Увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) без изменения рабочего объема можно принудительной подачей (наддувом) в его цилиндры большего объема воздуха, необходимого для полного сгорания дополнительной дозы топлива. Наиболее часто для этой цели используется турбокомпрессор (ТКР) – воздушный насос, приводимый через общий вал турбиной, раскручиваемой потоком отработавших газов. Компрессор засасывает воздух через фильтр и под давлением нагнетает его в цилиндры двигателя. Турбонаддув применяют как в бензиновых, так и в дизельных ДВС.

Существуют турбокомпрессоры низкого и высокого давления. Первые сжимают воздух до 0,2-0,8 атм., делая 110-130 тыс. об/мин. Вторые – до 0,8-2,2 атм. при 150-210 тыс. об/мин. Прирост мощности, обеспечиваемый турбонаддувом, составляет 25-80%.

Например, мощность бензинового ДВС объемом 1, 8 л при установке компрессора низкого давления можно увеличить со 110 л.с до 150 л.с., а его крутящий момент приближается к максимальному уже при 1800 об/мин. Установка турбины высокого давления позволяет увеличить мощность того же двигателя до 180-210 л.с.

Крыльчатка турбины работает в тяжелых условиях – при температуре 850-950° С, а края лопастей при максимальных оборотах разгоняются практически до линейной скорости звука и испытывают перегрузки до 100000g. Предотвратить выход ТКР из строя при высоких скоростях вращения позволяет клапан-регулятор, совмещенный с датчиком давления нагнетаемого воздуха. При чрезмерном повышении оборотов вала клапан уменьшает поток отработавших газов на лопасти турбины, стабилизируя скорость ее вращения. Датчик подключен к блоку управления, который при превышении максимального давления компрессора на 0,1атм. уменьшает подачу топлива в цилиндры. Регулировать скорость вращения ротора турбокомпрессора можно путем изменения геометрии «улитки», в которой вращается крыльчатка турбины. Электронное управление работой этого узла позволяет избежать эффекта «турбоямы» на низких и средних оборотах двигателя. ТКР плохо переносит перегрев, поэтому в выпускном коллекторе за турбиной расположен датчик температуры. Электроника путем корректировки топливоподачи ограничивает температуру отработавших газов и поддерживает ее с точностью до 5° С от заданного максимального значения (обычно +950° С).

При всех явных преимуществах турбированные двигатели более «прожорливы» – за дополнительную мощность приходится платить повышенным расходом топлива. В среднем «аппетит» двигателя с турбонаддувом увеличивается на 20-45% по сравнению с атмосферным ДВС равного объема.

Сжатый компрессором воздух нагревается, вследствие чего уменьшается его плотность и количество кислорода в нем. Поэтому максимально использовать эффект наддува можно, если выходящий из компрессора горячий воздух охладить в специальном «холодильнике» (интеркулере), а затем уже направить в двигатель. На некоторых моделях машин применяется двойное охлаждение воздуха (устанавливают 2 интеркулера), что позволяет «снимать» с их двигателей еще большую мощность.

Компоновка

Выбор турбокомпрессора и схема его установки определяются типом ДВС, количеством цилиндров, спецификой использования и т. п. В рядных двигателях с наддувом низкого давления обычно устанавливается одна турбина. При необходимости использования наддува высокого давления оптимальным является установка последовательно, друг за другом, двух турбокомпрессоров меньших размеров и мощности. Чтобы получить хорошую производительность такой системы, необходимо расположить интеркулер для охлаждения воздуха после каждого компрессора. В V-образных двухрядных двигателях устанавливают два турбокомпрессора, каждый из которых подает воздух в свой ряд цилиндров. Установка двух турбин меньшего размера позволяет уменьшить время их раскрутки за счет снижения инерционности более легких роторов и обеспечивает ускоренную реакцию мотора на нажатие педали акселератора. В двигателях спортивных автомобилей отработавшие газы подводятся к турбокомпрессору по отдельным патрубкам, идущим от каждого цилиндра, что позволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и добиться максимальной производительности ТКР во всем диапазоне оборотов мотора.

