Устройство турбины автомобиля: как работает турбонаддув

Турбина автомобильного двигателя, а точнее турбокомпрессор, — это агрегат, который заставляет двигатель дышать плотнее. Мотору для сгорания топлива нужен воздух: чем больше воздуха попадёт в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь и тем сильнее толчок на поршень. Обычный атмосферный мотор просто засасывает воздух поршнями. Турбированный получает воздух под давлением. Для этого не нужен ни отдельный двигатель, ни ремень: раскручивают турбину выхлопные газы, которые иначе унеслись бы через выхлопную трубу. Ниже — из чего состоит турбина, как воздух доходит до цилиндров, чем турбонаддув отличается от механического нагнетателя и что в турбине ломается.

Из чего состоит турбина

В турбокомпрессоре две половины: горячая, через которую идёт выхлоп, и холодная, через которую идёт воздух. Между ними стоит центральная часть с валом. Вокруг турбины в моторе есть ещё несколько деталей, без которых наддув не работал бы или работал опасно.

Часть	Что делает
Турбинное колесо	Колесо с лопатками в горячей половине; выхлопные газы ударяют в лопатки и раскручивают его
Корпус турбины (улитка)	Спиральный горячий корпус, который подводит газы к колесу по кругу и разгоняет их
Вал	Жёстко соединяет турбинное и компрессорное колёса, поэтому они всегда вращаются вместе
Компрессорное колесо	Колесо в холодной половине; вращаясь, засасывает воздух через воздушный фильтр и нагнетает его дальше
Корпус компрессора	Тоже улитка, но холодная: собирает разогнанный воздух и превращает скорость в давление
Средний корпус (картридж)	Держит вал на подшипниках; в него подведено масло, часто и охлаждающая жидкость
Интеркулер	Радиатор для воздуха: охлаждает воздух после компрессора, чтобы он стал плотнее
Перепускной клапан (вестгейт)	Часть газов пускает мимо турбинного колеса, чтобы давление наддува не превысило допустимого
Байпасный клапан на впуске	Сбрасывает лишний воздух, когда водитель резко убирает ногу с газа

Колёса вращаются очень быстро: у небольших турбин это порядка ста тысяч оборотов в минуту и больше. Вал держится на подшипниках, которым досталась тяжёлая работа: с одной стороны раскалённый выхлоп, с другой скорость, в десятки раз выше, чем у коленвала. Поэтому в большинстве турбин вал скользит на тонкой масляной плёнке, а не на шариках. Масло здесь одновременно смазывает и уносит тепло.

Как воздух доходит до цилиндров

1. Двигатель работает и выпускает газы. В такте выпуска поршни выталкивают отработавшие газы в выпускной коллектор. Они горячие, а у бензиновых моторов температура может доходить до 900–1000 °C.
2. Газы попадают в улитку турбины. Корпус направляет их по спирали на лопатки турбинного колеса, и колесо начинает вращаться.
3. Вал передаёт вращение на компрессорное колесо в холодной половине.
4. Компрессор нагнетает воздух. Он забирает воздух из воздушного фильтра и сжимает его. При сжатии воздух нагревается, как в велосипедном насосе.
5. Интеркулер охлаждает воздух. Он расположен обычно за решёткой бампера, и встречный поток забирает тепло. Холодный воздух плотнее, и в цилиндр его помещается больше.
6. Воздух идёт через дроссельную заслонку во впускной коллектор и в цилиндры. Электроника видит, сколько воздуха пришло, и впрыскивает пропорционально больше топлива.
7. Вестгейт следит за давлением. Когда наддув достигает нужного значения, клапан открывается и часть газов идёт в обход турбинного колеса. Оно перестаёт разгоняться, и давление держится на заданном уровне. У серийных легковых машин оно обычно порядка 0,5–1 бара сверх атмосферного.
8. Водитель убирает ногу с газа. Заслонка закрывается, а компрессор ещё крутится по инерции. Воздуху некуда деться, и без защиты он ударил бы обратно в компрессорное колесо. Байпасный клапан выпускает его: в атмосферу с характерным «пшиканьем» или, чаще у серийных машин, обратно на вход компрессора.

Как поршни используют воздух и топливо в цилиндрах, разобрано в статье об устройстве двигателя. Куда уходят газы после турбины, рассказано в статье об устройстве глушителя.

