Турбокомпрессор

Турбокомпрессор - понятие, плюсы, минусы, виды.

 

Турбокомпрессор (анг. turbocharger) – это сложный механизм использующий энергию выхлопных газов для повышения давления внутри впускной системы. Турбокомпрессор сжимает топливно-воздушную смесь тем самым увеличивая массу заряда горючего  попадающего в полость цилиндров. Это позволяет увеличить калорийность и увеличить процент сгорания топлива от которых  на прямую зависит мощность  мотора. Таким образом, установка турбронаддува позволяет поднять мощность мотора в сжатые сроки при относительно низких затратах.

 


 

Принцип работы турбокомпрессора:Принцип работы турбокомпрессора

Условно принцип работы можно поделить на несколько этапов, которые осуществляются одновременно в обеих улитках.

  1. Поршни вытесняют отработанные газы через выпускной коллектор
  2. Под большим давлением и скоростью они попадают в «горячую улитку» (корпус турбинного колеса).
  3. Там они приводят в движение турбинное колесо
  4. Из-за того, что турбинное колесо жестко связанно с компрессорным колесом через вал, второе также начинает вращаться синхронно с первым.
  5. Комплексное колесо во время движения прокачивает через себя воздух в систему очистки и направляет его в корпус компрессорного колеса («холодную улитку»)
  6. Там он сжимается и переходит во впускной коллектор двигателя, увеличивая поступление воздуха.

Производительность любого турбокомпрессора можно интуитивно определить на глаз. Стоит лишь уяснить простую связь: чем больше размер турбокомпрессора, тем, конечно же, больше давление он способен выдержать. Большой турбокомпрессор способен вмещать больший объем и давление газов, то есть он может обеспечить значительный прирост к мощности двигателя. Также действует и обратное правило:  малые турбокомпрессоры характеризуются меньшим объемом и выходной мощностью, но при это они практически полностью лишены такого функционального недостатка, как турбояма в то время как большие собратья ТРК ощущают ее сполна. Небольшие ТКР гораздо быстрее набирают номинальную мощность и практически не ощущают действие турбоямы.

Элементы турбокомпрессора

Центральный картридж (средний корпус) выполняет основную функциональную нагрузку в турбокомпрессоре, по сути это есть весь турбокомпрессор без горячей и холодной улитки. Центральным элементом в нем является ротор (воздушная и турбинная крыльчатки соединенные валом). Вал обхватывают втулки (или же подшипники, реже шарикоподшипники) картриджа и он вращается в них с максимальной скоростью при минимальном трении за счет давления масляной ванны.

Перепускной клапан (на анг. wastegate) работающий на пневмо приводе отвечает за регулировку давления внутри горячей улитки за его управление отвечает система управления мотора.

Система смазки двигателя  исполняет две функции в турбокомпрессоре. Первая как не сложно догадаться это смазывает детали, а вторая охлаждает их, защищая от перегрева. При этом вопрос о качестве масла выходит на одну из главенствующих позиций. От него зависит то насколько долго вам сможет прослужить турбонагнетатель. Важно придерживается рекомендованных производителей норм и сроков эксплуатации, а перед заменой старого или установкой нового турбкокомпрессора полностью менять масло в системе.

*У двигателей с искорным зажиганием средний корпус изначально подключен к системе охлаждения поэтому их охлаждение гораздо более действенно.

В силе того что в корпусе компрессора задействован атмосферный воздух, чья температура гораздо ниже отработанных газов  к материалам из которых его изготавливают предъявляют гораздо меньшие требования что позволяет экономить дополнительные средства при изготовлении. Обычно для этой цели используют алюминий АК7ч и АК12пч. 

Давление и количество поступаемого воздуха  разнится в зависимости от вида турбокомпрессора и режима работы самого двигателя. Так в бензиновых и дизельных двигателях мощность генерируется в зависимости от количества оптимальной по составу (тут имеется виду соотношение воздуха и топлива) сгоревшей в цилиндрах топливной смеси. Поскольку работа турбокомпрессора увеличивает подачу в цилиндры двигателя воздуха, сравнительно атмосферного аналога такого же рабочего объема, то можно и большее количество топлива в цилиндры. Это как очевидно приведет к увеличению роста мощности  у коленчатого вала. Двигатели серийного производства в чей комплект входит турбокомпрессор имеют изменённый вид топливной системы и других узлов для его нормальной работы.  При установке же турбокомпрессора на двигатель с атмосферной подачей воздуха стоит учесть то что возрастет мощность двигателя и для этого придется настроить по новому топливную систему для большей подачи топлива в цилиндры и возможно заменить некоторые узлы на более мощные.


Плюсы использования ТКР

Увеличение мощности двигателя

На сегодняшний день использование турбокомпрессора является наиболее эффективным видом наддува, в разы превосходит своего предшественника – механического нагнетателя, привод которого осуществляется за счет отбора энергии у коленчатого вала, что снижала мощность двигателя.

Хотя применение турбокомпрессора имеет аналогичные последствия их негативный эффект имеет гораздо меньший объем и полностью компенсируется увеличением мощности при достижении базовой скорости вращения турбины.

