Турбонаддув Современные двигатели оснащены усовершенствованными системами турбонаддува, которые помогают поддерживать топливную экономичность при высокой степени наддува. Впрыск воздуха значительно повышает производительность двигателя.
Когда речь заходит о возможностях увеличения мощности двигателя, нельзя упускать из виду турбонаддув. Это, безусловно, самый распространенный способ повышения эффективности двигателя при одновременном снижении расхода топлива. За счет увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндры в единицу времени, достигается желаемый эффект. В последние годы более 50 процентов всех выпускаемых автомобилей оснащаются различными системами турбонаддува. Теория гласит, что «мощность двигателя прямо пропорциональна количеству топлива, сжигаемого в рабочем цикле». Соответственно, чем больше топлива сжигается, тем больше мощность! Если вспомнить формулу рабочей смеси, то она составляет от 1:13 до 1:16 частей (топливо к воздуху). Подать больше топлива в цилиндры гораздо проще, чем подать больше воздуха в атмосферный двигатель. Именно здесь на помощь приходит турбонаддув.
Система турбонаддува
Нагнетание воздуха в цилиндры может осуществляться несколькими способами: с помощью механического нагнетателя (компрессора) или турбины, которая приводится в движение энергией, содержащейся в выхлопных газах. Турбокомпрессоры используют центробежные насосы и обычно более популярны, чем механические нагнетатели. Вращение ротора создает центробежные силы, которые отклоняют воздух к основанию колеса, а в центре создается вакуум, который втягивает воздух. Следовательно, чем выше скорость вращения ротора турбины, тем больше воздуха она способна нагнетать в цилиндры.
В отличие от высокопроизводительных двигателей с низким КПД, конструкторы уже несколько десятилетий думают о том, как впустить в двигатель больше воздуха. Инженеры были недовольны прожорливыми, громоздкими двигателями, которые потребляли слишком много топлива. Первым человеком, которому удалось ответить на этот вопрос, был Вильгельм Даймлер (да, его имя фигурирует в названии автомобильного гиганта Daimler). Этот человек предложил элементарную конструкцию компрессора, который прокачивал дополнительную массу воздуха через вентилятор. Механизм приводился в движение коленчатым валом двигателя. Чуть позже, в 1905 году, швейцарскому изобретателю Альфреду Бучи удалось запатентовать нагнетатель, который приводился в действие выхлопными газами. Сегодня этот механизм называется турбонаддувом.
Подобно ветру в поле, который вращает крылья ветряка, выхлопные газы вращают колесо с множеством лопастей. Это колесо очень маленькое, оно сидит на одной оси с колесом компрессора и называется ротором. С одной стороны находится та часть механизма, которая приводится в движение движением выхлопных газов, а с другой — компрессор, нагнетающий дополнительный воздух в двигатель внутреннего сгорания. Выхлопные газы «встречаются» с корпусом турбины (известным как горячий теплообменник) через выпускной коллектор. Давление и энергия выхлопных газов вращают горячий ротор турбины, который передает вращение на ротор компрессора (холодный ротор).
Охлаждение потока воздуха
Охлаждение системы турбокомпрессора
Вращение колеса компрессора втягивает воздух из атмосферы через воздушный фильтр. В холодной части турбокомпрессора воздушный поток сжимается и поступает во впускной коллектор. Поскольку воздух на выходе из компрессора дополнительно нагревается и теряет плотность, большинство двигателей оснащаются так называемым промежуточным охладителем или интеркулером. Турбокомпрессор, оснащенный интеркулером, эффективно борется с отводом тепла воздушного потока, нагретого в компрессоре во время разгрузки. Воздух, нагретый компрессором, проходя через интеркулер, отдает тепло окружающей среде, а когда воздух охлаждается, он становится плотнее, поэтому большее его количество поступает в цилиндры. Основным критерием при проектировании интеркулера является высокая теплоотдача при минимальных потерях давления наддува и повышение инерционных свойств проходящего через него воздуха. Наиболее распространенный тип интеркулера «воздух-воздух» состоит из труб интеркулера и его ребристого охладителя. Турбокомпрессор с таким охладителем можно встретить на всех спортивных автомобилях, выпущенных за последние 10-15 лет. Интеркулер можно увидеть в самых разных местах, но чаще всего он устанавливается рядом с основным радиатором или горизонтально над двигателем (спортивные модели Subaru).
Схема «больше оборотов двигателя — больше выхлопа — больше воздуха» продолжает работать…. Но здесь есть разумный максимум: чем эффективнее турбина, чем больше она способна «вдувать» воздуха в цилиндры, тем большее количество выхлопных газов необходимо задействовать, чтобы вывести ее на режим оборотов (частота вращения ротора часто превышает 250-300 000 об/мин). В отличие от механического компрессора, турбокомпрессор использует для своей работы не более 2% энергии двигателя. Это происходит потому, что ротор турбины преобразует энергию выхлопного газа, охлаждая его на пути к цилиндрам, но не замедляя его.
Турбонаддув позволяет получить большую мощность из меньшего объема. Преимущества очевидны — уменьшение трения, снижение веса деталей и автомобиля и улучшение экономии топлива.
В зависимости от области применения на автомобиле могут использоваться различные варианты системы турбонаддува:
- турбина с изменяемой геометрией
- Параллельная или последовательная система нагнетания
- Параллельный или последовательный нагнетатель — комбинация обоих вариантов
