Дизельный двигатель без турбины

Вопросы, рассмотренные в материале:

• В чем отличия турбинных двигателей на автомобиле от обычных
• Какой принцип действия у турбинного двигателя на автомобиле
• В чем преимущества и недостатки турбинного двигателя

Автовладельцы наверняка слышали об автомобилях, комплектация которых предполагает наличие турбированного двигателя. Такие двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют как почитателей, так и противников. В этой статье поговорим о том, в чем заключаются преимущества и недостатки турбинных двигателей на автомобиле.

Особенности турбинного двигателя на автомобиле

Страны, в которых большинство пользуются автомобильным транспортом, ведут активную борьбу за экономию топлива и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу. Благодаря этому турбинные двигатели среднего и малого объема на автомобилях приобретают все больший спрос.

Впервые турбинные ДВС увидели свет в 1905 году, однако легковые автомобили начали комплектоваться такими моторами со второй половины прошлого века. Что это – турбинный двигатель на автомобиле? Турбонаддув представляет собой систему, нагнетающую в цилиндры атмосферного двигателя дополнительный воздух, что увеличивает среднее эффективное давление в цилиндрах. За счет этого повышается мощность ДВС, при этом его конструкция остается неизменной.

Функционирование мотора с турбонаддувом обеспечивается благодаря приводному нагнетателю, который пользуется энергией отработанных газов. Газы заставляют вращаться колесо турбины, а она, в свою очередь, используя роторный вал, приводит в движение колесо компрессора. Нагреваемый воздух сжимается колесом, а затем поступает в интеркулер, где охлаждается, после чего направляется в цилиндры.

Существует мнение, что благодаря турбинным двигателям автомобили отличаются экономичностью в городском цикле (об этом говорят производители) в сочетании со значительной пиковой мощностью при достижении максимальных оборотов (об этом также пишут автомобильные компании). В связи с этим автопроизводители начали укомплектовывать выпускаемые автомобили этим типом ДВС, поскольку данное решение позволяет соблюдать ужесточающиеся экологические стандарты и при этом сохраняет привычный уровень мощности, а в ряде случаев предлагает даже более высокий.

В настоящее время турбинными двигателями оснащаются различные типы автомобилей, их можно встретить в спорткарах, кроссоверах, внедорожниках и пикапах.

Турбинные двигатели для автомобилей совершили прорыв в современном производстве силовых агрегатов. Задача их создателей заключалась в увеличении мощности ДВС при сохранении прежнего объема. А поскольку турбинами предполагалось комплектовать автомобили массового сегмента, они должны были обладать высокой надежностью.

Для направления тепловоздушной смеси в камеру сгорания в турбодвижке используется давление. Это позволяет увеличить крутящий момент и мощность мотора в целом. Турбиной оснащаются двигатели небольшого объема, использующие малое количество топлива, которые должны отвечать строгим стандартам экологичности. В этих ДВС турбина включается в работу за счет остающейся в выхлопных газах остаточной энергии. Газы приводят к образованию принудительного давления в цилиндрах, в которых топливовоздушная смесь готовится к последующей работе.

Рекомендуем

Изначально турбинами оснащались дизельные автомобили, так как конструктивные особенности турбонаддува при установке на бензиновый силовой агрегат приводили к снижению надежности мотора и увеличению стоимости. Позднее турбины претерпели конструктивные изменения, позволившие устанавливать их также и на бензиновые ДВС большинства авто, выпускаемых массово.

Принцип работы турбинного двигателя на автомобиле

В зависимости от устройства и принципа действия ДВС бывают:

Разница между ними заключается в том, что в систему турбонаддува входит компрессор, интеркулер, регулятор давления наддува и пр. Основным элементом является турбокомпрессор, который отвечает за повышение давления в системе впуска воздуха. Интеркулер необходим для охлаждения воздуха и увеличения его плотности.

Система находится под управлением регулятора наддува – перепускного клапана, который контролирует давление газов. Ограничивая их количество, клапан создает оптимальное давление в системе.

Турбокомпрессор функционирует следующим образом:

• Пройдя сквозь воздушный фильтр, воздух достигает входного отверстия.
• Воздух сжимается, процент содержания в нем кислорода повышается; за счет нагрева воздуха уменьшается его плотность.
• Воздушная масса выходит из турбинного компрессора, попадает в интеркулер, где охлаждается.
• Через дроссель и впускной коллектор сжатый воздух попадает в цилиндры двигателя.
• Часть образовавшихся при работе двигателя выхлопных газов подается турбиной обратно в коллектор турбины; за счет этого воздушного потока приводится в движение вал, на одном из концов которого находится компрессор.
• После этого воздух начинает повторно сжиматься.

