Турбокомпрессор: Куда ветер дует

В настоящее время решения, используемые в производстве двигателей, позволяют эксплуатировать их максимальную мощность при оптимальном объёме потребления топлива. Одним из способов увеличения мощности двигателя является турбокомпрессор. 

История турбокомпрессора почти так же стара, как и история двигателя внутреннего сгорания. Ещё в конце XIX века Готтлиб Даймлер и Рудольф Дизель исследовали увеличение выходной мощности и снижение расхода топлива своих двигателей при предварительно сжатом воздухе для горения. Для стандартных автомобилей турбокомпрессоры были собраны только в 70-е годы. Турбокомпрессор является составной частью двигателя, который стал результатом многих лет работы по поиску компромисса между увеличением мощности двигателя, уменьшением его веса и уменьшением расхода топлива. Его конструкция увеличивает давление поступающего воздуха к двигателю, используя энергию выхлопных газов, что позволяет расширить характеристики турбокомпрессоров.

При повышении сжатия воздуха, то есть при количестве газа, расположенного в том же качестве, его температура повышается. Чем выше температура, тем ниже плотность, что означает меньшее количество кислорода, который подаётся в цилиндр. Чтобы сделать процесс сгорания ещё более эффективным, используется интеркулер, то есть устройство, охлаждающее поток воздуха от компрессора.

Принцип работы турбокомпрессора прост. Сама деталь состоит из двух основных частей — турбины и компрессора, которые жестко соединены общим валом. В результате, если ротор с одной стороны приводится в движение, то ротор с другой стороны также начинает двигаться с той же скоростью. Один из роторов находится в выхлопной системе и приводится в действие энергией выхлопных газов, выходящих из двигателя.

Второй ротор расположен во впускном трубопроводе. Под воздействием вращения вала, благодаря специально профилированным лопаткам, давление воздуха в двигателе становится выше атмосферного. В результате двигатель работает более эффективно. Это происходит, потому что мощность экстракции зависит от дозы топлива, сжигаемого в данный момент времени. Тем не менее, чтобы сжигание было эффективным, необходимо обеспечивать нужное количество кислорода.

Несмотря на то, что принцип турбины является простым в теории, на практике же данный девайс включает в себя много проблем. Работа турбокомпрессора происходит в чрезвычайно сложных условиях. Турбина приводится в действие выхлопными газами, температура которых может превышать 1000 °C и которые ускоряют коррозионный процесс. Ротор расположен в потоке выхлопных газов под действием очень высокой температуры. Кроме того, вал турбины вращается со скоростью до 200 тыс. об/мин. Создать устройство, которое может справиться с такой нагрузкой, является реальной проблемой для инженеров. Кроме того, двигатель также должен быть адаптирован к таким условиям. Ещё одной проблемой являются характеристики турбокомпрессоров, связанные с неравномерностью происходящих процессов. В первых таких механизмах это явление было основано на том, что между добавлением газа и фактической реакцией двигателя проходил длительный промежуток. Нужно время, чтобы воздух был доставлен в двигатель при правильном давлении. Когда это происходит, автомобиль начинать рваться вперёд.

Такие структуры на сегодняшний день сошли на нет в производстве, вместо них в турбокомпрессорах установили предохранительные клапаны, которые регулируют напор наддува, что обеспечивает равномерное давление на протяжении всего времени.

Работа турбокомпрессора, при котором используется его максимальная мощность, крайне нежелательна (в идеале, разумеется). При таком режиме, когда механизм использует все свои резервы, отметки подачи топлива и оборотов двигателя достигают своего максимума. При полной отдаче в работе двигателя увеличивается износ агрегатов, обгорают лопатки колёс турбины, разрушаются колёса, появляются трещины выпускного коллектора... Поскольку работа турбокомпрессора происходит во враждебном окружении, агрессивная езда очень укорачивает срок его эксплуатации, поэтому век спортивнх турбокомпрессоров весьма недолог.

Турбина всегда снабжена перепускным клапаном, который стравливает избыточное давление (например, при резком закрытии дроссельной заслонки), а также вейстгейтом, который позволяет регулировать давление наддува (тем самым, повышая или снижая мощность; буст-контроллер позволяет делать то же самое, не выходя из машины).

Основной недостаток турбонаддува – «инертность» агрегата, какое-то время он «не хочет» раскручиваться и развивать требуемое давление (это явление называется турболагом, турбоямой). Борьба с турболагом привела к тому, что автопроизводители вместо одной большой турбины (серьезно повышающей мощность, но бесконечно долго раскручивающейся) стали применять две – одну небольшую и вторую, более крупную - установленные секвентально, то есть последовательно. Данное решение стали называть БиТурбо (biturbo). Использовать две турбины разного размера стали потому, что маленькая турбина раскручивается значительно быстрее, и вступает в работу первой, затем, при достижении более высоких оборотов мотора, раскручивается вторая, большая турбина, и добавляет значительно больший воздушный заряд.

