CC BY
110Научная статья УДК 621.43.052:629.113
Назначение, принцип работы и устройство турбокомпрессора автомобиля
Малахов Александр Юрьевич 1 Магомедов Магомед-Шарип Магомедович 2
1 2, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Москва, Россия
1 malahov-alex@yandex.ru
2 m-sharip05@mail.ru
Аннотация. В статье описывается, что такое турбокомпрессор автомобиля, его назначение, принцип работы и устройство. Рассмотрены разновидности турбокомпрессоров и их систем. Также поясняются такие отрицательные явления при работе турбокомпрессора, как «турбо-лаг», «турбо-яма» и «турбо-подхват». При производстве автотехнической экспертизы, необходимо разбираться в конструкции и в принципе работы исследуемого объекта, в связи с чем, приведённая в данной статье информация, касающаяся автомобильных турбокомпрессоров, может быть полезна экспертам (специалистам), выполняющим исследование их причин выхода из строя.
Ключевые слова: турбокомпрессор, турбонаддув, турбо-лаг, турбо-яма, турбо-подхват, помпаж
Для цитирования: Малахов А. Ю., Магомедов М.-Ш. М. Назначение, принцип работы и устройство турбокомпрессора автомобиля // Проблемы экспертизы в автомобильно-дорожной отрасли. 2023. № 1(6). С. 11-25.
Original article
Purpose, principle of operation and device of the turbocharger of the automobile
Аleksandr Yu. Malakhov, Мagomed-Sharip М. Мagomedov
1, 2, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), Moscow, Russia
1 malahov-alex@yandex.ru
2 m-sharip05@mail.ru
Abstract. The article describes what a automobile turbocharger is, its purpose, principle of operation and device. The varieties of turbochargers and their systems are considered. Such negative phenomena during the operation of the turbocharger as turbo lag, turbo pit and turbo pick-up are also explained. During the production of automotive technical expertise, it is necessary to understand the design and principle of operation of the object under study, in connection with which the information given in this article concerning automotive turbochargers may be useful to experts (specialists) conducting research on their causes of failure.
Keywords: turbocharger, turbo-boost, turbo-lag, turbo-pit, turbo-pickup, surge For citation: Malakhov А. Yu., Мagomedov М.-Sh. М. Purpose, principle of operation and device of the turbocharger of the automobile. Automotive and Road expert evaluation. 2023;(1):11-25. (in Russ).
© Малахов А. Ю., Магомедов М.-Ш. М., 2023
Введение
Турбонаддув является одним из самых распространённых способов форсирования двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Установив систему турбо-наддува на серийный атмосферный двигатель, при грамотной реализации, можно добиться увеличения его мощности в 1,5 - 2 раза.
Турбокомпрессор является наиболее эффективным устройством наддува, по своей эффективности значительно превосходящим механический нагнетатель, который приводится в движение используя энергию коленчатого вала, что частично снижает мощность двигателя [1].
В настоящее время появляется все больше и больше образцов серийных автомобилей, оснащенных турбокомпрессором, в связи с чем, рассматриваемая в данной статье тема причин его выхода из строя, является достаточно актуальной и должна быть полезной заинтересованному читателю.
Штатное функционирование турбокомпрессора связано с исправной работой большого количества различных систем ДВС автомобиля: системы впуска воздуха, системы выпуска отработавших газов, системы смазки двигателя, системы охлаждения, системы вентиляции картерных газов. Управление работой современного турбокомпрессора осуществляется электронным блоком управления (ЭБУ) ДВС автомобиля. К выходу из строя турбокомпрессора может привести неисправность указанных сопряжённых с его работой систем ДВС автомобиля. В связи с этим, исследование причин выхода из строя турбокомпрессора зачастую не такая простая задача и определить точную причину без всестороннего исследования ДВС автомобиля просто невозможно.
Принцип работы системы наддува ДВС с турбокомпрессором
Наддув - это повышение давления во впускном коллекторе с целью увеличения наполнения цилиндров ДВС воздухом. Чем больше поступило воздуха, тем больше можно подать топлива, тем большая работа будет совершена за цикл [2].
Турбокомпрессор - это устройство, использующее кинетическую энергию отработавших газов ДВС для увеличения степени наддува. Итоговая цель повышения степени наддува - повышение эффективной мощности двигателя. Эффективная мощность двигателя рассчитывается по формуле [3]:
где Ые - эффективная мощность двигателя; р^. - плотность воздушного заряда; Пу -коэффициент наполнения; пе - эффективный КПД; Ни - низшая теплота сгорания топлива; а - коэффициент избытка воздуха; 10 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива; I - количество цилиндров; У}1 -рабочий объём цилиндра; п - частота вращения коленчатого вала.
