На протяжении десятилетий турбокомпрессоры ценились за их способность увеличивать мощность, что сделало их популярными для гоночных автомобилей или высокопроизводительных спортивных автомобилей. Но современные турбины также могут повысить экономию топлива наряду с увеличением мощности, делая двигатели меньшего размера более эффективными и способными развивать скорость по шоссе.
Но как турбокомпрессор увеличивает выходную мощность двигателя и его эффективность?
Турбокомпрессоры представляют собой типсистемы принудительной индукции, которая сжимает воздух, поступающий в двигатель автомобиля. Преимущество сжатия воздуха заключается в том, что он позволяет двигателю нагнетать больше воздуха в цилиндр, а чем больше воздуха, тем больше топлива можно добавить. Поэтому вы получаете больше мощности от каждого взрыва в каждом цилиндре.
Двигатель с турбонаддувом в целом производит больше мощности, чем двигатель того же размера без наддува. Это может значительно улучшить удельную мощность двигателя. Это также означает, что двигатель меньшего размера может более эффективно производить более высокую мощность, что означает меньшее количество остановок на заправочной станции.
Для достижения этого наддува турбонагнетатель использует поток выхлопных газов двигателя для вращениятурбины, которая, в свою очередь, вращаетвоздушный насосТурбина в турбокомпрессоре обычно вращается со скоростью от 80 000 до 200 000 оборотов в минуту (об/мин) - это в 30 раз быстрее, чем может работать большинство автомобильных двигателей. А поскольку он подключен к выхлопу, турбина также работает при очень высоких температурах.
Турбокомпрессоры и двигатели
Один из самых надежных способов получить больше мощности от двигателя - это увеличить количество воздуха и топлива, которые он может сжечь. Один из способов сделать это - добавить цилиндры или увеличить текущие цилиндры. Иногда эти изменения могут быть неосуществимы; турбо может быть более простым и компактным способом увеличения мощности, особенно для аксессуаров послепродажного обслуживания.
Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха, заполняя существующие цилиндры большим объемом. Типичный наддув, обеспечиваемый турбокомпрессором, составляет от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм (psi). Поскольку нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм, вы можете видеть, что в двигатель поступает примерно на 50 процентов больше воздуха. Таким образом, вы ожидаете получить на 50 процентов больше мощности. Это не совсем эффективно, поэтому вместо этого вы можете получить30-40-процентное улучшение.
Одна из причин неэффективности заключается в том, что мощность для вращения турбины не является бесплатной. Наличие турбины в выхлопном потоке увеличивает ограничение в выхлопе. Это означает, что на такте выпуска двигатель должен преодолевать более высокое противодавление. Это вычитает немного мощности из цилиндров, которые работают одновременно.
Дизайн турбокомпрессора
Турбокомпрессор крепится болтами квыпускному коллекторудвигателя. Выхлоп из цилиндров раскручиваеттурбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Турбина соединена валом скомпрессором, который расположен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, поступающий в поршни.
Выхлоп из цилиндров проходит черезлопасти турбины, заставляя турбину вращаться. Чем больше выхлопных газов проходит через лопасти, тем быстрее они вращаются.
На другом конце вала, к которому прикреплена турбина,компрессор нагнетает воздух в цилиндры. Компрессор представляет собой тип центробежного насоса: он всасывает воздух в центр своих лопастей и выбрасывает его наружу при вращении.
Для работы на скоростях до 200 000 об/мин вал турбины должен поддерживаться очень осторожно. Большинство подшипников взорвутся на таких скоростях, поэтому в большинстве турбокомпрессоров используетсяжидкостный или гидродинамический подшипник Этот тип подшипника поддерживает вал на тонком слое масла, который постоянно качается вокруг вала. Это служит двум целям: охлаждает вал и некоторые другие детали турбонагнетателя, а также позволяет валу вращаться без особого трения.
Но у вас может быть слишком много буста. Когда воздух нагнетается в цилиндры под давлением турбокомпрессора, а затем еще больше сжимается поршнем, опасность детонации возрастает. Стук возникает из-за того, что при сжатии воздуха температура воздуха повышается. Температура может увеличиться настолько, что топливо воспламенится до того, как загорится свеча зажигания. Автомобили с турбокомпрессором часто должны работать на топливе с более высоким октановым числом, чтобы избежать детонации. Если давление наддува действительно высокое, возможно, придется уменьшить степень сжатия двигателя, чтобы избежать детонации.
В системе турбонаддува также может использоваться промежуточный охладитель между турбокомпрессором и цилиндром. Это охлаждает воздух до того, как он попадет в камеру сгорания, уменьшая вероятность детонации.
Существует множество компромиссов, связанных с проектированием турбокомпрессора для двигателя. В следующем разделе мы рассмотрим некоторые из этих компромиссов и посмотрим, как они влияют на производительность.
Запчасти для турбокомпрессоров
Одна из основных проблем с турбонагнетателями заключается в том, что они не обеспечивают мгновенного прироста мощности, когда вы нажимаете на педаль газа. Турбине требуется секунда, чтобы набрать скорость, прежде чем будет произведен наддув. Это приводит к ощущению задержки, когда вы нажимаете на газ, а затем машина бросается вперед, когда начинает двигаться турбо.
