная энергия».

Механика этого процесса предельно проста. Турбокомпрессор, создающий избыточное давление на впуске, состоит из двух основных элементов – турбинное и компрессорное колесо. Турбинное колесо использует энергию выхлопных газов для того, чтобы создавать крутящий момент для компрессорного, которое и сжимает воздух. Сам компрессор встраивается в контур системы охлаждения двигателя, поскольку в процессе работы его температура достигает высоких величин. Для регулирования степени наддува используется перепускной клапан, который при необходимости может пускать часть выхлопных газов в обход турбины, чтобы снизить давление внутри системы.

Оптимизация соотношения массы двигателя и его веса

Переход на технологию турбонаддува позволил отказаться от необходимости увеличения рабочего объёма и количества цилиндров для повышения мощности двигателя. Это позволяет получить хорошие показатели от небольших и, соответственно, лёгких моторов, в результате чего уменьшается и снаряженная масса автомобиля, и, как следствие, возрастает динамика разгона и сокращается тормозной путь.

Экономичность

Если сравнивать показатели удельного расхода топлива турбированного мотора и атмосферного двигателя аналогичной мощности, то разница в пользу первого будет очевидна. Это обусловлено тем, что на один рабочий цикл затрачивается меньше топлива, за счёт повышения полноты его сгорания. Фактически мы имеем обеднённую смесь, негативные факторы которой полностью компенсируются избыточным давлением воздуха.

Недостатки турбонаддува:

Провал в разгонной динамике или «турбояма»

Суть этого явления заключается в том, что при разгоне с малых оборотов, вместо интенсивного ускорения, мы получаем вялую динамику, зачастую уступающую атмосферным аналогам. Дело в том, что работа турбонаддува напрямую связана с частотой вращения коленвала двигателя (при этом механической связи между этими элементами нет), и если эта величина невелика, то и эффективности от наддува не будет.

Кроме того, определённое влияние на этот процесс оказывает и большая инертность системы надува, поскольку для создания необходимого давления на впуске требуется определённое время. Для решения этой задачи проводится огромная работа, результаты которой уже позволили минимизировать продолжительность такого провала в динамике. Кроме того, переход на автоматическую трансмиссию или использование вариатора позволяет автомобилю автоматически при разгоне переходить на пониженную передачу, что сводит негативное явление к нулю.

Конструктивное решение вышеописанной проблемы инертности наддува сводится к внедрению одного из следующих механизмов:

— битурбонаддув (двойной наддув);
— турбина с адаптивной геометрией;
— комбинированный наддув.

Двойной турбонаддув (битурбонаддув) заключается в применении двух параллельных систем наддува и базируется на том принципе, что две небольшие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна полноразмерная. Количество цилиндров, для которых каждая из этих турбин создаёт необходимое давление, делится между ними поровну. Разновидностью этой системы является использование нескольких компрессоров, активируемых на разных оборотах двигателя (каждый в своём рабочем диапазоне).

Турбина с адаптивной геометрией позволяет повысить эффективность системы за счёт оптимизации потока выхлопных газов путём изменения площади впускного канала.

Комбинированный наддув представляет собой систему, состоящую из механического нагнетателя, обеспечивающего необходимое давление на малых оборотах, и турбокомпрессора, включающегося в работу по достижении определённой частоты вращения коленвала.

Повышенная температура

Как уже упоминалось выше, сжатие воздуха неразрывно связано с его нагревом, что негативно сказывается на работе двигателя. Ввиду этого, необходимо вводить дополнительную систему охлаждения, которая также является потребителем вырабатываемой энергии.

Таким образом, турбонаддув является отличным способом повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания за счёт оптимизации процесса сжигания топлива. Несмотря на все недостатки, это эффективный способ достижения высоких показателей мощности и экономичности. Кроме того, работы по совершенствованию этой системы наглядно демонстрируют, что несмотря на её многолетнюю историю, потенциал турбонаддува ещё не исчерпан.

Автор: Сергей Василенков