Как работает турбокомпрессор

Несомненно Вы слышали слово <турбина>, прежде всего в разговорах энтузиастов автотюнинга, но все, что Вы знаете о турбине - это то, что с ней двигатель становится мощнее.Но что именно происходит под капотом? Давайте откроем капот и посмотрим.

Все дело - в лучшем сгорании
Чтобы лучше понять, что именно дает турбокомпрессор Вашему двигателю, нужно знать основные принципы внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания "дышат". Другими словами, они втягивают воздух и топливо для выработки энергии. Эта энергия переходит в мощность, как только воздушно-топливная смесь поджигается. После этого остатки процесса горения выбрасываются в атмосферу. Весь процесс обычно выражается в четырех тактах поршней.

Турбокомпрессор делает воздушно-топливную смесь <более сгораемой> путем подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя, что, в свою очередь, дает дополнительную мощность и крутящий момент, когда в результате <минивзрыва> поршень движется вниз. Турбокомпрессор конденсирует или сжимает молекулы воздуха, так чтобы поступая в двигатель, он становился плотнее. Теперь о том, как именно турбокомпрессор это делает.

Tурбокомпрессор подобен воздушному насосу. Горячие выхлопные газы, выходящие из двигателя, попадают на колесо турбины и раскручивают его. Это колесо через вал сообщается с колесом компрессора, заставляя его вращаться. Вращающееся колесо компрессора втягивает и сжимает воздух, который затем подается в цилиндры двигателя.

Как можно догадаться, сжатый воздух, отходящий от колеса компрессора, сильно нагревается за счет компрессии и трения. Поэтому его приходиться охлаждать перед подачей в цилиндры. Для этого используется промежуточный охладитель (или <теплообменник>). Он понижает температуру воздуха, одновременно уплотняя его (как известно, при нагревании вещества расширяются).

Некоторые системы также включают дополнительный вентилятор охлаждения, прогоняющий воздух черех теплообменник.

Не все так просто, как кажется
Несмотря на достаточно простой принцип работы, сам турбокомпрессор представляет собой очень тонкое устройство. Требуется не только исключительно точная подгонка деталей внутри турбокомпрессора, но и идеально согласованная работа турбокомпрессора и двигателя. При отсутствии такого согласования, двигатель не только будет работать неэффективно, но и может быть поврежден. Поэтому важно в точности следовать технологии установки и обслуживания.

 Устройство турбокомпрессора

Турбокомпрессоры состоят из турбины, приводимой в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закрепленных на противоположных концах общего вала и заключенных в литые корпуса. Сам вал заключен в средний корпус, который соединен с корпусами турбины и компрессора. Турбокомпрессор без корпусов турбины и компрессора называется картриджем (CHRA). Стандартный турбокомпрессор имеет скорость вращения от 100,000 об/мин.

Секция турбины состоит из литого колеса турбины, теплового кожуха колеса и корпуса турбины с впускным каналом в центре. Это центробежное устройство, в которое выхлопные газы поступают, пройдя через лопатки колеса, и из которого они выходят в центре корпусного отверстия. Выхлопной газ в расширенном состоянии направляется в корпус турбины через выпускной коллектор. Давление выхлопного газа и его тепловая энергия раскручивают колесо турбины, что затем приводит в движение колесо компрессора.

Секция компрессора состоит из литого колеса компрессора, задней стенки и корпуса компрессора с входным отверстием в центре. Это центробежное или радиально-выпускное устройство, из внешнего входного отверстия которого воздух выходит, пройдя через лопатки колеса. Вращающееся колесо компрессора направляет воздух на систему фильтрации двигателя. Лопасти колеса разгоняют воздух и выталкивают его в корпус компрессора, где он сжимается и через систему каналов направляется во впускной коллектор двигателя.

Средний корпус (корпус подшипника) в составе CHRA поддерживает положение вала, на который посажены колеса турбины и компрессора, в системе подшипников. Система подшипников, расчитанная на высокие скорости, не испытывает больших нагрузок как в случае с подшипнками коленвала. Она призвана поддерживать точное и как можно более близкое к корпусу положение колес. Ключевым моментом для эффективной работы и срока службы турбокомпрессора является масляное заполнение зазоров между отверстием среднего корпуса, подшипниками и валом.