Эксплуатация

Турбокомпрессор – вещь хорошая, однако при неправильной эксплуатации очень быстро выходит из строя. Поломка ТКР может быть вызвана использованием моторного масла, не рекомендованного заводом-изготовителем, нарушениями в работе систем зажигания и впрыска, низким качеством топлива, забитым катализатором и т. п. В результате происходит частичное или полное закоксовывание масла в каналах и отверстиях системы смазки вала. Это нарушает целостность масляной пленки и резко ухудшает отвод тепла от ротора. Температура вала с рабочей 80-90°С увеличивается до 400-450°С, и уже через несколько минут из-за образования задиров на поверхностях скольжения вала и подшипников происходит их заклинивание. Под действием громадных центробежных сил вал иногда изгибается и даже лопается; отламываются и лопасти крыльчаток.

Проблемы возникают и при прорыве газов в картер двигателя: избыточное давление во впускном коллекторе замедляет отток масла от вала ТКР, вызывая его перегрев. Возможно и вытеснение масла в камеру «горячей» крыльчатки. Образующийся при этом на лопастях нагар нарушает балансировку вала. В результате происходит повреждение ротора и корпуса турбины.

Укорачивает «жизнь» ТКР и несоблюдение правил эксплуатации двигателя. После запуска холодного мотора нельзя резко «газовать», иначе остывшее масло не успеет заполнить все каналы системы смазки вала. Для «прогрева» турбокомпрессора необходима пауза в 15-30 с. После поездки нельзя сразу выключать двигатель – стоит дать мотору поработать несколько минут на холостом ходу, чтобы обороты турбины снизились при функционирующих системах смазки и охлаждения. Если пренебрегать этими нехитрыми правилами, наступит масляное «голодание», перегрев, а затем и поломка турбокомпрессора. В некоторых моделях автомобилей устанавливается турботаймер – электронное устройство, не позволяющее в течение 1-2 мин. выключить двигатель машины сразу после снижения его оборотов до уровня холостых. Функция турботаймера может быть заложена в программу ЭБУ двигателя, а также присутствует в некоторых современных сигнализациях.

Ресурс ТКР зависит и от состояния воздушного фильтра двигателя, который надо менять не реже, чем через каждые 10 тыс. км, а при эксплуатации в условиях повышенной запыленности даже чаще, т. к. пыль, насекомые, листья и прочий мелкий мусор могут быстро засорить фильтрующий элемент. ТКР при этом начнет «задыхаться» или порвет фильтр и станет засасывать вместе с воздухом пыль, песок и даже открутившиеся гайки. Это ускорит износ деталей цилиндро-поршневой группы и может привести к «срезанию» лопастей компрессора, что тут же выведет турбину из строя. По этой причине на спортивных автомобилях и машинах с мощными турбированными двигателями применяют воздушные фильтры, элементы которых оплетены густой металлической сеткой.

Для бензиновых турбированных двигателей с 1996 г. в. рекомендованы, как правило, синтетические масла с вязкостью по SAE 0W-30, 0W-40, по API – класса не ниже SJ/CF, по ASEA – А3, В3, а в дизельных – минеральные и полусинтетические. Для автомобилей более ранних г. в. допускается использование масел по SAE 5W30, 10W-40, по API – SG/CD; SH/CD, по ASEA – A2, B2. Интервалы смены масел не должны превышать для бензиновых двигателей 10 тыс. км, для дизельных – 7,5 тыс. км.

Ресурс

При грамотной эксплуатации двигателя с турбонаддувом ресурс ТКР составляет не менее 150 тыс. км. Некоторые «экземпляры» выхаживают до 350 тыс. км. Правила, позволяющие продлить «жизнь» компрессору, просты: использовать только качественное масло и уменьшать интервалы между его заменами по сравнению с обычным «атмосферным» двигателем, следить за состоянием воздушного фильтра, по возможности избегать резких остановок мотора. При изношенном двигателе опасна неоправданно длительная его работа на холостых оборотах: пониженное давление в системе смазки может привести к масляному «голоданию» турбины. В случае поломки турбокомпрессор обычно заменяют новым. Тем не менее, большинство ТКР все же можно отремонтировать. О том, как это делается, мы расскажем в следующей публикации.