Компрессор и турбина

Способы повышения мощности двигателей

Прежде чем рассматривать разницу между нагнетателем и турбиной с выяснением, какая из технологий лучше, имеет смысл ознакомиться с принципами, используемыми для повышения мощности современных силовых агрегатов.

Схема работы любого ДВС достаточно проста: в качестве движущей силы выступает горючее, вернее, смесь из воздуха с топливом, которая сгорает в цилиндрах, заставляя их выполнять возвратно-поступательное движение. Подача обеих компонентов в двигатель происходит раздельно. Топливо (для конкретики возьмём бензин) подаётся к впускному коллектору по топливопроводу, а его подачу обеспечивает отдельный насос. Воздух же попадает в мотор самотёком, проходя очистку через воздухофильтр. Если он окажется забитым, мощность силового агрегата падает, увеличивая расход.

Но если использовать устройства, которые обеспечивают беспрепятственную подачу увеличенных объёмов воздуха, да ещё под давлением, можно частично решить проблему увеличения мощности мотора без необходимости роста объёма камеры сгорания. Количество кислорода растёт, а значит, путём несложной настройки можно добиться и увеличения подачи бензина, в результате кпд двигателя увеличивается.

Компрессор и турбина как раз и выполняют задачу нагнетания воздуха в цилиндры, по сей день оставаясь самыми доступными и легко реализуемыми устройствами для повышения приёмистости ДВС при тех же габаритах. Разумеется, увеличение размеров всё же имеется – хотя бы за счёт наличия самих дополнительных устройств, но в долевом отношении это не сравнимо с необходимостью увеличивать объём рабочих цилиндров, поскольку это приведёт к необходимости изменения габаритов самого двигателя, включая его корпус как наиболее массивную компоненту всего автомобиля.

Что ж, теперь рассмотрим особенности функционирования устройств обеих типов.

Принцип работы турбины

Большинство транспортных средств оснащаются четырёхтактными моторами, функционирование которых находится под управлением системы впускных/выпускных клапанов. Каждый рабочий цикл современного силового агрегата, как следует из названия, включает четыре такта, или эпизода, в результате которых коленвал двигателя совершает два полных оборота.

Рассмотрим эти такты детальнее:

  • во время впуска поршни двигаются вниз, при одновременном попадании в камеру сгорания ТВС (у дизельных моторов в КС поступает только воздух);
  • такт компрессии предполагает сжатие топливовоздушной смеси;
  • на такте расширения происходит поджог сжатой смеси искрой, генерируемой в определённый момент свечой зажигания (у дизельных агрегатов воспламенение происходит самопроизвольно в результате нагнетания солярки под более высоким давлением). В результате горения происходит взрывоподобное расширение смеси, преобразующейся в тепло и выхлопные газы;
  • такт выпуска характеризуется освобождением выхлопа с одновременным движением поршня вверх под действием давления выхлопных газов.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что такая схема работы мотора предполагает возможность увеличения его эффективности следующими способами:

  • увеличением объёма КС и всего двигателя;
  • ростом оборотов коленвала;
  • установкой турбонаддува.

Первый метод можно реализовать по двум независимым направлениям: посредством увеличения размеров цилиндров или добавлением новых цилиндров. Оба способа применимы, но исключительно за счёт роста массы и габаритов силового агрегата. То есть это явно выраженный экстенсивный тип развития.

Рост числа оборотов коленвала возможен посредством увеличения количества тактов работы поршня, но и этот способ имеет жесткие ограничения по применимости, вызванными как техническими особенностями реализации, как и падением общего КПД мотора в силу неизбежного увлечения потерь, особенно на такте впуска.

Классическая схема работы ДВС предполагает использование воздуха, попадающего в двигатель самотёком. Применение турбонаддува позволяет подавать в цилиндры тот же объём воздуха, но в сжатом виде, то есть фактически увеличить количество кислорода в камере сгорания. А значит, в единицу времени можно подавать и больше горючего, что позволяет увеличить эффективность работы силового агрегата.

