Турбонагнетатель двигателя: устройство и принцип работы

турбо компрессор

Системы принудительной подачи воздуха в цилиндры двигателей внутреннего сгорания, или турбонагнетатели, давно стали неотъемлемой частью автомобилестроения, особенно когда речь заходит о высокопроизводительных двигателях скоростных спорткаров.

Без этой детали также немыслимы и мощные дизельные агрегаты многотонных тягачей и тракторов. Турбонагнетатель позволяет существенно повысить мощность двигателя без заметного увеличения его массы, что является несомненным достоинством, которому это приспособление обязано своей популярностью и широким применением.

В нашем обзоре мы детально разберём, каким образом турбонагнетателю удаётся уверенно повышать мощность двигателя, выдерживая экстремальные условия, возникающие как из-за специфики работы самой турбины, так и те, которые во время работы ДВС ежесекундно испытывают на прочность каждую деталь подкапотного пространства. Для этого нам придётся сделать небольшой экскурс в мир лопастей, турбин, шариков и подшипников, без которых невозможна работа ни одного турбокомпрессора.

Турбокомпрессор – это устройство принудительной подачи воздуха. Оно увеличивает давление, под которым воздух нагнетается на впускные клапаны двигателя. Преимущество подачи воздуха под высоким давлением заключается в том, что в этом случае в цилиндр поступает больше воздуха, вследствие чего появляется возможность воспламенить больше топлива. Поэтому при каждом воспламенении будет высвобождаться большее количество энергии в сравнении с обычным двигателем без турбонаддува. Нельзя не отметить, что при этом улучшается соотношение мощности к весу двигателя.

Один из самых очевидных способов сделать ДВС мощнее – это добавить ему дополнительных цилиндров или увеличить объём существующих. Зачастую этот способ является неоправдан как с экономической так и с утилитарной точки зрения: турбины позволяют увеличивать мощность ничуть не хуже и при том за меньшие деньги. Кроме того системы турбонаддува не представляют никакой сложности в техническом обслуживании.

Принцип работы автомобильного турбокомпрессора основан на захвате потока отработавших газов двигателя и направлении его на лопасти турбины, соединенной с ротором воздушного насоса и приводящей его в движение. Скорость вращения маховика турбины в компрессоре может достигать 150 000 оборотов в минуту – это в 30 раз быстрее, чем может вращаться коленвал большинства автомобилей. И, поскольку вход турбины подключен почти непосредственно к выпускному коллектору, турбина подвергается воздействию экстремально высоких температур. Это накладывает существенные требования к материалу, из которого она изготовлена.

Обычно турбонагнетатели подают воздух в цилиндры под давлением 0.4 – 0.6 атмосфер. Отсюда ясно, что двигатель с турбиной получает на 50% больше воздуха, чем если бы он её не имел. Поэтому было бы логично предположить, что и мощность также увеличивается в 1.5 раза, однако этого не происходит из-за различных потерь, вследствие которых реальный прирост держится в районе 30-40 процентов.

Одной из главных причин понижения эффективности является тот факт, что лопасти турбины, использующие кинетическую энергию выхлопных газов для привода воздушного насоса, сами по себе создают сопротивление потоку выпускного коллектора, и получается эффект, сходный с тем, когда в выхлопную трубу двигателя ради шутки пихают картошку. Это сопротивление забирает основную часть из тех 20% недополученного прироста производительности.

Вход турбокомпрессора напрямую соединен с выходным патрубком выпускного коллектора. Выхлопные газы вращают лопасти турбины, которая по своей сути является типичным газотурбинным двигателем. Ротор турбины соединен через приводной вал с компрессором, встроенным в воздуховод между воздушным фильтром и коллектором входящего воздуха. Этот компрессор нагнетает дополнительный воздух, подающийся в цилиндры. Скорость вращения турбины напрямую зависит от количества выхлопных газов: большее количество газов раскручивает её ротор на большее количество оборотов в минуту.

Компрессор, чей привод соединен с ротором турбины, представляет собой вариацию центробежного насоса. Он сначала затягивает воздух своими лопастями, а затем выталкивает его наружу по мере их вращения.

Для обеспечения нормальной работы на сумасшедших скоростях вращения, достигающих 150 000 об/мин, оба ротора и приводной вал должны иметь шарнирные крепления повышенной надежности. Обычные подшипники неизбежно будут взрываться при таких условиях работы. Поэтому в автомобильных турбонагнетателях применяются особые подшипники скольжения. Их особенность состоит в том, что между их контактирующими частями постоянно поддерживается наличие тонкого слоя масла, благодаря чему улучшается охлаждение привода, а его вращение происходит без существенного нагревания от трения.

Один из главных недостатков турбонаддува заключается в том, что увеличение мощности не наступает сразу после нажатия на газ. Для того чтобы лопасти турбины раскрутились, требуется некоторые время, обычно 1-2 секунды. Это создаёт ощущение временной задержки: водитель давит на газ, двигатель не спеша набирает обороты, а через мгновение машина резко бросается вперед.

Самый распространенный путь к уменьшению задержки лежит через понижение веса вращающихся частей, за счет чего происходит сведение к нулю фактора инерции. Это позволяет турбине и компрессору моментально набирать обороты и давать приращение мощности, субъективно ощущаемое, как возникшее сразу после нажатия педали газа.

Уменьшить массу вращающихся деталей, а следовательно и их инерционность, можно за счет снижения габаритов всего устройства нагнетателя воздуха. Небольшой нагнетатель отлично работает на низких оборотах, однако когда скорость коленчатого вала двигателя достигает высоких значений, и возрастает объем газа, прогоняемого через воздуховоды, обеспечить прирост мощности будет ему уже не по силам. Кроме того, на высоких оборотах двигателя частота вращения валов компактного нагнетателя может дойти до опасно высоких значений.

Большинство автомобильных турбонагнетателей имеют встроенную систему регуляции давления, сбрасывающую во вне лишние объёмы поступающих к ним на вход выхлопных газов. Специальный клапан позволяет газам обходить лопасти турбины, когда давление достигает критических величин, и тем самым предохраняет привод от чрезмерного увеличения скорости при высоких оборотах двигателя.

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан. Обязательные для заполнения поля помечены *

*