Турбонаддув: как устроен и как работает

Чем больше топливовоздушной смеси поступит в цилиндры, тем выше будет КПД двигателя.

Подать больше топлива не проблема: достаточно установить более производительный топливный насос и форсунки. С воздухом сложнее: в конце такта впуска в цилиндре атмосферного двигателя он будет разреженным.

Система турбонаддува использует энергию отработавших газов и делает так, чтобы воздуха в цилиндрах было больше. Атмосферный двигатель 1,6 л 103 л. с. прослужит дольше турбированного 1 л. Но последний при этом будет более экономичным и экологичным при той же мощности.

Разберемся, как устроена система турбонаддува и как она работает.

Турбонаддув встречается и на бензиновых, и на дизельных двигателях. На последних значительно чаще.

Работой бензинового ДВС управляет дроссельная заслонка: топливо подается пропорционально поступающему в цилиндры воздуху. Поэтому атмосферный бензиновый двигатель выдает неплохие показатели во всем диапазоне оборотов.

Работа дизельного двигателя регулируется количеством топлива, которое распыляют форсунки в цилиндры. Дроссельной заслонки нет, воздух в них поступает свободно. На холостом ходу и в режиме частичной нагрузки дизельный ДВС работает отлично. В режиме средней и полной нагрузки подача топлива увеличивается, а воздуха столько же: топливо в избытке, смесь переобогащенная, двигатель теряет эффективность.

Турбонаддув компенсирует недостаток воздуха. Благодаря турбине дизельный двигатель легкового автомобиля работает фактически в том же рабочем диапазоне оборотов, что и бензиновый.

Система турбонаддува состоит из турбокомпрессора, интеркулера, а также из регулировочных и предохранительных клапанов. Дальше мы поговорим о компонентах системы турбонаддува, поймем, где их искать, а также разберемся, как все это работает.

У турбокомпрессора есть холодная и горячая части — обе похожи на улитку. Такая форма позволяет наиболее эффективно направлять потоки газов. Улитки соединены через картридж — корпус для вала, с одной стороны которого закреплено колесо турбины, а с другой — колесо компрессора. В корпусе картриджа есть масляные каналы и каналы для охлаждающей жидкости.

Горячая часть турбины работает с выхлопными газами высокой температуры — обычно 500—1000 °С. Улитка здесь отлита из чугуна с добавлением никеля, крыльчатка турбины — из жаропрочного сплава стали, никеля и хрома — инконеля. Холодная часть работает с воздухом из атмосферы, поэтому улитку и крыльчатку чаще всего отливают из алюминия.

Один из способов повысить производительность турбокомпрессора — сделать крыльчатки с обеих сторон более легкими. Горячую крыльчатку могут изготовить из титана или керамики, холодную — из магния. Также холодную крыльчатку можно выточить с помощью ЧПУ из цельного куска алюминия, ребра в таком случае будут тоньше. Все вышеперечисленные доработки делают турбокомпрессор более дорогим.

Турбокомпрессор или турбокомпрессоры — если их два или больше — ставят там, откуда выходят отработавшие газы. Вот какие могут быть варианты:

1. один турбокомпрессор: обычно на рядных двигателях с тремя или четырьмя цилиндрами. Включается, когда энергии выхлопных газов достаточно, чтобы раскрутить турбинное колесо, — в среднем и высоком диапазоне оборотов двигателя;
2. два разных турбокомпрессора, которые стоят один за другим. Систему можно встретить на рядных двигателях с четырьмя или больше цилиндрами. Маленький работает в низком диапазоне оборотов двигателя. При средних и высоких оборотах он выключается и начинает работать большой турбокомпрессор;
3. два одинаковых по размерам и характеристикам турбокомпрессора, которые почти всегда стоят по отдельности. В рядном шестицилиндровом двигателе будет по одному на три цилиндра, в V-образном или оппозитном — по одному турбокомпрессору на головку блока цилиндров.

Одна и та же конфигурация с двумя турбокомпрессорами у одного производителя может называться «Битурбо», у другого — «Твинтурбо».

Теперь попробуем разобраться, где под капотом искать турбокомпрессор. Иногда его видно, иногда нет. Примеры — на фотографиях ниже.

Интеркулер — это радиатор для охлаждения сжатого воздуха. Бывает воздушный и жидкостной.

Воздушный интеркулер работает на открытом воздухе. Через его каналы проходит сжатый разогретый воздух, который потом поступает в цилиндры ДВС. А набегающий воздух с улицы идет через соты: все работает так же, как в случае с радиатором охлаждения двигателя.

Такие интеркулеры чаще всего устанавливают перед основным радиатором или под ним. Иногда его располагают над двигателем, в этом случае на капоте будет явно выраженный воздухозаборник.

Интеркулер может быть расположен даже в боковых дефлекторах бампера, под фарами. Так делали на Пассате в кузове B5, Шкоде Октавии Тур. На Фольксвагене Туареге два интеркулера — с обеих сторон переднего бампера.

Проблемы воздушных интеркулеров:

1. Соты забиваются грязью, воздух проходит хуже, появляются проблемы с охлаждением.
2. Может потерять герметичность из-за механических повреждений или коррозии. Сжатый воздух уходит, давление наддува снижается, мощность падает.
3. Даже будучи абсолютно чистым, может перегреться, если машина стоит в пробке. Встречного потока воздуха нет, сжатый воздух не охлаждается, эффективность интеркулера падает. Но восстанавливается, когда машина начинает двигаться с достаточной для охлаждения скоростью.