Как видно из приведённой формулы, эффективная мощность двигателя прямо пропорциональна плотности воздушного заряда (р^.) и коэффициенту наполнения (п^). В свою очередь, наддув, создаваемый турбокомпрессором, приводит к значительному увеличению коэффициента наполнения и плотности воздушного заряда, а значит, в итоге, и к увеличению эффективной мощности ДВС. Мощность же ДВС в свою очередь прямо пропорциональна его крутящему моменту, что также означает и соответствующее увеличение крутящего момента при реализации наддува (рис. 1).
Рис. 1. Типичный пример разницы в кривых момента для турбированных и атмосферных
ДВС [4]
На рис. 1 показан порог наддува турбокомпрессора. Порог наддува - это самые низкие обороты двигателя, при которых давление наддува от турбокомпрессора увеличит мощность по сравнению с атмосферным эквивалентом двигателя. Ниже этих оборотов турбокомпрессор не имеет достаточного количества энергии отработавших газов, чтобы развить частоту вращения компрессора, необходимую для создания во впускном коллекторе давления выше атмосферного [4].
На рис. 2 представлена обобщённая схема системы наддува ДВС автомобиля с турбокомпрессором.
Вход воздуха в компрессорную часть
Выход отработавших азов из турбинной части
Вход отработавших газов в турбинную часть
Компрессорный корпус
Интеркулер (радиатор охлаждения наддувочного воздуха)
выхлопных Турбинное газов
колесо
Вход атмосферного воздуха
* Компрессорное колесо
Рис. 2. Схема системы наддува ДВС автомобиля с турбокомпрессором [5]
Порядок работы системы наддува ДВС автомобиля с турбокомпрессором заключается в следующем:
1. Поток отработавших газов, выходящих из цилиндров ДВС в выпускной коллектор, сжимаясь и разгоняясь в турбинном корпусе (имеющем форму «улитки»), раскручивает турбинное колесо. Раскручивание турбинного колеса происходит за счёт инерционного воздействия высокоскоростного потока отработавших газов на специально спрофилированные боковые (входные) кромки лопаток турбинного колеса (рис. 3). За счёт дальнейшего расширения сжатых отработавших газов, при их прохождении через центральную часть турбинного корпуса, поток газов продолжает раскручивать турбинное колесо воздействуя теперь уже на специально спроектированные верхние (выходные) кромки лопаток (рис. 3).
Рис. 3. Механизм раскручивания турбинного колеса турбокомпрессора потоком
отработавших газов
2. Турбинное колесо через вал раскручивает компрессорное колесо, установленное с другой стороны вала. Скорость вращения турбинного и компрессорного колеса одинаковая.
3. Компрессорное колесо, раскручиваясь, выступает вначале в роли центробежного насоса и затягивает воздух из окружающей среды через воздушный фильтр. Воздух затягивается верхними (входными) кромками лопаток компрессорного колеса в индуктор компрессорного корпуса (рис. 4). Далее воздух проходит между лопаток вращающегося колеса и скорость его потока многократно возрастает. При работе с высокой скоростью и высокой нагрузкой скорость воздуха, проходящего через компрессор, достигает сверхзвуковых значений. Компрессор преобразует кинетическую энергию в энергию давления за счёт попадания раскрученного потока воздуха под действием боковых (выходных) кромок лопаток колеса в диффузор компрессорного корпуса (рис. 4). В диффузоре и далее в «улитке» воздух расширяется и замедляется, приобретая максимальное давление и плотность на выходе из компрессора.
4. Нагретый сжатый воздух далее поступает в интеркулер (охладитель наддувочного воздуха), где охлаждается. Чем холоднее будет воздух, тем выше его плотность, а значит тем большее его количество попадёт в цилиндры ДВС. Кроме того, холодный воздух снижает вероятность возникновения в камерах сгорания ДВС процесса детонационного горения топливовоздушной смеси.
5. Охлаждённый сжатый воздух попадает в цилиндры ДВС, смешивается с топливом, сгорает, совершая полезную работу, образует отработавшие газы, которые затем, попадая в выпускной коллектор и турбинный корпус, опять раскручивают турбинное колесо. Так замыкается цикл работы турбокомпрессора.
Рис. 4. Принцип работы компрессорного колеса турбокомпрессора
Получается взаимосвязанная система работы наддува, когда количество всасываемого, сжимаемого и поступающего в цилиндры ДВС воздуха зависит от скорости вращения ротора и, наоборот, скорость вращения ротора зависит от количества сгорающего в цилиндрах ДВС воздуха с топливом.
