Мощность, которую может развить двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества цилиндров их объема, характеристик топлива, а также от степени наполнения этого объёма окислителем - воздухом. И если с количеством и размер поршней все понятно, то со степень наполнения цилиндров воздухом ситуация чуть сложнее.
Обычно воздух поступает в камеру сгорания, под действием давления атмосферы, поршень движется вниз, увеличивает объем рабочей камеры. Из-за увеличения объема давление падает ниже атмосферного, под действием давления атмосферы поступает в двигатель. Такие двигатели называют атмосферными.
Но воздух можно наддувать (нагнетать) в двигатель принудительно, причем если мы этот воздух сожмем компрессором , то в тот же самый объем двигателя вместится гораздо больше газа. В полости цилиндра будет находится больше окислителя - кислорода, что позволит сжечь больше топлива и развить большую мощность.
Итак, для наддува нужен компрессор устройство, которое будет сжимать воздух, чаще всего для этого используют центробежные компрессоры, но можно применить и роторный.
Работа наддува с центробежным нагнетателем
Воздух в таком компрессоре будет сжиматься и подаваться в рабочую камеру при вращении колеса, на котором расположены лопатки. Они передают частицам воздуха энергию и разгоняют их, под действием центробежной силы частицы движутся к периферии колеса и попадают в спиральный отвод, и через выходной патрубок компрессора поступают к двигателю.
Для работы компрессора необходимо вращать вал, на котором установлено рабочее колесо. Это можно сделать механически, с помощью ременной передачи, один шкив нужно прикрепить к коленчатому валу двигателя, другой на валу компрессора.
Этот вал должен вращаться с очень большой скоростью, только тогда колесо будет сжимать воздух. Поэтому передачу нужно подбирать таким образом, чтобы частота вращения увеличилась, а при необходимости можно установить мультипликатор.
Получается, что с одной стороны мы часть мощности от двигателя забираем, с другой стороны - получаем ее прирост, за счет более эффективной реакции сгорания.
Эта схема называется наддувом с приводным нагнетателем. Часть мощности двигателя забирается и используется для вращения вала компрессора. Но есть и другая, более интересная и экономичная схема - турбонаддув.
Турбонаддув двигателей внутреннего сгорания
В турбонаддуве для вращения вала компрессора используется турбина, которая приводится во вращения выхлопными газами от двигателя. Турбина - машина обратная компрессору, у компрессора вращают вал, чтобы он перемещал газ, у турбины наоборот - движущийся газ, заставляет вращаться колесо с лопатками, установленное на валу, то есть на выходе турбины мы получаем вращение вала.
Установим компрессорное и турбинное рабочие колеса на одном валу - получим систему турбонаддува.
Выхлопные газы будут вращать турбину, которая заставит вращаться вал, а вместе с ним и компрессорное колесо, которое будет сжимать и подавать воздух в ДВС. Разумеется, к этой системе придется добавить еще и механизм управления. Количества выхлопных газов, с одной стороны должно быть не слишком мало, в этом случае мы не получим нужно частоты вращения, и не слишком много, мы же не хотим чтобы наш двигатель "лопнул" от воздуха. Поэтому в систему наддува могут устанавливаться перепсукные, предохранительные клапаны и даже программируемая система управления.
Не стоит считать, что турбонаддув дает "бесплатный" прирост энергии, установленная турбина повышает сопротивление в выхлопной линии, это значит, что двигателю это сопротивление придется преодолеть. Однако прирост мощности от более эффективного процесса сгорания может быть гораздо выше затрат, что позволяет турбонаддувву увеличить мощность ДВС.
Система турбонаддува разогревается до очень высоких температур, этому способствует и температура выхлопных газов, и сам процесс сжатия воздуха. А при повышении температуры его плотность уменьшается, а объем увеличивается. Для повышения эффективности работы двигателя, в этом случае, нужно охладить воздух, это делается с помощью интрекуллера, который по сути является теплообменником. Он может быть воздушным и даже водяным, но это уже другая история, если вы хотите подробнее узнать о работе интеркуллера или других элементов наддува - напишите об этом в комментариях.
