Как турбокомпрессоры увеличивают мощность на выходе

Обычно пользователи нашего сайта находят эту страницу по следующим запросам:
ДВС, катализатор, рампа, зажигание, моторчик, карбюратор, турбонаддув, компрессор, нагнетатель, турбонагнетатель

Как турбокомпрессоры увеличивают мощность на выходе

Достаточно просто понять, почему турбокомпрессор увеличивает потенциал двигателя внутреннего сгорания. По сути, мощность, которую вырабатывает двигатель, – это количество топливовоздушной смеси, которое он может втянуть и сжечь. Турбокомпрессор – это система наддува, которая нагнетает в цилиндры намного большее количество топливовоздушной смеси, чем может втянуть атмосферный двигатель. При стопроцентном наполнении коэффициента цилиндра и нулевом разрежении коллектора цилиндр объемом 500см³ будет заполнен 500см³ топливовоздушной смеси той же плотности, что и атмосфера, из-за эффекта стандартного давления воздуха (1,014 бар на уровне моря). Теоретически, если давление наддува на впуске выше атмосферного на 0,5 бар, цилиндр будет заполняться топливовоздушной смесью, плотность которой будет выше на 50%, поэтому двигатель будет работать так, как будто его объем на 50% больше.

Вы знаете, конечно же, что при сжатии воздуха повышается температура, что теоретически снижает мощность. Однако при эффективном охлаждении заряда мы можем охладить воздух до того, как он попадет в двигатель. Это позволяет увеличить мощность до 40% при давлении наддува 0,5 бар (см. рис. 6.1).

Рис.6.1. На этом графике можно увидеть увеличение мощности при различных уровнях наддува.

Турбокомпрессор состоит из центробежного компрессора, который является частью системы впуска, подсоединенного посредством вала к турбине, подсоединенной к системе выпуска отработанных газов. Выхлопные газы двигателя затем приводят турбину в действие, таким образом, используется энергия, которая иначе была бы отходом. Турбина, в свою очередь, вращает крыльчатку, которая нагнетает топливовоздушную смесь в двигатель. Естественно, концепция очень проста, но все становится намного сложнее, когда теорию начинают применять на практике. Турбокомпрессор представляет собой достаточно дорогое высокотехнологичное и высокоточное устройство. Со стороны системы выпуска отработанных газов он должен выдерживать значительные нагрузки от рабочих температур, которые могут превышать 1000°С, в то же время турбинное колесо вращается со скоростью 100000 об/мин и выше. К тому же форма и размеры турбинного колеса и крыльчатки компрессора, атакже их корпусов должны быть идеально подогнаны, чтобы обеспечить необходимую чувствительность дроссельной заслонки, оптимальные технические характеристики и мощность (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2. Турбинное колесо турбокомпрессора приводится в действие выхлопными газами двигателя. Будучи подсоединенной к общему валу, крыльчатка компрессора нагнетает впускной заряд в двигатель под давлением. Как только будет достигнуто максимальное давление наддува, перепускной клапан открывается, пропуская некоторое количество отработанных газов в обход турбинного колеса.

Кроме того, существуют некоторые проблемы, проистекающие из фундаментальных характеристик компрессора центробежного типа. Например, интенсивность потока, проходящего через компрессор, возрастает пропорционально квадрату его скорости вращения. Следовательно, при низкой частоте вращения двигателя давления наддува не будет, а при максимальной частоте вращения двигателя и полностью открытой дроссельной заслонке давление наддува будет слишком высоким. Главная трудность при создании турбокомпрессора состоит в том, чтобы оптимизировать технические характеристики при низкой частоте вращения, не ограничивая мощность в верхнем диапазоне частоты вращения двигателя и при этом стараясь избежать чрезмерного расхода топлива при движении на высокой скорости.

Оптимизация технических характеристик при низкой частоте вращения двигателя

Рассмотрим сначала первую часть проблемы – технические характеристики при низкой частоте вращения. Очевидно, что модификации, снижающие технические характеристики при низкой частоте вращения атмосферного двигателя, будут так же воздействовать и на турбированный двигатель. На самом деле ухудшение технических характеристик и увеличение расхода топлива будет даже более заметно в турбированном двигателе, так как степень сжатия будет на одну-полторы единицы ниже в двигателях легковых серийных автомобилей и, возможно, до шести единиц ниже в двигателях гоночных автомобилей. Поэтому большие кулачки и впускные каналы уж точно не предназначены для турбированных двигателей. Мы рассмотрим это более подробно в главе14, но сейчас достаточно сказать, что для использования в условиях городского движения вам вполне хватит заводского распредвала или заводского распредвала с атмосферного двигателя.

В двигателях с двумя распредвалами увеличение периода перекрытия клапанов заводского распредвала посредством регулируемых звездочек часто может принести неожиданное Как турбокомпрессоры увеличивают мощность на выходе при условии, что система выпуска отработанных газов была модифицирована с целью сокращения обратного давления. Обычно установка опережения на 3-4° на впускном кулачке и отставания на 4-6° на выпускном кулачке творит чудеса. Во многих двигателях хороших гоночных автомобилей фазы газораспределения заводских кулачков были изменены. Даже на очень мощных двигателях гоночных автомобилей используются кулачки с закругленным профилем, как в атмосферных двигателях. Например, четырехцилиндровые двигатели объемом 2,6 л автомобилей Offy Indy обладали мощностью 800 л.с. при использовании кулачков с длительностью открытия клапанов 254° и 244°, измеренных на высоте 1,3 мм, а также с высотой подъема клапанов 10,7 мм. Двигатель V8 объемом 2,6 л Foyt (Ford с двумя верхними распредвалами) той же эпохи был оснащен кулачками с еще более закругленным профилем. Для впускного кулачка длительность открытия составила 242°, высота подъема – 9,9 мм, для выпускного кулачка длительность открытия составила 232°, а высота подъема – 9,7 мм.

Размеры турбокомпрессора влияют на технические характеристики

Другим фактором, влияющим на технические характеристики при низкой частоте вращения, является действительное давление наддува турбокомпрессора на низкой частоте вращения. В данном случае важную роль играет размер турбины и ее корпуса. Естественно, турбина большого диаметра, которая будет пропускать больший объем отработанных газов без ограничений при высокой частоте вращения, будет очень тяжелой. Поэтому придется обеспечить достаточно интенсивный поток отработанных газов, чтобы раскрутить ее до нужной для создания давления наддува скорости. При открытии дроссельной заслонки интенсивность потока увеличивается, но для раскручивания большой турбины и создания давления наддува понадобится время. Этот промежуток времени между моментом открытия дроссельной заслонки и реакцией и получил название «турбояма». С другой стороны, турбина небольшого размера обладает меньшей инерционностью, поэтому она быстрее раскручивается до необходимой скорости, следовательно, необходимое давление наддува создается быстрее. В то же время, если турбокомпрессор слишком маленький, он блокирует систему выпуска отработанных газов при более высокой частоте вращения и, ограничивая поток выхлопных газов, снижает мощность и увеличивает расход топлива. Конечно же, нужно найти компромисс. Большая часть производителей отдает предпочтение турбокомпрессорам относительно небольших размеров, чтобы оптимизировать технические характеристики, особенно при частоте вращения от 1800 до 4000 об/мин. Многие читатели данной книги, наверно, больше заинтересованы в модификациях более высокого уровня, чем просто установка заводских блоков, но даже в таком случае необходимо выбирать турбокомпрессор подходящих размеров, чтобы компрессор создавал давление наддува по крайней мере на x частоты вращения максимальной мощности.

Быстрой подсказкой относительно потенциала турбокомпрессора может стать диаметр входного канала (см. рис. 6.3). Конечно же, нельзя считать это определяющим фактором, но стоит отметить, что турбина с очень большим диаметром входного канала не сможет приводить в действие компрессор достаточно быстро, чтобы обеспечить необходимое давление наддува при средней частоте вращения двигателя. И наоборот: если этот канал имеет слишком маленький диаметр, технические характеристики при высокой частоте вращения значительно ухудшатся. Поэтому нужно искать турбину с входным каналом размера, указанного на рис. 6.4, чтобы добиться необходимого уровня мощности.

Рис. 6.3. Диаметр входного канала указывает на потенциальную эффективность турбины.

Рис. 6.4. Для достижения необходимого уровня мощности размер входного канала турбины должен находиться где-то между этими двумя кривыми.