Конструкция турбокомпрессора
На рис. 5 представлена схема конструкции турбокомпрессора автомобиля.
Подача масла под давлением
Слив масла самотёком в поддон
Рис. 5. Схема конструкции турбокомпрессора автомобиля [6]: 1 - вал ротора; 2 - канал
подачи охлаждающей жидкости; 3 - турбинный корпус; 4 - турбинное колесо; 5 -уплотняющее кольцо; 6 - газоотражающая тарелка; 7 - радиальный подшипник; 8 -корпус подшипников (корпус картриджа); 9 - упорный подшипник; 10 - гайка вала ротора; 11 - компрессорное колесо; 12 - компрессорный корпус; 13 - канал подачи моторного масла
Турбинное (4) и компрессорное (11) колеса закреплены на одном валу гайкой (10). Данная гайка имеет обратную (левостороннюю) резьбу, что исключает её самооткручивание при штатной работе турбокомпрессора. Турбинное колесо изготавливается заодно с валом, путём их соединения электронно-лучевой сваркой или сваркой трением. Вал ротора с рабочими колёсами установлен внутри корпуса картриджа в радиальных (7) и упорных (9) подшипниках скольжения. В корпус картриджа через канал подачи (13) подаётся моторное масло под давлением системы смазки ДВС. Вал ротора в зависимости от модели турбокомпрессора может вращаться со скоростью 60 000 - 280 000 об/мин и более. Во время враще-
ния, под действием давления масла и динамической силы вращения, вал ротора всплывает в подшипниках на масляном клине. Вал ротора при вращении всегда разделён от поверхности подшипников скольжения масляным клином (рис. 6). Масло из корпуса картриджа далее под действием силы тяжести стекает в масляный поддон ДВС. Вал ротора со стороны турбинной части, а также со стороны компрессорной части, уплотняется специальными стальными газодинамическими уплотнительными кольцами (5). Одной из основных задач указанных уплот-нительных колец, помимо устранения утечек моторного масла из корпуса картриджа, также является и недопущение проникновения внутрь корпуса отработавших газов. Дополнительно от воздействия горячих отработавших газов корпус картриджа защищает газоотражающая тарелка (6), устанавливаемая за турбинным колесом. С целью дополнительного охлаждения корпуса картриджа (и соответственно моторного масла, находящегося внутри него) на некоторых моделях турбокомпрессоров (чаще всего на бензиновых ДВС) предусмотрена подача через специальный канал (2) в отдельную рубашку охлаждения корпуса охлаждающей жидкости.
Рис. 6. Гидродинамический масляный клин в упорном (слева) и радиальном (справа) подшипниках картриджа турбокомпрессора
Необходимо пояснить принцип работы газодинамических уплотнений вала ротора турбокомпрессора. В турбокомпрессоре используется газодинамическое уплотнение корпуса картриджа с дифференциальным давлением. Система уплотнения называется динамической, поскольку используется вращение вала ротора. Кроме того, используется разница давлений между тремя корпусами турбокомпрессора. При большинстве условий эксплуатации давление газа в турбинном корпусе и компрессорном корпусе выше, чем давление в центральном корпусе картриджа (рис. 7). Часть отработавших газов высокого давления, проходя за турбинное колесо, проникает к уплотнительному кольцу вала ротора. Тщательно контролируемые зазоры уплотнительного кольца позволяют очень небольшому количеству потока отработавших газов пройти в центральный корпус картриджа, что и помогает удерживать моторное масло внутри корпуса (рис. 7). Тоже самое происходит и в компрессорной части турбокомпрессора, где в качестве дифференцированного газа используется сжатый воздух, проникающий за компрессор-
ное колесо в зазоры уплотнительного кольца вала ротора. В конструкции турбокомпрессора может использоваться одно или несколько уплотнительных колец вала ротора.
Давление газов в турбинном корпусе выше, чем в корпусе картриджа ^
Давление сжитого воздуха - в компрессорном корпусе выше, чем в корпусе картрилжа
Рис. 7. Схема дифференцированного газового уплотнения кольца вала ротора со стороны
турбинного корпуса турбокомпрессора
С целью ограничения давления наддува в турбокомпрессорах применятся регулировочный клапан (вестгейт клапан). Перенаддув ДВС автомобиля крайне нежелателен, так как это приведёт к детонационному сгоранию топливовоздуш-ной смеси и разрушению деталей цилиндро-поршневой группы. Кроме того, при перенаддуве сам турбокомпрессор может «пойти в разнос» - частота вращения его ротора превысит предельно допустимые производителем значения. Регулировочный клапан (вестгейт от анг. wastegate) - клапан, который направляет отработавшие газы мимо турбинного колеса для ограничения оборотов ротора турбокомпрессора, а следовательно регулирования максимального давления наддува (рис. 8).