Бензиновые и дизельные турбинные двигатели на автомобилях практически идентичны, разница заключается только в уровне наддува. Для дизельных ДВС необходимо большее давление, в связи с этим они комплектуются более мощными нагнетателями воздуха. Бензиновым двигателям достаточно нагнетателей меньшей мощности, поскольку излишнее давление в камере сгорания может привести к детонации.

1. Бензиновый турбинный двигатель на автомобиле представляет собой ДВС с искусственно увеличенным благодаря турбине уровнем сжатия воздуха в камерах. За счет повышения этого параметра увеличивается мощность мотора и ряд других характеристик.

Создав самый первый силовой агрегат, инженеры начали попытки увеличения его мощности без значительного изменения объема мотора. Казалось бы, решить эту задачу очень просто, позволив ДВС более эффективно «дышать». Дополнительный объем воздуха, поступающий в цилиндры принудительно, под давлением, способен улучшить параметры сгорания топливовоздушной смеси.

За счет большего объема воздуха топливо может прогорать полностью, тем самым повышая мощность. Однако внедрение новых технологий происходило медленно. Изначально турбокомпрессоры устанавливались только на большие двигатели кораблей и авиации.

Турбодизельные агрегаты имеют практически аналогичное строение. Разница между бензиновым и дизельным турбинным двигателем на автомобиле заключается в наличии интеркулера – узла, охлаждающего воздух перед его поступлением в цилиндры. Так как холодный воздух имеет меньший объем по сравнению с теплым, он может поступить в цилиндры в большем количестве.

Преимущества и недостатки турбинных двигателей

Владельцы автомобилей с турбинными двигателями говорят о следующих преимуществах турбины:

1. Дополнительная бесплатная мощность двигателя автомобиля. Считается, что благодаря турбине на выхлопном коллекторе ДВС возникает добавочная энергия, вращающая аналогичную турбину на впуске. Таким образом, выхлопные газы используются в качестве бесплатного источника энергии для нагнетателя.

Впрочем, назвать эту теорию бесспорной нельзя, поскольку выпуск обладает так называемым сопротивлением. Инженеры на протяжении десятков лет работали над тем, чтобы снизить это сопротивление, поскольку в противном случае мощность двигателя не увеличится.

Для этого система комплектуется специальным генерирующим устройством, существенно уменьшающим выходное сопротивление. Соответственно, считать, что энергия, используемая турбонаддувом, является бесплатной, нельзя. Скорее ее можно считать дешевой.

Рекомендуем

Технически процесс достаточно прост. Нагнетатель является устройством, конструкция которого включает в себя два колеса – компрессорное и турбинное. Колесо турбины начинает вращаться за счет выхлопных газов, а затем приводит в движение компрессорное колесо, служащее для сжатия воздуха.

Компрессор взаимодействует с системой охлаждения автомобиля, так как в процессе эксплуатации он сильно нагревается. Для регулирования силы наддува используется перепускной клапан. При необходимости снизить давление внутри системы часть выхлопных газов пускается в обход турбины.

Мощность ДВС увеличивается, при этом его объем и масса остаются неизменными. Благодаря используемой технологии турбонаддува мощность силового агрегата повышается, несмотря на неизменность объема и количества цилиндров. Результатом является улучшение характеристик небольших двигателей, уменьшение общей массы авто, снижение тормозного пути и времени разгона.

Автомобили с турбинным двигателем являются более экономичными, они потребляют в несколько раз меньше топлива, чем требуется авто с атмосферными моторами аналогичной мощности. Объяснить это можно тем, что один ход поршня в цилиндре турбинного силового агрегата за счет полного сгорания топлива расходует меньшее количество горючего. То есть мощность возрастает за счет насыщения топливовоздушной смеси дополнительным объемом воздуха.

