Турбокомпаунд, назначение, принцип работы

Турбокомпаунд – что это такое. Принцип работы>

Цель создания турбокомпаунд – повышение мощностных и эксплуатационных характеристик дизельных двигателей. Он позволяет получить дополнительную мощность, преобразуя «теряемую» энергию. Он работает, преобразуя и используя энергию, которая в противном случае была бы потеряна или израсходована впустую.

Турбокомпаундный двигатель – классический пример рециркуляции. Вместо того, чтобы выбрасывать «отработанную энергию» в выхлопную трубу, вторая турбина, установленная за турбокомпрессором, приводимая в действие выхлопными газами, отбирает из этих газов дополнительное тепло.

Как работает

Турбина турбокомпаунда вращается со скоростью 55000 об/мин. Это движение передается через турбинные шестерни и гидравлическую муфту, а затем через шестерни газораспределительного механизма на коленчатый вал. Передача вращения на них создает полезную прибавку крутящего момента, что отражается и на изменении крутящего момента на маховике. Такая дополнительная тяга возникает без увеличения расхода топлива.

Второй этап использования энергии

Для использования оставшейся энергии был разработан специальный турбокомпаундный блок, благодаря которому энергия отработанных газов преобразуется в механическую энергию и через специальный привод передается на колен вал двигателя повышая его мощность.

Из турбины турбокомпаундного блока отработанные газы уже выходят с температурой в 480 – 500 градусов.

Схема работы

• Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700° С.
• Выхлопные газы используются для привода традиционного турбокомпрессора, в котором энергия используется для повышения эффективности сгорания топлива и, как следствие, мощности и крутящего момента двигателя. Затем выхлопные газы, вместо того, чтобы впустую уйти в атмосферу, направляются в блок турбокомпаунда.
• На входе в блок турбокомпаунда выхлопные газы сохраняют высокую температуру (около 600°С); их энергия используется для разгона второй турбины до 55000 об/мин. На выходе из этой турбины температура газов снижается до 500°С, после чего они отводятся через обычную систему выпуска и глушитель.
• Вращательное движение турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств — механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда.
• К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.
• Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным.

• Принцип работы турбокомпаунда основан на использовании энергии отработанных газов, что позволило увеличивать мощность двигателей буквально из ниоткуда.
• Давно известно, что энергия, которая выделяется при сгорании топлива в двигателе, используется не полностью.
• В каждом двигателе процентные показатели использования энергии разные, но в среднем они такие:

1. Энергия, которая преобразуется из тепловой в механическую (полезную) – 40 – 45%;
2. Тепловая энергия, которая уходит на нагревание деталей двигателя – 20 – 25%;
3. Тепловая энергия, которая уходит вмести с выхлопными газами – 30 – 40%.

С тепловой энергией, которая уходит на нагрев двигателя, мы ничего сделать не можем, с ней «борется» специально созданная система охлаждения.

А вот использовать 30 – 40% энергии, которая уходи с выхлопными газами, вполне возможно и ученные это уже доказали.

Турбокомпаунд – что это такое? Принцип работы

Для повышения кпд силовых агрегатов производителями разрабатываются разные механизмы и устройства. Среди них – турбокомпаунд. Разберемся, что это за устройство, как работает турбокомпаундный двигатель и какие у него достоинства.

Что такое турбокомпаунд

Такая модификация применяется на дизельном моторе. В классическом виде двигатель имеет турбину, которая использует отработавшие газы для увеличения давления воздуха во впускном коллекторе.

Газовая турбина обеспечивает лучшее сгорание ВТС в цилиндрах, благодаря чему атмосфера получает меньше вредных веществ, а мотор приобретает увеличенную мощность. Однако этот механизм использует лишь часть высвобождающуюся энергию, когда выхлопные газы покидают выпускной коллектор.

Вот некоторые цифры. Температура отработанных газов на выходе из мотора может достигать около 750 градусов. Когда газ проходит через турбину, он раскручивает ее лопасти, за счет чего мотор получает дополнительный объем свежего воздуха. На выходе из турбины газы все еще горячие (их температура падает всего на сотню градусов).

Оставшаяся энергия используется специальным блоком, через который идет выхлоп. Устройство преобразует эту энергию в механическое воздействие, которое усиливает вращение коленвала.