Актуатор вестгейта
Рис. 8. Регулировочный клапан (вестгейт клапан) турбокомпрессора [7]
Актуатор вестгейт клапана может быть пневматическим или электронным. Пневматический привод в свою очередь может быть вакуумным или работающим
под избыточным давлением. Актуаторы, работающие за счёт нагнетания в них избыточного давления, соединяются с секцией повышенного давления компрессорного корпуса турбокомпрессора (рис. 9). Вакуумный пневматический привод работает за счет разряжения в них, которое образуется за счёт их соединения с впускной системой автомобиля или создаётся вакуумным насосом. Управление актуаторами вестгейт клапана на современных автомобилях осуществляется через специальные электропневматические клапаны путём подачи на них управляющих сигналов от ЭБУ ДВС. Пример конструкции электронного актуатора вест-гейт клапана показан на рис. 10. Электронный актуатор состоит из сервопривода с червячным редуктором и датчиком положения, а также платы программатора в крышке модуля.
Рис. 9. Турбокомпрессор с пневматическим Рис. 10. Электронный актуатор вестгейт
Основными недостатками работы турбокомпрессора автомобиля являются такие явления как «турбо-яма», «турбо-лаг», «турбо-подхват» и «помпаж».
«Турбо-яма» - это диапазон работы турбокомпрессора, начиная с оборотов холостого хода ДВС до его оборотов в точке порога наддува (рис. 1). В данном диапазоне оборотов ДВС давление наддува от турбокомпрессора ниже атмосферного, так как отработавшим газам не хватает давления для достаточного раскручивания ротора.
«Турбо-лаг» - задержка между изменением положения дроссельной заслонки в бензиновом ДВС (или количеством впрыснутого топлива в цилиндры дизельного ДВС) и созданием эффективного давления наддува (при работе двигателя в диапазоне частот вращения выше порога наддува). В эксплуатации это проявляется, как задержка в увеличении мощности (крутящего момента) ДВС автомобиля при резком нажатии водителем на педаль акселератора. «Турбо-лаг» может включать в себя задержку, связанную с «турбо-ямой» в случае, например, резкого старта на автомобиле с места, однако природа явления «турбо-лага» иная. Количества отработавших газов при «турбо-лаге» уже достаточно для того, чтобы раскрутить ротор турбокомпрессора для создания наддува выше атмосферного давления, однако происходит задержка в нарастании данного давления наддува. Данная задержка связана с тем, что ротор турбокомпрессора должен успеть раскрутиться под действием увеличивающегося количества отработавших газов,
1
актуатором вестгейт клапана
клапана турбокомпрессора
свежии воздух из окружающей среды должен успеть засосаться компрессором, сжаться в его «улитке», пройти через интеркулер, попасть в цилиндры ДВС и сгореть там. Всё это не происходит мгновенно, а требует какого-то времени, что и вызывает задержку в виде «турбо-лага». При этом необходимо отметить, что задержка «турбо-лага» зависит от модели турбокомпрессора, ведь большой турбокомпрессор сложнее раскрутить, чем малый (рис. 11). Малый турбокомпрессор легче раскрутить и получить от него максимально эффективную отдачу по наддуву на малых оборотах, зато большой турбокомпрессор при его работе на высоких оборотах более эффективен, чем малый на тех же оборотах (рис. 12).
50
5 30
20
10
1 2 3 4 5 6 7 8
Частота вращения (об. мин х 1000)
Рис. 11. Сопоставление величин задержки различных турбокомпрессоров [4]
Малый
2 3 4 5 6 7 Частота вращения (об. мин х 1000)
Рис. 12. Диаграмма увеличения момента при
использовании различных турбокомпрессоров на одном и том же ДВС [4]
«Турбо-подхват» - это явление очень резкого повышения мощности (крутящего момента) ДВС при преодолении турбокомпрессором задержки «турбо-лага». В эксплуатации это проявляется, как очень резкое ускорение автомобиля с рывком, после задержки после полностью выжатой педали акселератора. Явление «турбо-подхвата» может привести к детонации в цилиндрах ДВС.
