Людина істота невгамовнa. Після того, як з'явився перший автомобіль, бажання їздити швидше й швидше не дає спокою ні конструкторам, ні автогонщика, ні поважним батькам багатодітних родин. Ще трохи більше швидкості, трохи вище потужність, швидше розгін так по крупицях винаходили, тестувалися і впроваджувалися в життя різні поліпшення двигунів.
Як збільшити потужність двигуна? Щоб отримати більше сили на виході, потрібно дати більше енергії на вході, а значить, спалити в двигуні більше палива. Оскільки закони фізики обійти ще нікому не вдалося, найпростішим способом буде збільшення обсягу двигуна. Чим більше палива згоряє в циліндрі, тим більше енергії вивільняється. Але цей шлях незабаром завів у глухий кут: збільшувати обсяг потрібно разом з вагою самого двигуна, і з певного моменту такий приріст втрачає сенс: мотор стає настільки важким і складним, що замість підвищення ефективності системи її показники, навпаки, знижуються. Але до цього людський геній породив таких монстрів, як 16-циліндрові двигуни, розроблені для гоночних автомобілів.
BRM V16: 16-циліндровий двигун з компресором,
кут між циліндрами 135 градусів, обсяг 1,5 л,
потужність 475 к.с. при 11500 об / хв
(Пікова потужність 500-600 к.с.),
зайняв 5-е місце на Гран-прі в Британії в 1951 г.
Якщо збільшувати обсяг двигуна можна тільки до певної межі, то другий варіант просто подати більше палива в циліндр. Але тут постає інша проблема: одночасно необхідно подати і більше повітря, щоб зберегти оптимальне (стехиометрическое) співвідношення 14 об'ємних частин повітря на 1 частина палива, необхідне для повного згорання. Конструктори прийшли до висновку, що при незмінному обсязі циліндра більше повітря до палива можна подати тільки за допомогою штучного наддуву. Так з'явилася ідея компресорів і турбін, що дозволяють збільшити потужність двигуна без зміни його кубатури. Як правило, компресорами називають пристрої, що працюють від коленвала двигуна, а турбінами; приводяться в рух потоком вихлопних газів. Але в обох випадках призначення їх однаково: подача додаткового повітря в камеру згоряння для збільшення потужності двигуна.
Приводні компресори
Роторний компресор, Roots, Рутс
Перший варіант конструкції, який і зараз можна зустріти на деяких автомобілях. Два зустрічно обертових ротора (двох-трьох-або чотирилопатевий) подають повітря у впускний колектор, нагнітаючи в ньому тиск, а з колектора повітря під напором надходить в циліндри двигуна.
Гвинтовий компресор, Lysholm, Лісхольм
Принцип дії дещо відрізняється від роторного: в корпусі розташовані два зустрічно обертових гвинта складної форми, які захоплюють повітря в канавки і транспортують його до випуску з одночасним стисненням. Продуктивність гвинтового компресора набагато вище, ніж роторного, і він не створює турбулентності повітряного потоку на високих оборотах.
Така конструкція вимагає високої точності виготовлення і якісних матеріалів, тому завжди коштувала набагато вище, ніж роторна. Можна сказати, що гвинтовий компресор відноситься до пристроїв класу & laquo; люкс & raquo;.
І роторний, і гвинтовий компресори працюють без присутності масла (за винятком підшипників валів). Корпус і самі деталі, що обертаються розділені між собою мікрозазори, і з цієї ж причини не потребують залишковому охолодженні після зупинки двигуна.
Синхронізація обертання валів виконана за допомогою шестеренчатой передачі від провідного вала (з'єднаного ремінним шківом з коленвалом двигуна) до веденого, що дозволяє добитися високої точності роботи компресора, без тертя і перегріву.
Відцентровий компресор
В його конструкції використовується тільки один вал, на якому закріплена крильчатка. При обертанні крильчатка захоплює повітря з центру і відкидає його по периметру, звідки він надходить в напірний патрубок. Така конструкція дозволяє зробити компресор негабаритним, легким, при цьому не втрачаючи в продуктивності.
Всі приводні нагнітачі (компресори) об'єднані спільними достоїнствами: простота монтажу, ефективність при різній швидкості оборотів, відсутність перегріву і турболага (турбоями) типовою проблеми турбін.
