Турбонаддув

Теоретичні аспекти та загальні положення

З самого своєї появи, автомобілі, стараннями своїх творців, зазнають модернізації і найбільше в питаннях потужності двигунів. Так як цей параметр безпосередньо пов’язаний з робочим об’ємом двигуна а також з якістю подається повітряно-паливної суміші, для збільшення потужності є два шляхи – або збільшити обсяг агрегату (в сучасній масовій автомобілебудуванні цей спосіб не дуже популярний), або якимось чином нагнітати в циліндри більше повітря. Перший спосіб не популярний зі зрозумілих причин – разом зі збільшенням об’єму циліндрів зросте і витрата пального, крім того, сам агрегат істотно додасть в розмірах і масі, що теж не завжди прийнятно. Тому автомобільними інженерами був знайдений спосіб збільшити подачу повітря в циліндри за допомогою турбіни.

Турбонаддування є найефективнішою системою підвищення потужності двигуна внутрішнього згоряння без збільшення частоти обертання його колінчастого вала та робочого об'єму циліндрів. Крім підвищення потужності турбонаддування забезпечує економію палива в розрахунку на одиницю потужності і зниження токсичності відпрацьованих газів за рахунок повнішого згоряння палива. Система турбонаддування застосовується як на бензинових, так і на дизельних двигунах. Разом з тим, турбонаддування є найефективнішим на дизельних двигунах внаслідок високого ступеня стиснення у двигуні і відносно невисокої частоти обертання колінчастого вала. Стримувальними факторами застосування турбонаддування на бензинових двигунах є можливість настання детонації, яка пов'язана з різким збільшенням частоти обертання двигуна, а також висока температура відпрацьованих газів (1000 °С проти 600 °С у дизельних двигунах) і відповідний нагрів турбонагнітача. Зазвичай, у турбодвигунів є меншою питома ефективна витрата палива (грам на кіловат-годину, г/(кВт·год)), і вищою літрова потужність (потужність, що знімається з одиниці робочого об'єму двигуна — кВт/л), що дає можливість суттєво збільшити потужність невеликого двигуна без збільшення частоти обертання.

Види турбонаддува

Є кілька способів нагнітання більшого кількість повітря в двигун:

резонансний наддув – реалізується без нагнітача за рахунок кінетичної енергії повітря у впускних колекторах;
механічний наддув – подача повітря збільшується завдяки застосуванню механічного компресора, який, в свою чергу, приводиться в рух двигуном автомобіля;
газотурбінний наддув – турбіну надає руху потік відпрацьованих газів.
 У першому випадку наддув відбувається лише за рахунок особливої ​​форми і розміру впускних колекторів без застосування будь-яких нагнітачів. Тому ми не будемо описувати його в цьому матеріалі, а зупинимося докладніше на двох інших варіантах, які, на наш погляд, заслуговують на особливу увагу.

Механічний наддув

Механічний наддув – спосіб збільшення подачі повітря в двигун за допомогою використання компресора. Принцип роботи компресора виглядає наступним чином: коли двигун починає працювати, його коленвал пускає в хід весь механізм. Тобто механічний наддув працює з перших моментів запуску мотора автомобіля.

Безсумнівним плюсом такої системи можна назвати, то що повітря примусово нагнітається в циліндри на будь-яких оборотах двигуна (навіть найнижчих) і тиск, відповідно зростає зі збільшенням оборотів колінчастого валу. Тому автомобілів з механічними компресорами не знайоме таке поняття, як «турбояма». Але такий пристрій має і свої негативні сторони. Справа в тому, що на приведення в руху компресора мотор автомобіля витрачає деяку частину своєї потужності, що знижує в результаті його ККД. Крім того, для установки механічного наддуву потрібно більше місця в підкапотному просторі. Також такий пристрій створює підвищений рівень шуму.

Нагнітання повітря в мотор за допомогою компресора стало використовуватися в автомобілебудуванні набагато раніше, ніж застосування газотурбінного механізму. Проте, не дивлячись на деяку застарілість, подібні пристрої все ще можна зустріти на сучасних автомобілях (яскравим прикладом виступає компанія Mercedes-Benz, на нових машинах якої до сих пір красуються шильдики «Kompressor»).