«Помпаж» - быстрые пульсационные колебания оборотов турбокомпрессора, вызванные резким закрытием дроссельной заслонки при наличии давления наддува [4]. В эксплуатации «помпаж» проявляется в виде возникновения специфических посторонних звуков («хлопков») во впускном коллекторе двигателя. Суть данного явления заключается в отражении наддувочного воздуха, созданного компрессорной частью турбокомпрессора, от резко закрывшейся дроссельной заслонки при отпускании педали акселератора. Создаётся обратная волна сжатого воздуха, которая ударно воздействует на лопатки компрессорного колеса, выводя его из устойчивого режима работы. Данные ударные воздействия могут привести к разрушению лопаток компрессорного колеса.
Со всеми выше перечисленными недостатками в работе турбокомпрессора инженерами ведётся борьба в виде постоянного совершенствования систем наддува.
С явлением «помпажа» в работе системы наддува борются путём установки во впускной коллектор двигателя специального байпасного (перепускного) клапана, который открывается при закрытии дроссельной заслонки и позволяет вернуть часть сжатого воздуха обратно на впуск перед компрессорной частью турбокомпрессора (рис. 13). При тюнинге системы наддува автомобиля используют аналогичный клапан под названием блоу-офф (blow-off) клапан. В отличие от байпасного
клапана, блоу-офф клапан направляет сжатый воздух не обратно во впуск перед компрессором, а в окружающую среду, производя при этом специфический звук, которым так любят хвастаться владельцы своих автомобилей на светофорах.
Байпасный (перепускной) клапан
7
Корпус воздушного фильтра
Компрессорный корпус
турбокомпрессора
Воздух, возвращаемый через байпасный клапан на впуск
Интеркулер
Сжатый воздух, отражённый от закрытой дроссельной заслонки
Дроссельная заслонка
'1
Рис. 13. Схема работы байпасного (перепускного) клапана нуддува (режим резкого «сброса газа» - резкое закрытие дроссельной заслонки)
С явлением «турбо-яма» и «турбо-лаг» борются путём внедрения в конструкцию турбокомпрессора соплового аппарата переменного сечения (система VANT (variable area turbine nozzle)) или же раздвоенного турбинного корпуса (система ТST (twin scroll turbine housing)).
Разновидности турбокомпрессоров и их систем Турбокомпрессор с сопловым аппаратом переменного сечения Выше по тексту была рассмотрена конструкция турбокомпрессора с регулировочным клапаном (вестгейт клапаном). Регулировочный клапан (вестгейт клапан) позволяет лишь ограничить наддув турбокомпрессора. Более совершенной системой управления наддувом турбокомпрессора является использование в его конструкции соплового аппарата переменного сечения VANT (variable area turbine nozzle) (рис. 14). Лопатки механизма VANT поворачиваются, изменяя площадь, через которую протекают отработавшие газы, при этом изменяется скорость потока газов, воздействующего на лопатки турбинного колеса (рис. 15).
Рис. 14. Турбокомпрессор с сопловым аппаратом переменного сечения VANT с электронным актуатором [8]
Рис. 15. Изменение проходного сечения между лопатками соплового аппарата: 1 -режим холостого хода или низких оборотов ДВС; 2 - режим высоких оборотов ДВС [9]
Чем меньше площадь (расстояние) между поворотными лопатками механизма, тем быстрее скорость вращения ротора. Таким образом, за счёт поворота лопаток механизма VANT изменяется скорость вращения турбинного колеса, а значит и степень наддува турбокомпрессора. Управление поворотом лопаток механизма VANT осуществляет ЭБУ ДВС через электронный (рис. 13) или пневматический (рис. 16) актуатор.
Механизм VANT в конструкции турбокомпрессора, в отличие от регулировочного клапана (вестгейт клапана), не просто ограничивает степень наддува, а позволяет регулировать его в широком диапазоне оборотов ДВС, начиная с самых низких, и значительно сокращает время выхода турбокомпрессора на режим эффективной отдачи (рис. 17). Это также позволяет устранить в работе системы наддува ДВС автомобиля такие отрицательные явления, как «турбо-яма», «турбо-лаг» и «турбо-подхват».