А основний загальний недолік привід від двигуна, в результаті чого трохи втрачається потужність і збільшується навантаження на нього. Але, незважаючи на це, установка компресора себе виправдовує: в середньому нагнітач дає приріст 46% до потужності двигуна.
Турбонагнетатель (турбокомпресор, турбіна)
Незважаючи на різноманітність конструкцій приводних компресорів, визнання автолюбителів завоювали турбіни нагнітачі з турбо-приводом.
Турбіна наводиться в дію не від коленвала, а від потоку вихлопних газів. Така конструкція повністю усуває навантаження на двигун і не вимагає додаткових потужностей для роботи.
Вихлопні гази, проходячи в порожнину турбіни, надають руху ротор, закріплений на одному валу з крильчаткою. А крильчатка, в свою чергу, під час обертання накачує повітря в систему впуску за тим же принципом, що і відцентровий компресор.
Особливістю турбіни є залежність швидкості обертання немає від оборотів двигуна безпосередньо, а від сили потоку відпрацьованих газів. З цим пов'язано явище турбоями або турболага затримки реакції турбіни (а отже, і набору потужності двигуном) при натисканні на педаль акселератора. Зовні це виглядає як секундна & laquo; задума & raquo; мотора, яка потім змінюється різким стрибком потужності. Конструктори борються з турболагом різними методами, від чіп-тюнінгу (зміна параметрів роботи двигуна) до установки електромотора або балона зі стисненим повітрям для миттєвої подачі його в двигун, поки турбіна НЕ розкрутиться.
Монтаж турбіни, на відміну від компресора, пов'язаний з певними труднощами. У зв'язку з високим навантаженням (швидкість обертання може досягати 300 тисяч обертів на хвилину на відміну від компресорів, швидкість яких максимум 20 тисяч обертів на хвилину) турбіна вимагає постійного мастила, так що її включають в масляну магістраль і підводять моторне масло під тиском. З цим пов'язана необхідність встановлювати турбіни тільки в спеціалізованому автосервісі.
Турбіна зі змінюваною геометрією, VNT
Однією з проблем турбокомпресорів є занадто висока швидкість обертання на великих оборотах двигуна і недостатня продуктивність на малих обертах. Щоб поліпшити характеристики пристрою, навколо основного ротора встановлюються додаткові лопаті, які змінюють своє положення у відповідь на команду регулюючого пристрою. Поворот, що збільшує площу ротора, допомагає зберегти високі обороти при низькому тиску вихлопних газів, а зменшення площі ротора допомагає турбіні з урахуванням дотримання меж оборотів, коли мотор працює на повній потужності. Це називають VNT (Variable Nozzle Turbine) або VGT-турбіною (Variable Geometry Turbocharger).
Турбіна зі змінюваною геометрією.
1. Прискорення обертання за рахунок & laquo; ефекту сопла & raquo ;: на сужающемся ділянці натиск повітряного потоку зростає.
2. Уповільнення обертання завдяки повороту лопатей, що розширюють канал для повітряного потоку.
Існують і інші модифікації таких турбін: з висувними лопатями, з іншим способом їх кріплення і т.д., але принцип дії від цього не змінюється.
Управління такою турбіною здійснюється від вакуумного регулятора, електромотора або завдяки інерційному повороту самих лопатей.
Комбіновані системи
В різний час автоконструктори експериментували з різними способами поліпшення характеристик двигуна. Так з'явилася система подвійного турбонаддува Twin Turbo або комбінована система. Ці інженерні вишукування були спрямовані на усунення характерних недоліків різних видів компресорів.
Подвійний турбонаддув
По суті, це дві турбіни, встановлені на двигун по паралельній, послідовної або ступінчастою схемою. Спочатку така система призначалася для усунення турболага, але вона також допомагає підвищити потужність, оптимізувати режим роботи двигуна і навіть знизити витрату палива.
Паралельна система
Складається з двох турбін з однаковими характеристиками, підключених паралельно один одному. Може встановлюватися на потужні V-подібні двигуни, по одній турбіні на кожен ряд циліндрів. Кожна з турбін підключається до окремого відгалуження випускного колектора. Перевага цієї системи в тому, що можна встановити маленькі турбіни, які набагато легше набирають швидкість обертання, і таким чином зменшити ефект турболага.
