Как работят турбокомпресорите

Когато хората говорят за състезателни автомобили или високопроизводителни спортни автомобили, обикновено се появява темата за турбокомпресорите. Турбокомпресорите се появяват и при големи по обем дизелови двигатели. Турбото може значително да увеличи конските сили на двигателя, без значително да увеличи теглото на автомобила, което е огромното предимство и това прави турбокомпресорите толкова популярни.

Турбокомпресорите са вид система с принудителна индукция. Те компресират въздуха, постъпващ в двигателя. Предимството при компресирането на въздуха е, че позволява на двигателя да изтласква повече въздух в цилиндър, а повече въздух означава, че може да се добави повече гориво. Следователно, получавате повече мощност от всеки взрив във всеки цилиндър. Турбокомпресорният двигател произвежда по-голяма мощност от същия двигател без компресор. Това може значително да подобри съотношението мощност / тегло към двигателя.

За да постигне повече мощност, турбокомпресорът използва потока на отработените газове от двигателя, за да върти турбина, която от своя страна върти въздушна помпа. Турбината в турбокомпресора се върти със скорост до 150 000 оборота в минута – това е около 30 пъти по-бързо, отколкото повечето са обортотите на обикновените двигатели. И тъй като е прикачена към ауспуха, температурите в турбината също са много високи.

Продължете да четете, за да разберете колко повече мощност можете да очаквате от вашия двигател, ако добавите турбокомпресор.

Турбокомпресори и двигатели

Турбокомпресор за автомобил

Един от най-сигурните начини за извличане на повече мощност от двигателя е увеличаването на количеството въздух и гориво, които може да изгори. Един от начините за това е да добавите цилиндри или да увеличите сегашните бутилки. Понякога тези промени може да не са осъществими – турбото може да бъде по-опростен и по-компактен начин за добавяне на мощност, особено за аксесоар за следпродажбен пазар.

Турбокомпресорите позволяват на двигателя да изгаря повече гориво и въздух, като опакова повече в съществуващите цилиндри. Типичният тласък, осигурен от турбокомпресор, е от 6 до 8 psi. С него получавате около 50 процента повече въздух в двигателя. Следователно бихте очаквали да получите 50 процента повече мощност. Това не е напълно ефективно, така че вместо това може да получите подобрение от 30 до 40 процента.

Една от причините за неефективността идва от силата за завъртане на турбината. Наличието на турбина в потока на отработените газове увеличава ограничението им. Това означава, че при ход на изгорелите газове двигателят трябва да работи за по-високо обратно налягане. Това изважда малко мощност от цилиндрите.

Дизайн на турбокомпресора

Турбокомпресорът е закрепен с болтове към изпускателния колектор на двигателя. Изгорелите газове от цилиндрите въртят турбината, която работи като двигател с газова турбина. Турбината е свързана с вал към компресора, който е разположен между въздушния филтър и всмукателния колектор. Компресорът притиска въздуха, влизащ в буталата.

Изпускателната система от цилиндрите преминава през лопатките на турбината, което кара турбината да се върти. Колкото повече газове преминават през лопатките, толкова по-бързо се върти турбината.

На другия край на вала, към който е прикрепена турбината, компресорът изпомпва въздух в цилиндрите. Компресорът е вид центробежна помпа – той вкарва въздух в центъра на лопатките си и го хвърля навън, докато се върти.

За да се справят със скорости до 150 000 об / мин, валът на турбината трябва да се поддържа много внимателно. Повечето лагери биха експлодирали при тази скорост, така че повечето турбокомпресори използват течен лагер. Този тип лагер поддържа във вала тънък слой масло, което постоянно се изпомпва около вала. Това служи за две цели: охлажда вала и някои от другите части на турбокомпресора и позволява на вала да се върти без много триене.

Части за турбокомпресори

Един от основните проблеми с турбокомпресорите е, че те не осигуряват незабавно усилване на мощността, когато настъпите педала на газта. Необходима е секунда, за да може турбината да достигне скорост, преди да се произведе усилването. Това води до усещане за изоставане, когато натиснете газта, а след това колата се тръгва по-бързо, когато турбото се движи.

