Как работает турбонаддув
Многие автолюбители слышали о турбированных двигателях, но большая часть из них слабо представляет что это такое на самом деле. Для таких любознательных водителей проведем небольшой ликбез о турбонаддуве.
Из самого слова турбонаддув понятно, что это быстрая подача воздуха. Действительно, в основе работы турбированного двигателя лежит принцип использования энергии отработанных газов для подачи сжатого воздуха в цилиндры двигателя. Такая себе вторичная «переработка ресурсов».
Топливная смесь поступает в цилиндр двигателя, где на определенном этапе сгорает, передавая свою энергию автомобилю. Отработанные газы, оставшиеся после сгорания, выталкиваются в выхлопную систему автомобиля и выводятся наружу. В турбированном двигателе эти газы, прежде, чем будут выброшены в атмосферу, делают полезную работу — они вращают турбокомпрессор, состоящий из турбинного колеса и компрессорного колеса, сидящих на одном роторном валу, который крепится на подшипниках.
Турбинное колесо жестко сидит на одном валу с компрессорным колесом, которое сжимает воздух и нагнетает его в систему питания двигателя. Во время процесса сжатия воздух нагревается, но прежде чем попасть в цилиндр двигателя, он проходит через интеркулер (специальный охлаждающий радиатор) и охлаждается. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Подготовленный таким образом воздух поступает в цилиндры двигателя.
Что это дает? Подача дополнительного объема сжатого воздуха повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. А повышать есть куда, поскольку КПД двигателя автомобиля колеблется в районе 30%. Это значит, что 70% потенциальной энергии, которая заключена в топливе не используется. Причин множество. Одна из них — это неполное сгорание топлива в цилиндрах двигателя. В турбированном двигателе нагнетаемый дополнительный объем сжатого воздуха сильнее распыляет топливную смесь, разбивая топливо в более мелкие частицы, тем самым повышая его процент сгорания. Это дает возможность поставлять в цилиндр двигателя меньший объем топлива с одной стороны. С другой стороны, более полное сгорание топливной смеси повышает мощность двигателя.
В современных двигателях турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров, а также экономии потребляемого топлива в пересчете на единицу мощности и снижения токсичных выбросов, поскольку топливная смесь сгорает в более полной мере.
Наиболее эффективна система турбонаддува в дизельных двигателях, поскольку они работают на более высоких значениях сжатия топливной смеси, а частота вращения коленвала относительно невысока. В бензиновых ДВВ турбонаддув работает не столь эффективно, поскольку здесь существует более высокая вероятность наступления детонации, из-за более высоких значений частоты вращения коленвала, плюс в бензиновых ДВВ априори температура отработанных газов почти вдвое выше, чем на дизелях, что приводит к перегреву турбонагнетателя. В результате последний требует более сложной системы охлаждения и аккуратного обращения в эксплуатации. Владельцам автомобилей, на которых установлен турбированный двигатель, следует знать, что после остановки, прежде чем заглушить двигатель, очень рекомендуется дать ему поработать несколько минут на холостом ходу, чтобы турбонагнетатель остыл.
Неприятной особенностью турбированных двигателей является наличие «турбоямы» и «турбоподхвата». Все дело в том, что турбонагнетатель обладает определенной инерционностью, и при резком открытии дроссельной заслонки двигателя (резком нажатии на педаль газа водителем), турбонагнетатель не успевает сразу же подать необходимое количество сжатого воздуха в цилиндры двигателя, поэтому, автомобиль не получает соответствующего ускорения сразу же.
Но, после небольшого промежутка времени, которое необходимо для увеличения числа оборотов двигателя до определенного значения, происходит резкое увеличение давление наддува, так называемый «турбоподхват», который скачком увеличивает мощность двигателя.
На практике это происходит следующим образом: водитель резко давит на педаль газа, в ответ автомобиль набирает скорость, но не так быстро, как «следовало бы», а через пару секунд происходит резкое прибавление мощности, и автомобиль буквально прыгает вперед.
Для преодоления этих неприятных особенностей турбонаддува конструкторы применяют турбины с изменяемой геометрией, используют два и более турбокомпрессора, применяют комбинированный наддув.
VNT-турбина (турбина с изменяемой геометрией) оптимизирует поток отработанных газов путем изменения площади входного канала. Такие турбины нашли широкое применение на дизельных двигателях TDI от Volkswagen.
Параллельные турбокомпрессоры нашли широкое применение на на мощных V-образных двигателях. Логика проста — две маленькие турбины, устанавливаемые на каждый ряд цилиндров, обладают меньшей инерцией, по сравнению с одной большой турбиной.
В случае установки на двигатель двух последовательных турбин производительность системы повышается за счет того, что турбины работают на разных оборотах двигателя, на более низких работает одна турбина, на более высоких — другая. На дорогих автомобилях элитных автопроизводителей устанавливаются и по три турбины - triple-turbo (BMW) и даже по четыре - quad-turbo (Bugatti).
В комбинированном наддуве используется механический и турбонаддув. Механический нагнетатель работает на низких оборотах двигателя, обеспечивая необходимое сжатие воздуха, а на высоких оборотах включается турбокомпрессор. Такой принцип работы турбины широко используется в двигателях TSI от Volkswagen.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что турбированные двигатели по сравнению с «атмосферниками» более экономичны, экологичны, обладают более высокой мощностью. Однако они более дороги как изначально, так и в процессе эксплуатации, обладают меньшим ресурсом (турбину в большинстве случаев придется менять после 200 000 км пробега), требуют более аккуратной эксплуатации.
