Как работает турбина на бензиновом двигателе: описание процесса

Как работает турбина на бензиновом двигателе? В двух словах сложно описать. Это целая система, которая продумана и воплощена в жизнь инженерами. И чтобы понимать логику вещей, нужно хотя бы немного разбираться в моторах.

На что обратить внимание? Турбины на бензине и на дизеле отличаются и устройством, и даже принципом работы. Различия обусловлены разными характеристиками типов работы двигателей. И водителям в этом следует разбираться.

Зачем нужна турбина на бензиновом двигателе

Недостаток мощности всегда оставался одной из главных проблем двигателестроения. Как только двигатель внутреннего сгорания доказал свою эффективность, инженеры сразу начали искать способы сделать его производительнее. Долгое время самым очевидным решением считалось увеличение размеров мотора: рос рабочий объем, прибавлялись цилиндры, а конструкторы разных стран соревновались, создавая все более крупные и мощные силовые агрегаты.

Как работает турбина на бензиновом двигателе? Принцип достаточно прост. Источником энергии для двигателя служит топливовоздушная смесь: чем больше ее удается сжечь в цилиндрах за один цикл, тем выше мощность мотора. Однако бесконечно увеличивать рабочий объем двигателя невозможно. Размеры камеры сгорания ограничены конструкцией автомобиля, поэтому наращивать габариты силового агрегата можно лишь до определенного предела.

Изображение: freepik / magnific.com

Решение заключается в другом. Топливовоздушная смесь состоит не только из топлива, но и из воздуха. Если количество бензина ограничено объемом цилиндров, то воздух можно предварительно сжать и подать в двигатель под давлением. Благодаря этому в тот же объем цилиндра поступает больше кислорода, что позволяет сжечь больше топлива и повысить мощность без увеличения размеров двигателя.

Что такое турбина на бензиновом двигателе

Сегодня турбонаддув применяется на большей части всех современных бензиновых двигателей. Хотя массовым это решение стало сравнительно недавно, сама технология появилась практически одновременно с первыми двигателями внутреннего сгорания.

Запишитесь на диагностику и узнайте точную стоимость ремонта агрегата за 1 визит

Проверим агрегат и покажем, что выгоднее: ремонт, восстановление или замена

• Определим причину стука, люфта, течи или гула
• Подберём решение с ремонтом от 1 дня и гарантией до 12 месяцев
• Назовём и зафиксируем точную цену до начала работ

Записаться на диагностику

Запишитесь на диагностику и узнайте точную стоимость ремонта агрегата за 1 визит

Проверим агрегат и покажем, что выгоднее: ремонт, восстановление или замена

• Определим причину стука, люфта, течи или гула
• Подберём решение с ремонтом от 1 дня и гарантией до 12 месяцев
• Назовём и зафиксируем точную цену до начала работ

Записаться на диагностику

Турбонаддув обеспечивает активную подачу воздуха в цилиндры за счет энергии выхлопных газов. Поток отработавших газов раскручивает турбину, которая через общий вал приводит в действие компрессор. Он сжимает поступающий поток воздуха и направляет его в двигатель под сильным давлением. Увеличенное количество кислорода в цилиндрах позволяет сжигать больше топлива за один рабочий цикл, благодаря чему возрастает мощность двигателя.

Как устроена турбина на бензиновом двигателе

Чтобы понять, как работает турбина на бензиновом двигателе, стоит ознакомиться со схемой его конструкции. Турбокомпрессор, или турбонагнетатель, состоит из двух основных частей: «горячей» и «холодной». Обе имеют спиралевидный корпус, из-за чего в обиходе турбину нередко называют «улиткой».

«Горячая» часть соединена с выпускной системой двигателя и работает с потоком отработавших газов, температура которых может достигать 1000 °C. Поэтому ее корпус обычно изготавливают из жаропрочного чугуна с добавлением никеля. Внутри расположено турбинное колесо с лопатками, закрепленное на общем валу. На противоположном конце этого вала находится компрессорное колесо, размещенное в «холодной» части турбины. Оно засасывает наружный воздух, сжимает его и направляет в двигатель. Поскольку здесь отсутствует воздействие экстремально высоких температур, корпус компрессора обычно изготавливают из алюминиевых сплавов.

