Cтроение турбокомпресора

Турбокомпрессор (турбина)– оборотная машина, состоящая из турбины и компрессора, установленных на общем вале. Он используется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания или парового котла. Турбина наполняется выхлопными газами из двигателя, а сжатый воздух при помощи компрессора запускает двигатель. В цилиндр поступает большое количество воздуха, благодаря чему повышается мощность двигателя, а увеличение степени сжатия улучшает его эффективность.

Строение турбокомпрессора похоже на строение газовой турбины, но в нем нет камеры сгорания. Роль газогенератора в этом случае выполняет двигатель внутреннего сгорания.

Принцип турбонаддува был запатентован приблизительно в 1905 году швейцарцем др. Альфредом Бучи. С 1938 года он начал использоваться в грузовых автомобилях, а с 1973 года – в легковых.

Турбокомпрессор состоит из турбины, то есть из так называемой «горячей части» (на фото с левой стороны красным цветом) и компрессора, так называемой «холодной части» (на фото с правой стороны синим цветом), роторы которых жестко соединены общим валом. Турбина, которая приводится в действие выхлопными газами из двигателя, запускает ротор компрессора, сжимающий воздух перед его попаданием в двигатель (элемент, который генерирует наддув).

Вращение компрессора, а также и степень его сжатия, зависят от количества газа, запускающего турбину, которое при низкой потребности мощности незначительно. Поэтому, в случае, когда резко вырастает потребность в мощности двигателя (переключение передач, нажимание педали газа для ускорения), кроме поступления дополнительного топлива, на момент, пока компрессор разгонится, его сжатие незначительно, из-за чего двигатель на мгновение имеет малую мощность. Кроме того, в это время, по причине меньшего количества воздуха, поступающего в цилиндры, система подачи топлива не может поставлять его в том же количестве, что и при статической нагрузке двигателя. Эффект меньшей мощности двигателя при резком увеличении потребления мощности называется турбо-ямой. Усовершенствование конструкции приводит к тому, что момент инерционности ротора в современных турбокомпрессорах меньше, дозирование топлива точнее, благодаря чему эффект турбо-ямы уменьшается.

С целью уменьшения влияния этого явления применяется, также, управление продуктивностью турбокомпрессора. Тут возможны два способа – регулирование количества выхлопов, которые проходят через турбину, или регулирование геометрии потока.

В первом случае используется обходной клапан, регулируемый давлением наддува – когда давление, которое производится компрессором превышает определенный конструкцией двигателя показатель, клапан открывается и пропускает часть выхлопов за ротор турбины. Второе решение состоит в  размещении лопастей под таким углом, чтобы выхлопные газы попадали на лопасти ротора.

При малых оборотных скоростях двигателя, выхлопы ударяются в ротор под углом приближенным к прямому и, одновременно, лопасти становятся типом сопла, которое увеличивает поток выхлопов. Ограничение давления наддува состоит в направлении потока выхлопных газов под все более острым углом относительно лопастей турбины при одновременном расширении канала потока, что ограничивает скорость выхлопов. Конструктивно это выглядит таким образом, что ротор турбины окружают жалюзи, направляющие поток выхлопных газов. Раньше давление наддува регулировалось исключительно механически, а в современных автомобильных двигателях это происходит с помощью регулятора двигателя, при использовании сигналов с датчиков давления и количества втянутого воздуха. Работающими элементами, регулирующими клапаны или жалюзи, являются пневматические приводы (использующие вакуум), которыми управляют электроклапаны, или рядные двигатели – как, например, в двигателе 1,2 TSI группы VW.

В компрессоре температура воздуха вырастает в результате:

• увеличения давления (в соответствии с адиабатическим уравнением),
• притока тепла через структурные элементы от горячих выхлопов к более холодному воздуху.

Это вредное явление, поскольку оно уменьшает эффективность действия турбокомпрессора и увеличивает температуру во время сгорания. Увеличение температуры негативно влияет на элементы двигателя, снижает эффективность его работы и увеличивает выделение оксидов азота, что может привести к поломке и необходимости дальнейшего ремонта турбины. Чтобы уменьшить температуру сжатого воздуха используется теплообменник под названием интеркулер или промежуточный охладитель воздуха.