Автомобильные турбины и турбокомпрессоры – принцип работы

ПРИНЦИП РАБОТЫ
Для получения более четкого представления о принципе работы турбокомпрессора, необходимо ознакомиться с системой функционирования двигателя внутреннего сгорания. На сегодняшний день, большинство дизельных легковых и грузовых автомобилей оснащаются 4-х тактными поршневыми двигателями, работа контролируется при помощи впускных и выпускных клапанов. Каждый рабочий цикл состоит из 4 тактов при 2 полных оборотах коленвала.













• Впуск – при движении поршня вниз, воздух (в дизельном двигателе) или смесь топлива и воздуха (в бензиновом двигателе) проходит через открытый впускной клапан.
• Компрессия – происходит сжатие горючей массы.
• Расширение – смесь воздуха и топлива воспламеняется при помощи свечей (бензиновый двигатель), дизельное топливо впрыскивается под давлением и воспламенение происходит произвольно.
• Выпуск – при движении поршня вверх, выпускаются выхлопные газы.

Данные принципы работы предоставляют следующие пути увеличения эффективности работы двигателя:
1. Увеличение объема
2. Увеличение скорости работы двигателя
3. Турбокомпрессия

Увеличение объема

Увеличение объема обеспечивает увеличение мощности двигателя, так как увеличение камеры сгорания позволяет нагнетание большего объема воздуха и большее колличество сжигаемого топлива. Увеличение объема может быть достигнуто путем увеличения колличества цилиндров или увеличения объема каждого цилиндра. В целом, увеличения объема приводит к увеличению массы двигателя. Этот способ не обеспечивает значительных преимушеств по уровню выбросов и потреблению топлива.

Увеличение скорости работы двигателя

Другим способом увеличения мощности двигателя является увеличение скорости работы двигателя. Увеличение скорости проводится путем увеличения колличества ходов поршня на единицу времени. Однако, по техническим причинам этот способ имеет жесткие ограничения. Увеличение скорости работы двигателя приводит к увеличению потерь при накачивании и других операциях, что вызывает падение эффективности работы.

Турбокомпрессия

При применении двух первых способов, двигатель обеспечивается только собственным нагнетанием. Воздух для сгорания проходит прямо в цилиндр во время впускного такта. При использовании турбокомпрессора, воздух, поступающий в камеру сгорания предварительно сжимается. В двигатель поступает тот же объем воздуха, однако, более высокое давление обеспечивает прохождение большего колличества воздушной массы, что позволяет увеличить объем сжигаемого топлива. Таким образом, при использовании турбокомпрессора, мощность двигателя увеличивается по отношению к его объему и колличеству потребляемого топлива.

Охлаждение нагнетаемого воздуха.

В ходе компрессии, нагнетаемый воздух нагревается до 180 С. При охлаждении, плотность воздуха увеличивается,что позволяет увеличить объем нагнетаемого воздуха.
Охлаждение нагнетаемого воздуха является одной из немногих мер по увеличению мощности двигателей внутреннего сгорания, которые положительно влияют на уровень потребления топлива и уровень выброса вредных веществ. Снижение температуры входящего воздуха обеспечивает снижение температуры сгорания и, таким образом, снижение колличества вырабатываемого NO (x). Увеличение плотности воздуха снижает расход топлива и уровень загрязнения окружающей среды.

Существуют два типа турбокомпрессии – механическая турбокомпрессия и компрессия выхлопных газов.

Механическая турбокомпрессия

При механической турбокомпрессии, воздух сжимается при помощи компрессора, приводимого от двигателя. Однако, часть получаемого увеличения мощности уходит на привод компрессора. В зависимости от размера двигателя, мощность, необходимая для привода компрессора составляет от 10 до 15% от общей выработки двигателя. Таким образом, при сравнении с обычным двигателем такой же мощности, двигатель с механической турбокомпрессией имеет повышенный расход топлива.

Турбокомпрессия выхлопных газов

При использовании компрессии выхлопных газов, энергия газа, которая не используется в обычных условиях, направлена на привод турбины. Компрессор находится на одном валу с турбиной и обеспечивает забор, сжатие и подачу воздуха в камеру сгорания. В этом случае механичекие соединения с двигателем отсутствуют.

Преимущества турбокомпрессии выхлопных газов.

• По сравнению с обычным двигателем такой же мощности, турбодвигатель имеет меньший расход топлива, так как часть энергии выхлопных газов способствует увеличению мощности двигателя. Меньший объем двигателя сокращает термические и др. потери.
• Турбодвигатель имеет значительно лучшее соотношение веса к мощности, т.е. Kw / кг.
• Необходимая площадь двигательного отсека турбодвигателя меньше, чем у обычного двигателя.
• При использовании турбодвигателя, возможно дальнейшее улучшение характеристик крутящего момента для поддержания мощности, близкой к максимальной при очень низкой скорости двигателя, что позволяет избежать частого переключения скоростей при езде в гористой местности.
• Турбодвигатели имеют значительно лучшие характеристики работы в условиях высокогорья. В условиях пониженного давления обычный двигатель теряет значительную часть мощности. В противоположность, рабочие характеристики турбодвигателя улучшаются вследствие увеличения разницы между постоянным давлением вверх по соединениям турбины и пониженным внешним давлением у входа турбины. Низкая плотность воздуха у входа компенсируется, обеспечивая почти нулевую потерю мощности.
• Так как турбодвигатель имеет меньшие размеры, а соответственно и площадь шумовыделяющей поверхности, его шумовые характеристики лучше, чем у обычных двигателей. В данном случае, турбокомпрессор действует как добавочный глушитель.