Какво представлява турбокомпресорът и как работи - пълен технически наръчник

Турбокомпресорът е едно от най-ефективните устройства за увеличаване на мощността и ефективността на двигател с вътрешно горене.Чрез компресирането на въздуха, който влиза в цилиндрите, той позволява на мотора да гори повече гориво и следователно да произвежда повече мощност без да увеличава размера на двигателя. Докато по-рано турбокомпресорите се считаха за специализирано оборудване, днес почти всеки автомобилен производител ги включва в портфолиото си за бензинови и дизелови мотори.

Какво представлява турбокомпресорът

Турбокомпресорът, наричан още turbo-супералукатор или просто turbo, е устройство за принудително делване на въздуха, което увеличава мощността на двигател с вътрешно горене чрез задвижване на сгъстен въздух в горивната камера. За разлика от двигател с естествено всмукване, който разчита само на атмосферното налягане за подаване на въздух в цилиндрите, турбината използва енергията на газовете от изпускателната система, за да сгъсти въздуха, който се всмуква.

Принципът на работа се основава на проста реалност: колкото повече въздух вкарваш в двигателя, толкова повече можеш да изгориш гориво и да произведеш повече мощност. Електронният контролер на съвременните автомобили постоянно изчислява необходимата смес въздух–гориво, за да постигне желаната производителност. Въпреки това всеки двигател е ограничен от системата за всмукване и количеството въздух, което може да достигне естествено до цилиндрите.

Турбокомпресорът решава това фундаментално ограничение чрез сгъстяване на въздуха преди той да влезе в двигателя. Когато въздухът се сгъстява, молекулите на кислорода се свързват по-трайно една с друга, и същият обем пространство съдържа много повече молекули кислород. Това означава, че можеш да вкараш същото количество въздух в по-малко пространство, или повече въздух в същото пространство - точно това, което турбината предоставя.

Разлики между турборазпределящи и естествено всмуквани двигатели

Един ключов различен момент между дизел турбонагнетен двигател и традиционен бензинов двигател с естествено всмукване е моментът и начинът, по който въздухът се сгъстява. В дизел двигателите въздухът се сгъстява преди да бъде впръскано горивото, а съотношението на компресия е значително по-голямо отколкото в бензиновите двигатели. За дизел турбокомпресорът става по-скоро нещо основно за представянето и ефективността, а не просто аксесоар за допълнителна мощ.

При бензиновите двигатели турбината преди всичко осигурява значително увеличение на мощността, позволявайки по-малък двигател да произвежда същата мощност като по-голям атмосферен двигател.Например, турбо двигател с 1.5 литра може да донесе мощността на атмосферен двигател от 2.5 литра, като същевременно запазва предимствата на по-малък двигател: по-малко тегло, по-нисък разход в нормален режим на работа и по-ниски емисии.

Тази подобрена ефективност на процеса на горене позволява на производителите да практикуват „downsizing“ - намаляване на размера на двигателя, запазвайки или дори увеличавайки постиганата мощност. По-малкият турбонагнетен двигател тежи по-малко, заема по-малко място в моторния отсек и може да осигури общо по-добра икономия на гориво, особено в града, където турбината не се изисква постоянно на пълен капацитет.

Колко допълнителна мощност осигурява турбокомпресорът

Въпросът колко мощност точно добавя турбокомпресорът е сложен и зависи от много технически фактори. Общо взето стандартен турбокомпресор може да даде увеличение на мощността между 20 и 40% спрямо идентичен двигател без турбина. За контекст, ако атмосферен двигател произвежда 100 CP, версията с турбо на същия двигател може да достигне 120–140 CP или дори повече.

Все пак, точният печалба в мощност варира в зависимост от повече фактори:

• Размерът на турбокомпресора: по-големи турбини могат да сгъстят повече въздух, но може да се появи „турбо лаг“ (забавяне в отговора)
• Налягането на наддув: колкото повече въздух се сгъстява (измерва се в bar или PSI), толкова мощността расте, но нараства и натиска върху мотора
• Системата за охлаждане на въздуха: ефективен интеркулер повишава плътността на сгъстения въздух и следователно мощността
• Калибрирането на мотора: ECU-то трябва да бъде преустановено за правилното управление на допълнителното количество въздух и гориво
• Съпротивление на компонентите: буталата, пръстените, коляновият вал трябва да издържат на увеличената мощност и налягане

Освен чистата мощност, измервана в CP, турбината значително подобрява и въртящия момент (Nm). Този увеличен въртящ момент при средни и ниски обороти прави колата да се усеща много по-мощна при ежедневното шофиране, даваща по-добра ускорение и по-голяма възможност за изпреварване.