Конструктивно эта схема реализуется следующим образом: отработавшие газы, появившиеся в результате сгорания ТВС, направляются на лопасти ротора, вращая вал турбины. Это приводит в движение вал компрессорной установки, которая собственно, и отвечает за подачу в цилиндры атмосферного воздуха под давлением. По пути воздух, нагретый из-за эффекта сжатия, охлаждается интеркулером, что позволяет предотвратить ранее воспламенение горючей смеси по причине повышения её температуры.

Как видим, коленвал автомобиля и турбонаддув напрямую не связаны, однако в действительности скорость вращения коленчатого вала оказывает влияние на работу турбины. Дело в том, что при больших оборотах энергия выхлопа возрастает, что приводит к росту мощности турбокомпрессора.

А теперь рассмотрим, чем отличается механический компрессор от турбины.

Принцип функционирования компрессора

При использовании методов увеличения мощности силового агрегата за счёт нагнетания в цилиндры большего объёма воздуха первыми начали использоваться не турбокомпрессоры, а механические аналоги, или просто нагнетатели.

Эти агрегаты, в отличие от турбины, в качестве движущей силы используют коленвал, вращение которого передаётся на вал компрессора с использованием ременной/цепной передачи, то есть чисто механически.

Принцип работы нагнетателя основан на увеличении количества подаваемого в камеру сгорания воздуха, что позволяет уплотнить топливовоздушную смесь. Чем больше плотность – тем мощнее будет воспламеняться ТВС, передавая на коленвал большее количество энергии и повышая КПД силового агрегата.

Нужно понимать, что существует оптимальная пропорция горения смеси горючего и воздуха. Для бензина она составляет 14:1, то есть на одну объёмную часть воздуха должно приходиться одна часть топлива. Таким образом, простое увеличение объема воздуха не только нее приведёт к увеличению мощности взрыва смеси, но даже ухудшит его параметры. А значит, нужно корректировать и подачу бензина, что и осуществляется в автомобилях, двигатель которых снабжён механическим компрессором. Причём такая корректировка производится в автоматическом режиме, с учётом работы нагнетателя.

Прибавка мощности при использовании такого метода составляет порядка 45%, а величина крутящего момента в среднем увеличивается на 30%. Это очень хорошие показатели, учитывая, что в данном случае не требуется вмешательство в ГРМ.

Такой механический нагнетатель начинает работать сразу после пуска двигателя, как только на его вал будет подан момент вращения от коленвала от приводного ремня, одетого на ведущую шестерню коленвала и связанного с шестерней компрессора. Ротор нагнетателя начинает засасывать воздух, сжимает его и направляет под давлением во впускной коллектор. Рабочие скорости вращения компрессора – 50000-60000 оборотов/минуту. Этого достаточно, чтобы увеличить количество подаваемого в цилиндры воздуха на 50%.

Но есть одна проблема: при сжатии воздуха его температура поднимается пропорционально плотности, а это приводит к тому, что при поджоге смеси свечой зажигания она не сможет отдать всю свою энергию. Так что попутно с увеличением количества горючего для сохранения «золотой» пропорции необходимо решать ещё одну задачу: охлаждать смесь. Для этого в составе механического компрессора предусмотрено наличие интеркулера.

Механизм охлаждение может быть реализован несколькими способами: с использованием охлаждающей жидкости или посредством холодного воздуха, набегающего на автомобиль.

Так что схематически разница между компрессором и турбиной минимальна, а вот конструкционно – очень даже существенна.

Что лучше: компрессора или турбина

Чтобы оценить достоинства и недостатки обеих подходов, рассмотрим их особенности и различия:

  • главным достоинством механических компрессоров принято считать их способность выдавать идеально точное количество воздуха, что, в свою очередь, позволяет получать сбалансированную смесь. Эта надёжность работы нагнетателя самым положительным образом сказывается на работе всего силового агрегата, исключая вероятность проявления целого ряда неисправностей, приводящих к уменьшению общего ресурса двигателя;
  • преимущество турбины связано с отсутствием механического привода, поскольку она запитывается от кинетической энергии выхлопа. Таким образом, потери мощности здесь минимизируются, в отличие от компрессора, который затрачивает до 30% энергии мотора для своей работы. Но достигается это существенной переработкой механизма газораспределения и целого ряда смежных узлов. Кроме того, наибольший эффект турбины проявляется при работе силового агрегата на максимальных оборотах;
  • из вышесказанного следует и один из основных недостатков турбины: её установка на мотор – процедура очень сложная, ответственная и трудоёмкая. Не меньшей сложностью характеризуется и процесс настройки турбокомпрессора. При его монтаже приходится не только устанавливать дополнительное оборудование, но и дорабатывать сам силовой агрегат, а в ряде случаев – и трансмиссию, поскольку нагрузки на коробку существенно возрастают;
  • при использовании механического компрессора количество переделок двигателя в разы меньше, причём большая часть из них носит поверхностный характер;
  • монтаж нагнетателя в моторный отсек в целом проще, чем его турбированного аналога. Это же можно сказать и о настройке механического компрессора, заключающейся в подборе оптимальных параметров топливовоздушной смеси. Монтаж нагнетателя существенно упрощается при использовании готовых комплектов, специально разработанных для проведения такой процедуры;
  • установка/настройка турбины требует от исполнителя работ досконального знания теоретической части и многочисленных практических нюансов. Поэтому абсолютное большинство автомобилистов вряд ли в состоянии самостоятельно заняться этой процедурой, да и не во всяком автосервисе возьмутся за такую работу. Монтаж механического наддува в этом отношении почти на порядок проще;
  • ещё одна особенность турбины – высокая чувствительность к качеству топлива и моторного масла. Здесь проблему подвода смазывающей жидкости и слива её в поддон решается автономно, что усложняет конструкцию и увеличивает эксплуатационные расходы (менять масло в турбине необходимо чаще, чем в двигателе). Игнорирование этого правила неизбежно приведёт к проявлению неисправностей турбокомпрессора и возникновением ряда дополнительных проблем. Компрессор в этом контексте гораздо более толерантен к качеству ГСМ;
  • турбонаддув – технология сложная, поэтому турбированный нагнетатель требует особого ухода. Существует немалый перечень регламентных операций, входящих в состав работ по техобслуживанию турбины и интеркулера. Для механического собрата основной проблемой является забота о чистоте входящего потока воздуха, да и то при использовании нагнетателей с шнековыми и кулачковыми механизмами;
  • турбина не очень хорошо отрабатывает на низких оборотах силового агрегата, временами демонстрируя эффект под названием «турбояма». И только при достижении средних оборотов коленвала можно почувствовать прирост мощности, который становится очень ощутимым на максимальных оборотах. Если автомобиль эксплуатируется преимущественно в городском режиме, турбированный двигатель может оказаться неэффективным. Отметим, что турбины последнего поколения частично лишены этого недостатка, уверенно справляясь и с работой мотора на пониженных оборотах. Но и стоимость таких устройств велика. Работа компрессора, как уже отмечалось, практически не зависит от частоты вращения коленвала, формируя эффективный наддув во всём мощностном диапазоне. Прирост мощности здесь будет примерно одинаковым независимо от оборотов силового агрегата;
  • нагнетатель – это достаточно автономный узел, который связан с мотором небольшим количеством интерфейсных деталей, что упрощает его обслуживание/ремонт. Турбированный компрессор гораздо более тесно интегрирован в двигатель, причём его обслуживание требует наличия опыта и знаний, нехарактерных для выполнения подобных работ на обычном атмосферном силовом агрегате;
  • несомненное достоинство турбины – обеспечение более высокого прироста мощности. Но зато нагрев турбины становится проблемой, которую решить не так просто. В результате износ самого турбокомпрессора резко возрастает, да и детали мотора приходят в негодность быстрее, уменьшая его общий ресурс. Так что приходится усовершенствовать систему охлаждения, что ещё больше усложняет конструкцию;
  • компрессор начинает эффективно работать, как только начнёт вращаться коленвал. То есть и на холостом ходу он будет формировать больший объём ТВС, чем у классического атмосферника. А вот о турбокомпрессоре этого не скажешь – на низких оборотах он вообще не будет функционировать. Однако нагнетатель отбирает существенную часть мощности у силового агрегата (по некоторым подсчётам – до 25-30%), поэтому и прирост мощности по сравнению с турбокомпрессором меньше примерно на такую же величину;
  • ещё одним минусом механического нагнетателя является более высокий расход топлива, если сравнивать с этим показателем у турбины. Соответственно и КПД компрессора заведомо ниже. Если судить о полезности наддува с точки зрения экономии горючего, то здесь турбина – вне конкуренции;
  • механический привод компрессора (цепной или ременной) – ещё одна головная боль автовладельцев, но по сравнению с обслуживанием турбины это можно назвать мелочью;
  • если говорить о самостоятельной установке наддува, то у компрессорного варианта здесь масса преимуществ. На рынке присутствует множество моделей с различными характеристиками, как и готовых комплектов. Выбор турбин намного уже, и ситуация не изменится в среднесрочной перспективе;
  • хотя стоимость хорошего турбокомпрессора намного выше, чем у механического нагнетателя, и, несмотря на целый ряд его недостатков, большинство автомобилей оснащаются именно турбиной. Причина здесь очевидна – максимальный прирост мощности двигателя.