Вак\\ ч-насос
Вакуумнм peiepBvap
Элекгро-пневматнпескнн клапан управления
Пневматический актуатор
Управляющий спгиал от ЭБУ ДВС
1,4 1,3 1,2 1.1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
Обычная турбина -----Турбина с VATN
Турбокомпрессор с сопловым аппаратом переменного сеченпя
0,5
1.0
1,5 2,0 Время (сек)
2,5
3,0
3,5
Рис. 16. Турбокомпрессор с
сопловым аппаратом переменного сечения VANT с пневматическим актуатором
Рис. 17. Cравнение времени реакции турбокомпрессора с механизмом VANT и обычного турбокомпрессора при резком старте на автомобиле с места с полностью выжатой педалью акселератора [4]
Турбокомпрессор с раздвоенным турбинным корпусом
Турбокомпрессор с раздвоенным турбинным корпусом TST (twin scroll turbine housing), как это следует из его названия, имеет в своей конструкции турбинный корпус, разделённый на две части (рис. 18). Благодаря специальной конструкции выпускного коллектора выпуск цилиндров 1 и 4 совмещён с внутренней половиной раздвоенного турбинного корпуса, а выпуск цилиндров 2 и 3 - со второй внешней половиной корпуса. Для примера на рис. 18 показан обычный четырёхцилиндровый ДВС с работой зажигания по схеме 1-3-4-2, однако данный турбокомпрессор TST устанавливается на любые другие типы ДВС с различной компоновкой и различным (чётным) количеством цилиндров.
Такое раздельное соединение выпуска цилиндров ДВС с раздвоенным турбинным корпусом позволяет наиболее полно использовать принцип импульсного наддува, разделив общий поток отработавших газов на две части. Каждый импульс выпуска отработавших газов, создаваемый разделёнными цилиндрами ДВС, независимо от работы других цилиндров, попадается в свою половину турбинного корпуса, раскручивая турбинное колесо. При этом работа ДВС в момент перекрытия
клапанов между цилиндрами, в которых происходит одновременно выпуск отработавших газов и впуск нового свежего заряда воздуха, никак не влияет на энергию импульсов выпуска. Это также позволяет значительно улучшить наполняемость цилиндров свежим воздушным зарядом, что повышает КПД двигателя. Таким образом, использование в современных автомобилях турбокомпрессора с раздвоенным турбинным корпусом позволяет снизить влияние отрицательных явлений «турбо-яма», «турбо-лаг» и «турбо-подхват», повысить в широком диапазоне оборотов мощность (крутящий момент) ДВС, снизить время выхода турбокомпрессора на работу эффективного наддува и повысить КПД двигателя.
Рис. 18. Турбокомпрессор с раздвоенным турбинным корпусом [10] Система наддува Twin-Turbo
Система наддува Twin-Turbo состоит из двух одинаковых турбокомпрессоров, которые работают одновременно и параллельно друг другу (рис. 19). Их параллельная работа реализована путем равномерного распределения потока отработавших газов между турбокомпрессорами. Система Twin-Turbo в основном применяется на V-образных ДВС. Каждый турбокомпрессор закреплен на своём выпускном коллекторе двигателя. Эффективность данной системы турбонаддува заключается в том, что два небольших турбокомпрессора менее инерционно нагружены, чем один большой. Благодаря этому сокращается время отрицательных явлений «турбо-яма» и «турбо-лаг», а турбокомпрессоры работают более эффективно в более широком диапазоне оборотов ДВС.
Рис. 19. Система наддува Twin-Turbo [11]
Система наддува Bi-Turbo
Система наддува Bi-Turbo состоит из двух турбокомпрессоров разных размеров (малого и большого), установленных последовательно друг за другом (рис. 20).
Дроссельная заслонка
Интеркулер —
Перепускной клапан наддува Компрессорное колесо малого турбокомпрессора Турбинное колесо малого турбокомпрессора
Перепускной _ клапан отработавших газов
Клапан вестгейта
Турбинное колесо большого турбокомпрессора Компрессорное колесо большого турбокомпрессора
Рис. 21. Схема работы системы наддува Bi-Turbo [13]
Малый турбокомпрессор
Рис. 20. Внешний вид системы наддува Bi-Turbo [12]
В системе применяется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха (рис. 21). При низких оборотах ДВС перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через корпус малого турбокомпрессора, а далее через корпус большого. При этом давление отработавших газов не настолько велико, чтобы раскрутить большой турбокомпрессор, зато их хватает, чтобы начать раскручивать малый. Перепускной клапан наддува во впускном коллекторе закрыт, воздух проходит последовательно через компрессорную часть большого и малого турбокомпрессора.
С увеличением числа оборотов ДВС осуществляется совместная работа турбокомпрессоров. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается, при этом большая часть отработавших газов идет через турбинный корпус большого турбокомпрессора, который начинает раскручиваться. На впуске компрессор большого турбокомпрессора сжимает воздух с небольшим давлением, и далее этот сжатый воздух поступает в компрессор малого турбокомпрессора, где уже происходит его более значительное сжатие. Перепускной клапан наддува во впускном коллекторе при этом по-прежнему закрыт.
