Турбокомпрессор — это устройство, которое используется для увеличения мощности двигателя или, можно сказать, КПД двигателя путем увеличения количества воздуха, поступающего в камеру сгорания. Большее количество воздуха в камере сгорания означает, что в цилиндр поступает большее количество топлива, и в результате, если установить турбокомпрессор, то двигатель будет иметь большую мощность.
Очень просто, турбокомпрессор — это своего рода воздушный насос, который забирает воздух при давлении окружающей среды (атмосферном давлении), сжимает его до более высокого давления и пропускает сжатый воздух в двигатель через впускные клапаны.
В настоящее время турбокомпрессоры используются в основном на дизельных двигателях, но сейчас наметился переход к турбонаддуву серийных бензиновых двигателей.
Количество двигателя, которое фактически поступает в цилиндр двигателя, по сравнению с теоретическим количеством, если бы двигатель мог поддерживать атмосферное давление, называется объемным КПД, и целью турбокомпрессора является улучшение объемного КПД двигателя путем увеличения плотности всасываемого газа.
Турбокомпрессор забирает воздух из атмосферы и сжимает его с помощью центробежного компрессора, прежде чем он попадает во впускной коллектор под повышенным давлением. Это приводит к увеличению количества воздуха, поступающего в цилиндры при каждом такте впуска. Центробежный компрессор получает энергию от кинетической энергии выхлопных газов двигателя.
Компоненты турбокомпрессора
Турбокомпрессор состоит из трех основных компонентов
1. Турбина, которая практически представляет собой турбину с радиальным входом.
2. Компрессор, представляющий собой почти центробежный компрессор.
3. Вращающийся узел центральной ступицы.
Турбокомпрессор состоит из двух основных частей: турбины и компрессора.
Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины. Задача корпуса турбины — направлять выхлопные газы в турбинное колесо. Энергия выхлопных газов вращает турбинное колесо, после чего газ выходит из корпуса турбины через выпускной патрубок.
Компрессор также состоит из двух частей: компрессорного колеса и корпуса компрессора. Принцип действия компрессора противоположен принципу действия турбины. Колесо компрессора соединено с турбиной кованым стальным валом, и когда турбина вращает колесо компрессора, высокоскоростное вращение втягивает воздух и сжимает его. Затем корпус компрессора преобразует высокоскоростной поток воздуха с низким давлением в высокоскоростной поток воздуха с низким давлением посредством процесса, называемого диффузией. Сжатый воздух нагнетается в двигатель, позволяя двигателю сжигать больше топлива для получения большей мощности.
Турбокомпрессор в основном состоит из двух основных секций: турбины и компрессора. Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины, цель которых — направить выхлопные газы в турбинное колесо. Кинетическая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую после удара о лопатки турбины. Выпускной патрубок помогает выхлопным газам выйти из турбины. Компрессорное колесо турбокомпрессора прикреплено к турбине с помощью стального вала, и когда турбина вращает компрессорное колесо, она втягивает поток воздуха с высокой скоростью и низким давлением и преобразует его в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью. Этот сжатый воздух подается в двигатель с большим количеством топлива и, следовательно, производит больше мощности.
Отработавшие газы двигателя используются для привода турбинного колеса, которое соединено валом с компрессорным колесом. Компрессор или воздушное колесо всасывает воздух через воздушные фильтры и направляет его в двигатель.
Отработанные газы, выходящие из двигателя, направляются в турбину или горячее колесо турбокомпрессора, и таким образом завершается цикл.
Вместо того чтобы выходить через выхлопную трубу, горячие газы, образующиеся при сгорании, поступают в турбокомпрессор. Цилиндры в двигателе внутреннего сгорания сгорают последовательно (не все сразу), поэтому выхлопные газы выходят из камеры сгорания неравномерными импульсами.
Обычные турбокомпрессоры с одной спиралью направляют эти нерегулярные импульсы выхлопных газов в турбину таким образом, что они сталкиваются и мешают друг другу, снижая силу потока. В отличие от него, турбокомпрессор с двумя спиралями собирает выхлопные газы от пар цилиндров в чередующейся последовательности.
Выхлопные газы ударяют по лопастям турбины, вращая их со скоростью до 150 000 об/мин. Чередующиеся импульсы выхлопных газов помогают устранить задержку турбонаддува.
Выполнив свою задачу, выхлопные газы поступают через выпускной патрубок в каталитический нейтрализатор, где они очищаются от угарного газа, оксидов азота и других загрязняющих веществ перед выходом через выхлопную трубу.