Газотурбінний наддув

Здебільшого сучасні автомобілі оснащені газотурбінними системами наддуву. Принцип роботи турбіни схожий з компресорним наддувом, різниця лише в тому, що турбіна приводиться в дію потоком відпрацьованих газів автомобіля, а не коленвалом двигуна. За відчуттями, включення турбіни деякі водії порівнюють з «стусаном». Газотурбінний механізм наддуву являє собою пристрій з двох крильчаток жорстко з’єднаних між собою валом. Кожна крильчатка укладена в корпус, так звану равлика.

Пристрій турбіни досить нескладна і складається з:

двох крильчаток;
двох равликів, всередині яких крутяться крильчатки;
вала, що з’єднує крильчатки;
підшипників ковзання – двох опорних і одного наполегливої;
перепускного клапана, який використовується для скидання надлишкового тиску.

Принцип роботи турбонаддува досить простий. Вихлопні гази з випускного колектора потрапляють до першого равлика і обертають її крильчатку. Через з’єднувальний вал обертання передається другий крильчатці, яка і нагнітає тиск в другому равлику.

Плюси і мінуси турбонаддува

Головною перевагою турбонаддува є збільшення потужності мотора без істотного збільшення витрат палива. Щоб пояснити це явище потрібно розібратися як працює турбонаддув: турбіна приводиться в рух тільки завдяки енергії відпрацьованих газів, а не за рахунок потужності мотора автомобіля. Але слід розрізняти такі поняття, як загальна і питома економічність мотора. Іншими словами – турбований двигун матиме більший витрата пального, ніж аналогічний за обсягом атмосферний агрегат. Це відбувається тому що збільшився обсяг повітря, що потрапляє в циліндри, дозволяє згоряти більшій кількості палива. Однак у турбованого агрегату на одиницю потужності приходиться менше витраченого палива. Наприклад, якщо взяти два мотора 1,4 літра з турбіною і атмосферне 1,8 літра, обидва з потужністю 130 к.с., то 1,4 буде економічніший, за рахунок більшого ККД.

Що стосується екологічності турбомоторів: хоча серед вітчизняних автолюбителів ще не так розвинена «екологічна свідомість», не слід забувати і про те, що турбовані мотори завдають менше шкоди навколишньому середовищу. Все тому що в камері згоряння турбованного двигуна температура дещо менше, тому знижується утворення оксиду азоту, до того ж паливо спалюється більш повно.

Втім, не обійшлося і без недоліків. Перше про що слід знати – турбіна вимагає до себе дбайливого ставлення. Поки мотор заведений на підшипники масло подається під тиском. Як тільки мотор заглушений масло до підшипників надходити припиняє. Якщо мотор експлуатувався під великими навантаженнями, система наддуву може перегрітися і вийти з ладу. Щоб не допустити перегріву, перш ніж глушити турбований двигун, йому слід дати попрацювати кілька хвилин на холостих обертах. Багато сучасних автомобілів оснащуються з заводу спеціально призначеними для цього пристроями – турботаймером.

Є ще один важливий момент – на малих обертах мотора ефективність турбіни дуже мала. Також слід згадати про ефект турбоями – турбіна відгукується на натиснення педалі акселератора з деякою затримкою. Наддув може ефективно працювати тільки у вузькому діапазоні оборотів мотора, крім того, велике значення має розмір самої турбіни. Для збільшення продуктивності цієї системи багато автовиробників встановлюють на свої автомобілі дві турбіни різного розміру або пару однакових турбін. Турбіни різного розміру дозволяють істотно розширити діапазон ефективної роботи турбонаддува – після того як перша турбіна починає втрачати продуктивність в роботу вступає друга. Дві однакові турбіни дозволяють збільшити продуктивність, поліпшити розгінну динаміку і зменшити ефект турбоями. Для зниження цього ефекту автовиробники вдаються до таких хитрощів, як зниження маси рухомих частин турбіни. Завдяки цьому турбіні потрібно менше часу щоб розкрутитися.