Послідовна система
Вгорі: робота однієї турбіни на малих обертах двигуна.
Внизу: Робота двох турбін для максимальної потужності.
Складається з двох турбін, одна з яких працює постійно, а друга включається в разі потреби (потік відпрацьованих газів направляється на другу турбіну при відкритті клапана на випускному колекторі). Повітря від обох турбін надходить в загальний впускний колектор двигуна.
Двухступенчатая система
1. Дві турбіни працюють послідовно (низькі обороти).
2. Турбіни працюють паралельно (середні обороти).
3. Працює тільки велика турбіна (високі обороти).
Досить складна, але ефективна система, що складається з двох послідовно підключених турбін різного розміру, з'єднаних пропускними патрубками і клапанами. На малих обертах двигуна працює тільки менша турбіна, оскільки вона легше і має меншу інерцію. При включенні середніх оборотів підключається велика, і обидві турбіни працюють послідовно: велика подає потік повітря на малу, від якої він надходить у впускний колектор. При цьому швидкість великий турбіни поступово збільшується, і на максимальних обертах мала турбіна відключається, щоб не затримувати потік повітря до мотору. Вся система регулюється датчиками і електромагнітними клапанами, що відкривають або закривають окремі ділянки системи вихлопу. З точки зору продуктивності двигуна, двоступенева система дає максимальний ефект.
Комбінований наддув, TSI
Спроби подолати ефект турбоями привели до створення концерном Volkswagen системи комбінованого наддуву TSI (Turbo Stratified Injection), в якій поєднується приводний нагнітач і турбіна. Система підключена східчасто: на низьких оборотах двигуна працює тільки компресор, що дає в такому режимі максимальний ефект. На середніх оборотах компресор і турбіна працюють разом, а на максимальних обертах компресор відключається, і працює одна турбіна. Такий спосіб наддуву повністю усуває ефект турбоями, але виявився занадто дорогим як у виробництві, так і в обслуговуванні, і з 2011 року двигуни з комбінованим наддувом вже не виробляють.
Технічні характеристики: що важливо знати про турбіні?
Один з найважливіших технічних показників турбіни це ступінь компресії: здатність підвищувати тиск у впускному колекторі і відповідно в циліндрах двигуна. Знати цей параметр необхідно тим, хто хоче тюнінгувати свій автомобіль і проводить розрахунки для турбіни.
Ступінь компресії має дві крайності: чим вона вища, тим більше потужності можна отримати від мотора (більше стискається паливно-повітряна суміш в циліндрі і сильніше віддача від її згоряння). Але при перевищенні максимально допустимої сили стиснення з'являється ефект детонації: суміш згоряє не тоді, коли потрібно, а тоді, коли її стискання призводить до Самозаймання. З цієї причини на турбованих двигунах використовують високооктановий бензин.
Тобто, максимальна компресія показує максимально можливу кількість палива (і відповідно повітря), яке можна подати в циліндр без шкоди для двигуна.
Другий показник турбіни робочий діапазон обертання ротора. Це показник швидкості обертання від мінімально корисної до максимально безпечною для пристрою, перевищення якої веде до перегріву і передчасного зносу.
Також незайвим буде врахувати показники термоустойчивости турбіни. Зазвичай виробники вказують максимальну температуру відпрацьованих газів на вході в турбіну і максимальну температуру масла на вході. Чим потужніше двигун, тим вище будуть ці температури і тим ретельніше потрібно вибирати компресор.
Оскільки турбіна підключається до масляної магістралі, виробники вказують оптимальні і мінімальні показники тиску масла на вході.
Продуктивність компресора визначається обсягом повітря, що пропускається за один оборот ротора. Чим більше турбіна, тим вище цей показник, але і вище інерційність, так що в більшості випадків фахівці рекомендують вибирати компресори середньої продуктивності.
Скільки служить турбіна і чому виходить з ладу
Багато автомобілістів називають турбіну витратним матеріалом: термін служби її не дуже радує любителів вуличних гонок. За ідеальних умов (пересування по місту, регулярне ТО) турбіна прослужить приблизно 150 тис. Км. Але ж турбіни ставлять не для того, щоб чинно їздити 50 км/год, так що при екстремальному використанні ресурс можна сміливо ділити на 2, і то при грамотному обслуговуванні своєї машини.