Тем временем турбина приводит в действие воздушный компрессор, который забирает холодный, чистый воздух из вентиляционного отверстия и сжимает его до давления на 30% выше атмосферного, или почти 19 фунтов на квадратный дюйм. Плотный, богатый кислородом воздух поступает в камеру сгорания.
Дополнительный кислород позволяет двигателю более полно сжигать бензин, обеспечивая большую мощность при меньших размерах двигателя. В результате двигатель Twin Power генерирует на 30 процентов больше мощности, чем двигатель без турбонаддува того же размера.
Это происходит следующим образом
1. Воздухозаборник двигателя всасывает холодный воздух и направляет его в компрессор.
2. Компрессор сжимает поступающий воздух и нагревает его. Затем он выдувает горячий воздух.
3. Горячий воздух охлаждается при прохождении через теплообменник и поступает в воздухозаборник цилиндра.
4. Холодный воздух сгорает в камере сгорания быстрее, так как содержит больше кислорода.
5. Благодаря сжиганию большего количества топлива, выход энергии увеличивается быстрее, и двигатель может передавать большую мощность на колеса.
6. Горячие отработанные газы выйдут из камеры и пройдут мимо турбины на выходе из выхлопной трубы.
7. Турбина вращается с высокой скоростью и приводит во вращение компрессор, так как оба установлены на одном валу.
8. Выхлопные газы покидают автомобиль через выхлопную трубу. Они тратят меньше энергии, чем двигатель без турбокомпрессора.
Типы турбокомпрессоров
Одиночные турбокомпрессоры сами по себе имеют безграничную вариативность. Различные размеры компрессорного колеса и турбины приводят к совершенно разным характеристикам крутящего момента. Большие турбокомпрессоры обеспечивают высокую мощность на верхнем пределе, но меньшие турбокомпрессоры обеспечивают лучший крутящий момент на нижнем пределе, поскольку они быстрее набирают обороты. Существуют также турбины с шарикоподшипниками и турбины с цапфовыми подшипниками. Шарикоподшипники обеспечивают меньшее трение для компрессора и турбины, поэтому они быстрее раскручиваются (при этом увеличивается стоимость).
Преимущества
— Экономически эффективный способ увеличения мощности и эффективности двигателя.
— Простой, как правило, самый простой в установке из всех вариантов турбонаддува.
— Позволяет использовать более компактные двигатели для получения той же мощности, что и более крупные двигатели с естественным впрыском, что часто позволяет снизить вес.
Недостатки
— Одинарные турбокомпрессоры имеют довольно узкий эффективный диапазон оборотов. Это делает проблему выбора размера, так как вам придется выбирать между хорошим крутящим моментом на низких оборотах и лучшей мощностью на высоких.
— Отклик турбины может быть не таким быстрым, как у альтернативных турбокомпрессоров.
Как и в случае с одним турбокомпрессором, существует множество вариантов использования двух турбокомпрессоров. Вы можете использовать один турбокомпрессор для каждого блока цилиндров (V6, V8 и т.д.). В качестве альтернативы можно использовать один турбокомпрессор для низких оборотов и переключиться на более крупный турбокомпрессор для высоких оборотов (I4, I6 и т.д.). Можно даже иметь два одинаковых по размеру турбокомпрессора, один из которых используется на низких оборотах, а оба — на высоких. На BMW X5 M и X6 M используются турбины с двумя спиралями, по одной с каждой стороны V8.
Преимущества
— Преимущества (и недостатки) параллельных турбокомпрессоров на V-образных двигателях очень похожи на преимущества (и недостатки) одинарных турбокомпрессоров.
— При последовательном турбонаддуве или использовании одной турбины на низких оборотах и обеих на высоких, это позволяет получить более широкую и ровную кривую крутящего момента. Лучший крутящий момент на низких оборотах, но мощность не снижается на высоких оборотах, как в случае с одним турбокомпрессором.
Недостатки
— Стоимость и сложность, поскольку вы почти удвоили количество компонентов турбины.
— Существуют более легкие и эффективные способы достижения аналогичных результатов (об этом ниже).
3. Турбина с двумя спиралями
Турбина работает за счет выхлопных газов, которые перенаправляются на лопасти турбины и нагнетают воздух в двигатель. Цилиндры двигателя работают последовательно, поэтому выхлопные газы поступают в турбокомпрессор импульсами. Как вы, вероятно, можете себе представить, эти импульсы могут легко перекрываться и мешать друг другу при работе турбины. Турбокомпрессор с двумя спиралями решает эту проблему с помощью корпуса турбины с разделенным впуском и специального выпускного коллектора, который сопрягает нужные цилиндры с каждой спиралью. В четырехцилиндровом автомобиле первый и четвертый цилиндры могут питать одну спираль, а второй и третий — другую. Это означает меньшее перекрытие импульсов и меньшую задержку.