«Горячая» и «холодная» части турбокомпрессора соединены центральным картриджем. В нем расположен общий вал с подшипниками, а также предусмотрены каналы для подачи смазки и охлаждения. В зависимости от конструкции турбина может охлаждаться моторным маслом либо комбинированной системой, использующей масло и охлаждающую жидкость, которые циркулируют по отдельным каналам.

Еще одним важным элементом турбокомпрессора является вейстгейт (wastegate) — перепускной клапан, регулирующий давление наддува. При необходимости он направляет часть выхлопных газов в обход турбинного колеса, ограничивая скорость вращения ротора и производительность турбины. Работой клапана управляет актуатор, который открывает и закрывает его в зависимости от режима работы двигателя.

Изображение: freepik / magnific.com

Вейстгейт контролирует силу давления наддува при открытой дроссельной заслонке. Например, во время интенсивного разгона он может перенаправлять часть выхлопных газов в обход турбинного колеса, ограничивая скорость вращения турбины и предотвращая чрезмерное повышение давления. После резкого отпускания педали газа возникает другая ситуация. Турбокомпрессор по инерции продолжает нагнетать воздух, однако закрытая дроссельная заслонка препятствует его поступлению в двигатель. Чтобы избыточное давление не повредило элементы системы наддува, используются предохранительные клапаны двух типов.

Байпасный (перепускной) клапан возвращает сжатый воздух во впускной тракт перед компрессором, где он вновь участвует в работе системы.

Клапан «блоу-офф» (blow-off), также называемый редукционным, выпускает избыток воздуха непосредственно в атмосферу. Именно в этот момент появляется характерный свист, знакомый владельцам многих турбированных автомобилей.

Байпасный клапан благодаря более тихой работе чаще устанавливают на серийные автомобили, тогда как клапан «блоу-офф» обычно встречается на спортивных и доработанных машинах.

Разобраться с принципом работы турбокомпрессора не так уж трудно. Поток отработавших газов поступает в «горячую» часть и раскручивает турбинное колесо. Оно соединено общим валом с компрессором, расположенным в «холодной» части, поэтому одновременно начинает вращаться и компрессорное колесо, которое, всасывая наружный воздух, сжимает его и подает во впускную систему двигателя.

При сжатии температура воздуха повышается, а его плотность снижается. Одновременно возрастает вероятность детонации топливовоздушной смеси. Чтобы этого избежать, между турбокомпрессором и двигателем ставится интеркулер — теплообменник, охлаждающий сжатый воздух перед его поступлением в цилиндры.

Охлажденный воздух обладает более высокой плотностью, поэтому в цилиндрах циркулирует больше кислорода, что непосредственно влияет на подачу топлива и мощность двигателя.

После сгорания топливовоздушной смеси отработавшие газы через выпускной коллектор вновь поступают в турбину, раскручивая турбинное колесо. Благодаря этому цикл работы турбокомпрессора непрерывно повторяется, а вейстгейт и другие клапаны включаются только тогда, когда необходимо отрегулировать давление наддува или сбросить его избыток.

Улучшить эффект турбонаддува позволяет и турбина с изменяемой геометрией. В ее конструкции предусмотрены поворотные направляющие лопатки, которые изменяют направление потока выхлопных газов, подаваемых на турбинное колесо. Это помогает быстрее раскручивать турбину на низких оборотах двигателя, когда энергии выхлопных газов еще недостаточно. В результате двигатель увереннее тянет с малых оборотов, а эффект турболага становится менее заметным. 

В некоторых конструкциях турбин с изменяемой геометрией нет необходимости в отдельном вейстгейте.