Итак, если вы хотите определить для себя, что лучше, турбина или нагнетатель, резюмируем вышесказанное:

  1. работа компрессора более стабильна, он не сокращает ресурс мотора;
  2. КПД турбины существенно выше, поскольку она использует дармовую энергию выхлопа и не отбирает мощность у силового агрегата;
  3. нагнетатель гораздо проще в монтаже/обслуживании;
  4. турбина требует наличия собственной системы смазки, нуждающейся в обслуживании (причём чаще, чем в отношении системы смазки двигателя);
  5. прирост мощности двигателя при использовании турбокомпрессора зависит от величины оборотов, у компрессора он стабилен во всём диапазоне частот вращения коленвала;
  6. сложность обслуживания турбины во много раз выше;
  7. механический компрессор менее экономичен по сравнению с турбированным нагнетателем;
  8. при монтаже турбины потребуются существенные переделки и самого мотора, и его обслуживающих систем. Нагнетатель, являясь автономным устройством, устанавливается намного проще;
  9. подбор компрессора под любую модель авто – задача несравненно более простая, чем поиск подходящей турбины;
  10. по стоимости компрессор также гораздо выгоднее.

Как видим, у турбированного варианта нагнетателя недостатков намного больше, но большая часть из них нивелируется главным достоинством, ради которого и проектировались подобные агрегаты – более существенным ростом мощности силового агрегата.

Так что если вы так горите сделать свой автомобиль более резвым – стоит учесть все эти факторы, прежде чем принимать окончательное решение. Тем более что сегодня наиболее актуальным решением считаются системы двойного наддува, устройство которых предусматривает совместное использование обеих технологий. В частности, такие автомобили выпускает автоконцерн VAG.

Несколько слов о разнице оборотов нагнетателя и турбины

Мы неоднократно упоминали о нечувствительности работы механического нагнетателя к текущим оборотам коленвала. В отличие от компрессора, турбина на оборотах менее 3500 работать не будет. Чтобы создать давление большее атмосферного, частота вращения коленвала должна быть выше указанного порога.

При ускорении автомобиля наибольшая эффективность работы нагнетателя будет достигнута на непродолжительное время, вскоре вернувшись к средним показателям. У турбины всё по-другому: в начале разгона будет ощущаться пресловутая «турбояма», но по мере ускорения мощь двигателя будет возрастать в геометрической прогрессии.

Из этого следует, что если вы предпочитаете езду «с ветерком» на автомобиле с бензиновым мотором, турбина будет наилучшим вариантом. Для дизельного двигателя вариант с механическим компрессором вообще отпадает.

Использование нагнетателя позволяет стабилизировать работу двигателя во всём диапазоне режимов, но прирост мощности будет намного меньшим.

Оставим в стороне вопрос обслуживания нагнетателей – у механического здесь бесспорное преимущество, а сосредоточимся на экономичности и динамике автомобиля. Здесь предпочтение уже на стороне турбированного варианта. Если учесть, что нынешние тенденции со стоимостью горючего отнюдь не оптимистичны, несложно предугадать, что в среднесрочной перспективе покупатели будут отдавать предпочтение не прожорливым внедорожникам, а экономичным машинам среднего класса. Что же касается их невыразительной динамики, то использование турбины позволяет полностью решить эту проблему. И снизить при этом потребление горючего. Но зато расходы на обслуживание, скорее всего, полностью «съедят» такую экономию.