При полной нагрузке на ДВС перепускной клапан отработавших газов открывается полностью. Отработавшие газы практически полностью проходят через турбинный корпус большого турбокомпрессора, раскручивая его до максимальной частоты. Ротор малого турбокомпрессора при этом практически полностью останавливается (вращается с очень маленькой скоростью). На впуске компрессор большого турбокомпрессора обеспечивает максимальное давление наддува. При этом компрессор малого турбокомпрессора, наоборот, создает препятствие для воздуха. Поэтому в определенный момент времени открывается перепускной клапан наддува во впускном коллекторе и большая часть сжатого воздуха поступает напрямую от компрессора большого турбокомпрессора к двигателю, минуя компрессор малого турбокомпрессора.
Система двухступенчатого турбонаддува Bi-Turbo обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя без проявления отрицательных явлений «турбо-яма», «турбо-лаг» и «турбо-подхват». С по-
мощью данной системы номинальный крутящий момент ДВС поддерживается в широком диапазоне его оборотов и обеспечивается максимальное повышение его мощности (крутящего момента).
Заключение
В статье было подробно описано, что такое турбокомпрессор автомобиля, назначение, принцип работы и его устройство, рассмотрены разновидности турбокомпрессоров и их систем, а также рассказано об отрицательных явлениях в работе систем наддува таких, как «турбо-лаг», «турбо-яма» и «турбо-подхват». При производстве автотехнической экспертизы, необходимо разбираться в конструкции и в принципе работы исследуемого объекта, в связи с чем, приведённая в данной статье информация, касающаяся автомобильных турбокомпрессоров, может быть полезна экспертам (специалистам), выполняющим исследование их причин выхода из строя. В следующем номере журнала выйдет статья, посвящён-ная непосредственно причинам выхода из строя турбокомпрессора автомобиля.
Список источников
1. Турбокомпрессор. - URL: https://turbokom.ru/posts/tekhnologii/turbokompressor (дата обращения: 19.01.2023).
2. Техническая эксплуатация, диагностирование и ремонт двигателей внутреннего сгорания: учебник / А.В. Александров, С.В. Алексахин, И.А. Долгов, В.А. Тармин, М.Г. Шатров. -Москва: РИОР: ИНФРА-М, 2021. - 448 с. - ISBN 978-5-369-01861-3.
3. Двигатели внутреннего сгорания: учеб. для студентов вузов по специальности "Автомобили и автомоб. хоз-во" направления подготовки "Эксплуатация наземного трансп. и трансп. оборуд.". Т.1. Теория рабочих процессов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; под редакцией В.Н. Луканина, М.Г. Шатрова. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 478 с.
4. Белл, К. Турбонаддув: проектирование, установка и испытания систем турбонаддува / К. Белл. - URL: https://reallib.org/reader?file=1354990&pg=1 (дата обращения: 25.01.2023).
5. Конструкция и принцип работы турбонаддува. - URL: https://myavtomobili.ru/konstrukcia-i-princip-raboty-turbonadduva/ (дата обращения: 26.01.2023).
6. Григоренко, Н. Устройство, назначение и работа турбокомпрессора. Турбина с изменяемой геометрией / Н. Григоренко. - URL: http://avto-i-avto.ru/ustrojstvo-avto/ustrojstvo-naznachenie-i-rabota-turbokompressora-turbina-s-izmenyaemoj-geometriej.html (дата обращения: 27.01.2023).
7. Актуатор турбины: принцип работы и настройка. - URL: https://myavtomobili.ru/aktuator-turbiny-princip-raboty-osnovnye-neispravnosti-diagnostika-i-nastrojka/ (дата обращения: 28.01.2023).
8. Турбина двигателя с изменяемой геометрией (VNT) — её устройство и ремонт. - URL: https : / / ventkam.ru/interesnye-stati / turbina-dvigatelya-s-izmenyaemoj -geometriej -vnt-eyo-ustrojstvo-i-remont (дата обращения: 02.02.2023).
9. О турбине с изменяемой геометрией. - URL: https://akcelerat.ru/raznoe-2/geometriya-turbiny-princip-raboty-o-turbine-s-izmenyaemoj-geometriej-drive2.html (дата обращения: 04.02.2023).
10. Турбокомпрессор с двойной улиткой: что лучше? - URL: https://www.highmotor.com/doble-turbocompresor-o-turbo-twin-scroll.html (дата обращения: 06.02.2023).
