Турбокомпрессор

Турбокомпрессор (турбонагнетатель) — это устройство для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, использующее энергию отработавших газов. Основное назначение турбокомпрессора — увеличение мощности и крутящего момента двигателя без увеличения его рабочего объёма, а также повышение топливной экономичности за счёт более полного сгорания топлива.

Принцип действия

Работа турбокомпрессора основана на преобразовании энергии выхлопных газов в энергию сжатого воздуха. Устройство состоит из двух основных частей, соединённых общим валом: турбины и компрессора.

Отработавшие газы, выходящие из цилиндров двигателя, направляются на лопатки турбинного колеса. Под давлением и с высокой температурой (до 800–1000 °C) газы вращают ротор турбины. Вращение через вал передаётся на компрессорное колесо, которое засасывает атмосферный воздух, сжимает его и подаёт во впускной коллектор.

Сжатый воздух имеет более высокую плотность, что позволяет подать в цилиндры большую массу кислорода за один такт. Соответственно, можно впрыснуть больше топлива, что приводит к росту мощности. Давление наддува обычно составляет от 0,5 до 2,5 бар (избыточных) в зависимости от типа двигателя и настроек.

История

Идея использования выхлопных газов для привода нагнетателя была запатентована швейцарским инженером Альфредом Бюхи в 1905 году. Первые промышленные образцы появились в 1910-х годах и применялись на крупных судовых дизелях.

В авиации турбокомпрессоры начали активно использоваться в 1930–1940-х годах для сохранения мощности двигателей на больших высотах, где воздух разрежен. В СССР работы по созданию турбонаддува для авиационных двигателей велись под руководством А. А. Микулина и В. Я. Климова.

Массовое внедрение турбокомпрессоров на автомобильных двигателях началось в 1960–1970-х годах. Первым серийным легковым автомобилем с турбонаддувом стал Chevrolet Corvair Monza (1962 год) в США, а в Европе — BMW 2002 Turbo (1973 год). В СССР турбокомпрессоры применялись на грузовых автомобилях КамАЗ и ЯМЗ с 1970-х годов, а также на дизельных двигателях тракторов.

Устройство и основные компоненты

Турбокомпрессор состоит из следующих ключевых узлов:

• Корпус турбины — «горячая» часть, выполненная из жаропрочного чугуна или стали. Внутри находится турбинное колесо, на которое воздействуют выхлопные газы.
• Корпус компрессора — «холодная» часть, обычно из алюминиевого сплава. Внутри расположено компрессорное колесо (крыльчатка), сжимающее воздух.
• Ротор — вал, соединяющий турбинное и компрессорное колёса. Изготавливается из высокопрочной легированной стали и вращается с частотой от 100 000 до 250 000 об/мин.
• Подшипниковый узел — плавающие подшипники скольжения, которые смазываются и охлаждаются моторным маслом. В современных конструкциях применяются также керамические или шариковые подшипники.
• Уплотнительные кольца — предотвращают утечку масла и прорыв газов.
• Вестгейт (перепускной клапан) — управляющий механизм, который регулирует давление наддува, сбрасывая часть выхлопных газов в обход турбины.
• Блоу-офф клапан (клапан сброса избыточного давления) — устанавливается на впуске для сброса сжатого воздуха при резком закрытии дроссельной заслонки, предотвращая обратный удар.

Классификация

Турбокомпрессоры классифицируются по нескольким признакам.

По типу привода

• Газодинамические — классические, работающие от энергии выхлопных газов.
• Механические — приводятся от коленчатого вала через ремень или цепь (например, компрессор Roots). В строгом смысле не являются турбокомпрессорами, но часто рассматриваются в контексте наддува.
• Электрические (электротурбины) — компрессор вращается электродвигателем, что позволяет создавать давление без задержки (турболага). Пока не получили широкого распространения из-за сложности и энергопотребления.

