Принцип работы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом

В современно мире турбонаддув – это одна из самых эффективных систем повышения мощности двигателя, не увеличивая частоты вращения коленвала и объема цилиндров. Кроме того, что турбонаддув увеличивает мощность, он еще и экономит расходуемое топливо. В расчете на единицу топлива снижается и выброс вредных газов, так как топливо сгорает более полно.

Система  турбонаддува может работать как на дизельных, так и на бензиновых двигателях. Однако более эффективным турбонаддув будет работать именно на дизелях, так как у них высокая степень сжатия двигателя при относительно небольшой частоте вращения коленвала. Факторами, которые сдерживают распространение турбонаддувов на бензиновых двигателях, выступает то, что не всегда наступает детонация, которая связывается с увеличением частоты вращения двигателя, а также большая температура выхлопных газов (1100°С против 700°С у дизелей), в результате чего нагревается турбонагнетатель.

Не смотря на то, что составляющие отдельных систем различны, выделяют некоторые общие особенности конструкции:

• элементы управления;
• воздухозаборник;
• впускные заслонки (не на всех конструкциях двигателей);
• впускной коллектор;
• интеркулер;
• турбонагнетатель;
• дроссельная заслонка;
• воздушный фильтр;
• напорные шланги и соединительные патрубки.

Большое количество элементов турбонаддува являются элементами топлива впускной системы. Специфическими элементами турбонаддува является интеркулер, турбонагнетатель, и новые конструктивые элементы управления.

Другое название турбонагнетателя — газотурбинный нагнетатель или турбокомпрессор. Он является конструктивным и основным элементом турбонаддува, обеспечивающим повышенное давление воздуха в системе впуска.

Состоит тербонагнетатель из: 

• турбинного колеса;
• корпуса турбины;
• компрессорного колеса;
• корпуса компрессора;
• вала ротора;
• корпуса подшипников.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом.

Работа системы турбонаддува двигателя в первую очередь основана на использовании той энергии, которая выделяется при сгорании газов. Уже отработанные газы, вращают колесо турбины, которое вращает компрессионное колесо через вал ротора. В свою очередь компрессорное колесо сжимает воздух и отправляет его в систему. Воздух, который нагрет при сжатии, поступает в цилиндр двигателя.

Не взирая на то, что у турбонаддува нет никакой связи с коленвалом двигателя, эффективность работы в первую очередь зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше  частота вращения, тем больше энергия отработанных газов, в результате чего турбина вращается быстрее, и в цилиндр поступает больше сжатого воздуха.

Из-за своей конструкции, турбонаддув имеет ряд неприятных особенностей:

• давления наддува после преодоления «турбоямы» резко увеличивается т.н. «турбоподхват» работает с задержкой
• при резком нажатии на педаль газа, увеличивается мощность двигателя т.н. «турбояма»

«Турбояма» обуславливается инерционностью системы (при резком нажатии на педаль газа, для повышения давления наддува требуется некоторое время), которая приводит к несоответствию между производительностью компрессора и потребительной мощностью. Есть такие способы решения данной проблемы:

• комбинированный наддув;
• использование пары последовательных турбонагнетателей;
• применение турбин, у которой изменяется геометрия;
• использование пары параллельных турбонагнетателей.

VNT – турбина (турбина с изменяемой геометрией) обеспечит оптимизацию потока выхлопных газов за счет того, что изменятся площадь входного канала. Подобные турбины нашли широкое применение в турбонаддуве при установки на дизельные двигатели, например, турбонаддув TDI установленный на двигатель Volkswagen.

Система с парой параллельных турбонагнетателей применяется зачастую на мощных V-образных двигателях (один на каждый из рядов цилиндров). Основан принцип работы такой системы на том, что пара маленьких турбин обладает меньшей инерцией, чем одна массивная турбина.

При установке на двигатель системы twin-turbo (пары последовательных турбин) максимальная производительность двигателя будет достигнута за счет использования различных турбонагнетателей на разных оборотах мотора.

Комбинированный наддув объединяет турбонаддув и механический надув. На низких оборотах коленвала двигателя механический компрессор обеспечивает сжатие воздуха. Когда обороты увеличиваются, его подхватывает турбонагнетатель, а механический компрессор в это время отключается. Яркий пример подобных систем - двойной наддув TSI двигателя от Volkswagen.

В итоге хочется сказать, что принцип работы турбоаддува двигателя внутреннего сгорания заключается в увеличении мощности двигателя за счет того, что улучшается наполнение цилиндров смесью топлива и воздуха. При этом повышается средняя эффективность давления цикла, сопровождающегося весомым увеличением давления воздуха. Подобная методика надува является атмосферной. Одной из разновидностей систем атмосферного надува – является резонансный, при проведении такого надува изменится энергия от сжатия воздушных масс. Часто для этого используют воздушные коллекторы различной длины. В других видах надува предполагается задействование различных дополнительных элементов, работающие на основе принципов по увеличению давления воздуха, которые поступает из атмосферы в цилиндры. В некоторых случаях в роли привода выступает отработанный газ. Выхлопные газы при этом раскручивают турбину компрессора, после чего благополучно выбрасываются через глушитель.