Преимущества
— Больше энергии направляется на турбину выхлопной системы, что означает большую мощность.
— Благодаря разным конструкциям спиралей возможен более широкий диапазон оборотов эффективного наддува.
— Большее перекрытие клапанов возможно без ущерба для очистки отработавших газов, что означает большую гибкость настройки.
Недостатки
— Требуется особая компоновка двигателя и конструкция выхлопной системы (например, I4 и V8, где на каждую спираль турбокомпрессора можно подавать по 2 цилиндра через равные промежутки времени).
— Стоимость и сложность по сравнению с традиционными одиночными турбокомпрессорами.
4. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT)
Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) — это дорогое и сложное силовое решение, которое особенно распространено в дизельных двигателях. VGT имеет кольцо лопаток аэродинамической формы в корпусе турбины, которые могут изменять соотношение площади к радиусу в соответствии с оборотами двигателя. На низких оборотах отношение площади к радиусу создает большее давление и скорость для более эффективного разгона турбины. На более высоких оборотах соотношение увеличивается, чтобы впустить больше воздуха. Результат — более широкий диапазон наддува и меньшее запаздывание.
Преимущества
— Широкая, плоская кривая крутящего момента. Эффективный турбонаддув в очень широком диапазоне оборотов.
— Требуется только одна турбина, что упрощает последовательную турбоустановку до более компактной.
Недостатки
— Обычно используется только в дизельных двигателях, где выхлопные газы ниже, поэтому лопатки не повреждаются от нагрева.
— Для бензиновых двигателей их обычно не используют из-за стоимости, так как для обеспечения надежности приходится использовать экзотические металлы. Эта технология была использована на Porsche 997, хотя существует очень мало бензиновых двигателей VGT из-за дороговизны.
5. Турбокомпрессор с изменяемой двойной спиралью
Турбокомпрессор с изменяемой спиралью сочетает в себе VGT с двумя спиралями, поэтому на низких оборотах одна из спиралей полностью закрывается, заставляя весь воздух поступать в другую. Это обеспечивает хорошую реакцию турбины и мощность на низких оборотах. При увеличении скорости клапан открывается, чтобы впустить воздух в другую спираль (это полностью переменный процесс, то есть клапан открывается с небольшим шагом), и вы получаете хорошую производительность на высоких оборотах. Вы получаете такую производительность от одного турбокомпрессора, которую обычно можно получить только от установки с двумя турбокомпрессорами.
Преимущества
— Значительно дешевле (теоретически), чем VGT, что делает приемлемым вариант турбонаддува для бензиновых двигателей.
— Позволяет получить широкую, плоскую кривую крутящего момента.
— Более надежная конструкция по сравнению с VGT, в зависимости от выбора материала.
Недостатки
— Стоимость и сложность по сравнению с использованием одной турбины или традиционного двойного турбонагнетателя.
— Технология уже использовалась ранее (например, быстродействующий золотниковый клапан), но, похоже, не прижилась в мире производства. Вероятно, существуют дополнительные проблемы с технологией.
6. Электрические турбокомпрессоры
Очень недавней разработкой является внедрение турбокомпрессоров с электрическими компрессорами. Примером является бустер компании BorgWarner, который представляет собой компрессор с электрическим приводом. Компрессор обеспечивает мгновенный наддув двигателя до тех пор, пока турбокомпрессор не наберет достаточную скорость. Похожую версию можно найти в SQ7 от Audi. Благодаря мгновенному наддуву запаздывание уходит в прошлое, но, опять же, система дорогая и сложная. Компрессору нужен двигатель, который, в свою очередь, нуждается в питании, так что реализовать такую систему не так-то просто.
Преимущества
— При непосредственном подключении электродвигателя к компрессорному колесу можно практически полностью устранить турбояму и недостаточное количество выхлопных газов, раскручивая компрессор с помощью электроэнергии, когда это необходимо.
— Подключив электродвигатель к турбине выхлопной системы, можно рекуперировать растраченную энергию (как это делается в Формуле 1).
— Очень широкий эффективный диапазон оборотов с равномерным крутящим моментом по всему диапазону.
Недостатки
— Стоимость и сложность, так как теперь необходимо позаботиться об электродвигателе и обеспечить его охлаждение для предотвращения проблем с надежностью. Это относится и к дополнительным контроллерам.
— Упаковка и вес становятся проблемой, особенно с добавлением бортового аккумулятора, который будет необходим для обеспечения достаточной мощности турбокомпрессора в случае необходимости.
— VGT или двойные спирали могут предложить очень похожие преимущества (хотя и не на том же уровне) за значительно меньшую стоимость.