Мы надеемся, что описание разницы между турбиной и компрессором поможет вам принять оптимальное решение в зависимости от ваших целей и финансовых возможностей.

Механический нагнетатель

Механический нагнетатель — основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.

Применение механического нагнетателя обеспечивает повышение мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.

Механический нагнетатель выполняет следующие взаимосвязанные функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее чем двигатель. Нагнетание воздуха в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.

Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и соответственно давление. Поэтому в системах наддува сжатый воздух охлаждается с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.

Механический нагнетатель конструктивно может иметь один из следующих приводов:

  • прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);
  • ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);
  • цепной привод;
  • зубчатая передача (цилиндрический редуктор);
  • электрический привод (отдельный электродвигатель).

На современных автомобилях применяются три основных типа механических нагнетателей: кулачковый (нагнетатель Roots), винтовой (нагнетатель Lysholm) и центробежный.

Кулачковый нагнетатель

Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического нагнетателя, т.к. используется на автомобилях с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.

Современный кулачковый нагнетатель имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.

По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.

Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.

Регулирование давления наддува производится двумя способами:

  1. отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);
  2. перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).

Современные системы механического наддува имеют электронное регулирование наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы (электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).

Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.

Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVS, Twin Vortices Series (дословно — спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac, Toyota, Audi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.

Порция воздуха захватывается шнеками, перемещается и сжимается при вращении шнеков и нагнетается в впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.

Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель в части нагнетания воздуха аналогичен турбокомпрессору. Основу нагнетателя составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).

Воздух засасывается в центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим множество стационарных лопаток вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха низкой скорости и высокого давления.

Центробежные нагнетатели наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется при низких оборотах двигателя, минимальное — при высоких оборотах.

Область применения механических нагнетателей достаточно широка: спортивные и серийные автомобили, а также тюнинг автомобилей. Практически все спортивные автомобили используют механические нагнетатели – это их основное применение. Установка механических нагнетателей является одним из направлений тюнинга автомобилей. Производители предлагают комплекты, включающие необходимые конструктивные элементы для установки на двигатель. На серийных автомобилях механические нагнетатели встречаются достаточно редко.

В силу своей конструкции нагнетатели Roots и Lysholm применяются для обеспечения высокой разгонной динамики, центробежные нагнетатели эффективны в поддержании высоких скоростей.

Двигатель с турбонаддувом.

Турбо или атмо, кто быстрее?


С тех пор, как начали появляться первые турбины на тюнингованных автомобилях, возникает вопрос — кто быстрее, автомобили с турбонаддувом или атмосферники с большими распредвалами?
Ответ однозначен — правильно собранный турбо мотор не оставит никакого шанса самому «злому атмо».
Самый мощный атмосферный двигатель на данный момент применяется в боллидах Формула-1, с одного литра объёма двигателя снимается около 300 л/с.

Для примера: правильно собранный турбо мотор выдаёт до 900 л/с с литра объёма, при наддуве 5,5 атмосфер. Такие моторы применялись на Формуле-1 во времена турбо-эры с 1977 по 1988 г, с мотора объёмом 1,5 литра снимали от 700 до 1400 л/с (на фото).
Подобные моторы сейчас применяются в драг рейсинге класса «top fuel» в США, с мотора объёмом 8,2 литра снимается 7000 л/с.
От куда же берутся эти лошадиные силы? Ведь обычный мотор внутреннего сгорания имеет около 60 л/с с литра.
Обычный мотор расчитан на езду в городских условиях, с крутящим моментом на низких оборотах. Такая компоновка имеет свои ограничения в максимальной мощности и скорости. Цилиндры двигателя имеют огромный потенциал для увеличения мощности без увеличения объёма двигателя.
На сколько можно повысить мощность двигателя с помощью турбины? При увеличении наддува на 1 атмосферу, мощность увеличивается примерно на 100%. То есть если двигатель имел изначально 100 л/с, то при давлении турбонаддува 3 атмосферы (3 бар), его мощность возрастёт на 300 л/с. Естественно двигатель должен быть подготовлен к такой нагрузке: резко возрастает тепловой режим работы мотора — повышается температура клапанов, поршней, масла, охлаждающей жидкости, выпускной системы. Эти элементы должны быть доработаны к условиям возросшей температуры. Возрастает нагрузка на поршни, шатуны, коленвал, блок двигателя, сцепление, трансмиссию. Эти элементы автомобиля должны быть подобраны в соответствии с возросшей мощностью.