Как работи турбокомпресорът - компоненти и принципи

Основна структура

Частта на турбината (горещо колело): Това е половината, свързана с изпускателната система. Газовете от изпускателната система, все още много горещи и под налягане, се насочват към ротора на турбината. Тези газове се движат с изключително високи скорости и температури, като удрят лопатките на турбината и я завъртат с невероятни обороти—между 80 000 и 200 000 rpm, в зависимост от размерите и типа.

Частта на компресора (студено колело): От другата страна на валът е разположеното компресорно колело, което всмуква въздуха от атмосферата и го сгъстява. Когато турбината върти валът, компресорното колело се завърта със същата скорост, всмуква въздуха и го компримира, преди да го изпрати към мотора.

Процесът на работа стъпка по стъпка

1. Изпускане на газовете от изпускателната система: Когато двигателят работи, буталата изпращат изгорелите газове през изпускателните клапани. Тези газове, все още много горещи и под налягане, са насочени към турбината вместо да отидат в изпускателната тръба.

2. Завъртане на турбината: Енергията от газовете удря лопатките на турбината, принуждавайки я да се върти със скорост. Формата на лопатките е проектирана да извлича максимално енергия от потока газове. След въртенето на турбината, газовете продължават към изпускателната система и каталитичния конвертор.

3. Всмукване и компресиране на въздуха: Роторът на турбината е свързан здраво с турбинното колело и се върти с висока скорост. Тази въртяща се скорост създава вакуум, който всмуква въздуха отвън през въздушния филтър. Лопатките на компресора ускоряват въздуха до високи скорости и го сгъстяват.

4. Дифузия на въздуха: Корпусът на компресора е специално проектиран да преобразува потока от въздух с висока скорост и ниско налягане в поток с високо налягане и ниска скорост. Този процес се нарича дифузия и е критичен за ефективността на турбината. Сгъстеният въздух става по-плътен и по-горещ.

5. Охлаждането на въздуха (опционално, но препоръчително): При повечето модерни системи сгъстеният въздух преминава през интеркулер – топлообменник, който охлажда въздуха. Студеният въздух е по-плътен, което още повече подобрява ефективността. Интеркулерът може да понижи температурата на въздуха с 50–70°C.

6. Влизане в двигателя: Накрая сгъстеният и охладен въздух се подават в цилиндрите чрез дросела и всмукателните канали. ECU-то улавя увеличеното количество въздух и пропорционално инжектира повече гориво. Смесването на въздуха и горивото произвежда по-мощна горивна реакция, която генерира повече мощност.

Маслена and охладителна система

Роторът на турбината се върти при скорости, които са толкова високи, че без подходящо смазване лагерите биха се износили за секунди. Затова турбокомпресорът е свързан към двигателното масло чрез специален маслен канал. Под налягане маслото образува маслен филм около вала, позволявайки му да се върти почти без триене.

Освен това маслото помага за охлаждането на вътрешните компоненти на турбината, които достигат изключително високи температури. Някои модерни турбини имат и охлаждане с охлаждаща течност от двигателя, което подобрява дълготрайността и позволява по-големи наддувни налягания.

Предимства и технически съображения

Предимства на турбонагнетяването

• Увеличена мощност без увеличаване на размера: най-очевидното предимство - повече мощност от същия двигател
• Подобрена ефективност: по-малки турбонагнетени двигатели могат да бъдат по-ефективни от големи атмосферни
• Намалени емисии: по-малки двигатели обикновено произвеждат по-ниски емисии при нормално шофиране
• Удължен въртящ момент при ниски обороти: полезно в градско шофиране и при изпреварване
• По-малко тегло: по-малък двигател = по-лек автомобил = по-добра динамика

Съображения за поддръжка

Турбокомпресорите са доста надеждни, но изискват спазване на някои правила за поддръжка:

• Смяна на маслото според препоръките с масло от високо качество
• Оставяне на двигателя да работи на обороти за 30–60 секунди преди да го изключите след водене на мощно каране
• Използване на препоръчания горивен клас (правилното октаново число)
• Проверка и смяна на въздушния филтър според програмата

Игнорирането на тези аспекти може да доведе до преждевременно износване на турбината, а замяната на турбокомпресор може да струва между 5 000 и 15 000 лева, в зависимост от модела и марката на автомобила.

В заключение, турбокомпресорът е една от най-ефективните техники за увеличаване на мощността и ефективността на двигател с вътрешно горене, като преобразува резидуалната енергия от газовете за изхвърляне в полезна допълнителна мощност. С подходяща поддръжка и правилно използване, турбокомпресорът може да функционира без проблем през целия живот на превозното средство.