Система прокладок отделяет средний корпус от секций турбины и компрессора. Прокладки предотвращают попадание масла в корпуса турбины и компрессора и минимизируют приток газа из этих корпусов в средний корпус. Такая система дополнительно может включать кольцевые поршневые и графитовые уплотнения, маслоотражатели и лабиринтные (резьбовые) уплотнения. Масляные прокладки задействуются, когда при вращении вала создается давление в корпусе.

Различные фиксирующие шайбы и болты фиксируют положение вращающихся компонентов. Осевые компоненты поддерживают осевую целостность. Гайка на вале или колесо с резьбой связывают колеса турбины и компрессора. Корпуса турбины и компрессора крепятся к среднему корпусу и вращающейся сборке болтами и зажимами.

Поворотные клапаны устройств управления выхлопными газами, дисковые и перепускные клапаны помогают управлять скоростью турбины (что, в свою очередь, позволяет контролировать наддув), ослабляя избыточное давление выхлопа на корпус турбины. Они могут быть встроены в корпус турбины или монтируются отдельно. Они активируются или от диафрагм, или от цилиндров, заполненных воздухом или маслом. При их открытии избыточное давление из корпуса турбины отводится через систему выхлопа в атмосферу.

Двигатель любого объема и его выходная мощность должны быть тщательно согласованы с турбокомпрессором. Выходная мощность должна быть согласована с давлением, необходимым для подачи нужного объема воздуха в двигатель. Затем следует подбор комбинации размеров колеса, скорости его вращения и размера корпуса.

          Газотурбинный нагнетатель, или просто турбонаддув, был известен уже в начале века. Швейцарский инженер Альфред Бюхи ставил первые опыты до первой мировой войны на авиационных двигателях. Однако основной проблемой для широкого применения турбонаддува было отсутствие недорогой технологии высокоточного литья из высокопрочных материалов. Первое более широкое применение турбокомпрессоров на серийных легковых автомобилях произошло на заводах в Баварии в 1973 году. Автомобили BMW "2002 turbo" открыли глаза наиболее прозорливым фирмам. В ряду "компрессорных" машин появились Porsche 911 и SAAB-99 в 1974 и 78 годах. После 1980 г. технологические преграды рухнули, началась эра массовой "турбанизации".
          Как известно, количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь при пуске. Соотношение масс, составляющее примерно 1 кг топлива на 15 кг воздуха, должно выдерживаться очень строго, дальнейшее обогащение смеси приводит к уменьшению мощности. Чтоб преодолеть эту преграду, необходимо подать в цилиндр больше воздуха, нагнетая его под избыточным давлением. В этом случае, при увеличении давления воздуха на 30%, происходит адекватный рост мощности и разгонной динамики.

         Принцип действия газотурбинного компрессора достаточно прост (рис. 1). На выпускной коллектор крепится корпус турбины, внутри которой находится турбинное колесо, а с ним соосно крепится компрессорное колесо. Под действием потока выхлопных газов турбина раскручивается, момент с помощью вала передается на компрессорную крыльчатку, а та, засасывая воздух через воздушный фильтр, под давлением подает его в карбюратор, увеличивая наполнение цилиндров.
          Таким образом, в один и тот же объем цилиндров мы закачиваем большее количество рабочей смеси. Поскольку в обычном двигателе сгорает лишь 25% от закачанного в цилиндр топлива из-за недостатка кислорода. Улучшая наполняемость воздухом, происходит пропорциональное увеличение сжигания бензиновой смеси, что приводит к росту КПД двигателя. Таким образом, за один и тот же промежуток времени по сравнению с безнаддувным двигателем мы закачиваем большее количество топлива, при этом увеличивая моментные характеристики, которые отражаются на разгонной динамике. Как это отражается на поведении машины, мы уже знаем (см. ситуацию на перекрестке).
          Идея проста, но для легкового автомобиля воплотить ее в жизнь весьма сложно. Скажу только, что лишь несколько автомобильных фирм берутся за изготовление турбокомпрессоров. Название производителей можно пересчитать по пальцам одной руки.
          Основная сложность установки и адаптации турбонаддува на бензиновым двигателе заключается в том, что температура выхлопных газов, которую должна выдерживать турбина, равна 900-950 С, а рабочие обороты ротора с крыльчаткой исчисляются десятками и даже сотнями тысяч оборотов в минуту. В то же время ограниченные возможности объема подкапотного пространства требуют от производителей уместить агрегат в эти рамки. Таким образом, агрегат должен обладать высокой жаропрочностью, быть компактным, тщательно отбалансированным и в то же время недорогим.
          В качестве мировых лидеров можно назвать следующие фирмы: Garret (США), KKK (Германия), IHI (Япония), и, что отрадно, теперь такими возможностями обладает и отечественная промышленность. При этом по соотношению "цена-качество" ничуть не уступая зарубежным аналогам.