Впервые турбины с изменяемой геометрией получили широкое распространение на дизельных двигателях, где доказали свою эффективность. На бензиновых моторах они встречаются значительно реже. Причина заключается в более высокой температуре выхлопных газов, которая усложняет конструкцию турбокомпрессора и увеличивает стоимость его производства. Одним из известных примеров применения такой технологии является автомобиль Porsche 911 Turbo.

Читайте также!

Как узнать размер подшипника по маркировке и без нее

Подробнее

Еще одним способом повысить эффективность турбонаддува стала технология Twin-scroll. В такой конструкции поток отработавших газов от разных групп цилиндров подается к турбинному колесу по двум раздельным каналам. Это уменьшает пульсации выхлопного потока, позволяет эффективнее использовать его энергию и улучшает отклик двигателя.  

Как правильно использовать турбину на бензиновом двигателе

Чтобы турбокомпрессор служил долго и сохранял эффективность, важно не только понимать, как работает турбина на бензиновом двигателе, но и соблюдать базовые правила эксплуатации.

Перед началом движения, особенно в холодное время года, не стоит сразу подвергать двигатель высоким нагрузкам. Дайте ему немного поработать, чтобы моторное масло достигло рабочей температуры и обеспечило полноценную смазку подшипников турбокомпрессора.

После интенсивной поездки также не рекомендуется сразу глушить двигатель. В течение одной-двух минут ему лучше поработать на холостом ходу. За это время турбина постепенно остынет, а масло продолжит циркулировать через ее подшипники. Если остановить двигатель сразу после высокой нагрузки, прекращение подачи масла может ускорить износ деталей из-за перегрева.

Несмотря на высокий запас мощности турбированных двигателей, постоянные резкие разгоны и торможения увеличивают нагрузку на турбокомпрессор и могут ускорить износ его деталей. Более спокойный стиль вождения способствует увеличению ресурса системы наддува.

Не менее важно использовать топливо, рекомендованное производителем автомобиля. Некачественный бензин с посторонними примесями способен негативно повлиять на работу турбокомпрессора и двигателя в целом.

Избегайте постоянных резких ускорений и торможений. Агрессивная манера вождения увеличивает нагрузку на турбокомпрессор и может сократить срок его службы.

Используйте топливо, рекомендованное производителем автомобиля. Некачественный бензин с посторонними примесями способен ухудшить работу турбокомпрессора и двигателя в целом.

Контролируйте состояние системы охлаждения. Регулярно проверяйте уровень охлаждающей жидкости и исправность радиатора, чтобы снизить риск перегрева двигателя и турбины.

Проводите регулярную диагностику турбокомпрессора. Проверяйте систему на наличие утечек масла и воздуха, оценивайте состояние подшипников и крыльчаток, а при необходимости очищайте интеркулер и элементы впускной системы.

Если автомобиль новый, соблюдайте рекомендации производителя по обкатке. В течение первых тысяч километров избегайте максимальных нагрузок и высоких оборотов двигателя.

Используйте моторное масло, соответствующее требованиям производителя автомобиля. Для турбированных двигателей особенно важно, чтобы оно сохраняло свои свойства при высоких температурах и повышенных нагрузках.

Заправляйтесь на проверенных автозаправочных станциях. Качественное топливо снижает риск возникновения проблем, связанных с примесями и нестабильным составом бензина.

Соблюдение этих рекомендаций поможет продлить срок службы турбокомпрессора и сохранить стабильную работу двигателя.

Чем отличается работа турбины на бензиновом и дизельном двигателе

То, как работает турбина на бензиновом и дизельном двигателях, может отличаться из-за особенностей процесса сгорания топлива и условий эксплуатации.

Температура выхлопных газов

У бензиновых двигателей температура выхлопных газов обычно выше, чем у дизельных. 

Из-за этого турбокомпрессор работает в более тяжелых температурных условиях и испытывает повышенные тепловые нагрузки.

Давление наддува

На бензиновых двигателях давление наддува обычно ограничивают из-за риска детонации — неконтролируемого воспламенения топливовоздушной смеси. При повышении давления возрастает температура воздуха в цилиндрах, что увеличивает вероятность преждевременного сгорания топлива и может привести к повреждению двигателя.