Степень сжатия на турбо моторах должна быть уменьшена в зависимости от давления наддува. На самом деле высокая степень сжатия с использованием высокооктанового топлива даёт не такую уж большую прибавку мощности, как разница в цене на топливо. При увеличении степени сжатия на единицу — мощность возрастает примерно на 1,5%. Конечно существует топливо с высоким октановым числом — метиловый спирт. Его использование на атмосферном двигателе позволяет применять степень сжатия 1:16, но прибавка мощности с высокооктановым топливом не слишком существенна. Так что не нужно скупиться на уменьшении степени сжатия на турбо моторах, и в моторах с закисью азота. На мощных турбо моторах степень сжатия находится в пределах 7-8, в зависимости от применяемого топлива. Детонация очень разрушает мотор, так что лучше меньше, чем больше.

Выбор турбокомпрессора.

Турбокомпрессоры Garrett.

Широкое распространение в использовании на серийных дизельных и бензиновых двигателях получили турбины Garrett, которые производятся на 14 заводах по всему миру. Они так же активно используются в автоспорте и тюнинге. Имеются турбины Garrett не только с подшипниками скольжения (бронзовые втулки) как на ТКР, но и с шарикоподшипниками, которые имеют обозначение с буквой «R», например GT42R. Шарикоподшипники менее чувствительны к масляному голоданию, повышенным оборотам, имеют меньшее трение, и соответственно быстрее раскручиваются. Так же имеются турбины с каналом для охлаждения подшипника с помощью охлаждающей жидкости, что благоприятно сказавается на их сроке службы.

Турбокомпрессоры ТКР.

Турбокомпрессоры произведённые в России и странах СНГ имеют обозначение — ТКР, в Чехии C и K. По типоразмерам практически аналог старых турбин Garrett, но имеют крупную горячую часть, для большеобъёмных двигателей. Существует несколько типов, которые отличаются размерами и производительностью, а так же КПД от 43 до 77%. Они используются на дизельных двигателях разной мощности, серийное применение на бензиновых двигателях данных турбин отсутствует.
Возможно ли применение турбин от дизеля на бензиновых двигателях?
Да возможно.
Не сгорят ли лопасти турбины, предназначенной для дизельных двигателей, на бензиновом моторе, ведь температура горения бензина выше чем солярки?
Случаев сгорания лопастей турбины от дизеля на бензиновом двигателе в практике не обнаружено. Температура выхлопных газов прежде всего отдаётся поршням, клапанам, блоку цилинров, выпускному коллектору, и только потом — турбине.
Турбокомпрессор для тюнинга стоит выбирать по размерам турбинной и компрессорной части. Чем менше турбинная (горячая) часть, тем раньше начнётся наддув на двигателе. Но маленькая горячая часть на определённых оборотах начнёт «затыкать» двигатель. Для серийных и городских машин это вполне приемлимо.
То же самое можно сказать о компрессорной части, чем меньше, тем раньше затыкает впуск двигателя, и выдаёт относительно небольшое давление наддува.
Но большая компрессорная часть расчитана на высокий наддув и мощность двигателя, поэтому для городских машин не применяется. Так же большое компрессорное колесо вызывает помпаж на малообъёмных двигателях.

Прочие турбокомпрессоры.

Широкое применение в автотюнинге имеют турбины от японских раллийных автомобилей Mitsubishi TD04, TD05 и TD06, а так же их китайские, более дешёвые аналоги. Турбокомпрессор TD04 применяется на двигателях до 250 л/с, TD05 до 370 л/с, а TD06 до 450 л/с.

Расход воздуха турбинами и степень повышения наддува.

