Устройство турбокомпрессора

Турбокомпрессор состоит из сердцевины, корпуса турбины, корпуса компрессора, механизма регулирования расхода отработавших газов через турбину и, как правило, охладителя (интеркулера).

По сути турбокомпрессор представляет собой центробежный воздушный насос („холодная крыльчатка”), расположенный на одном валу с газовой турбиной, которую раскручивает поток отработавших газов („горячая крыльчатка”). Сам вал установлен на подшипниках скольжения или качения. Первые применяют чаще, поскольку масло, подаваемое к подшипникам, обеспечивает дополнительное охлаждение турбонагнетателя. Отработавшие газы раскручивают турбинное колесо до 50–200 тыс. об/мин (в зависимости от конструкции и режима работы).

Вместе с турбинным, естественно, вращается и насосное колесо, загоняя в цилиндры необходимое количество воздуха. Нагнетаемый воздух после сжатия лопатками „холодной крыльчатки” нагревается. Да так, что в некоторых случаях может возникнуть калильное зажигание, не говоря уже об элементарной детонации. Вдобавок у горячего воздуха плотность и количество кислорода в нем меньше, чем у холодного. Следовательно, и попадает его в цилиндры гораздо меньше, чем рассчитывали. Потому максимально использовать эффект наддува можно, если выходящий из компрессора горячий воздух охладить в интеркулере, а затем уже направить в двигатель.

Применение интеркулера в наддувочных системах позволяет не только увеличить мощность мотора и снизить расход топлива, но также понизить температурные нагрузки на двигатель и понизить температуру выхлопных газов, тем самым снизить их токсичность. Применение интеркулера позволяет избежать появления детонации в двигателях с искровым зажиганием. Для охлаждения наддувочного воздуха может применяться охлаждающая жидкость или окружающий воздух. Интеркулер, использующий для охлаждения жидкость, может располагаться в любом месте. Недостаток охлаждающего радиатора, использующего атмосферный воздух – увеличенные габариты. Важной характеристикой промежуточного охладителя является коэффициент рассеивания теплоты. Данный коэффициент определяет зависимость между эффективностью охлаждения наддувочного воздуха и разностью между температурами наддувочного и охлаждающего воздуха:

Ф=(t1E-t1A)/(t1E-t2E)

где Ф - коэффициент рассеивания теплоты (безразмерная величина)

t1E - температура наддувочного воздуха на входе

t1A - температура наддувочного воздуха на входе

t2E - температура охлаждающего воздуха на входе

Примерное значение коэффициента рассеивания теплоты для легковых автомобилей равно 0,4 – 0,7. На некоторых моделях машин применяется двойное охлаждение воздуха (устанавливают 2 интеркулера), что позволяет „снимать” с их двигателей еще большую мощность. В некоторых случаях интеркулер снабжается дополнительным вентилятором, способным еще более снизить температуру сжимаемого в турбокомпрессоре воздуха.

Хотя принцип действия турбонаддува достаточно прост, сам турбокомпрессор является чрезвычайно сложным устройством. Требуется не только полнейшая слаженность работы его отдельных компонентов, но и идеальное его соответствие двигателю, на котором он установлен. Выходная мощность двигателя должна быть согласована с давлением, необходимым для подачи турбокомпрессором нужного объема воздуха в двигатель. В противном случае двигатель будет работать неэффективно или даже выйдет из строя.

Выбор турбокомпрессора и схема его установки определяются типом двигателя, количеством цилиндров в нем, спецификой использования и т. п. В рядных двигателях с наддувом низкого давления обычно устанавливается одна турбина. При необходимости использования наддува высокого давления оптимальным является установка последовательно, друг за другом, двух турбокомпрессоров меньших размеров и мощности. Чтобы получить хорошую производительность такой системы, необходимо расположить интеркулер для охлаждения воздуха после каждого компрессора. В V-образных двухрядных двигателях устанавливают два турбокомпрессора, каждый из которых подает воздух в свой ряд цилиндров. Установка двух турбин меньшего размера позволяет уменьшить время их раскрутки за счет снижения инерционности более легких роторов и обеспечивает ускоренную реакцию мотора на нажатие педали акселератора. В двигателях спортивных автомобилей отработавшие газы подводятся к турбокомпрессору по отдельным патрубкам, идущим от каждого цилиндра, что позволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и добиться максимальной производительности турбокомпрессора во всем диапазоне оборотов мотора.