Безжальна статистика стверджує: тільки 5% турбін виходять з ладу, "померши своєю смертю", тобто виробивши закладений в них ресурс повністю. В абсолютній більшості випадків поломки трапляються через недогляд або недбалість господаря автомобіля.
Два найстрашніших ворога турбіни сторонні предмети і масляне голодування (і взагалі проблеми з маслом).
З огляду на величезну швидкість обертання, навіть невинна на перший погляд пил може за короткий час сточити лопаті, забитися в підшипники і вивести турбіну з ладу. Тому турбовані двигуни набагато чутливіше до якості повітряного фільтра, ніж звичайні атмосферні. Додати сюди додаткове навантаження на фільтр (повітря проходить через нього з досить сильним напором) і стає зрозуміло, чому багато, тюнінгуем свій автомобіль, ставлять фільтри нульового опору.
Але, яким би якісним не був фільтр, він може постраждати від потрапила в повітрозабірник вологи і зіпсуватися (папір після висихання вже не виконує свої функції). Після поїздки під хорошим сильним дощем краще оглянути фільтр відразу, і в разі необхідності замінити. Дешевше вийде.
Пошкодження турбіни сторонніми предметами
Сторонні предмети можуть потрапити не тільки на крильчатку турбіни, а й на ротор. Найчастіше це частинки коксу з випускного колектора, а іноді і деталі двигуна (уламки клапанів, свічок запалювання і т.д.) Якщо мотор посипався, турбіна вмирає практично відразу.
Проблеми зі змазкою турбіни зустрічаються навіть частіше, ніж поломки через сторонніх предметів. Одна з найпоширеніших причин проблеми використання нерегламентованої оливи (більшої в'язкості, іншої якості і т.д.) У турбованих двигунах вимоги до масла на порядок жорсткіше, ніж в атмосферних! Від & laquo; неправильного & raquo; масла турбіна виходить з ладу раніше, ніж двигун.
Тут же потрібно нагадати про інтервал заміни масла і оливного фільтра. Згодом в маслі, і особливо в фільтрі, накопичуються продукти згоряння, тверді частинки різного розміру. Фільтр забивається і не пропускає достатню кількість масла, після чого в ньому спрацьовує перепускний клапан і масло проходить безпосередньо, без очищення. Якщо двигун ще трохи попрацює в такому режимі, то турбіна вийде з ладу відразу: тверді частинки спрацюють як абразив, а більш дрібні заб'ють канали для подачі масла до підшипників турбіни. При розбиранні компресорів, які постраждали від масляного голодування, на металі часто можна бачити не тільки стертих, але і кольори мінливості свідоцтво критичного перегріву.
Вал турбіни зі слідами перегріву
Одним словом, система з наддувом набагато чутливіше до роботи всіх суміжних вузлів, ніж проста атмосферна. Це відноситься не тільки до запалювання, подачі палива і т.д., але і до стану каталізатора та фільтр сажі. Несправний каталізатор призводить до утворення сажі і коксу в випускний системі, підвищення навантаження на турбіну, а від нештатних навантажень вона виходить з ладу.
Тріщина в корпусі
Чи купувати автомобіль з турбодвигуном?
Незважаючи на переваги турбированних моторів, виробники продовжують випускати атмосферні двигуни, а покупці часто вибирають саме їх. Мотор без наддуву привертає більшою надійністю, меншими вимогами, меншими витратами на обслуговування і ремонт. Так що для спокійної"сімейної"їзди підійде і хороший "атмосферник", який, до речі, може бути набагато ефективніше, ніж двигун з неправильно підібраною або криво встановленої турбіною.
Але ж машина може більше! Установка компресора дозволяє розкритися потенціалу двигуна, до того ж, як уже говорилося вище, турбонаддув допомагає економити паливо за рахунок оптимізації процесу роботи. Так що любителі швидкої їзди вибирають турбо.
Немає однозначної відповіді, що вибрати: атмосферний двигун, приводний компресор або турбіну. Всі вони мають свої плюси і мінуси, і потрібно визначитися, що підійде саме під ваші потреби і бажання.