Един от начините за намаляване на турбо изоставането е да се намали инерцията на въртящите се части, главно чрез намаляване на теглото им. Това позволява на турбината и компресора да се ускорят бързо и да започнат да осигуряват усилване по-рано. Един сигурен начин за намаляване на инерцията на турбината и компресора е да се направи турбокомпресорът по-малък. Малък турбокомпресор ще осигури усилване по-бързо и при по-ниски обороти на двигателя, но може да не е в състояние да осигури много усилване при по-високи обороти на двигателя, когато наистина голям обем въздух навлиза в двигателя. Освен това има опасност да се върти твърде бързо при по-високи обороти на двигателя, когато през турбината преминават много изгорели газове.

Повечето автомобилни турбокомпресори разполагат с отпадачна камера, което позволява използването на по-малък турбокомпресор за намаляване на изоставането, като същевременно не позволява той да се върти твърде бързо при високи обороти на двигателя. Отпадъчната кемаре е вентил, който позволява на ауспуха да заобикаля лопатките на турбината. Отпадъчната камера се включва при усилващото се налягане. Ако налягането стане твърде високо, това може да е индикатор, че турбината се върти прекалено бързо, така че отпадъчните газове заобикалят част от отработените газове около лопатките на турбината, позволявайки на лопатките да се забавят.

Двойно турбо в автомобила

Някои турбокомпресори използват сачмени лагери вместо течни лагери, за да поддържат вала на турбината. Но това не са обикновени сачмени лагери – те са супер прецизни лагери, изработени от модерни материали, за да се справят със скоростите и температурите на турбокомпресора. Те позволяват на турбинния вал да се върти с по-малко триене от течните лагери, използвани в повечето турбокомпресори. Те също позволяват да се използва малко по-малък, по-лек вал. Това помага на турбокомпресора да се ускори по-бързо, като допълнително намалява изоставането на турбото.

Керамичните лопатки на турбината са по-леки от стоманените перки, използвани в повечето турбокомпресори. Отново това позволява на турбината да се върти до скорост по-бързо, което намалява закъснението на турбото.

Използване на два турбокомпресора и повече турбо части

Някои двигатели използват два турбокомпресора с различни размери. По-малкият се върти при ниска скорост, намалявайки изоставането, докато по-големият поема при по-високи обороти на двигателя, за да осигури по-голям тласък.

Когато въздухът се компресира, той се загрява; и когато въздухът се загрява, той се разширява. Така че част от повишаването на налягането от турбокомпресор е резултат от нагряване на въздуха, преди той да влезе в двигателя. За да се увеличи мощността на двигателя, целта е да се получат повече молекули въздух в цилиндъра, а не непременно повече въздушно налягане.

Интеркулер за турбо

Интеркулер или зареждащ въздушен охладител е допълнителен компонент, който изглежда нещо като радиатор, с изключение на това, че въздухът преминава през вътрешната, както и от външната страна на интеркулера. Всмукателният въздух преминава през запечатани тръби вътре в охладителя, докато по-хладният въздух отвън се издухва през перки от вентилатора за охлаждане на двигателя.

Интеркулерът допълнително увеличава мощността на двигателя чрез охлаждане на въздуха под налягане, който излиза от компресора, преди той да влезе в двигателя. Това означава, че ако турбокомпресорът работи с усилване от 7 psi, системата за охлаждане с охлаждане ще постави 7 psi на по-хладен въздух, който е по-плътен и съдържа повече въздушни молекули, отколкото по-топлия въздух.

Турбокомпресорът помага и на голяма надморска височина, където въздухът е по-малко плътен. Нормалните двигатели ще изпитват намалена мощност на големи височини, тъй като при всеки ход на буталото двигателят ще получава по-малка маса въздух. Един турбо двигател може също да има намалена мощност, но намалението ще бъде по-малко, защото по-тънкият въздух е по-лесен за изпомпване на турбокомпресора.

По-старите автомобили с карбуратори автоматично увеличават скоростта на горивото, за да съответстват на увеличения въздушен поток, влизащ в цилиндрите. Съвременните автомобили с инжектиране на гориво също ще направят това до известна степен. Системата за впръскване на гориво разчита на кислородни сензори в ауспуха, за да определи дали съотношението въздух / гориво е правилно, така че тези системи автоматично ще увеличат потока на гориво, ако се добави турбо.

Ако към автомобил с впръскване на гориво се добави турбокомпресор с твърде много усилване, системата може да не осигури достатъчно гориво – или софтуерът, програмиран в контролера, няма да го позволи, или помпата и инжекторите не са в състояние да го доставят. В този случай ще трябва да се направят други модификации, за да се постигне максимална полза от турбокомпресора.