Турбокомпрессор автомобиля: что это такое, устройство и принцип работы

Турбокомпрессор представляет собой устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в цилиндры. Это повышает интенсивность воспламенения топливной смеси и увеличивает мощность двигателя. В среднем она возрастает на 30 – 40 %. Поговорим более подробно, как устроена деталь, где находится и как работает.

Что такое турбокомпрессор в автомобиле

Первые турбинные компрессоры появились в начале ХХ века. Их изобретение связывают с американским изобретателем Альфредом Бюхи. Именно он в 1911 году зарегистрирован устройство в патентном бюро США 1911 году. Бюхи удалось добиться очень неплохих показателей – прирост мощности при использовании турбины составил 120 %.

Изначально турбокомпрессоры применяли на корабельных дизельных и авиационных бензиновых двигателях. Впервые на колесных транспортных средствах их начали использовать в 1938 году. Именно тогда автомобилестроительная компания из Швейцарии Swiss Machine Works Sauer сконструировала грузовик, в котором использовалась эта технология. Вскоре турбинные компрессоры стали широко применять и на легковых автомобилях.

По сути, турбокомпрессор представляет собой воздушную турбину с несложным строением, которая работает за счет выхлопных газов, выходящих из выпускных клапанов цилиндров. Образовавшаяся энергия используется для нагнетания воздуха в цилиндры. Оно выполняет две функции:

• увеличивает давление внутри цилиндра;
• обеспечивает поступление большего количества кислорода.

Оба фактора благотворно влияют на воспламенение топливной смеси – оно становится более интенсивным и ровным. Это, в свою очередь, уменьшает эффективный расход топлива и увеличивает мощность мотора. Таким образом, технология позволяет увеличить силу двигателя, не увеличивая его объем. Именно это основное назначение рассматриваемого узла автомобильного двигателя.

В настоящее время турбинный компрессор используется в в подавляющем большинстве моделей легковых автомобилей. Это и не удивительно: устройство позволяет существенно повысить общую мощность автомобильного двигателя, сохранив при этом стоимость транспортного средства почти неизменной.

Двигатели, оснащенные турбокомпрессором, принято называть турбопоршневыми. А система подачи воздуха в цилиндры с помощью устройства называется турбонаддув.

Устройство турбокомпрессора

Конструкция состоит из следующих элементов:

• Корпус. Представляет собой стальной короб, в который монтируют все остальные детали. Изготавливается из термостойких материалов (обычно стали), так как через компрессор проходят раскаленные отработавшие газы.
• Колесо турбины. Представляет собой колесо с лопастями, зафиксированное на вале. Когда через лопасти проходят выхлопные газы, колесо начинает вращаться. Также изготавливается из термостойких сплавов.
• Компрессионное колесо. Выполняет функцию, противоположную турбинному – нагнетает воздух в цилиндры. Закреплено на противоположном конце вала. Поскольку в области компрессионного колеса температура близка к нормальной, чаще всего его изготавливают из алюминиевого сплава. Это позволяет предотвратить потери энергии во время вращения. Обычно со стороны компрессионного колеса имеется отверстие, через которое и происходит забор атмосферного воздуха. Однако на некоторых моделях транспортных средств эта часть приспособления присоединена к воздухофильтру. Это помогает избежать попадания внутрь цилиндров пыли и других загрязнений, которые могу негативно отразиться на их работе.
• Вал. Проходит через весь корпус приспособления. Представляет собой ось, которая соединяет турбинное и компрессионное колеса. Обеспечивает передачу вращения от одной детали к другой.
• Подшипники. Обеспечивают свободное вращение вала внутри корпуса.
• Клапан. Представляет собой клапан, который регулирует количество поступающих на вал турбины выхлопных газов. Чем оно выше, тем больше объем воздуха, поступающего в цилиндры. Положение клапана регулируется блоком управления на основе показаний датчиков, что не требует участия водителя в работе устройства.

Оба колеса и вал составляют единый узел – ротор турбинного компрессора. Это обусловлено тем, что они жестко связаны воедино.

Компрессор обычно располагается в непосредственной близости от цилиндроблока. Это обеспечивает максимально короткий путь отработавших газов до устройства. Благодаря этому они теряют минимум своей энергии и обеспечивают наиболее эффективное вращение крыльчатки.