Рассуждая о том, плохо или хорошо иметь автомобиль с турбинным двигателем, отметим и недостатки такого мотора:

1. Зависимость работы турбины от оборотов. При разгоне авто на малых оборотах двигателя турбина не запустится, активного увеличения скорости не произойдет. Динамика разгона будет даже меньше, чем у ТС с обычными атмосферными моторами. На малых оборотах энергия выхлопных газов невелика, следовательно, вращение турбины нагнетателя будет слабым, а давление в камере сгорания – минимальным. Эффект от использования турбинного двигателя возникает лишь при высоких оборотах силового агрегата.
2. Процесс нагнетания воздуха происходит достаточно медленно. Создание необходимого давления на впуске требует определенного количества времени. Благодаря работе инженеров, занятых решением этой проблемы, интервал в работе нагнетателя стал несколько меньше.
3. Если комплектация авто предусматривает АКПП или вариатор, то при разгоне трансмиссия может автоматически перейти на более низкую передачу, уменьшая негативные последствия от инертности нагнетателя.

На сегодняшний день справиться с проблемой инертности турбинного двигателя на автомобиле можно за счет:

• битурбонаддува (двойного наддува);
• турбины с адаптивной геометрией;
• комбинированного наддува.

Двойной турбонаддув предполагает использование двух небольших турбин, работающих в итоге быстрее по сравнению с одной, но большей по размеру. На каждую турбину приходится равное число цилиндров двигателя. В качестве аналогии можно рассмотреть несколько компрессоров, начинающих работать в своем режиме при разных оборотах ДВС.

Турбина с адаптивной геометрией за счет изменения размера впускного канала может регулировать силу потока выхлопных газов, тем самым увеличивая эффективность работы турбинного двигателя автомобиля.

Конструкция комбинированного наддува включает турбокомпрессор и механический нагнетатель. При работе двигателя на малых оборотах давление создается за счет нагнетателя, но при увеличении оборотов до определенной величины включается турбинный компрессор.

Ранее отмечалось, что из-за сжатия воздуха температура в системе существенно возрастает, что отрицательно сказывается на ДВС. Чтобы избежать негативных последствий, используется дополнительное охлаждение, расходующее часть энергии.

Хотя у турбинного двигателя на автомобиле и есть определенные недостатки, все же он отлично повышает мощность, эффективность и экономичность силового агрегата. К тому же, специалисты полагают, что существуют дополнительные возможности усовершенствования турбомоторов.

Считается, что более простые двигатели являются более надежными. Исходя из этой логики, атмосферные ДВС должны быть более долговечными вследствие своей большей простоты. У турбинных двигателей на автомобилях больше элементов, соответственно, они имеют более сложное строение. Несмотря на их достаточно высокую надежность, в случае возникновения проблем с мотором затраты на его ремонт будут выше из-за более сложной конструкции.

Высокие нагрузки могут ускорить износ ряда узлов ДВС, что, соответственно, приведет к сокращению срока службы силового агрегата в целом. Сама турбина также подвергается повышенным нагрузкам: высокая скорость вращения лопаток, большой нагрев – все это способно привести к выходу ее из строя спустя 100–150 тыс. км. Конечно, не последнее значение имеют используемые смазочные материалы, топливо, качество самой турбины и т. п. Ну и стоимость турбокомпрессоров достаточно высока.

Отзывы водителей о турбинных двигателях

А что говорят водители о турбомоторах? Обратимся к отзывам автовладельцев о турбинных двигателях на автомобиле.

1. Расход топлива не отличается

– Турбина – отличная вещь, обычно включается, когда обороты поднимаются до 3 000. Значит, если сильно не разгоняться, то охлаждение не нужно, да и расход топлива будет таким же, как у обычного мотора.

Турбины живут долго при аккуратном уходе

– Нормальный уход и своевременная замена масла в двигателе – залог длительной службы классических турбин даже на бензиновых ДВС, они вполне смогут пройти 1,5–2 сотни тысяч и даже больше. Стоят турбины от 20 до 60 тыс. рублей, к тому же можно выбрать новую, б/у или китайский аналог. Чаще всего поломки не касаются механики турбины. На новых аппаратах ставят актуаторы управления, вот они из-за жестких условий эксплуатации чаще всего и выходят из строя.

Как долго турбина будет работать, зависит от условий эксплуатации автомобиля. Если она поломалась, отремонтировать чаще всего возможно, однако стоить это будет весьма недешево.

Рекомендуем

– Дизельные автомобили все должны быть с турбинными двигателями. Их легко тюнинговать, а работают они долго. Современные авто с турбомоторами разгоняются, конечно, очень быстро, даже если литраж маленький. Проблема одна – греются плохо и сами, и салон прогревают тоже неважно. У меня был 1,4 TSI – зимой не жарко было.