Назначение

Суть компаундного блока заключается в повышении мощности коленчатого вала за счет энергии, которая просто удаляется в обычном двигателе в атмосферу. Дизель получает дополнительную прибавку к крутящему моменту, но при этом не задействует дополнительное топливо.

Принцип работы турбокомпаунда

Классический турбонаддув состоит из двух механизмов. Первый – газовый, крыльчатка которого приводится в движение за счет того, что в выпускном тракте создается давление. Второй механизм – компрессор, связанный с первый элементом. Его цель – нагнетать свежий воздух в цилиндры.

В основе дополнительного блока используется силовая турбина, которая стоит за основной. Чтобы устранить огромную разницу между вращением турбокомпаунда и маховика, используется гидравлический элемент – муфта. Ее пробуксовка обеспечивает согласование крутящего момента, поступающего от устройства и коленвала двс.

Вот небольшое видео того, как работает одна из модификаций турбокомпаундных моторов Volvo:

Volvo Trucks – D13 Turbo Compound engine

Схема работы турбокомпаунда

Вот краткая схема работы турбокомпаундного двигателя. Вначале в полость турбокомпрессора поступает отработанный газ, раскручивая основную турбину. Далее поток вращает крыльчатку данного механизма. Причем показатель оборотов может достигать 100 тысяч в минуту.

За контуром нагнетателя установлен блок компаунда. В его полость поступает поток, раскручивая его турбину. Этот показатель достигает 55 тысяч в минуту. Далее используется гидромуфта и понижающая передача, соединенная с коленчатым валом. Без гидромуфты устройство не сможет обеспечить плавное повышение мощности ДВС.

Такую схему имеет двигатель scania. На данном процессе осуществляется работа силовой установки DT 1202. Классический турбированный дизель был способен развить мощность в пределах 420л.с. После того, как производитель модернизировал силовой агрегат системой турбокомпаунда, его производительность увеличилась на 50 лошадей.

Преимущества и недостатки

Особенность инновационной разработки позволила достичь таких положительных результатов:

• Приличное повышение КПД двигателя, но при этом коленчатый вал не раскручивается сильнее обычного;
• Во время работы установка не требует дополнительного топлива, что не делает автомобиль более прожорливым;
• Благодаря наличию гидромуфты обеспечивается стабильность агрегата при резком изменении нагрузки;
• Двигатель работает намного мягче, потому что прирост мощности обеспечивается более эффективным вращением коленвала, но не за счет толчков от кривошипно-шатунного механизма;
• Долговечность агрегата не уменьшается, как если бы на обычный мотор поставили турбину. Наоборот, за счет разгрузки поршневого механизма его рабочий ресурс увеличивается.

К недостаткам относится тот фактор, что на разработку потрачено немало средств и дополнительная установка также потребует платы за модернизацию двигателя. Помимо высокой стоимости самого двигателя, его конструкция усложняется. Из-за этого обслуживание и, в случае необходимости, ремонт становится дороже, а мастера, четко понимающего устройство установки, найти сложнее.

Предлагаем небольшой тест-драйв турбокомпаундного дизеля:

Volvo FH I-Save – тестируем турбокомпаунд

Зачем на двигатель устанавливают турбокомпаунд

Николай Макаренко

24 июля 2021, 16:40

Турбокомпаундный двигатель (ТКД) – двигатель внутреннего сгорания, в котором работа газов происходит не только в цилиндропоршневой группе, но и в силовой турбине, связанной с коленчатым валом.

Стремление увеличения эксплуатационных качеств двигателей за счет его скрытых возможностей является перспективным направлением для многих автомобильных компаний и применение турбокомпаунда – характерный тому пример.

Целью создания данного технического новшества, которое впервые было применено шведской компанией Scania в 1990 году, было повышение мощностных и эксплуатационных характеристик дизельных двигателей.

Дизельный двигатель Scania DT 12 02, разработанный компанией в 2001 году, работая как обычный турбо дизель развивал мощность 420 л. с., а после установки турбокомпаундого блока его мощность выросла до 470 л. с.

Принцип работы турбокомпаунда основан на использовании энергии отработавших газов, что позволило увеличивать мощность двигателей.

Покинув турбокомпрессор выхлопные газы с температурой в диапазоне 650 — 750 градусов через тормоз двигателя (так называемый горный тормоз) попадают в специальную силовую турбину, которая вращается на скорости до 55 тыс. об/мин.

Полученный крутящий момент через гидромуфту и систему понижающих редукторов передается на коленчатый вал двигателя. И только тогда выхлопные газы направляются в атмосферу.

Роль гидромуфты очень важна, так как благодаря ей происходит сглаживание меняющихся частот турбины турбокомпаунда и коленчатого вала.

• Увы, но энергия, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах, для передвижения автомобиля используется не полностью.
• В двигателях внутреннего сгорания ориентировочно в механическую (полезную) энергию преобразовывается около 40 – 45%, примерно 20 – 25% (а иногда и больше) – теряется на нагрев деталей, 30 – 40% – уходит с отработавшими газами.
• Использовать энергию, которая теряется с выхлопными газами, вполне возможно, и это уже неоднократно доказано.

Первый этап использования энергии отработавших газов производится в турбокомпрессоре. Он предназначен для нагнетания под давлением воздуха в цилиндры двигателя.

Выхлопные газы с температурой 600 – 700 °C поступают в газовую турбину турбокомпрессора, раскручивая её до 55 000 – 100 000 об/мин.

Она вращает центробежный компрессор, который нагнетает воздух через впускной трубопровод в цилиндры.

Но при этом энергия отработавших газов используется не полностью. Пройдя через турбину выхлопные газы теряют около 100 °C, а значит с 40% энергии используется примерно 15%, а остальные 25% идут в выхлопную трубу.

Для дальнейшего использования оставшейся энергии был разработан специальный турбокомпаундный блок, благодаря которому энергия отработавших газов преобразуется в механическую энергию и через специальный привод передается на коленчатый вал, повышая мощность двигателя.

Из турбины турбокомпаундного блока отработанные газы уже выходят с температурой 480 – 500 градусов.

Особенность инновационной разработки позволила повысить мощность двигателя, улучшить его экономичность и в целом получить более высокий КПД двигателя. Благодаря наличию гидравлической муфты обеспечивается устойчивость работы агрегата при резком изменении нагрузки.

Двигатель работает более плавно, поскольку увеличение мощности обеспечивается за счет вращения коленчатого вала турбиной, а не за счет толчков кривошипно-шатунного механизма. не снижается, а, напротив. За счет разгрузки поршневого механизма долговечность двигателя повышается.

К недостаткам можно отнести увеличение стоимости двигателя и некоторое усложнение его конструкции из-за чего обслуживание и при необходимости ремонт становятся дороже

Преимущества и недостатки

Чтобы подвести итоги, можно акцентировать внимание на основных сильных и слабых сторонах таких дополнительных элементов двигателя как интеркулеры. К объективным преимуществам этих устройств можно отнести:. К объективным преимуществам этих устройств можно отнести:

К объективным преимуществам этих устройств можно отнести:

К объективным преимуществам этих устройств можно отнести:

• повышение мощности;
• снижение количества потребляемого топлива;
• повышение экологических показателей двигателя.

За такие достоинства многие готовы пожертвовать некоторыми недостатками.

Слабые стороны у интеркулеров действительно есть. И заключаются они в следующем.

1. Главным недостатком считается образование препятствия на пути прохождения воздуха. Это уже зависит от способа установки и размещения конструкции. Явление в виде создания помехи необратимое, поскольку интеркулер создан для охлаждения воздушных потоков. Такой нюанс приводит к тому, что в наддуве падает давление. Чтобы турбина работала должным образом, часть энергии приходится тратить практически напрасно. Но современные разработчики знают об этом недостатке, потому всячески пытаются минимизировать его.
2. Внешний вид. Далеко не всем нравится тот выступ, который создаёт интеркулер на капоте автомобиля.
3. Массивность. Не все автомобили могут похвастаться солидным свободным пространством под капотом. Если поставить туда ещё охладитель, то места не останется вовсе. Это усложняет доступ к некоторым деталям.
4. Подверженность загрязнениям. Актуально для конструкций, которые монтируются в носовой части машины и по бокам на крыльях. В интеркулер начинают летать мелкие камни, разный мусор с дороги, химикаты и песок во время зимней обработки дорожного покрытия. Всё это приводит к ускоренному износу и ремонтным работам.
5. Дорогостоящий ремонт и обслуживание. Сама по себе деталь не самая дешёвая. И её ремонт обходится в солидные суммы денег. Но это относительный минус, поскольку для множества водителей не составит проблем отдать несколько тысяч рублей за замену патрубков или другие ремонтно-восстановительные работы.

Окончательные выводы и решение относительно установки на машину интеркулера каждый автомобилист должен делать и принимать индивидуально.

Всё зависит от конкретной ситуации и обстоятельств. Для одних водителей ИК становится незаменимым помощником. Другие даже на 50% не используют потенциал установленного интеркулера. И тогда логично спросить, зачем вообще его устанавливать. Двигатель и без дополнительного охлаждения прекрасно справится с такими нагрузками.

Так почему он так полезен авто?

Разумеется, для спокойной и небыстрой езды его присутствие под капотом вообще не обязательно. Интеркулер что это такое в автомобиле? Это хорошая страховка двигателя от перегрузов и перегрева, а также обеспечение более высокий продуктивности работы мотора. Тяга машины становится выше на 15-10 лошадей. Это хорошая цена за немного трудов с монтажом, и редкими проверками на поврежденности дополнительного охлаждения.

Покупка обойдется где-то в 5000 рублей, если купить вполне обычный интеркулер, без дополнительных примочек. Есть такие агрегаты, которые стоят порядка 100 тысяч рублей!

Водяные опрыскиватели и высокая скорость – это лишь небольшой ряд преимуществ этих интеркулеров. Но они нужны для профессиональной езды, где скорость играет фундаментальную роль. Для обычной же дорого, вполне сойдет простенький интеркулер, который в руках надежного водителя будет служить верой и правдой долгие годы. Особенно круто когда в автомобиле Ока стоит интеркулер.

Первый этап использования энергии

Энергия выхлопных газов для повышения мощности дизельных двигателей впервые была использована в 1961 году на двигателе DS10 от уже известной фирмы Scania, где впервые был установлен турбокомпрессор.

Многим известно, что турбокомпрессор предназначен для нагнетания под давлением воздуха в цилиндры двигателя, чем обеспечивается качественное сгорание топлива и соответственно повышается мощность двигателя. Нагнетание воздуха происходит за счет использования энергии отработанных газов.

Но эта энергия используется не полностью.

Если взять усредненные показатели, то выхлопные газы покидают цилиндры двигателя имея температуру 650 – 750 градусов.

Пройдя через турбину компрессора их температура снижается приблизительно до 550 – 650 градусов, значит теряется около 100 градусов, т.е. из 40% энергии используется приблизительно 15%, а остальные 25% уходят в выхлопную трубу.

Принцип работы

Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, которое воспламеняется. Горячие газы, образовавшиеся в результате горения, расширяются, заставляя вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного истечения газа из сопла на двигатель действует реактивная тяга. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2000 градусов Цельсия.

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора.

Особенности эксплуатации и основные причины поломки

Современные модели интеркулеров длительное время не требуют особенного ухода. Однако периодический осмотр и своевременная диагностика выхода из строя необходимы. В детали могут обнаружиться следующие поломки:

1. Разрыв патрубка или теплообменника из-за чрезмерного давления. Об этой поломке говорит резкое падение мощности авто и увеличившийся расход топлива. Разорванные патрубки ремонтировать не имеет смысла, так как под давлением воздуха они сразу же вновь выйдут из строя. В этом случае восстановить работоспособность поможет только замена патрубка.
2. Попадание масла во внутреннее пространство. В норме небольшое количество масла попадает в интеркулер во время работы турбины. Допустимые показатели – 0.7-1 литр на 10000 км. Если показатели выше, стоит задуматься о ремонте детали.
3. Трещины на трубках и пластинах. Интеркулер, установленный в крыльях или под передним бампером, подвержен повышенному механическому воздействию.
4. Засорение трубок. Особенно интенсивно происходит это в зимнее время. поэтому зимой очистку детали от химикатов и песка необходимо проводить как можно чаще.

