Как работает турбонаддув

Когда люди говорят о гоночных автомобилях или высокопроизводительных спортивных автомобилях, обычно поднимается и тема турбонаддува. Турбокомпрессоры также устанавливаются и на современные дизельные двигатели. Турбонаддув может значительно повысить мощность двигателя без заметного увеличения его объема и веса, что является огромным преимуществом, делающим турбины настолько популярными!

В этой статье мы разберемся, как турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя при экстремальных условиях эксплуатации. Мы также узнаем, как вестгейты, керамические лопатки турбин и высокотехнологичные шариковые подшипники помогают турбокомпрессорам выполнять свою работу еще лучше.

Турбокомпрессоры сжимают  воздух, подаваемый в двигатель. Если воздух сжать, то это позволит втиснуть его как можно больше в цилиндр, подобно комку снега, а большее количество воздуха означает, что в него может быть добавлено еще больше топлива. Таким образом, вы получите больше энергии от каждого взрыва в каждом цилиндре. Турбонаддувный двигатель производит больше энергии, чем в целом же двигатель без наддува. Это может существенно повысить мощность по отношению к объему двигателя.

Для достижения этого повышенного давления, турбокомпрессор использует поток выхлопных газов от двигателя, чтобы вращать турбину, которая, в свою очередь, вращает воздушный насос. Турбина турбокомпрессора вращается на скорости до 150 000 оборотов в минуту. И поскольку турбокомпрессор подключен к выпуску двигателя, температуры в нем также очень высокие.

Турбина и двигатель

Один из верных способов получить больше энергии от двигателя — увеличение количества воздуха и топлива, которое может в нем гореть. Это можно сделать одним из способов: либо добавить больше цилиндров, либо увеличить их объем, либо же установить на двигатель турбину. Первые два способа ведут к увеличению веса автомобиля, а также снижают эффективность мотора с установкой чрезмерного количества дополнительных деталей. Турбонаддув, в свою очередь, является более простым и компактным способом добавления мощности.

Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха в существующих цилиндрах. Типичный наддув, предусмотренный турбонагнетателями, увеличивает давление воздуха в двигателе на 6-8 фунтов на квадратный дюйм (psi). Поскольку нормальное атмосферное давление составляет 14,7 psi на уровне моря, это означает прирост объема воздуха в двигателе на 50 %. Это, конечно, не значит равнозначное увеличение мощности двигателя, но на дополнительные 30-40 % можно вполне рассчитывать.

Одной из причин падения эффективности турбокомпрессора, является то, что вращение турбины происходит не просто так. Имея в выхлопе турбину, поток выхлопных газов получает высокое обратное давление, которое и отнимает от 10% до 30% от дополнительной мощности, полученной в результате наддува.

Конструктивная схема

Турбокомпрессор привинчен к выпускному коллектору двигателя. Отработанные газы из цилиндров вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Чем больше выхлопных газов проходит через лопасти турбины, тем быстрее они вращаются. Турбина соединена посредством вала с компрессором, который расположен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух перед подачей в цилиндры. Он имеет вид центробежного насоса: всасывая воздух в своей центральной части, он с помощью вращающихся лопастей сжимает и выталкивает воздух наружу.

Чтобы справиться со скоростью вращения до 150 000 об/мин., вал турбины обслуживается очень тщательно. Самые лучшие серийные подшипники будут разлетаться на такой скорости, поэтому большинство турбокомпрессоров используют подшипники с жидкостным трением. Такой подшипник находится на тонком слое масла, которое постоянно закачивается вокруг вала. Масло охлаждает вал и некоторые другие части турбокомпрессора, а также позволяет валу вращаться без лишнего трения.

Воздух из турбокомпрессора выходит с повышенной температурой. С такой температурой нежелательно запускать его во впускной коллектор, поскольку горячий воздух сильно расширяется и эффективность наддува падает. Для охлаждения воздуха применяют интеркулеры — воздушные или водяные теплообменники, понижающие температуру воздушного потока из турбокомпрессора.

Проблемы турбокомпрессора и их решения

Одна из главных проблем турбокомпрессоров заключается в том, что они не обеспечивают немедленное увеличение мощности двигателя, когда вы нажимаете на педаль газа. Пока турбина не раскрутится от выхлопных газов до нужной скорости, ничего не происходит. Такая задержка называется турболаг: водитель сильно давит на газ, но автомобиль начинает нормально разгоняться только тогда, когда турбина достигнет нужных оборотов.

Одним из способов снижения турбо лага является сокращение инерции вращающихся частей, в основном, за счет уменьшения их веса. Это позволяет турбине и компрессору ускориться быстрее и начать скорее повышать давление. Еще один верный способ снизить инерцию турбины и компрессора — сделать турбокомпрессор меньше. Небольшой турбокомпрессор быстрее даст толчок двигателю при низких оборотах двигателя, но, возможно, не сможет намного повысить давление при очень большом объеме воздуха, поступающего на повышенных оборотах. Он также может начать вращаться слишком быстро на высоких оборотах двигателя, когда появляется много выхлопных газов, проходящих через турбину, что очень опасно.

Большинство автомобильных турбокомпрессоров имеют Вестгейт, что позволяет использовать меньший турбокомпрессор, чтобы сократить инерцию, в то же время предотвращая его слишком быстрое вращение на высоких оборотах двигателя. Вестгейт — это клапан, который позволяет выхлопным газам обойти турбинные лопатки. Вестгейт замеряет давление наддува. Если давление поднимается слишком высоко, это может быть показателем того, что турбина начнет вращаться слишком быстро, и Вестгейт направляет часть выхлопных газов мимо лопаток турбины, не позволяя ей слишком сильно раскручиваться.

В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо подшипников с жидкостным трением для поддержки вала турбины. Но это не обычные шариковые подшипники — это супер-точные подшипники, изготовленные из современных материалов, способные работать при скоростях и температурах турбокомпрессора. Они позволяют валу турбины вращаться легче, чем подшипники с жидкостным трением, используемые в большинстве турбокомпрессоров. Это помогает турбокомпрессору ускоряться быстрее, уменьшая турбо лаг. Керамические турбинные лопатки легче, чем стальные лопатки, используемые в большинстве турбокомпрессоров. Это так же уменьшает инерцию турбокомпрессора, а, следовательно, уменьшает турбо лаг.