Читайте также!

Машину ведет влево: основные причины «неадекватного» поведения автомобиля

Подробнее

Дизельные двигатели менее чувствительны к этому явлению. Поскольку воспламенение топлива в них происходит за счет высокого давления, а не искры, они способны работать с более высоким давлением наддува, получая большую отдачу при сравнительно небольшом рабочем объеме.

Система управления турбонаддувом

На дизельных моторах широко применяются турбины с изменяемой геометрией (VGT), которые изменяют направление потока выхлопных газов в зависимости от режима работы двигателя. Это помогает уменьшить турболаг и сделать подачу мощности более равномерной.

На бензиновых двигателях такие турбины используются значительно реже из-за более высокой температуры выхлопных газов, которая усложняет их конструкцию и повышает стоимость. Поэтому здесь чаще применяются другие способы регулирования давления наддува.

Топливо и система питания

Для бензиновых двигателей особенно важен точный контроль состава топливовоздушной смеси. Неправильное соотношение воздуха и топлива повышает риск детонации и перегрева, поэтому системы впрыска и управления наддувом должны работать с высокой точностью.

В дизельных двигателях процесс сгорания организован иначе, однако эффективная работа турбонаддува также требует точного управления подачей топлива и давлением наддува. От корректной настройки этих систем зависят мощность, экономичность и надежность двигателя.

Охлаждение

Температура выхлопных газов предъявляет высокие требования к охлаждению турбокомпрессора. Не менее важную роль играет и интеркулер, который снижает температуру сжатого воздуха перед его поступлением в двигатель. На бензиновых моторах интеркулеры нередко имеют большую эффективность, поскольку более интенсивное охлаждение помогает уменьшить риск детонации.

Эксплуатационные характеристики

Бензиновые турбированные двигатели отличаются быстрым откликом на нажатие педали акселератора и высокой отдачей на средних и высоких оборотах. Благодаря этим особенностям они хорошо подходят для динамичного вождения и спортивных автомобилей. 

Турбодизели, напротив, развивают высокий крутящий момент уже на низких оборотах. Это обеспечивает уверенную тягу с самого начала движения, поэтому такие двигатели широко применяются на грузовых автомобилях, внедорожниках и коммерческом транспорте.

Итак, различия в работе турбонаддува на бензиновых и дизельных двигателях определяются особенностями их конструкции, процесса сгорания топлива и условий эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы о работе турбины на бензиновом двигателе

Возможна ли установка турбонаддува на двигатель, не предусматривающий его наличие?

Такая доработка возможна, однако требует серьезного вмешательства в конструкцию автомобиля. Помимо установки самого турбокомпрессора, обычно приходится модернизировать систему впуска и выпуска, топливную систему, систему охлаждения и электронный блок управления. Поэтому установка турбонаддува считается сложной и затратной процедурой, которую целесообразно выполнять только после тщательной подготовки проекта. 

Из-за чего чаще всего ломается турбина?

Наиболее распространенными причинами неисправностей являются перегрев, недостаточная смазка, износ или повреждение лопаток, попадание в турбокомпрессор посторонних частиц, а также износ уплотнений, вызывающий утечки масла и воздуха.

Как понять, что не работает должным образом турбина на бензиновом двигателе?

О возможных проблемах могут свидетельствовать потеря мощности, ухудшение разгонной динамики, увеличение расхода топлива, посторонние шумы и вибрации и дым из выхлопной системы. Синий дым нередко указывает на попадание моторного масла в цилиндры.

При появлении любых признаков поломки желательно как можно скорее снизить нагрузку на двигатель и провести диагностику. Своевременное устранение неисправности позволяет избежать более серьезных повреждений турбокомпрессора и двигателя.

Источник изображения на шапке: freepik / magnific.com

Автор Дмитрий Ладикайнен руководитель компании

Понравилась статья? Поделитесь: