Турбонаддув: как повышается мощность двигателя
Когда речь заходит о турбинах, мы правильно думаем об увеличении производительности. Тем не менее, турбо является отличным атрибутом для повышения эффективности двигателя. Будь то бензин, дизель, сжиженный газ или водород, все они реагируют с кислородом в фиксированном соотношении. Это просто школьная химия, не больше и не меньше. Если вы собираетесь сжигать больше топлива ради более высокой производительности, вам также потребуется пропорционально больше воздуха, содержащего этот кислород. Вот почему дроссельная заслонка должна открываться, чтобы пропустить больше воздуха.
В атмосферном двигателе без турбонаддува это количество воздуха или смеси, уже приготовленной во впускной системе, ограничено тем, что поршень, движущийся вниз, может втянуть в цилиндр через открытые впускные клапаны. Поршень не может вместить больше объема хода, и из-за всевозможных препятствий, включая впускные клапаны, и потерь потока, вообще невозможно даже приблизиться к объему хода.
Компрессор
Чтобы улучшить наполнение цилиндра, необходимо увеличить рабочий объем или обеспечить принудительную подачу воздуха (наддувом), чтобы поступало больше кислорода для возможности вступать в реакцию с большим количеством топлива. Что касается этих кубических сантиметров, то для большего двигателя это означает большие потери. Подумайте о большей движущейся массе в виде поршней, шатунов, коленчатого вала, распределительных валов, клапанов и так далее. Кроме того, из-за большей поверхности камеры сгорания (дно поршня, стенки цилиндра и головка) в окружающую среду также выделяется больше тепла: все это потери. Таким образом, повышение производительности — не самое эффективное решение, когда большую часть времени можно обеспечить только ограниченную производительность.
С небольшим двигателем потери меньше, и можно нагнетать необходимый дополнительный воздух с помощью компрессора. Еще на заре автомобилестроения мы видели механические компрессоры, приводимые в движение коленчатым валом, известные как нагнетатели. Все эти «воздуходувки Рутса» и «загрузчики G» обеспечивали дополнительный воздух. Однако, поскольку они приводятся в движение коленчатым валом, они также требуют энергии. В атмосферном двигателе эффективнее использовать остаточную энергию, которая обычно выбрасывается через выпускные клапаны и беспрепятственно выходит наружу.
На изображении выше показано как горячие выхлопные газы (красные) приводят в движение турбину, а затем идут к выходу (справа). Компрессор, соединенный с турбиной валом, втягивает свежий воздух (синий) и нагнетает его к силовой установке.
Обходной путь
При наддуве турбонагнетателем поток отходов передает свою остаточную энергию турбине с выхлопными газами, которая может развивать скорость более 300 000 в минуту. Турбина (от которой происходит слово «турбо») соединена осью с лопастным колесом во впускном канале: компрессором. Он всасывает свежий воздух, а затем с избыточным давлением нагнетает его к двигателю. Турбина может работать на полную мощность только тогда, когда мимо нее проходит достаточное количество выхлопных газов. Это происходит не сразу, когда вы резко нажимаете на педаль газа: давление нарастает с небольшой задержкой. Чем мощнее турбо, тем больше времени требуется для запуска.
С другой стороны, компактный турбонаддув быстрее реагирует, но также имеет более ограниченную способность нагнетать воздух к двигателю. Кроме того, такая компактная турбина при максимальной мощности образует сопротивление в выхлопной системе. Последнее можно буквально обойти, установив By-pass, доступ к которому осуществляется через вентиль.
Другой вариант — отрегулировать геометрию спирального корпуса турбины с помощью регулируемых лопаток. При малом количестве выхлопных газов (и, следовательно, небольшом давлении) можно повернуть ламели так, чтобы пространство между ними стало меньше. В результате скорость газа к лопастям увеличивается, и рабочее колесо запускается быстрее. Если давление слишком велико, ребра поворачиваются таким образом, что создается больше пространства, и скорость протекающего мимо газа уменьшается.
Низкая плотность
Известны двигатели, которые, чтобы избежать задержек, имеют несколько меньших турбин, соединенных как параллельно, так и последовательно. Независимо от настройки, турбо, которое делает все возможное, буквально раскаляется докрасна. Это также увеличивает температуру всасываемого воздуха. А поскольку горячий воздух имеет более низкую плотность, он также содержит меньше кислорода на единицу объема. Это прискорбно, но не непреодолимо.
Проходящий через теплообменник (радиатор) воздух охлаждается. Воздух сжимается, так что содержание кислорода в единице объема снова возрастает. Речь идет об охлаждении наддувочного воздуха, также известном как промежуточное охлаждение (интеркулер). Благодаря охлаждению сжатого воздуха двигатель получает больше кислорода и может сжигать больше смеси.
С одной стороны, турбонаддув — с промежуточным охладителем или без него — способен заставить меньший двигатель работать как большой. С другой стороны, наддув позволяет получить производительность большого мотора от более эффективного двигателя меньшего размера. Таким образом, лучшая производительность и большая эффективность идут рука об руку.
