Турбокомпрессор или турбонагнетатель — это устройство, которое значительно повышает мощность двигателя внутреннего сгорания за счет нагнетания в него дополнительного воздуха под давлением. Турбина использует энергию выхлопных газов, чтобы вращать крыльчатку компрессора, который сжимает и подает воздух в цилиндры. Таким образом, в цилиндры поступает больше кислорода, что позволяет сжечь больше топлива и получить больший крутящий момент и мощность.
Основные компоненты турбокомпрессора:
- Турбина — вращается под напором выхлопных газов. Обычно изготавливается из жаропрочных сплавов.
- Компрессор — нагнетает воздух в двигатель. Вращается на одном валу с турбиной.
- Перепускной клапан — стравливает лишний наддув, защищая двигатель от избыточного давления.
- Интеркулер (промежуточный охладитель) — охлаждает нагретый сжатием воздух, повышая его плотность перед подачей в цилиндры.
- Подшипники и уплотнения вала.
Принцип работы турбокомпрессора
Энергия отработавших газов раскручивает турбину до огромных оборотов — порядка 150-200 тысяч об/мин. Турбина через вал приводит во вращение крыльчатку компрессора, которая всасывает атмосферный воздух, сжимает его и нагнетает в цилиндры под давлением до 2 бар.
Сжатие воздуха повышает его температуру, поэтому после компрессора он проходит через интеркулер — радиатор, охлаждающий воздух. Охлаждение повышает плотность воздуха, что позволяет подать в цилиндры еще больше кислорода.
В итоге в цилиндры поступает до 50% больше воздуха по сравнению с атмосферным двигателем того же объема. Соответственно, в цилиндры можно подать больше топлива и получить больше мощности при том же объеме двигателя.
Преимущества турбонаддува
- Увеличение мощности и крутящего момента двигателя на 30-50% без увеличения его объема и массы. Это позволяет использовать более компактные и легкие моторы с меньшим расходом топлива.
- Лучшая приемистость и эластичность двигателя, особенно на низких оборотах. Турбомотор тянет «с низов» благодаря быстрому нарастанию давления наддува.
- Более полное сгорание топлива и меньший выброс несгоревших углеводородов, так как в цилиндры подается больше воздуха.
- Возможность увеличения степени сжатия и эффективности двигателя.
Недостатки турбонаддува
- Турбояма — задержка в нарастании мощности, связанная с инерционностью раскрутки турбины выхлопными газами. Для уменьшения турбоямы применяют турбины с изменяемой геометрией и двойной наддув (twin-turbo).
- Повышенная тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя из-за высоких температур и давлений. Требуется усиление блока цилиндров, применение поршней особой конструкции, более эффективное охлаждение.
- Высокая стоимость и сложность конструкции турбокомпрессоров.
- Необходимость регулярного обслуживания, замены масла и фильтров.
Типы турбокомпрессоров
- Одноступенчатый (single-turbo) — самый распространенный вариант с одной турбиной.
- Twin-turbo — два турбокомпрессора, каждый из которых обслуживает свою группу цилиндров. Обеспечивает быстрое нарастание наддува и минимизирует турбояму.
- Twin-scroll — турбина с двумя раздельными входными каналами, что улучшает отклик на нажатие педали газа.
- С изменяемой геометрией (Variable Geometry Turbo, VGT) — поворотные лопатки турбины регулируют скорость потока выхлопных газов, оптимизируя наддув во всем диапазоне оборотов.
- Электрический наддув (e-Turbo) — использует встроенный электромотор для раскрутки турбины на низких оборотах, устраняя турбояму.
Применение турбонаддува
Турбокомпрессоры широко применяются как на бензиновых, так и на дизельных двигателях легковых и грузовых автомобилей, строительной и сельскохозяйственной техники, а также на стационарных силовых установках. Практически все современные дизели оснащаются турбонаддувом, а с ужесточением норм выбросов и требований к топливной экономичности турбомоторы получают все большее распространение и на бензиновых легковых автомобилях.
В автоспорте, особенно в гонках Формула-1 и ралли, турбонаддув применялся для кратного увеличения мощности компактных моторов, пока не был ограничен регламентом из-за доминирующего превосходства турбомашин. Сегодня регламент «Формулы-1» предусматривает использование компактных 1,6-литровых турбомоторов V6 мощностью свыше 1000 л.с. в сочетании с системами рекуперации энергии.
Выводы
Турбокомпрессор — это эффективный и широко распространенный способ повышения мощности двигателей внутреннего сгорания за счет использования энергии выхлопных газов для нагнетания дополнительного воздуха под давлением. Турбонаддув позволяет значительно улучшить удельные показатели двигателей, снизить расход топлива и выбросы вредных веществ. Современные турбомоторы сочетают высокую мощность, крутящий момент, эластичность и экономичность, что делает их оптимальным выбором для многих областей применения.
