Потужність, що розвивається двигуном внутрішнього згоряння, залежить від кількості палива і повітря, що надходить у двигун. Потужність двигуна можливо підвищити за рахунок збільшення обсягу цих складових.
Але збільшення подачі палива безглуздо, якщо не збільшується надходження повітря, необхідного для його згоряння. Тому повітря, що надходить в циліндри двигуна, доводиться стискати. Система примусової подачі повітря може працювати, використовуючи енергію відпрацьованих газів або із застосуванням механічного приводу.
Турбокомпресор або турбонагнетатель - пристрій, призначений для нагнітання повітря в двигун за допомогою енергії вихлопних газів. Основні частини турбокомпресора - турбіна і відцентровий насос, які пов'язує між собою загальна жорстка вісь. Ці елементи обертаються зі швидкістю - близько 100.000 об / хв, приводячи в дію компресор.
пристрій турбокомпресора
Пристрій турбокомпресора:
1 - корпус компресора; 2 - вал ротора; 3 - корпус турбіни; 4 - турбінне колесо; 5 - ущільнювальні кільця; 6 - підшипники ковзання; 7 - корпус підшипників; 8 - компресорне колесо.
Турбінне колесо обертається в корпусі, що має спеціальну форму. Воно виконує функцію передачі енергії відпрацьованих газів компресора. Турбінне колесо і корпус турбіни виготовляють з жароміцних матеріалів (кераміка, сплави).
Компресорне колесо засмоктує повітря, стискає його і потім нагнітає його в циліндри двигуна. Воно також знаходиться в спеціальному корпусі.
Компресорне і турбінне колеса встановлені на валу ротора. Обертання вала відбувається в підшипниках ковзання. Використовуються підшипники плаваючого типу, тобто зазор мають з боку корпусу і вала. Моторне масло для змащення підшипників надходить через канали в корпусі підшипників. Для герметизації на валу встановлюються ущільнювальні кільця.
Для кращого охолодження турбонагнетателей в деяких бензинових двигунах застосовується додаткове рідинне охолодження.
Для охолодження повітря, що стискається призначений інтеркулер - радіатор рідинного або повітряного типу. За рахунок охолодження збільшується щільність і відповідно тиск повітря.
В управлінні системою турбонаддува основним елементом є регулятор тиску. Це перепускний клапан, який обмежує потік відпрацьованих газів, перенаправляючи частина його повз турбінного колеса, забезпечуючи нормальний тиск наддуву.
Принцип роботи
У своїй роботі турбокомпресор використовує енергію відпрацьованих газів. Ця енергія обертає турбінне колесо. Потім це обертання через вал ротора передається компресорного колеса. Компресорне колесо нагнітає повітря в систему, попередньо стиснувши його. Охолоджений в інтеркулере повітря подається в циліндри двигуна.
Принцип роботи турбокомпресора
Хоча у турбокомпресора немає жорсткого зв'язку з валом двигуна, ефективність роботи турбонаддува залежить від частоти його обертання. Чим більше число обертів двигуна, тим сильніше потік відпрацьованих газів. Відповідно збільшується швидкість обертання турбіни і кількість що надходить в циліндри повітря.
При роботі системи турбонаддува виникають деякі негативні моменти.
- Затримується збільшення потужності при різкому натисканні на педаль газу ( «турбояма»).
- Після виходу з «турбоями» різко підвищується тиск наддуву ( «турбоподхват»).
Явище «турбоями» обумовлено інерційністю системи. Це тягне за собою невідповідність між продуктивністю турбокомпресора і необхідною потужністю двигуна. Для вирішення цієї проблеми існують такі способи:
- використання турбіни із змінною геометрією;
- застосування двох паралельних або послідовних компресорів;
- комбінований наддув.
Турбіна зі змінюваною геометрією оптимізує потік відпрацьованих газів, змінюючи площа вхідного каналу. Широко застосовується в дизельних двигунах.
Турбіна зі змінюваною геометрією:
1 - напрямні лопатки; 2 - кільце; 3 - важіль; 4 - тяга вакуумного приводу; 5 - турбінне колесо.
Паралельно працюють турбокомпресори застосовують для потужних V-образних двигунів (по одному на ряд циліндрів). Ця схема допомагає вирішити проблему за рахунок того, що у двох маленьких турбін інерція менше, ніж у однієї великої.
Установка 2-х послідовних турбін дозволяє досягти максимальної продуктивності, використовуючи різні компресори при різних оборотах двигуна.
При комбінованому наддуванні застосовується і механічний, і турбонаддув. При роботі двигуна на низьких оборотах працює механічний нагнітач . При збільшенні оборотів включається турбокомпресор, а механічний нагнітач зупиняється.
Переваги і недоліки застосування турбонаддува
1. Турбокомпрессор широко використовується зважаючи на простоту конструкції і хороших експлуатаційних параметрів. Наддувши дозволяє збільшити потужність двигуна на 20-35%. Двигун, виробляючи підвищені крутний момент на середніх і високих оборотах, збільшує швидкість і економічність автомобіля.
2. Турбокомпрессор в більшості випадків не може бути причиною несправностей двигуна, так як його робота залежить від працездатності газорозподільної, повітряної і паливної систем.
3. Двигун з турбокомпресором має менший викид шкідливих газів в атмосферу, так як виробляються додаткові вихлопні гази в двигун. У сгораемого палива стає менше відходів.
4. Відбувається економія палива на 5-20%. У невеликих двигунах енергія палива, що спалюється використовується ефективніше, збільшується ККД.
5. На високогірних дорогах такі двигуни працюють більш стабільно і з меншими втратами потужності, ніж їх атмосферні аналоги.
6. Турбокомпрессор сам по собі є глушником шуму в системі випуску.
Як працює турбіна - відео:
Про недоліки
У турбованих двигунів крім виникнення явищ «турбояма» і «турбоподхват» є й інші недоліки.
Обслуговування їх дорожче в порівнянні з «класичними». При експлуатації доводиться застосовувати моторне масло спеціального призначення - його доводиться регулярно міняти. Двигун з турбокомпресором перед пуском повинен кілька хвилин пропрацювати на холостих обертах. Також відразу не рекомендується вимикати двигун до охолодження турбіни.