На данной схеме представлен расход воздуха турбин Garrett в фунтах/мин и степень повышения давления. Расход воздуха 10 фунтов в минуту равняется примерно 100 л/с конечной мощности двигателя.
Степень повышения давления на картах (абсолютное давление), всегда на единицу больше избыточного давления, которое показывает манометр во впуске.
Каждая турбина имеет определённую производительность накачки воздуха. Максимальное давление наддува получается на оптимальных оборотах ротора, превышать которые не стоит, иначе пострадает подшипник турбины. На данной схеме показана производительность турбин ТКР.

К примеру турбина ТКР-6, которая применяется на машинах типа «Бычок», «Валдай», выдаёт максимально 130 л/с на дизельном двигателе, и 250 л/с на бензиновом.
Имеются экземпляры автомобилей ВАЗ с гибридным турбокомпрессором ТКР 6-7, мощностью свыше 300 л/с. На ТКР-6 диаметр компрессорного колеса 60 мм, а на ТКР-10 соответственно 100 мм, это видно из маркировки турбин.
ТКР рассчитаны на двигатели большого объёма, поэтому есть смысл при применении на бензиновых малообъёмных двигателях составлять гибрид, то есть брать горячую часть от более мелкой турбины, для более ранней раскрутки турбинного вала (спул).

Клапан вестгейт (Wastegate).

Обходной клапан вестгейт служит для защиты подшипника турбины и двигателя от разрушения. Поток выхлопных газов старается раскрутить крыльчатку до бесконечности, тем самым нагнетая всё больше и больше воздуха в двигатель. Соответственно воздух увеличивает количество рабочей смеси, увеличивая поток выхлопных газов. Турбина раскручивается ещё быстрее. Получается замкнутый цикл.
Если этот цикл не остановить, турбина набирает обороты гораздо больше максимальных 100000-150000 об/мин, выдавая большое давление наддува. Если двигатель не расчитан на такое давление, произойдёт детонация, и скорый выход из строя поршней. Так же высокие обороты турбины вызывают помпаж (Surge), это когда воздух уже идёт не в двигатель, а обратно на вход компрессора, с соответствующим звуком.
Обходной клапан бывает двух видов: встроенный и внешний. Встроенный (актуатор) крепится прямо на турбине, и имеет заслонку, которая отводит часть выхлопных газов, при достижении определённого давления, в обход турбины, в глушитель. У него ограниченные возможности, он не может отводить слишком большой поток выхлопных газов.
Внешний клапан выполняет те же функции, но крепится на выпускном коллекторе. При достиженнии заданного давления компрессора, открывается, и начинает стравливать выхлопные газы с выпускного коллектора, в обход турбины — в глушитель, не позволяя раскручиваться турбине больше положенного.

Клапан блоу-оф (Blow-Off).

Его так же называют — байпасс, перепускной клапан (Bypass valve). Блоу-офф сбрасывает воздух на улицу (с соответствующим звуком), а байпасс обратно на вход турбины, как правило применяется с ДМРВ. В отличии от вестгейта этот клапан открывается не от давления турбокомпрессора, а от вакуума, который создаётся во впуске при закрытии дроссельной заслонки. Клапан блоу-оф ставится на впускной патрубок, между компрессором и дросселем. А вакуум берётся там же, где и на тормоза: во впускном коллекторе.
Представьте ситуацию: вы разгоняете двигатель, турбина набирает максимальные обороты, давление воздуха во впуске 2,5 атмосферы, поток воздуха на большой скорости поступает в двигатель, и… вы бросаете газ, что бы переключить скорость. Дроссельная заслонка закрывается, но турбина крутится на тех же оборотах. Упс… кажется это был пневмоудар (помпаж). Лопаткам компрессора в этот момент не позавидуешь. Как правило частый помпаж гнёт вал компрессора, лопатки, изнашивает упорный подшипник.
Вы переключили скорость, а лопатки турбины уже уменьшили своё вращение, и нужно опять их раскручивать, а это потеря времени.
Для того, что бы при закрытии дросселя, воздух нашёл себе путь, и существует клапан блоу-оф. Вакуум образуемый при закрытии дроссельной заслонки мгновенно открывает перепускной клапан, и поток воздуха безпрепятственно выходит на улицу, или на вход турбокомпрессора. Крыльчатка турбины при этом не теряет своих оборотов, и готова раскручиваться вновь, на новой передаче.