По числу турбин

• Одноступенчатые — один турбокомпрессор.
• Двухступенчатые (битурбо) — два последовательно соединённых турбокомпрессора (малый и большой) для оптимизации наддува на разных режимах.
• Параллельные — два одинаковых турбокомпрессора, работающих на разные группы цилиндров (часто на V-образных двигателях).
• Твин-турбо — общее название для систем с двумя турбокомпрессорами, как последовательных, так и параллельных.

По геометрии направляющего аппарата

• С фиксированной геометрией — традиционные, с постоянным сечением канала для выхлопных газов.
• С изменяемой геометрией (VGT, Variable Geometry Turbocharger) — лопатки направляющего аппарата могут изменять угол наклона, регулируя скорость потока газов. Это позволяет снизить турбояму и улучшить отклик на низких оборотах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Увеличение мощности — прирост от 30% до 100% и более относительно атмосферного двигателя того же объёма.
• Экономия топлива — за счёт более полного сгорания и возможности использовать меньший рабочий объём (даунсайзинг).
• Снижение выбросов — лучшее сгорание уменьшает содержание углеводородов и угарного газа в выхлопе.
• Компактность — турбокомпрессор занимает меньше места, чем механический нагнетатель или увеличение объёма двигателя.

Недостатки

• Турбояма (турболаг) — задержка отклика на нажатие педали газа из-за инерции ротора и времени на раскрутку турбины. Особенно заметна на низких оборотах.
• Высокие тепловые нагрузки — требует эффективного охлаждения и маслоснабжения.
• Повышенные требования к маслу — масло должно выдерживать высокие температуры и не коксоваться. Рекомендуется использовать синтетические масла с соответствующей вязкостью.
• Сложность конструкции — увеличивает стоимость и требует квалифицированного обслуживания.
• Необходимость интеркулера — сжатый воздух нагревается, и для снижения температуры (и увеличения плотности) требуется промежуточный охладитель (интеркулер).

Применение

Турбокомпрессоры широко применяются в различных типах двигателей:

• Автомобильные двигатели — бензиновые и дизельные легковые автомобили, грузовики, автобусы. В современном автопроме большинство новых моделей оснащаются турбонаддувом.
• Судовые двигатели — крупные дизели на судах и кораблях, часто с двухступенчатым наддувом.
• Авиационные двигатели — поршневые и турбовинтовые двигатели для высотных полётов.
• Тепловозы — дизельные двигатели локомотивов.
• Стационарные установки — генераторные агрегаты, насосные станции.
• Спорт и автоспорт — гоночные автомобили (Формула-1, ралли, драг-рейсинг), где турбокомпрессоры позволяют достигать экстремальной мощности.

Интересные факты

• Рекордная частота вращения ротора турбокомпрессора в серийных автомобилях достигает 250 000 об/мин, а в гоночных — до 300 000 об/мин.
• Первый серийный дизельный двигатель с турбонаддувом для легкового автомобиля был выпущен компанией Mercedes-Benz в 1978 году (модель 300SD).
• В СССР турбокомпрессоры устанавливались на двигатели ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 для грузовиков МАЗ и КрАЗ, а также на тепловозные дизели.
• Современные турбокомпрессоры могут иметь водяное охлаждение корпуса для предотвращения перегрева после остановки двигателя (турботаймер).
• В двигателях Формулы-1 в 1980-х годах давление наддува достигало 4–5 бар, что позволяло снимать более 1000 л. с. с 1,5-литрового двигателя.

Источники

• «Двигатели внутреннего сгорания. Теория и конструкция» — под ред. В. Н. Луканина, 2005.
• «Турбонаддув двигателей внутреннего сгорания» — А. С. Ханин, 1980.
• «Bosch Automotive Handbook» — 10th edition, 2018.
• «Turbocharging the Internal Combustion Engine» — N. Watson, M. S. Janota, 1982.
• Материалы заводов-изготовителей: Garrett Motion, BorgWarner, Mitsubishi Heavy Industries, Cummins Turbo Technologies.