Большинство автомобильных турбокомпрессоров имеютвастгейт, который позволяет использовать турбонагнетатель меньшего размера для уменьшения запаздывания, предотвращая при этом слишком быстрое вращение при высоких оборотах двигателя. Вестгейт - это клапан, который позволяет выхлопным газам обходить лопатки турбины. Вестгейт реагирует на давление наддува. Если давление становится слишком высоким, это может быть признаком того, что турбина вращается слишком быстро, поэтому вестгейт обходит часть выхлопа вокруг лопастей турбины, позволяя лопастям замедляться.
В некоторых турбокомпрессорах используютсяшарикоподшипники вместо жидкостных подшипников для поддержки вала турбины. Но это не ваши обычные шарикоподшипники. Это сверхточные подшипники, изготовленные из передовых материалов, чтобы выдерживать скорости и температуры турбонагнетателя. Они позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем жидкостные подшипники, используемые в большинстве турбокомпрессоров. Они также позволяют использовать более легкий и меньший вал. Это помогает турбонагнетателю ускоряться быстрее, дополнительно уменьшая турбозадержку.
Использование двух турбонагнетателей и других деталей турбокомпрессора
В некоторых двигателях используютсядва турбонагнетателя разных размеров. Меньший из них очень быстро набирает скорость, уменьшая задержку, в то время как больший берет верх на более высоких оборотах двигателя, обеспечивая больший импульс.
При сжатии воздух нагревается; а когда воздух нагревается, он расширяется. Таким образом, некоторое увеличение давления от турбонагнетателя является результатом нагрева воздуха перед подачей в двигатель. Чтобы увеличить мощность двигателя, цель состоит в том, чтобы получить больше молекул воздуха в цилиндр, не обязательно большее давление воздуха.
Anинтеркулерилиохладитель наддувочного воздуха - это дополнительный компонент, внешне напоминающий радиатор, за исключением того, что воздух также проходит через внутреннюю часть как снаружи интеркулер. Всасываемый воздух проходит через герметичные проходы внутри охладителя, в то время как более холодный воздух снаружи продувается через ребра вентилятором охлаждения двигателя.
Интеркулер еще больше увеличивает мощность двигателя за счет охлаждения сжатого воздуха, выходящего из компрессора, прежде чем он попадет в двигатель. Это означает, что если турбокомпрессор работает с наддувом 7 фунтов на квадратный дюйм, система промежуточного охлаждения будет подавать более холодный воздух под давлением 7 фунтов на квадратный дюйм, который более плотный и содержит больше молекул воздуха, чем теплый воздух.
Турбокомпрессор также помогает набольших высотах, где воздух менее плотный. Обычные двигатели будут испытывать снижение мощности на больших высотах, потому что на каждый ход поршня в двигатель будет поступать меньшая масса воздуха. Двигатель с турбонаддувом также может иметь пониженную мощность, но снижение будет менее значительным, поскольку возможности сжатия воздуха турбонаддувом компенсируют большую часть эффектов разреженного воздуха.
Системы впрыска топлива в современных автомобилях полагаются на датчики кислорода в выхлопе, чтобы определить правильность соотношения воздух-топливо, поэтому они автоматически увеличивают поток топлива, если добавляется турбонаддув. Если к инжекторному автомобилю добавить турбонагнетатель со слишком большим наддувом, система может не обеспечить достаточного количества топлива. Либо программное обеспечение, запрограммированное в контроллере, этого не позволяет, либо насос и форсунки не способны его обеспечить. В этом случае придется произвести другие модификации, чтобы получить максимальную пользу от турбокомпрессора.
Часто задаваемые вопросы о турбокомпрессоре
В чем разница между турбокомпрессором и нагнетателем?
Нагнетатели, как правило, приводятся в действие мощностью, получаемой от коленчатого вала, в то время как турбонагнетатель представляет собой тип нагнетателя, приводимого в действие турбиной в потоке выхлопных газов.
Сколько лошадиных сил добавляет турбокомпрессор?
Турбина может увеличить мощность двигателя на 30-40 процентов или приблизительно от 70 до 150 л.с.
Турбокомпрессор вреден для вашего двигателя?
Турбокомпрессор добавляет опасности детонации, так как при сжатии воздуха повышается температура, что может повредить двигатель, если не уменьшить степень сжатия.
Какой бренд турбокомпрессора лучший?
Лучше всего провести собственное исследование или посетить ближайший к вам гараж, чтобы обсудить возможные варианты.
Сколько стоит турбокомпрессор?
Цена турбокомпрессора тесно связана с маркой и моделью автомобиля, причем автомобили меньшего размера обычно стоят меньше, чем большие грузовики. Тем не менее, это нормально потратить от 1 500 до 7 500 долларов на послепродажный турбокомпрессор, отчасти потому, что этот сложный процесс должен выполняться только профессионалом, что увеличивает затраты на рабочую силу.