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы приспособления выглядит следующим образом:

• отработавшие газы из выпускных клапанов по специальному патрубку направляют в часть корпуса устройства, в которой расположено колесо турбины;
• под воздействием газов колесо начинает вращаться и приводит в движение вал, который расположен в продольной оси корпуса;
• вал, в свою очередь, приводит в движение компрессионное колесо;
• компрессионное колесо непосредственно из атмосферы или через воздушный фильтр забирает воздух и нагнетает его во впускные клапаны;
• в результате в цилиндрах формируется более высокое давление и образуется более высокая концентрация кислорода.

При этом поступление отработавших газов на колесо регулируется впускным клапаном. Положение его заслонки определяет ЭБУ. Это делается на основе показаний различных датчиков. Чем большая мощность необходима в конкретных условиях передвижения транспортного средства, тем шире открывается заслонка. Действует и обратное правило – при избыточной мощность просвет клапана уменьшается, и работа турбокомпрессора делается менее интенсивной.

Виды турбин

Турбины бывают нескольких видов.

• Традиционный. Наиболее простой тип турбокомпрессора. Его устройство и принцип действия описаны выше.
• С изменяемой геометрией. В этой разновидности устройства регулировка объема поступающих на турбинное колесо отработавших газов осуществляется не за счет впускного клапана, а за счет изменения положения лопастей колеса. Таким образом, удается максимально точно согласовать нагнетание воздуха в цилиндры и количество оборотов. Чаще всего подобная конструкция используется на дизельных моторах. Однако ее применяют и на бензиновых (обычно на гоночных автомобилях).
• Раздельный (также его называют twin-scroll). Отличительная особенность этой разновидности турбины заключается в том, что на крыльчатку отработавшие газы поступают сразу несколькими путями. Обычно для этого используется пара трубок (по 2 на каждую пару цилиндров). Одна из них предназначена для быстрого реагирования прибора, а вторая – для постоянного поддержания мощности двигателя на достаточном уровне.
• Электрический. В отличие от всех остальных разновидностей турбокомпрессоров, электрический работает на за счет выхлопных газов, а от электродвигателя. Он, в свою очередь, запитывается от бортовой электросети транспортного средства. Подобная конструкция позволяет максимально эффективно регулировать нагнетание воздуха в цилиндры – ведь теперь оно не зависит от давления отработавших газов. Чаще всего сегодня электрокомпрессоры устанавливают на гибридные авто.
• Гибридные. Отличается тем, что представляют собой смесь традиционного и электрического компрессора. Основную часть воздушного потока генерирует именно турбина. Однако если его недостаточно, начинает работать электрический нагнетатель и помогает турбокомпрессору. В результате удается добиться максимально стабильной работы приспособления.
• Механический. Строго говоря, этот тип нагнетателя не является турбинным, хотя и выполняет ту же самую функцию. Он работает не за счет выхлопных газов, а за счет энергии двигателя. Она передается с карданного вала посредством приводного ремня. Главный недостаток устройств, созданных по этой схеме, заключается в том, что они отнимают часть полезной энергии у мотора и в целом менее эффективны, чем турбины.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

«Симптомами», которые могут говорить о неисправности прибора, могут быть следующие проявления:

• существенное снижение мощности двигателя машины;
• падение скорости;
• появление черного или синего дыма из выхлопной трубы;
• шум при работе мотора.

Среди наиболее распространенных неисправностей можно выделить следующие.

• Утечка воздуха или отработавших газов. Может происходить как из корпуса прибора, так и из патрубков. Приводит к недостаточной силе нагнетания воздуха в цилиндры и потере мощности. Проблема решается заменой прокладок или прибора целиком.
• Засорение или поломка клапана. Вызывает недостаточную подачу воздуха и потерю мощности мотора. Проблему решают путем чистки клапана или его замены.
• Утечка масла в турбину. Смазка компрессора осуществляется за счет общей системы смазки двигателя. Если масло начнет попадать в корпус приспособления, то начнет сгорать в цилиндрах. Это приводит к снижению КПД двигателя и появлению синего дыма. Проблему решают путем устранения неисправности системы смазки.
• Нарушение вращения ротора. Вследствие ослабления креплений или поломки подшипников может нарушиться свободных ход вала, из-за чего эффективность прибора также упадет. Проблему решают путем подтяжки всех крепления или замены подшипников.

Также следует иметь в виду, что поломка может произойти из-за физического износа устройства, который происходит по окончании срока службы. Он в среднем составляет 150 – 200 тысяч километров пробега.