Что такое турбояма

Когда водитель резко жмёт на газ, турбина не отвечает мгновенно. Сначала двигатель должен выпустить больше газов, потом они должны раскрутить колесо и вал, потом компрессор должен создать давление. Эта пауза между нажатием педали и приходом мощности называется турбоямой. Особенно заметна она на малых оборотах: газов мало, а колесо тяжёлое.

Инженеры борются с ней по-разному:

• ставят маленькие лёгкие колёса, которые быстро раскручиваются;
• делают двойную улитку (twin-scroll), чтобы импульсы выпуска разных цилиндров не мешали друг другу;
• применяют изменяемую геометрию: лопатки у турбинного колеса поворачиваются, и на малых оборотах газы направляются на лопатки быстрее; такое чаще встречается на дизелях;
• ставят две турбины разного размера или добавляют электрический привод.

Чем турбонаддув отличается от похожего

Турбина и механический нагнетатель. Нагнетатель приводится от коленвала ремнём или шестернями. Он даёт наддув сразу, как только двигатель начал вращаться, без турбоямы. Но раскручивать его нужно самим двигателем: часть мощности он берёт себе. Турбина использует энергию выхлопа и отбирает у мотора меньше, но реагирует с задержкой.

Турбина и «атмосферник». Атмосферный двигатель дышит сам, поэтому для мощности ему нужен большой объём. Турбированный тот же объём заполняет плотнее, так что мотор в 1,5 литра может тянуть как атмосферный на 2,5–3 литра. Платой за это становятся более высокие нагрузки на детали, необходимость в хорошем масле и лишний узел, который тоже может выйти из строя.

Турбина в бензиновом и дизельном моторе. Принцип одинаков. У дизеля выхлоп холоднее, поэтому турбина живёт в более мягком температурном режиме. У бензинового горячее, и материалы там другие. Про дизель подробнее — в статье об устройстве дизельного двигателя, а общая картина узлов машины — в обзоре устройства автомобиля.

Почему нельзя сразу глушить турбину

После длинной быстрой поездки или подъёма в гору турбина раскалена. Пока мотор работает, масляный насос гонит через средний корпус масло. Если заглушить двигатель у самого дома, насос встанет, а корпус ещё горячий, и вал по инерции продолжает крутиться. Подшипники остаются без свежей смазки, а неподвижное масло в раскалённом корпусе может пригореть и образовать твёрдый налёт — кокс. Он забивает каналы и ускоряет износ.

Поэтому после тяжёлой езды лучше дать мотору поработать на холостых пару десятков секунд или последние минуты пути проехать спокойно. При обычной городской езде, где турбина не перегревалась, отдельных ритуалов не нужно. У части современных машин охлаждающая жидкость прокачивается через турбину и после остановки мотора, и там ждать почти не нужно.

Почему турбина ломается и на что смотреть

• Масляное голодание. Мало масла, забитый фильтр или очень старое масло, которое потеряло свойства, — подшипники работают без нормальной плёнки и изнашиваются. Самая частая причина, по которой турбину приходится менять.
• Пригоревшее масло и кокс. Возникает при привычке сразу глушить горячий мотор и при масле, которое меняли слишком редко: каналы сужаются, смазки становится всё меньше.
• Попадание посторонних предметов. Песок, кусочек фильтра или винтик влетают в компрессор и разбивают лопатки на огромных оборотах. Поэтому воздушный фильтр и патрубки после него должны быть целыми.
• Люфт вала и утечка масла. Изношенные подшипники позволяют колёсам шататься и задевать корпус. Признаки: голубоватый дым из выхлопной трубы, расход масла, масло в патрубках и интеркулере.
• Неисправность вестгейта или трещина патрубка. Мотор вяло тянет или, наоборот, давление слишком высокое. Если слышен свист или сирена при разгоне, часто это потерявший герметичность патрубок между турбиной и двигателем.

Признаки, которые нельзя игнорировать: потеря мощности, странный вой, дым, горящая лампа проверки двигателя, падение уровня масла. Диагностика и замена турбины — работа сервиса: снимают турбину вместе с маслопроводами и выхлопным коллектором, а неверная установка может убить новую турбину за считанные минуты. Владелец турбомотора сам вполне справится с главным: менять масло вовремя, заливать то, что рекомендует производитель, и не глушить мотор сразу после долгой быстрой езды.