Интеркулер.

Интеркулер ( промежуточный охладитель воздуха ) является неотъемлемой частью двигателя с турбонаддувом. Он работает примерно как радиатор в автомобиле, только охлаждает не тосол, а воздух, нагретый турбиной. Турбокомпрессор имеет две части — горячую и холодную. Горячая часть раскручивается выхлопными газами, и сильно нагревается. Холодная часть закачивает атмосферный воздух в мотор, при этом тоже сильно нагревается от горячей части.
Горячий воздух сильно расширен, и в нём меньше молекул кислорода, так нужного двигателю. Поэтому воздух нужно охладить, иначе весь эффект от турбонаддува не будет иметь смысла. Чем холоднее воздух, поступающий в двигатель, тем больше его мощность.

Размер интеркулера тоже нельзя увеличивать бесконечно, чем больше интеркулер, тем больше турбопровал, то есть накачанный воздух пропадает в недрах слишком большого интеркулера при прибавке «газа». Но на мощных моторах он должен быть достаточно большим, иначе маленький интеркулер будет тормозить поток воздуха от большого турбокомпрессора. К примеру на моторе мощностью 1000 л/с входное и выходное отверстие интеркулера должно быть не менее 100 мм.
Интеркулер немного отличается по своему устройству от радиатора для тосола. В его каналах существуют дополнительные перегородки, для того чтобы воздух отдавал тепло как можно быстрее. Так же он выдерживает большое давление и температуру, и выполнен целиком из металла ( алюминия ) для большей прочности.

Мал золотник, да дорог.

Регулятор давления топлива (РДТ) применяется на инжекторных двигателях для поддержания постоянного давления топлива в топливной рейке, от которой питаются форсунки. Обычно давление топлива составляет 3 атмосферы, из этой цифры и расчитывается производительность форсунок у всех производителей. На новых моторах ВАЗ объёмом 1,6л (РДТ 380) давление топлива увеличено до 3,8 атм.
Но у РДТ 300 есть ещё одна полезная функция — он корректирует давление топлива, в зависимости от давления во впускном коллекторе. Для этого к регулятору подходит резиновый шланг. На атмосферных двигателях при закрытии дроссельной заслонки в коллекторе создаётся вакуум, и соответственно топливо начинает поступать в двигатель интенсивнее. Обратный эффект происходит на двигателях с турбонаддувом: во впускном коллекторе образуется большое давление наддува, и топливо из форсунок поступает в меньших количествах, чем расчитывалось. Получается что производительность форсунок расчитывается на атмосферное давление. Но регулятор с функцией корректировки давления топлива помогает справиться с этой задачей.
Рекомендуемая корректировка давления топлива — 1:1 к изменению давления воздуха.
Для справки: при увеличении давления топлива на 100%, производительность форсунок увеличивается на 50%.

Масляный радиатор.

На двигателях с турбонаддувом сильно возрастает тепловой режим работы двигателя. Количество сгоревшей рабочей смеси за единицу времени увеличивается пропорционально давлению наддува, соответственно тепло переходит не только в мощность двигателя, но и передаётся его частям. Сильно нагреваются поршни, цилиндры, выпускная система и турбина.
При температуре 260`С минеральные компоненты в масле могут закоксоваться, и отложиться в масляных каналах и подшипнике турбокомпрессора. Так же масло при большом нагреве становится очень жидким и теряет смазывающие свойства. Синтетическое масло менее подвержено воздействию нагрева, почти не теряет вязкость и не коксуется, поэтому предпочтительней для двигателей.
Что бы не допустить перегрева масла, для этого служит масляный радиатор. Он подсоединяется к специальному переходнику под масляным фильтром. Большинство турбин не имеют канал для охлаждающей жидкости (тосола), и поэтому единственный способ охладить подшипник турбины — смазка холодным маслом.
Для отвода излишней температуры от турбо мотора все средства хороши, и поэтому иметь масляный радиатор желательно на каждой турбированной машине.

Пример турбирования ВАЗ свыше 500 л/с >>>

Моторы Формула-1 Турбо ЭРА >>>

Оставьте комментарий