          Что же конкретно дает турбонаддув? Испытания обычного 1,5-литрового карбюраторного двигателя ВАЗ-21083 с установленным на нем турбонаддувом показали следующие результаты. При качественном сцеплении и покрышках время разгона до "сотни" сокращается на 5 секунд по сравнению с исходным мотором. То же происходит и с эластичностью, т.е. время разгона на фиксированной передаче (IV) от 60 до 100 км/час уменьшается также на 5 секунд.
          Мощностные характеристики, полученные при испытаниях двигателя в НАМИ, приведены в таблице 1.

И это с учетом того, что турбина настроена на экономичный вариант, т.е. давление воздуха увеличено на 0,3 кг на см2, что не отражается на моторесурсе двигателя. Такого повышения давления вполне достаточно, кроме того, оно позволяет при работе на номинальных оборотах снижать расход топлива до 20%.
          Ближайшим достойным соперником "наддутого" двигателя будет 16-клапанный силовой агрегат с таким же объемом. За счет оптимизации рабочих процессов пиковая мощность у них приблизительно одинаковая, а вот по разгонной динамике последний явно уступает своему "турбо"-оппоненту.

          Не вдаваясь подробно в технические характеристики, отмечу, что во всем мире "турбо" оценивается дороже в среднем на 3-4 тысячи долларов от стоимости аналогичного безнаддувного автомобиля (см. таблицу 2).

Нельзя не отметить и некоторых сложностей, вызванных установкой на двигатель турбонаддува.

·                          Во-первых, турбонаддув все-таки достаточно дорогое удовольствие.

·                          Во-вторых, оснащенная турбиной машина требует тщательного за ней ухода. То есть более частую замену масла, фильтров, свечей. Необходимость установки качественного сцепления. Ведь все перечисленные расходные материалы, производимые нашей промышленностью, рассчитаны на условия эксплуатации, характерные для обычных двигателей, и не отвечают характеристикам, требуемым для двигателей с турбонаддувом.

·                          В-третьих, ротор устанавливается в подшипниках скольжения, которым приходится выдерживать частоты вращения до 200 тысяч об./мин. Поэтому они нуждаются в обильной и качественной смазке. Но масло еще и охлаждает их, и если условия смазки ухудшаются, т.е. отложения снижают пропускную способность магистралей, то масло застаивается в подшипниковом узле, что увеличивает теплонапряженность и вызывает его закоксовывание. В этом случае подшипник остается сухим, в результате чего следует задир и выход подшипника из строя. Вот почему после долгой работы двигателя под нагрузкой (например, буксование в глубоком снегу), перед тем как его заглушить, требуется дать ему поработать на холостом ходу минуту-другую. Это должно стать правилом. И последний минус - преодоление водных преград. Поскольку чугунная часть корпуса турбины сильно разогревается во время работы, существует опасность ее повреждения при попадании на нее большого потока воды.

          При установке турбонаддува двигатель начинает испытывать большие нагрузки. Причем рост теплонапряженности и механических нагрузок пропорционален увеличению давления наддува. Обходясь скромной форсировкой двигателя на 30%, ресурс мотора сохраняется на атмосферном уровне. Безболезненно повысить давление позволяет промежуточный охладитель наддувочного воздуха. Но об этом пойдет речь чуть позже.

 Виктор Смолин

Вернутся в Архив