Низкие обороты турбине не страшны

– Современные автомобили с турбинными двигателями не предполагают каких-то особых условий эксплуатации. Раньше нельзя было сразу глушить машину, нужно было дать турбине остыть. Низких оборотов турбина не боится. Хотя сейчас моторы усовершенствованы и системы охлаждения на современные ДВС ставят инновационные, долго с включенной турбиной ездить не стоит, ресурс турбонагнетателя снижается.

Из-за резких ускорений и торможений турбина не страдает, поскольку у современных узлов есть клапаны сброса давления, которые ограничивают подачу воздуха и предотвращают детонацию, а также перепускной клапан, который поддерживает постоянное вращение компрессорного колеса, чтобы избежать эффекта турбоямы, оставив последующий быстрый отклик.

Не жмите газ для быстрого прогрева

– Пока двигатель не прогреется хотя бы до +50…+60 °С, не стоит его сильно нагружать. А вот когда прогреется, зазоры тепловые достигают заданных параметров, смазка и масло моторное тоже прогреваются. В общем, только заведя машину, не стоит сразу жать на газ, чтобы она быстрее прогрелась. В таком случае отработанные газы (а они горячие) начнут воздействовать на турбину, а из-за того, что масло недостаточно прогрето, оно хуже циркулирует в системе, что в итоге приводит к перегреву и повышенному износу турбины.

Глушить машину сразу после динамичной поездки не стоит

– Не надо глушить автомобиль с турбинным двигателем сразу после поездки, если во время езды вы активно использовали турбину, разогревая ее до сотен градусов. Если во время езды турбина подвергалась высоким нагрузкам, то пусть мотор 3–5 минут поработает на холостых оборотах. В этом случае работает масляный насос, масло циркулирует, отводит тепло и разводит смазку по турбине, которая по инерции вращается.

Эксплуатация ДВС на высоких оборотах приводит к тому, что турбокомпрессор совершает 100, а то и 250 тыс. оборотов в минуту. Если сразу двигатель выключить, то из-за перепада температуры в турбине, она быстрее из строя выйдет. Жар от турбины попадает в корпус подшипника, от этого карбонизируется масло, появляются отложения в системе подшипников, вал турбины повреждается. Но если эксплуатировать автомобиль в спокойном режиме, в городе в том числе, то никаких ограничений по времени выключения двигателя нет.

Какие самые лучшие и известные в мире двигатели?

С появлением на авторынке каждой новой модели становится уже понятно, что двигатели без турбонадува становятся редкостью и уходят постепенно в прошлое. Действительно, хотя очень жаль, все обычные силовые агрегаты относятся к исчезающему виду. Считается (это таки есть), что у нетурбированных моторов ресурсный запас по износостойкости а также по их мощности в сравнении с современными тувбированными агрегатами, более длительный и надежный но. Большинство автомобильных компаний в наши дни уже сделали (и делают) свою ставку на экономичность мотора, которая сегодня достигается за счет уменьшения количества цилиндров в таковом и за счет установки на нем турбокомпрессора. Как нам кажется, настало то время, когда за всю историю автомобильного мира можно подводить итоги и составлять рейтинги самых лучших двигателей никогда не имевших и неимеющих турбонадува. Предлагаем своим постоянным читателям восемь лучших двигателей за всю историю автопромышленности, а также несколько силовых и великих установок, которые не попали в этот итоговый список по тем или иным причинам. Данный рейтинг (список) был составлен зарубежными автомобильными экспертами.

Прежде чем перейти к составленному списку топовых (самых лучших) моторов, нам хотелось бы заранее отметить (чтобы составить рейтинг) следующее, а именно что зарубежными специалистами был проведен сравнительный анализ всех силовых агрегатов, которые когда-либо серийно выпускались в истории всей мировой автопромышленности. Для того, чтобы отобрать лучшие из моторов все они предварительно сравнивались нами, каждый друг с другом, где критерием для отбора были следующие параметры: мощность, крутящий момент, степень сжатия в цилиндрах и ход поршней.

Кроме всего такое исследование отвечало и на вопросы,- насколько двигатель хорошо выполняет свою предназначенную функцию, какой звук у данного работающего мотора, какому автобренду принадлежит этот силовой агрегат, доступность такого двигателя на авторынке, ну и также, проводился ли самоанализ инженерной изобретательности данной силовой установки. Но главным критерием при отборе самых качественных двигателей являлась его долговечность и надежность в процессе его эксплуатации.

