Турбонагнетатель воздуха в автомобиле
Содержание
С момента разработки двигателя внутреннего сгорания перед инженерами стояла задача повышения его мощностных характеристик. Решение этой проблемы путем установки большего количества цилиндров приводит к ряду проблем, таких как увеличение размера и веса двигателя, и поэтому не является оптимальным.
Еще на заре автомобильной промышленности, в 1905 году, было предложено принципиально иное решение: увеличить мощность двигателя за счет нагнетания дополнительного воздуха. Одним из вариантов такого решения является турбокомпрессор.
Немного истории и общей теории о турбине
Чтобы понять роль турбокомпрессора, достаточно вспомнить, что автомобили, оснащенные двигателем внутреннего сгорания, могли развивать скорость до 200 км/ч еще в 1909 году.
Цифра выглядит фантастической ровно до тех пор, пока рядом с ней не появляется другая цифра: объем двигателя, давшего машине такую скорость, составлял… 28 литров! Естественно, ни о каком серийном производстве таких монстров речи не шло: ремонтировать их без специального общего оборудования было просто невозможно.
А для того, чтобы транспортное средство было доступно массам потребителей, а не стало аналогом паровоза, необходимо уменьшить размер двигателя, выделив при этом максимально возможную мощность.
Идея нагнетателя дополнительного воздушного потока позволила увеличить мощность двигателя на пятьдесят процентов. Разобраться в основных моментах, определяющих работу технического узла, несложно, если знать принципы работы автомобильного двигателя на основе двигателя внутреннего сгорания.
Для эффективной работы двигателя внутреннего сгорания важно процентное соотношение воздух-топливо в камере внутреннего сгорания. Естественным ограничением объема топливно-воздушной смеси является объем камеры, куда эта смесь попадает за счет перепада давления в такте впуска топлива и где происходит ее воспламенение.
Если увеличить количество топливной смеси в камере, то при ее сгорании будет получена большая мощность, что повысит возможности автомобиля. Введение смеси в камеру под давлением (компрессией) позволяет добиться этого.
Способы компрессии
На протяжении всей истории автомобилестроения конструкторы создавали различные устройства для сжатия воздуха. Что-то осталось на страницах истории, что-то прошло через горнило усовершенствования и дожило до наших дней. В настоящее время существует четыре основных способа нагнетания воздуха в камеру внутреннего сгорания:
- механический привод – производится за счет работы коленчатого вала и является прародителем всех остальных инженерных решений;
- турбокомпрессор – нагнетатель воздуха со смешением воздуха, работающий за счет разницы давлений между компрессором и выхлопными газами;
- электрический турбонаддув – способ нагнетания воздуха электрическим компрессором;
- комбинированный наддув – устройство, совмещающее работу механического и турбонаддува.
Принципы работы автомобильного турбонагнетателя воздуха
Существует прямая зависимость между объемом воздуха в цилиндрах двигателя и объемом топлива, сжигаемого в камере внутреннего сгорания. При этом, чем большей энергией обладают выхлопные газы, тем больший крутящий момент получают колеса турбины, а, следовательно, и сам компрессор.
Особой проблемой при разработке турбокомпрессора является выбор материала, из которого он изготовлен. Лопасти турбины вращаются со скоростью более десяти тысяч оборотов в минуту и могут нагреваться до тысячи градусов. Проблема охлаждения частично решается добавлением дополнительного потока воздуха.
Как правило, воздушный турбокомпрессор снабжен специальным лопастным кольцом, способным не только поддерживать фиксированное давление в массе выхлопных газов, но и регулировать состояние этого потока. Другими словами, в настоящее время турбокомпрессоры выполняют функцию изменения внутренней геометрии турбины.
Объясним подробнее. При низких оборотах двигателя и малом расходе отработавших газов турбина, уменьшая свое внутреннее сечение, увеличивает приток отработавших газов к колесу. При высоких оборотах двигателя КПД турбины увеличивается за счет увеличения внутреннего сечения, а следовательно, уменьшается плотность потока проходящих через нее выхлопных газов.