Турбокомпаунд scania

При всем уважении, которого заслуживает ДВС, его проникновении практически во все сферы деятельности людей и том влиянии, которое он оказал на развитие цивилизации, его нельзя отнести к лучшим достижениям человеческого разума. А все из-за низкого КПД и разрушительного влияния на окружающую среду. Отмеченные недостатки ДВС можно уменьшить, и одним из устройств, позволяющих это реализовать, является турбокомпаунд.

Вернемся к началу, немного о работе ДВС

Она основана на сгорании топлива в цилиндрах мотора. Эффективность этого процесса оценивается по-разному – от тридцати до сорока пяти процентов тепловой энергии преобразуется в механическую. Еще до двадцати пяти процентов уходит на тепловые потери, нагревание двигателя. И примерно сорок процентов энергии безвозвратно теряется вместе с выхлопными газами. Часть потерь удается уменьшить, и в этом процессе участвует турбокомпаунд.

Как происходит использование энергии отработанных газов?

После сгорания топлива в цилиндрах ДВС, выхлопные газы удаляются и поступают в выхлопную систему. Для утилизации части энергии первым на их пути стоит турбокомпрессор. Его привод осуществляется выхлопными газами, и это позволяет обеспечить подачу дополнительного объема воздуха в мотор. Как это происходит, понятно из рисунка

Такой подход позволяет частично утилизировать энергию выхлопных газов. На выходе ДВС их температура составляет семьсот градусов, после турбокомпрессора она равна шестистам градусам.

Турбокомпаунд Scania

Эти данные говорят о том, что энергия выхлопных газов еще достаточно велика. И первыми ее стали использовать разработчики Scania для улучшения характеристик дизеля DTS 11 01. Инженеры Scania добились удивительного результата – благодаря полученной практически без дополнительных затрат мощности, двигатель стал работать мягче и продемонстрировал великолепную приспособляемость к различным режимам движения.

Фактически турбокомпаунд Scania можно считать классическим примером рекуперации энергии – повторное использование той ее части, которая получена раньше, а затем бесполезно теряется. Достигнутые результаты оказались впечатляющими – турбокомпаунд дал прибавку к мощности двигателей Scania примерно в сорок лошадиных сил. Так что можно сказать, что турбокомпаунд оправдал ожидания инженеров компании Scania, обеспечив дизелям их разработки улучшенные характеристики.

Как работает турбокомпаунд

После прохождения турбокомпрессора, как уже отмечалось, выхлопные газы остаются горячими и обладают достаточным запасом энергии. Поэтому на пути движения отработанных газов появляется дополнительное устройство – турбокомпаунд, использующее сохранившуюся энергию. Как это происходит, позволяет понять рисунок ниже:

Выхлопные газы поступают в турбокомпаунд и раскручивают турбину, входящую в его состав, до пятидесяти пяти тысяч оборотов. Развиваемая мощность через понижающую передачу и специальную муфту поступает на маховик. После того, как выхлопные газы пройдут турбокомпаунд, их температура снижается ещё на сто градусов, после чего они поступают в выхлопную систему.

Что же получается в итоге

В результате того, что был введен турбокомпаунд в конструкцию дизелей Scania, удалось:

• повысить КПД и снизить расход топлива;
• сгладить влияние пульсаций нагрузки благодаря использованию дополнительной мощности;
• повысить надежность и долговечность поршневой группы.

К недостаткам можно отнести разве что усложнение конструкции и обслуживания, ну и как следствие этого, увеличение стоимости.Турбокомпаунд можно считать одним из вариантов улучшения характеристик дизеля за счет его скрытых возможностей. Это показывает, что благодаря правильному подходу их можно использовать для улучшения ДВС.

Турботаймер

Турботаймер — это электронное устройство, помогающее увеличить срок работы автотурбины. Иными словами, он является специальным контроллером, который заглушает двигатель через время после удаления ключа зажигания из замка. Все это время агрегат работает на холостом обороте. Турботаймер устанавливают под торпедо и подключают к замку зажигания.

Турботаймер дает возможность турбине остывать в условиях повышенной температуры. Охлаждение происходит с помощью машинного масла. Если двигатель перестает функционировать, то подача смазки-охладителя останавливается. Это все приводит к тому, что детали выходят из строя.

