В период Второй мировой войны турбонаддув применялся только в военных самолётах. Затем его начали использовать в тракторах американского производства. Первые легковые машины с такой системой появились в 60-е годы двадцатого века. Об их преимуществах и недостатках можно судить лишь разобравшись, как устроен турбонаддув.
Конструктивные особенности
Турбонаддувом называется метод агрегатной подачи воздуха в цилиндры мотора, осуществляющийся за счёт использования энергии переработанных газов. С помощью такого метода удаётся:
- эффективно увеличить мощность без изменения частоты движения коленчатого вала и объёма цилиндров;
- сократить расход топлива на единицу мощности;
- снизить степень токсичности переработанных газов за счёт более эффективного сгорания топлива.
Эти преимущества выявляются как в бензиновых, так и в дизельных моторах. Однако при сравнении рабочих характеристик было определено, что в случае с дизелем турбонаддув показывает большее КПД. Она обеспечивается за счёт сильного сжатия мотора и сравнительно небольшой частоты движения коленчатого вала.
В моторах, работающих на бензине, высокого КПД не позволяет достичь риск взрыва топлива, связанный со значительным увеличением количества оборотов мотора. Ещё одним сдерживающим фактором является очень сильный нагрев отработанных веществ. Их температура доходит до тысячи градусов.
Разные конструкции турбонаддувных систем имеют свои особенности. Но в качестве основы в каждой из них используются два колеса:
- Турбинное. Необходимо для восприятия энергии, которую дают отработанные вещества. Изготавливается из материалов, характеризующихся высокой стойкостью к возгоранию (керамики и сплавов), помещается в корпус особой формы.
- Компрессорное. Попадающие в него воздушные массы сжимаются и подаются в двигательные цилиндры.
Обе детали фиксируются на валу ротора. Помимо них, в конструкции имеются подшипники и уплотнительные кольца, препятствующие утечке масляной жидкости во время её движения по каналам. В отдельных конструкциях дополнительно со смазкой используется охлаждение жидкостью.
Чтобы достичь остывания сжатого воздуха, используется воздушный или жидкостный радиатор — интеркулер. Уменьшая температуру воздушных потоков, он способствует увеличению их плотности и давления.
Принцип действия
Турбонаддувная система функционирует за счёт вторичного использования газообразных веществ. Эти вещества запускают турбинное колесо. Оно, в свою очередь, через вал ротора приводит в движение компрессорное колесо. Воздушные потоки сжимаются и поступают в систему. Горячий воздух теряет температуру, проходя через интеркулер, и в охлаждённом состоянии попадает в двигательные цилиндры.
Жёсткой связи между коленчатым валом и турбонаддувом не существует. Однако эффективность наддува во многом определяется частотой вращения двигателя.
Чем быстрее движется вал, тем больше энергии передаётся отработанным веществам. Эта энергия способствует ускорению турбины и увеличению объёма воздуха, попадающего в цилиндры.
Основной недостаток
Среди недостатков работы турбонаддува выделяют задержку увеличения мощности мотора при сильном нажатии на педаль газа — турбояму. Она сменяется резким скачком давления наддува (турбоподхватом).
При резком нажатии на газ давление увеличивается не моментально, а в течение определённого времени. В этот промежуток турбонаддувная система становится инертной, между требующейся мощностью и КПД компрессора возникает несоответствие. С целью решения этой проблемы применяется:
- Турбина с меняющейся геометрией. Изменяющаяся площадь входного канала оптимизирует потоки газов. Ярким применением такой турбины является турбонаддув двигателей TDI, которыми оснащаются автомобили Volkswagen.
- Параллельные турбокомпрессоры. В сумме их инерция оказывается значительно меньше той, что возникает при работе одной большой турбины. Использование отдельных турбокомпрессоров на разных оборотах мотора даёт высокую производительность системы в целом.
Ещё один способ устранения проблемы заключается в использовании комбинированного наддува, объединяющего в себе механический и турбонаддув. Механический нагнетатель работает на небольших оборотах, на высоких — турбокомпрессор. Комбинированная система применяется в автомобилях Volkswagen.