8) Chevrolet Small-Block V-8.

Этот маленький двигатель в автомобиле Chevrolet был намного сложнее, чем покажется на первый взгляд. Этот мотор можно сказать уникальной конструкции, с облегченным блоком. Но независимо от его сложной и запутанной конструкции подлинное наследие и достижение этого мотора является его долгая история серийного производства. В первый год производства (в 1955 году) было произведено более миллиона штук (экземпляров) таких двигателей. Но самое удивительное здесь не это. В 2011 году этот двигатель по-прежнему продолжал выпускаться серийно. В этом году итоговое количество всех выпущенных моторов данной марки составило более 100 млн. штук (зкземпляров).

Компания "General Motors" в начале 50-х годов производила самое большое количество автомобилей в мире. Так например, его бренд Chevrolet продал в 1955 году 1,6 млн. автомобилей. В 1955 году новый двигатель V-8 был уже доступен на всех автомобилях марки Шевроле. (1955 Chevy Bel Air фото).

Стоит также отметить, что не смотря на наличие в агрегате 8 цилиндров сам блок мотора имеет довольно скромные размеры. Мотор "Small-Block" – это высшее мастерство инженерного искусства.

7) Ford Flathead V-8.

Впервые этот мотор появился на авторынке еще в далеком 1932 году, ничего еще подобного в мире не было. Это был огромный шаг (бросок) вперед инженерной мысли. В первую очередь силовой агрегат был предназначен для оснащения таких марок автомобилей как, авто Cadillac и авто Lincoln. Объем мотора в начале 30-х годов прошлого века составлял 3,6 литров. Мощность агрегата составляла 65 л.с. На фото: – (Генри Форд с двигателем Ford V-8 образца 1932 года).

В середине 1949 года вершиной развития силовых агрегатов стал непосредственно двигатель объемом в 3,9 литра и мощностью в 100 л.с. Именно с моделей автомобилей Форд образца 1949 года и начался подъем и второе возрождение после Второй Мировой войны всем известной компании "Ford Motor Companу". На фото: – (1949 Ford V-8 Кабриолет).

6) Toyota 4AGE Inline-4.

Этот Японский мотор создал хорошую репутацию для автобренда Тойота. Хорошая экономия топлива, отличный крутящий момент и простая интеграция силовой установки, что на переднеприводные, так и на заднеприводные автомашины.

Двигатель 4AGE в 80-х годах массово устанавливался на автомобили Corolla / Sprinter Trueno и MR2. На фото: – (1985 Toyota Corolla GT-S хэтчбек).

В двигателе 4AGE скорость хода поршней составляла 0,1 м/с, что было сравнимо с мотором в автомобиле марки Porsche 944 S2. Силовая установка автомобиля Тойота была скопирована с конкретного двигателя -Escort Cosworth BDA, в котором было точно такое же количество цилиндров, такой же ход поршней и одинаковые размеры всех клапанов.

На фото: – (1986 Toyota MR2).

5) Ferrari 458 V-8

К сожалению многих автолюбителей этот великий двигатель (с большой скоростью хода поршней) в скором времени может быть снят с производства из-за того, что выходит в свет (выпускается на рынок) новая модель автомобиля Феррари 488GTB, которая теперь будет оснащаться турбированным мотором. Новая модель авто пришла на смену авто-модели марки Ferrari 458. Фото двигателя: – (2014 Ferrari 458 Speciale).

В максимальном режиме работы мотора скорость хода поршней составляет 24 м/с. На фото: – (2014 Ferrari 458 Speciale).

В этом 4,5 литровом восьмицилиндровом двигателе на 1 литр объема приходится 130 л.с.

4) BMW E30 M3 Sport Evo Inline-4.

Многие поклонники автомобиля БМВ модели 1988 E30 M3 вспоминают его легендарный мотор, который устанавливался на машину. Вы думаете или считаете по сей день, что это самый легендарный силовой агрегат Баварской марки? Нет, не угадали. На самом деле лучшим двигателем "Sport Evo БМВ" был признан мотор от модели М3, которая (модель авто) выпускалась в 1991 году.

Данный мотор S14B23 имел объем 2,3 литра. Мощность на 1 литр объема агрегата составляла 83 л.с. при 6700 об/мин.

