Турбокомпрессор (turbocharger) обеспечивает повышение давления во впускной системе
за счет использования энергии отработавших газов. В результате его
работы увеличивается масса воздуха в камерах сгорания. Турбокомпрессор
является более эффективным устройством наддува в сравнении с механическим нагнетателем, т.к. не использует мощность двигателя для привода.
Но использование турбокомпрессора все же приводит к
определенным потерям мощности. Находясь в выпускном тракте,
турбокомпрессор создает препятствие для движения отработавших газов из
цилиндров. Создаваемое противодавление заставляет двигатель выполнять
большую работы по очистке цилиндров от продуктов сгорания,
соответственно тратить на это мощность. Но в сравнении с приростом
мощности от применения турбокомпрессора на 30-40%, данные потери
незначительны.
Основная проблема применения турбокомпрессора
заключается в отставании изменения выходной мощности в ответ на
изменение давления отработавших газов, т.н. турбозадержка или турбояма (turbolag). Основными причинами турбоямы являются инерционность, силы трения и нагрузки турбокомпрессора.
Устройство турбокомпрессора (турбонагнетателя)
Турбокомпрессор состоит из трех основных элементов: турбины, центробежного компрессора и центрального корпуса. Турбина
преобразует кинетическую энергию отработавших газов во вращательное
движение компрессора. Она объединяет турбинное колесо, помещенное в
корпус специальной формы – улитку.
Отработавшие газы поступают в корпус, двигаются по его
каналу и направляются на лопатки турбинного колеса. Колесо
раскручивается до высокой скорости (до 250000 об/мин). Колесо приварено к
валу, который передает вращение на колесо компрессора. Проходя через
лопасти турбинного колеса, отработавшие газы покидают турбину через
центральное отверстие и отводятся в выпускную систему.
Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому
ее элементы изготавливаются из жаропрочных материалов: турбинное колесо
- из железоникелевого сплава, корпус – из стали.
Производительность турбокомпрессора во многом
определяется размером и формой турбины. В общем виде, чем больше
турбина, тем выше производительность компрессора. Большой
турбокомпрессор воспринимает большее давление отработавших газов и
соответственно обеспечивает больший прирост мощности. Но при низких
оборотах двигателя в нем наиболее остро наблюдается турбозадержка.
Маленький турбокомпрессор раскручивается до номинальной скорости
значительно быстрее, но имеет меньшую производительность.
Для регулирования давления наддува в корпусе турбины устанавливается перепускной клапан (wastegate). Клапан имеет пневматический привод и регулируется системой управления двигателем.
Центральный корпус служит для
размещения вала, позволяя ему вращаться с максимальной скоростью и
минимальным трением. Вал вращается в одном или двух подшипниках. В
качестве подшипников используются различные конструкции подшипников
скольжения, реже – шарикоподшипники.
Смазка подшипников и вала производится системой смазки двигателя.
Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а
также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и
охлаждает нагретые детали. В турбированных двигателях с искровым
зажиганием центральный корпус включен в систему охлаждения двигателя, чем достигается лучшее охлаждение.
Центробежный компрессор непосредственно
создает дополнительное давление во впускной системе. Конструкция его
аналогична соответствующему механическому нагнетателю и включает корпус с
компрессорным колесом. Движение воздуха в компрессоре осуществляется от
центра колеса к периферии корпуса. Диффузор преобразует кинетическую
энергию воздуха в давление за счет резкого снижения скорости потока.
Сжатый воздух поступает через впускной коллектор в двигатель.
Компрессорное колесо и корпус компрессора изготавливаются из алюминия.
Для снижения последствий турбозадержки, повышения
производительности конструкция турбокомпрессора постоянно
совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями
являются:
- снижение массы турбины за счет применения более легких и прочных материалов (керамика и др.);
- применение новых конструкций подшипников, обеспечивающих снижение потерь на трение;
- раздельный турбокомпрессор (twin-scroll);
- турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина).
Раздельный турбокомпрессор имеет два
входа для отработавших газов и два сопла, рассчитанных на каждую пару
цилиндров. Одно сопло предназначено для быстрого реагирования. Другое
сопло обеспечивает максимальную производительность. Помимо высокой
производительности конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой
разделяет выпускные каналы, предотвращая их перекрытие при выпуске
отработавших газов.
Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)
Турбина с изменяемой геометрией (другое наименование – турбина с переменным соплом) широко используется в дизельных двигателях, например в двигателе TDI
от Volkswagen. В турбокомпрессоре установлено девять подвижных лопастей
для регулирования потока отработавших газов к турбине. Угол наклона
лопастей регулируется приводом, который блокирует или увеличивает поток
отработавших газов. Изменение положения лопастей позволяет согласовать
скорость отработавших газов и давление нагнетаемого воздуха с оборотами
двигателя.
В ряде конструкций турбонаддува используется несколько турбокомпрессоров: два (twin-turbo),
три (triple-turbo) и даже четыре (quad-turbo). Турбокомпрессоры
устанавливаются последовательно, при этом один работает при низких
оборотах двигателя, другой – при высоких оборотах. На V-образных
двигателях практикуется параллельная схема установки турбокомпрессоров
(на каждый ряд по компрессору). Резон данной схемы – два небольших
турбокомпрессора эффективнее одного большого.