Жидкостной интеркулер — радиатор с охлаждающей жидкостью внутри впускного коллектора и с собственным контуром охлаждения. Такой интеркулер сильно экономит подкапотное пространство, вдобавок уменьшает объем впускного тракта от турбины до двигателя. Благодаря такой конструкции турбокомпрессор раньше выходит на рабочее давление.

Машина с жидкостным интеркулером ведет себя практически одинаково и в жару, и в мороз. Минус — более сложная конструкция: нужен дополнительный радиатор, чтобы охладить горячий антифриз из интеркулера.

Если жидкостный интеркулер перестанет быть герметичным, антифриз попадет в масло. В одном случае может образоваться эмульсия, в другом случится гидроудар — тут как повезет.

Актуатор турбины управляет регулировочным клапаном — вестгейтом. Или, в простонародье, калиткой. Как только в горячей части турбины возникает максимально допустимое давление наддува, актуатор открывает вестгейт. Часть выхлопных газов проходит мимо крыльчатки турбины. Благодаря этому она не разгоняется больше, чем необходимо.

Если резко сбросить газ, обороты двигателя упадут быстро, дроссельная заслонка закроется. Но турбокомпрессор продолжит быстро вращаться по инерции и создавать повышенное давление. Если это произойдет, вал может сместиться, а масляный клин — разрушиться. Возникнет трение, детали картриджа износятся.

Чтобы не повредить детали впускного тракта, нужен предохранительный клапан. Есть два варианта.

Перепускной клапан, байпас. Когда водитель резко отпускает газ, дроссельная заслонка закрывается, давление на впуске растет, а клапан открывается и перепускает сжатый воздух обратно — в зону до турбины, к воздушному фильтру. Нагрузки на крыльчатку не избежать, но такая система позволяет хорошо амортизировать такие толчки и перенаправлять уже сжатый воздух обратно во впуск.

Редукционный клапан, блоу-офф. Работает по тому же принципу: открывается при достижении предела допустимого давления, но выбрасывает наружу сжатый воздух, а это также снижает нагрузку на крыльчатку турбины. В процессе слышен характерный свист — его ценят любители автомобильного тюнинга.

Автопроизводители чаще используют байпас: он не создает излишнего шума под капотом. Это преимущество, если речь идет о семейном или рабочем автомобиле.

Поток отработавших газов в турбированном двигателе первым делом попадает на турбинное колесо, а только потом — в выхлопную трубу. Крыльчатка турбинного колеса преобразует энергию во вращение и через ось передает его на крыльчатку колеса компрессора. В свою очередь, она засасывает воздух в центре и разгоняет его по радиусу.

Форма улитки на горячей стороне помогает эффективно улавливать поток отработавших газов. На холодной стороне — собирать атмосферный воздух и направлять его дальше по каналам интеркулера. Ось при этом работает в масляном клину и развивает до 150 000 оборотов в минуту.

При сжатии воздух сильно нагревается и попадает в интеркулер. После него уже охлажденный воздух попадает в цилиндры двигателя. Вестгейт и предохранительный клапан срабатывают по мере необходимости.

Изменяемая геометрия турбины — решение, которое позволяет направлять потоки выхлопных газов на крыльчатку турбины под разным углом. Работают специальные подвижные лопатки. Когда давление выхлопных газов низкое, они встают под острым углом и почти смыкаются. Газы попадают на крыльчатку под более острым углом, скорость потока увеличивается, турбина работает на низких оборотах. Когда двигатель набирает обороты, давление выхлопа возрастает, лопатки изменяемой геометрии встают в исходное положение и не препятствуют потоку выхлопных газов.

Такая система почти всегда есть на дизельных двигателях: у них невысокий рабочий диапазон оборотов.

Управление подъемом выпускных клапанов. Клапаны здесь также ускоряют поток выхлопных газов на пути к крыльчатке турбины: приподнимаются на определенную высоту, при которой могут его усилить, когда это необходимо.

Такое техническое решение применили на двигателях 1.8 и 2.0 TSI третьего поколения. Их можно встретить на Шкоде Октавии в кузове A7, в новом Фольксвагене Тигуане или Пассате. При этом есть такие же двигатели, но электроника на них управляет подъемом впускных клапанов. Такие ДВС менее мощные, но более экономичные.

Антилаг можно встретить на гоночных автомобилях, особенно на раллийных. Когда пилот бросает газ, дроссельная заслонка резко закрывается и блок управления двигателем устанавливает очень позднее зажигание.

Топливовоздушная смесь поджигается уже с открытым выпускным клапаном, появляется прямой поток горящего пламени. Турбина продолжает благодаря этому работать на высоких оборотах, а из выхлопной трубы вылетают языки пламени.

Обычно это происходит, когда гоночная машина входит в поворот: в этот момент пилот отпустил газ и включилась антилаг-система. На выходе из поворота он выжмет газ, а во впускном коллекторе уже будет сжатый воздух.

1. Машины с турбонаддувом более дорогие при покупке и в эксплуатации.
2. Прибавка 30—50% мощности — весомый аргумент в пользу турбированного двигателя.
3. Почти любой дизельный двигатель на легковой машине — турбированный.