При таком «интеллектуальном» управлении значительно расширяется диапазон, в котором эффективна работа турбокомпрессора. Кроме того, снижаются вредные выбросы в атмосферу и снижается расход топлива.
Плюсы и минусы турбонагнетателя воздуха в автомобиле
В чём достоинства турбонагнетателей
В отличие от ранних механических нагнетателей, которые приводились в движение коленчатым валом и, таким образом, использовали часть мощности двигателя, турбокомпрессоры в основном используют энергию, «полученную» от выхлопных газов.
По этой причине турбокомпрессоры на сегодняшний день являются наиболее эффективным инженерным решением.
Кроме того, турбокомпрессор отличается повышенными мощностными характеристиками. Из одного литра двигателя можно «выжать» до трехсот лошадиных сил.
Если двигатель оснащен турбокомпрессором, он увеличивает его мощность на 40 процентов. Это приводит к значительной экономии топлива.
Если говорить об экономичности, то здесь работа турбонаддува идет «больше»: с увеличением объема двигателя его КПД снижается за счет потерь на трение и снижения теплового КПД; следовательно, чем меньше объем двигателя (что дает только наличие турбонаддува), тем выше его КПД.
Недостатки турбонагнетателей
Недостатки в этой конструкции тоже есть, и автовладелец должен о них знать.
- При низких оборотах двигателя турбонагнетатель не очень эффективен. Это естественно — низкое давление выхлопных газов не может «загнать» в камеру необходимое количество воздуха.Эта проблема частично успешно решается за счет функции изменения геометрии турбины в зависимости от интенсивности работы двигателя и плотности потока выхлопных газов.
- Еще один «менее» значимый — это так называемый «эффект турбо-лага», когда водитель разгоняется, но машина поначалу как будто не реагирует. Подробно читайте, что такое турболаг и почему он возникает.Эффект обусловлен тем, что без жесткой механической связи между двигателем и компрессором неизбежно возникает несоответствие между действием компрессора и требуемой мощностью, которая задается водителем при нажатии на педаль акселератора. Инерция турбины вызывает «просадку» оборотов двигателя.
Специалисты борются с этим нежелательным эффектом, настраивая двигатель дополнительным электрическим наддувом или устанавливая второй турбокомпрессор.
- После выключения турбины она не должна останавливаться сразу. Высокая скорость оборотов крыльчатки требует, чтобы после остановки автомобиля турбина некоторое время работала на «холостых» оборотах и охлаждалась. В противном случае устройство очень быстро приходит в негодность.Для предотвращения этого турбокомпрессор оснащен турботаймером, который запрограммирован на определенное время простоя турбины после остановки автомобиля.
Если автомобиль «допилен» вручную и оснащен турбиной без турботаймера, автолюбителю придется самому позаботиться о ее правильном охлаждении и остановке после остановки двигателя.
- Наконец, турбокомпрессоры не являются самым дешевым техническим узлом в автомобиле, так как требуют большой точности и имеют функцию изменения геометрии турбины в зависимости от плотности потока выхлопных газов.
Особенности работы на бензиновых двигателях
Турбокомпрессор для бензиновых двигателей эффективен в инжекторных двигателях. Если вы хотите установить этот узел на карбюраторный двигатель, то потребуется ряд модернизаций, от регулировки уровня поплавковой камеры до замены жиклеров на большее сечение.
Если аппарат ставится на инжекторный двигатель, то работа ограничится только новой прошивкой.
Турбокомпрессоры доказали свою ценность. Неудивительно, что они устанавливаются на большинство спортивных автомобилей. Этот технический узел используется как на этапе производства автомобиля, так и в ситуации, когда автовладелец хочет выполнить тюнинг автомобиля. Высокий уровень эффективности и ряд найденных решений по устранению эффекта турбоямы делают использование турбокомпрессора наиболее эффективным на уровне других способов повышения давления в камере внутреннего сгорания.