Есть еще схема ТвинТурбо (TwinTurbo). Многие путают ее  с БиТурбо, однако это не так. Схема ТвинТурбо так же состоит из двух компрессоров, однако они установлены не последовательно, а параллельно, и обязательно - независимо. Каждый из турбокомпрессоров установлен на свою половину цилиндров двигателя и имеет свою собственную выпускную систему. Иначе говоря, например в двигателе V6 каждый из турбокомпрессоров работает от выхлопных газов своих трех цилиндров.

В данной системе, в отличии от системы БиТурбо, основной задачей является не снизить лаг, а добиться большей производительности по прокачиваемому воздуху либо большего давления наддува. Производительность по прокачиваемому воздуху необходима, в случаях когда мотор работая на высоких оборотах, потребляет воздух больше, чем турбина способна обеспечить, таким образом возможно падение давления наддува. В системах TwinТurbo применяются две одинаковые турбины. Соответственно производительность такой системы в 2 раза больше чем системы состоящей из одной турбины, при этом если применить 2 небольших турбины которые по производительности будут равны одной большой, то можно достигнуть эффекта снижения лага, при идентичной производительности.

Существуют так же системы состоящие из 3-х и более одинаковых турбин, результат преследуется тот же что и в ТwinТurbo. Такие системы в гражданском применении как правило не имеют распостранения, и применяются как правило, для построения мощных спортивных моторов.

Во всей конструкции, большое значение имеет точность соединения вала с колесом турбины. Для обеспечения нормальной работы, это соединение должно быть идеально сбалансировано. В противном случае, даже небольшие биения могут гарантированно вызвать поломку. На вал от колеса турбины идет очень высокая теплоотдача. Чтобы ее снизить, конструкция вала выполняется пустотелой. Тем самым, предотвращается перегревание подшипников. Сам подшипниковый узел смазывается от общей системы смазки двигателя. Основная функция смазки более всего заключается в отведении лишнего тепла от корпуса и подшипников. В некоторых конструкциях подшипник устанавливается неподвижно, а в масляной ванне происходит вращение ротора. В настоящее время, многие турбокомпрессоры оборудованы механизмами, позволяющими изменять геометрию турбины. Для этого, производится установка дополнительного кольца, на котором имеются управляемые направляющие лопатки. В зависимости от числа оборотов, происходит поочередное уменьшение или увеличение сечения турбины.

При низких оборотах двигателя и маленьком потоке газа турбокомпрессор уменьшает сечение, увеличивая таким образом скорость движения отработанных газов между направляющими элементами. В результате обороты турбины возрастают и давление наддува увеличивается.

На высоких оборотах работы двигателя и при высоком уровне газового потока турбокомпрессор раздвигает направляющие элементы, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на уровне, необходимом двигателю. Изменение площади сечения (расстояния между направляющими элементами) может управляться непосредственно давлением компрессора с помощью привода или системой управления двигателем с помощью вакуумного привода или шагового электромотора.

Двигатель, укомплектованный турбокомпрессором с изменяемой геометрией, имеет лучший отклик, производит большую мощность и крутящий момент на всем диапазоне оборотов, потребляет меньше топлива и обеспечивает снижение вредных выбросов по сравнению с двигателем, связанным с турбокомпрессором традиционным перепускным каналом для регулировки давления наддува. Благодаря короткому времени отклика и плавному ускорению улучшается управляемость машиной и срок ее службы.

В Формуле 1 используется обычный большой турбокомпрессор. Обязательные в этой системе турболаги нивелируются при помощи ERS, которая помимо своей основной функции прибавки мощности к мощности ДВС, выполняет в том числе и эту задачу.

Характерной чертой нынешних двигателей болидов Формулы 1 является единственный турбокомпрессор, который расположен сзади цилиндров. Такая компоновка продиктована требованиями: раньше на болидах разрешалось использование двух выхлопных патрубков (которые шли от двух невзаимосвязанных турбин), но теперь позволено использовать только один, причем он должен применяться так, чтобы поток выхлопных газов никаким образом не создавал аэродинамического эффекта. По этой же причине запрещается использовать какие-либо дополнительные кузовные элементы, располагая их за выхлопом, для направления выхлопных газов.

Еще статья о современном турбированном двигателе Ф1 -(рекомендую):