11. Учимся различать битурбо двигатели от твинтурбо, чем они похожи и какие основные отличия. - URL: https://toyota-faq.ru/miscellaneous/biturbo-i-twinturbo-est-li-raznica.html (дата обращения: 06.02.2023).
12. Ради прогресса приходится чем-то жертвовать. - URL: https://a-kt.ru/articles/radi-progressa-prikhoditsya-chem-zhertvovat (дата обращения: 08.02.2023).
13. Что значит битурбо: наддувный мотор с двумя турбокомпрессорами. - URL: https://str2.ru/raznoe-2/chto-znachit-biturbo-biturbo-tvinturbo-nadduvnyj-motor-s-dvumya-turbokompressorami.html (дата обращения: 10.02.2023).
Referens
1. Turbokompressor, available at: https://turbokom.ru/posts/tekhnologii/turbokompressor (19.01.2023).
2. Aleksandrov A.V., Aleksahin S.V., Dolgov I.A., Tarmin V.A., Shatrov M.G. Tekhnicheskaya ek-spluataciya. Diagnostirovanie i remont dvigatelej vnutrennego sgoraniya (Technical exploitation. Diagnostics and repair of internal combustion engines), Moscow, RIOR, 2021, 448 p.
3. Lukanin V.N., Morozov K.A., Hachiyan A.C. and dr. Dvigateli vnutrennego sgoraniya. Teoriya rabochih processov: uchebnik dlya vuzov (Internal combustion engines. Theory of work processes: textbook for universities), Moscow, Vysshaya shkola, 2005, 478 p.
4. Bell K. Turbonadduv: proektirovanie, ustanovka i ispytaniya sistem turbonadduva, available at: https://reallib.org/reader?file=1354990&pg=1 (25.01.2023).
5. Konstrukciya i princip raboty turbonadduva, available at: https://myavtomobili.ru/konstrukcia-i-princip-raboty-turbonadduva/ (26.01.2023).
6. Ustrojstvo, naznachenie i rabota turbokompressora. Turbina s izmenyaemoj geometriej, available at: http://avto-i-avto.ru/ustrojstvo-avto/ustrojstvo-naznachenie-i-rabota-turbokompressora-turbina-s-izmenyaemoj-geometriej.html (27.01.2023).
7. Aktuator turbiny: princip raboty i nastrojka, available at: https://myavtomobili.ru/aktuator-turbiny-princip-raboty-osnovnye-neispravnosti-diagnostika-i-nastrojka/ (28.01.2023).
8. Turbina dvigatelya s izmenyaemoj geometriej (VNT) — eyo ustrojstvo i remont, available at: https: / / ventkam.ru/interesnye-stati / turbina-dvigatelya-s-izmenyaemoj -geometriej -vnt-eyo-ustrojstvo-i-remont (02.02.2023).
9. O turbine s izmenyaemoj geometriej, available at: https://akcelerat.ru/raznoe-2/geometriya-turbiny-princip-raboty-o-turbine-s-izmenyaemoj-geometriej-drive2.html (04.02.2023).
10. Turbokompressor s dvojnoj ulitkoj: chto luchshe?, available at: https://www.highmotor.com/doble-turbocompresor-o-turbo-twin-scroll.html (06.02.2023).
11. Uchimsya razlichat biturbo dvigateli ot tvinturbo, chem oni pohozhi i kakie osnovnye otlichiya, available at: https://toyota-faq.ru/miscellaneous/biturbo-i-twinturbo-est-li-raznica.html (08.02.2023).
12. Radi progressa prihoditsya chem-to zhertvovat, available at: https://a-kt.ru/articles/radi-progressa-prikhoditsya-chem-zhertvovat (08.02.2023).
13. Chto znachit biturbo: nadduvnyj motor s dvumya turbokompressorami, available at: https://str2.ru/raznoe-2/chto-znachit-biturbo-biturbo-tvinturbo-nadduvnyj-motor-s-dvumya-turbokompressorami.html (10.02.2023).
Информация об авторах
А. Ю. Малахов - кандидат технических наук, заведующий лабораторией МАДИ.
М.-Ш. М. Магомедов - студент МАДИ.
Information about the authors
А. Yu. Malakhov - Candidate of Sciences (Technical), Head of the laboratory MADI.
М.-Sh. М. Мagomedov - student MADI.
Статья поступила в редакцию 28.02.2023; одобрена после рецензирования 27.03.2023; принята к
публикации 27.03.2023.
The article was submitted 28.02.2023; approved after reviewing 27.03.2023; accepted for publication
27.03.2023.
