 |
|
Принцип работы турбонаддува
Перед автомобильными конструкторами стоит извечная проблема повышения мощности двигателя. Еще со школьной скамьи мы помним, что мощность мотора находится в прямой зависимости от объема, сжигаемого за рабочий цикл топлива. Иначе говоря, чем больше горючего сжигается, тем большую мощность получают. Но не все так просто на пути увеличения количества лошадиных сил под капотом – как правило, здесь конструкторов-мотористов поджидает немало проблем.
|
Как известно, процесс горения топлива проходит в присутствии кислорода, поэтому в цилиндрах фактически сгорает не топливо, а смешанные в определенном соотношении топливо и воздух. Особенности процесса топливного горения зависят, например, от состава горючего или режима работы мотора, и некоторых других факторов. К примеру, в случае бензиновых двигателей топливо и воздух находятся в соотношении один к 14–15, то есть воздуха требуется довольно много. Увеличить подачу топлива – не проблема, чего не скажешь о столь значительном увеличения подачи воздуха.
В основе работы обычного ДВС лежит разница между давлением непосредственно в цилиндрах и атмосферным столбом, благодаря чему необходимый воздух попадает в двигатель самостоятельно. В этом случае получается прямая зависимость между объемом цилиндра и кислородом, который попадает в него на каждом цикле.
Первый способ увеличить в определенном объеме количество воздуха придумал немецкий инженер-конструктор Готлиб Вильгельм Даймлер. Воздух в двигатель закачивался посредством специального нагнетателя, представляющего собой вентилятор (компрессор). Получив вращение напрямую от вала двигателя, он загонял сжатый воздух в цилиндры.
В начале XX века швейцарскому инженеру-изобретателю Альфреду Бюхи удалось пойти еще дальше. Под его руководством в производственной фирме Sulzer Brothers проходили работы по разработке дизельных двигателей. С одной стороны ему категорически не нравились большие и тяжелые, к тому же маломощные моторы, с другой – не хотелось использовать и идею вращения приводного компрессора за счет энергии движка. Это и привело к поискам нового решения нагнетания воздуха. Так, в 1905 году впервые в мире было запатентовано новое устройство нагнетания, основанное на использовании энергии выхлопных газов в качестве движителя.
|
Идея турбонаддува – проста, как, впрочем, и все гениальное. Аналогично работе ветра по вращению крыльев мельницы, колесо с лопатками здесь крутят отработавшие газы. Ротор турбины, как называют маленькое колесо с большим количеством лопаток, и колесо компрессора посажены на один вал. Полученную конструкцию, турбонагнетатель или турбокомпрессор (лат. turbo – вихрь, compressio – сжатие) можно условно разделить на:
- ротор – вращается под действием выхлопных газов
- и компрессор – будучи соединенным с ротором, он выступает в роли вентилятора, нагнетающего дополнительный воздух в цилиндры.
Воздух, попадающий в цилиндры турбомотора, часто нуждается в дополнительном охлаждении. В этом случае, загнав туда больше кислорода, можно будет повысить его давление, поскольку уже в цилиндре ДВС сжать холодный воздух гораздо легче, чем горячий. При прохождении через турбину воздух за счет сжатия и разогретых выхлопными газами деталей турбонаддува нагревается. Его охлаждают с помощью промежуточного охладителя, интеркулера. Это радиатор, который установлен по ходу движения воздуха межу компрессором и цилиндрами мотора. При прохождении через интеркулер воздух отдает тепло атмосфере и охлаждается. А уже холодный, более плотный воздух можно загонять в цилиндр в большем объеме.
Получается определенная цепочка – большее количество выхлопных газов, попавших в турбину, заставляет ее быстрее вращаться, а больший объем дополнительного воздуха, поступающего в цилиндры, повышает мощность.
Решение это – довольно эффективное, поскольку по сравнению, допустим, с приводным нагнетателем требуется значительно меньше затрат энергии двигателя (порядка 1,5%) на самообслуживание наддува. Это легко объясняется тем, что источником энергии ротора турбины является не замедление выхлопных газов, а их охлаждение – выхлопные газы после турбины идут так же быстро, но они более холодные. Более того, на сжатие воздуха затрачивается даровая энергия, что способствует повышению КПД двигателя. К тому же, возможность получить большую мощность с рабочего объема поменьше приводит к меньшим потерям на трении, меньшей массе мотора (следственно и машины в целом).
Турбонаддув
Турбонаддув - вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.
|
В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива.
Система турбонаддува применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов (1000°С против 600°С у дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.
Несмотря на различия в конструкции отдельных систем, можно выделить следующее общее устройство турбонаддува:
· воздухозаборник;
· воздушный фильтр;
· дроссельная заслонка;
· турбокомпрессор;
· интеркулер;
· впускной коллектор;
· впускные заслонки (на некоторых конструкциях двигателей);
· соединительные патрубки и напорные шланги;
· элементы управления.
Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.
Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора включает:
· турбинное колесо;
· корпус турбины;
· компрессорное колесо;
· корпус компрессора;
· вал ротора;
· корпус подшипников.