2,5 литровый мотор Evo S14B25 установленный на автомобиль БМВ на каждый литр объема имел 95 л.с. при 7000 об/мин. К тому же агрегат (двигатель) Evo S14B25 издавал звук намного мощнее, чем двигатель S14B23. На фото: – (1991 BMW M3 Sport Evo).

3) Acura Integra Type R B18C5 Inline-4.

Попадание этого мотора в рейтинг лучших агрегатов была неожиданностью для нас и для многих специалистов. Но с сухими цифрами статистики не поспоришь. Этот двигатель попал в рейтинг лучших благодаря своим многочисленным преимуществам и полученным балам при отборе агрегатов. На фото двигатель: – (1997 Acura Integra Type R).

Этот VTEC 1,8-литровый B18C5 двигатель имел четыре цилиндра. Его мощность составляет 195 л.с.

Максимальное количество оборотов – 8000 об. в минуту. На фото: – приборная панель (1997 Acura Integra Type R).

2) McLaren F1 S70 V-12.

Благодаря сотрудничеству двух автомобильных компаний McLaren и BMW мир увидел легендарный мотор – F1 S70 V-12. На фото: – двигатель (1993 McLaren F1).

Компания БМВ имеет в своем запасе множество идей и различных технологий, многие из которых просто невозможно опробовать (воплотить в жизнь) на существующих сегодня моделях машин из-за их дороговизны в разработках. В то же время компания "McLaren" долго искала производителя для своего атмосферного силового агрегата, чтобы установить его на известную модель F1. Благодаря долгим поискам и взаимным интересам две автомобильные марки все-же нашли соприкосновения и начали сотрудничество по выпуску этого нового мотора (начали его выпускать).

В конечном итоге получился 6,1 литровый агрегат, шедевр инженерного искусства, а именно, 12-ти цилиндровый мотор, который помог автомобилю McLaren F1 GTR выиграть пркстижную гонку в Ле-Мане в 1995 году. Мощность данного мотора составляет 600 л.с.

На фотографии: – педали (1993 McLaren F1).

1) Honda S2000 F20C Inline-4.

Когда группа специалистов составляла этот рейтинг (список) лучших качественных двигателей за всю историю автопромышленности, автокомпания Хонда отметила свое 50-летие. Чем же запомнилась компания на автомобильном рынке.(?) Конечно же в первую очередь своими удивительными моторами. Один из примеров: – четырехцилиндровый мотор F20C мощностью в 240 л.с. со своими максимальными оборотами в 8900 об/мин. На фото: – (2000 Honda S2000).

Этот силовой агрегат завоевал множество различных наград.

К нашему сожалению не все потрясающие двигатели вошли в этот рейтинг (список). Поэтому в качестве поощрительного бонуса (премии) другие отличные на наш взгляд моторы мы вне конкурса также включим в данный список агрегатов.

Ferrari LaFerrari / F12berlinetta 6,3-литровый V-12.

Так много загадочного в этом звуке. Именно эта фраза приходит на ум, когда вы слышите как работают силовые установки этих спорткаров. В автомобиле модели F12 мощность агрегата составляет 730 л.с.

Гибридная модель автомобиля LaFerrari имеет мощность 789 л.с. На фото: – двигатель (2014 Ferrari LaFerrari).

Lexus LFA 1LR-GUE 4,8-литровый V-10.

Долгое время большинство автомобилей марки Феррари были вне конкуренции на всем мировом автомобильном рынке. Главное преимущество этих автомобилей, их двигатели, которыми оснащаются данные спорткары.

Но совсем недавно, автомобиль модели Lexus LFA смог победить в неофициальной гонке автомобиль Ferrari 599 HGTE. Победа Лексуса стала возможной прежде всего благодаря мотору V10. На фото: – двигатель (2012 Lexus LFA).

Peugeot 405Mi16 XU9J4 1.9-liter Inline-4.

В конце 80-х годов на рынке появилась модель Peugeot 405, которая в то время оснащалась 1,9 литровым четырехцилиндровым мотором мощностью 150 л.с.

Porsche 911 GT3 RS 4.0-liter flat-6.

Как вы думаете или считаете, каким двигателем должен оснащаться гоночный спортивный автомобиль марки Порше? Не знаете? Мы постараемся предположить.

Лучшим решением для авто смог бы наверное стать 4,0 литровый мощный 6-ти цилиндровый мотор, который свое время устанавливался на модель автомобиля марки Порше 911 GT3.

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.