В учебной атмосферной бензиновой схеме воздух идёт через фильтр, дроссель и коллектор. Турбонаддув — дополнительный вариант, он есть не на каждом двигателе.
Впуск: устройство и принцип работы
Доставляет очищенный воздух к цилиндрам.
Очистить
Воздух проходит фильтр.
Отмерить
Дроссель и система управления регулируют наполнение.
Впустить
При открытом клапане воздух поступает в цилиндр.
Как турбина загоняет в двигатель больше воздуха
Мощность ограничена тем, сколько воздуха поместится в цилиндр: на каждый килограмм воздуха можно сжечь около 68 г бензина. Турбина повышает давление и плотность воздуха, поэтому 1,4 л работают как 2 л.
Чистый и сосчитанный воздух. Фильтр задерживает пыль, ДМРВ измеряет массу воздуха горячей плёнкой. Без этого числа блок не знает, сколько топлива впрыснуть.
Выхлоп крутит компрессор. Турбинное колесо берёт энергию горячих газов, которая иначе ушла бы в трубу. Компрессор на том же валу сжимает воздух до 2–2,4 бар абсолютных.
Вестгейт ограничивает наддув. Когда давление дошло до уставки, заслонка в корпусе турбины выпускает часть газов мимо колеса. Иначе наддув рос бы с оборотами до опасного.
Охладить и дозировать. Интеркулер снимает тепло сжатия, плотность растёт. Дроссель по команде педали и блока решает, сколько воздуха пустить в ресивер и цилиндры.
Детали в модели «Впуск и турбонаддув»
Воздушный фильтр в корпусе. Гофрированная бумага площадью около 0,5 м² задерживает пыль крупнее 5–10 мкм. Чистый фильтр отнимает 15–25 мбар на полной мощности.
Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ). Плёночный нагреватель в обводном канале держится на 120–180 °C горячее воздуха. Чем больше масса воздуха, тем больше тока нужно, чтобы удержать температуру: от 10 кг/ч на холостом ходу до 500 кг/ч.
Турбокомпрессор. Турбинное колесо в потоке выхлопа 800–950 °C крутит через вал компрессорное колесо до 200 тыс. об/мин. Компрессор сжимает воздух до 2,4 бар абсолютных.
Перепускной клапан (вестгейт) с актуатором. Заслонка Ø25 мм в корпусе турбины открывает обходной канал, когда давление наддува доходит до уставки. Часть выхлопа идёт мимо колеса, и турбина больше не разгоняется.
Интеркулер. Радиатор «воздух–воздух»: 10 плоских трубок с рёбрами между ними. Охлаждает сжатый воздух со 100–130 °C до 35–50 °C, плотность заряда растёт на 20–25 %.
Патрубки наддува. Армированные резиновые и силиконовые шланги Ø50–60 мм держат до 2,5 бар и температуру до 150 °C, на концах хомуты.
Электронный дроссельный узел. Заслонка Ø60 мм поворачивается мотором через редуктор 11:1 по команде блока управления, два датчика сообщают её угол. В покое пружины держат её приоткрытой на 6–7°.
Впускной коллектор (ресивер и трубы). Пластиковый ресивер 3 л распределяет воздух по четырём трубам Ø36 мм длиной около 250 мм к впускным каналам головки.
Датчик давления во впуске (ДАД). Мембранный датчик измеряет абсолютное давление в ресивере от 0,2 до 2,5 бар. По нему блок управления держит наддув и проверяет расход воздуха.
Показ по шагам
Холостой ход. Заслонка приоткрыта на 7–8°, в коллекторе разрежение около 0,7 бар. Турбина почти не работает, расход воздуха около 10 кг/ч.
Фильтр и ДМРВ. Воздух проходит через бумажный фильтр снизу вверх и обтекает горячую плёнку датчика. По току нагрева блок узнаёт массу воздуха и считает топливо.
Турбина раскручивается. Нажали газ: выхлоп разгоняет турбинное колесо, компрессор на том же валу сжимает воздух. Сжатие нагревает его до 100 °C и выше — частицы светлеют от синего к жёлто-белому.
Вестгейт держит давление. Давление дошло до уставки, актуатор приоткрывает заслонку, часть выхлопа идёт мимо колеса. Наддув больше не растёт.