Автолюбители, которые постоянно эксплуатируют турбированные моторы на больших оборотах, сначала заставляют турбину работать вхолостую, и только потом выключают зажигание. Турбина остывает самостоятельно, но если использовать турботаймер, то сидеть и ждать в машине охлаждения не потребуется. Можно вытащить ключ из замка, а затем электроника сама заглушит мотор.

Если человек оставит турботаймер работающим, а сам покинет салон, то другой человек не сможет угнать машину. Устройство блокирует управление. Если человек захочет уехать на автомобиле, то сработает сигнализация.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува — Увеличение рабочего объёма двигателя — Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Турбированные двигатели и «атмосферники»: главные отличия

Для начала немного истории и теории. В основу работы любого ДВС положен принцип сгорания топливно-воздушной смеси в закрытой камере. Как известно, чем больше воздуха удается подать в цилиндры, тем больше горючего получается сжечь за один цикл. От количества сгоревшего топлива будет напрямую зависеть количество высвобождающейся энергии, которая толкает поршни. В атмосферных моторах забор воздуха происходит благодаря образованию разрежения во впускном коллекторе.

Другими словами, мотор буквально «засасывает» в себя наружный воздух на такте впуска самостоятельно, а объем поместившегося воздуха зависит от физического объема камеры сгорания. Получается, чем больше рабочий объем двигателя, тем больше воздуха он может уместить в цилиндрах и тем большее количество топлива получится сжечь. В результате мощность атмосферного ДВС и крутящий момент сильно зависят от объема мотора.

Принципиальной особенностью двигателей с нагнетателем является принудительная подача воздуха в цилиндры под определенным давлением. Данное решение позволяет силовому агрегату развивать больше мощности без необходимости физически увеличивать рабочий объем камеры сгорания. Добавим, что системами нагнетания воздуха может быть как турбина (турбокомпрессор), так и механический компрессор.

На практике это выглядит следующим образом. Для получения мощного мотора можно пойти двумя путями:

• увеличить объем камеры сгорания и/или изготовить двигатель с большим количеством цилиндров;
• подать в цилиндры воздух под давлением, что исключает необходимость увеличивать камеру сгорания и количество таких камер;

С учетом того, что на каждый литр топлива требуется около 1м3 воздуха для эффективного сжигания смеси в ДВС, автопроизводители по всему миру долгое время шли по пути совершенствования атмосферных двигателей. Атмомоторы представляли собой максимально надежный вид силовых агрегатов. Поэтапно происходило увеличение степени сжатия, при этом двигатели стали более стойкими к детонации. Благодаря появлению синтетических моторных масел минимизировались потери на трение, инженеры научились изменять фазы газораспределения, внедрение электронных систем управления двигателем позволило добиться высокоточного впрыска горючего и т.д.

В результате моторы от V6 до V12 с большим рабочим объемом долгое время являлись эталоном производительности. Также не стоит забывать и о надежности, так как конструкция атмосферных двигателей всегда оставалась проверенным временем решением. Параллельно с этим главными минусами мощных атмосферных агрегатов справедливо считается большой вес и повышенный расход топлива, а также токсичность. Получается, на определенном этапе развития двигателестроения увеличение рабочего объема оказалось попросту нецелесообразным.

Теперь о турбомоторах. Еще одним типом агрегатов на фоне популярных «атмосферников» всегда оставались менее распространенные агрегаты с приставкой «турбо», а также компрессорные двигатели. Такие ДВС появились достаточно давно и изначально шли по другому пути развития, получив системы для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя.

Стоит отметить, что значительной популяризации моторов с наддувом и быстрому внедрению подобных агрегатов в широкие массы долгое время препятствовала высокая стоимость автомобилей с нагнетателем. Другими словами, двигатели с наддувом были редким явлением. Объясняется это просто, так как на раннем этапе машины с турбодвигателем, механическим компрессором или одновременной комбинацией сразу двух решений зачастую ставились на дорогостоящие спортивные модели авто.

Немаловажным фактором оказалась и надежность агрегатов данного типа, которые требовали повышенного внимания в процессе обслуживания и уступали по показателям моторесурса атмосферным ДВС. Кстати, сегодня это утверждение также справедливо для двигателей с турбиной, которые конструктивно сложнее компрессорных аналогов и еще дальше ушли от атмосферных версий.