Установка турбокомпрессора осуществляется на впускной тракт. При этом создается препятствие на пути движения воздуха, образуется дополнительная нагрузка  из-за противодавления внутри выпускной системы, которая вынуждает двигатель прикладывать большее усилие для очистки от продуктов горения цилиндров. Эти потери настолько незначительны, что не достигают даже 1%, и компенсируются при наборе базового давления выхлопных газов (зависит от размера турбины и мощности двигателя), которые раскручивают турбину до определенной скорости увеличивая мощность двигателя в среднем на 30-50%

Уменьшение расхода топлива

В момент своего становление турбокомпрессоры были отличительной чертой самых прожорливых автомобилей, расходуя огромное количество бензина относительно километража, но сейчас эти дни канули в лету. Современные турбонаддувы представляют из себя прекрасный пример того как когда мощная и несуразная технология становится все более полезной и эффективной, уменьшая расход топлива. Современные турбокомпрессоры дают возможность экономить до 15% от общего расхода бензина. Максимум своей эффективности они показывают при продолжительной работе на нормальной или высокой скорости. Данная особенность делает установку турбокомпрессор отличной идеей, поскольку он само окупается через некоторое время, что весьма хорошо, учитывая постоянное повышение стоимости бензина.

Этот факт наталкивает на простое соотношение: чем чаще вы используете автомобиль тем быстрее окупится установка турбокомпрессора.

Установка турбокомпрессора так же может стать хорошей мыслью для тех кто задумывается над увеличением мощности двигателя путем замены его на более мощный. Зачем ставить что-то более громоздкое и прожорливое, если можно сэкономить себе кучу денег и времени?

Стабильность

Опытным путем в процессе эксплуатации доказано, что турбированные двигатели показывают большую стабильность в работе, чем их атмосферные аналоги. В особенности это заметно на сложных участках пути,  где постоянно меняется уровень нагрузки на двигатель.

Уменьшение выбросов

Отработанный газ, попадая в корпус турбины, продолжает горение тем самым увеличивая давление  и уменьшая выбросы окислившегося углеводорода. Учитывая тот факт что турбокомпрессор попутно помогает экономить топливо, становится понятно, что его применение помогает снизить вред окружающей среде и здоровью людей непосредственно.


Минусы использования турбокомпрессора

Инерционное действие турбокомпрессора – это основной функциональный недостаток присущий всем турбонаддувам. Он проявляется в задержке появляющейся между нажатием на педаль газа (акселератор) и увеличением давления отработанных газов от которой зависит КПД турбокомпрессора и увеличение мощности двигателя. Данная последовательность обще известна и имеет название турбояма. Основной причиной ее появления является сила трения внутри турбокомпрессора. Ее же противоположностью является турбозадержка, которая на самом деле ни что иное как ее прямое следствие, проявляющиеся в скачке мощности на краткий срок.

Турбояма и турбозадержка влияют на чувствительность автомобиля и о них не стоит забывать. Недостаток разгона или черезчур резкое ускорение могут привести к аварийной ситуации на дороге не смотря на то что оба эффекта не длятся и пары секунд.

ООО «МЗТк Турбоком» на ряду с другими европейскими производителями качественных турбокомпрессоров постоянно ведут разработку и усовершенствования своих изделий. Применяя для этого разнообразные технические решения:

  • Разрабатываются новые и улучшаются старые блоки подшипников для снижения потерь связанных с силой трения.
  • За счет обточки деталей и замены материалов из которых их изготавливают на более легкие, уменьшают массу турбины. У этого действия есть отрицательная сторона, снижающая максимальную температуру работы турбокомпрессора.
  • На турбокомпрессор устанавливают изменяемую геометрию.
  • Разделяют каналы подачи выхлопных газов (так называемые раздельные турбокомпрессоры).

Примечание: интересный факт заключается в том, что механический нагнетатель лишен этих недостатков, из-за конструкции своего привода и мгновенно реагирует на увеличение оборотов двигателя.

При работе турбокомпрессора температура газов довольно высока  и может достигать 1050 градусов по Цельсию, а частота вращения составлять 280 тысяч оборотов в минуту. Поэтому качество и количество масла подаваемого в него имеет огромное значение. Оно отбирается из масляной системы двигателя и всегда должно быть чистым и соответствовать предъявляемым изготовителем двигателя требованиям.


Виды турбокомпрессоров

Турбина с изменяющейся геометрией  (иначе называемая  турбиной с переменным соплом) – данный вид турбонаддува наиболее широко встречается при производстве дизельных двигателей. Основным ее техническим отличием от остальных видов - является наличие подвижных лопастей регулирующих поток газов. От  угла разворота  лопастей зависит какая скорость у выхлопных газов будет  внутри турбины, это позволяет  согласовать обороты двигателя и давление.

Раздельный турбокомпрессор – это компрессор с двумя входами для выхлопных газов и двумя соплами для обеих пар цилиндров. Эта конструкция дает максимальную производительность и помогает препятствовать попаданию выхлопных газов назад в цилиндры. Дополнительно раздельный ТКР имеет два отделенных друг от друга выпускных клапана, что позволяет предотвратить перекрытие в момент выпуска.

Для увеличение мощности наддува часто используют по два (грузовые автомобили КамАЗ)и более турбокомпрессора (три турбины для дизелей компании «BMW») подключенных последовательно или параллельно.  Это позволяет регулировать давление при разных нагрузках.


Основными правилами эксплуатации турбокомпрессора является:

  1. После запуска двигателя начинать движение нужно минимум спустя минуту, дав поработать ему на холостых оборотах. За это время давление масла поднимется до нормального и смажет шарики подшипников турбокомпрессора, предотвратив их перегрев и защитит от дефектов.
  2. Перед выключением двигателя его также нужно оставить на пару минут в холостых оборотах, чтобы дать ему остыть иначе, масло перестанет подаваться и детали турбокомпрессора выгорают. Более подроно об правилах эксплуатации.

 

Статьи по теме:

История турбокомпрессора

Преимущества турбокомпрессорного двигателя

Устройство турбокомпрессора турбонаддува ДВС