Интеркулер. Горячий сжатый воздух проходит по плоским трубкам и отдаёт тепло встречному потоку. На выходе он почти на 70 °C холоднее и заметно плотнее.
Дроссель и коллектор. Заслонка открыта полностью, ресивер раздаёт воздух по четырём трубам. Датчик давления в ресивере подтверждает наддув.
Что ломается и как это проявляется
Забит воздушный фильтр. Признаки: внизу машина едет как обычно, а ближе к отсечке мощность «упирается», турбина воет громче, расход топлива чуть растёт. Что проверить: фильтр на просвет и по пробегу (обычно 15–30 тыс. км, в пыли чаще), корпус и уплотнение крышки. Фильтр просто меняют, продувать бумагу бесполезно.
Загрязнён ДМРВ. Признаки: провалы и подёргивания при разгоне, холостой ход плавает, иногда глохнет при сбросе газа. Сканер показывает коррекцию топлива +20 % и ошибку «бедная смесь». Что проверить: показания ДМРВ на холостом ходу (около 2,5–3 г/с, то есть 9–11 кг/ч для 1,4 л) и на полном газе, коррекции топлива. Датчик промывают специальным очистителем, не трогая плёнку, или меняют. Проверить, нет ли подсоса воздуха после датчика.
Утечка в патрубке интеркулера. Признаки: под нагрузкой слышен свист или шипение, машина едет заметно слабее, наддув не доходит до нормы, может загореться лампа двигателя. Что проверить: осмотреть патрубки и хомуты на масляные следы и трещины, опрессовать тракт наддува воздухом 1–1,5 бар с мыльным раствором. Сравнить давление наддува со требуемым в данных сканера.
Заклинил вестгейт. Признаки: при разгоне машина резко подхватывает, затем дёргается и теряет тягу, загорается лампа, ошибка «превышение давления наддува», двигатель уходит в аварийный режим. Что проверить: ход штока актуатора при подаче разрежения или давления (заслонка должна открываться без заеданий), люфт оси заслонки, шланг и клапан управления вестгейтом. Ось чистят и разрабатывают; при большом люфте меняют турбину.
Износ подшипников турбины. Признаки: вой или свист, нарастающий с оборотами, сизый дым из выхлопной трубы при разгоне и после холостого хода, уходит масло, в патрубках интеркулера масляная плёнка. Что проверить: люфт вала: осевой почти нулевой, радиальный — в пределах нормы производителя (обычно десятые доли миллиметра); колёса не должны касаться корпусов, следы касания на корпусе компрессора — признак износа. Причины износа: редкая замена масла, остановка горячего двигателя сразу после нагрузки, засорённая маслоподводящая трубка.
Нагар в дроссельном узле. Признаки: на холостом ходу обороты плавают и проседают, двигатель может заглохнуть при сбросе газа или включении кондиционера. Что проверить: осмотреть заслонку и стенки на чёрный налёт, очистить дроссель специальным очистителем (не двигая заслонку руками на включённом зажигании), выполнить адаптацию дросселя сканером. Проверить систему вентиляции картера.
Упрощения модели
Интеркулер «воздух–воздух» показан рядом с двигателем; в машине он стоит за бампером перед радиатором, и патрубки к нему длиннее.
Давление и температура посчитаны по простым формулам сжатия, без карты компрессора. Задержка раскрутки турбины условная, около 0,5–1,5 с.
Вестгейт показан с актуатором давления: пружина держит заслонку закрытой, пока наддув не дойдёт до уставки, поэтому на частичной нагрузке он закрыт. У многих современных двигателей им управляет электромотор и на частичной нагрузке часто держит открытым; такая стратегия здесь не показана.
Двигатель — силуэт без внутренних деталей, выпускной коллектор упрощён до общей трубы. Колёса турбины вращаются в тысячи раз медленнее настоящих.
Турбокомпрессор — та же 3D-модель, что в лаборатории «Турбокомпрессор», уменьшенная до колеса компрессора 45 мм; подшипники, масло и вестгейт подробно разобраны там. Нагар на оси заслонки при неисправности вестгейта — условная метка, а не точная форма отложений.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.