Любая турбина - это устройство для преобразования кинетической или внутренней энергии рабочего элемента в механическую работу на валу. (скорость потока воздуха или его температура раскручивают вал турбины).
Известно, что мощность двигателя пропорциональна количеству топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндры. Поэтому при одинаковых свойствах, но разных объёмах, большую мощность даст двигатель большего объёма. Для увеличения мощности автомобиля необходимо создать больший объём впускаемого воздуха в цилиндры двигателя.
Конечно, никто не отменял существование доработанной головки блока, спортивных распредвалов, которые увеличат продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах, но это довольно муторно. Есть ещё вариант использовать топливо с большим октановым числом, что поднимет степень сжатия нашего мотора и повысит КПД.
Все эти способы действенны и работают в случае, когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора.
Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взглянем на фото.
Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:
— воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора
— внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
— Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер, где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха ведет еще и к меньшей возможности детонации нашей будущей топливо-воздушной смеси.
— После прохождения интеркулера воздух проходит через дроссель, попадает во впускной коллектор и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.
Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода, зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
— После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллекторе, где этот поток горячего (500˚С-1100˚С) газа попадает в турбину
— Проходя через турбину поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор и тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работу компрессора через вал турбины.
Ниже приведена схема внутреннего устройства турбокомпрессора:
В зависимости от конкретного мотора и его компоновки под капотом, турбокомпрессор может иметь дополнительные встроенные элементы, такие как Wastegate и Blow-Off. Рассмотрим их подробнее:
Blow-off
Блоуофф (перепускной клапан) это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью не допустить выход компрессора на режим surge (Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора).
В моменты, когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, причём турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью, не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, в виду значительной нагрузки на них в этих переходных режимах.
БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины, чтобы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.
Wastegate:
Представляет собой механический клапан, установленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельные моторы используют турбины без вэйстгейтов. Тем не менее, подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия.
Основной задачей вэйстгейта является обеспечивать выход выхлопных газов в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии, которое уходит через вал на компрессор, и тем самым управляем давлением наддува, создаваемое компрессором. Как правило, вэйстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины, чтобы контролировать обходной поток выхлопных газов.
Встроенный вэйстгейт состоит из заслонки, встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора и тяги от актуатора к заслонке.
Внешний гейт представляет собой клапан, устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу ( на спортивных автомобилях). Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину, так как отсутствуют разнонаправленные потоки в компактном объеме турбинного хаузинга.
Водяное и масляное обеспечение:
Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка масляного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована, если давление масла в вашей системе превышает 4 атм.
Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно, чтобы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз.
Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла.
Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона, снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды.
Желательно, также обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а также несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.
