Понимание того, как работает турбосистема.
Лошадиная сила вырабатывается только при сгорании топлива. Следовательно, чем больше сжигается топлива, тем больше вырабатывается лошадиных сил. Но топливо может быть эффективно сожжено только в том случае, если оно сгорает в цилиндрах двигателя, и для этого должно быть достаточно воздуха. Мы живем в атмосфере, которая на уровне моря содержит давление 14,7 фунта на квадратный дюйм (фунт / кв. дюйм). Это означает, что способность двигателя дышать ограничена вакуумом, или всасыванием, создаваемым тактом впуска поршня двигателя, питаемого максимальным давлением примерно 15 фунтов на квадратный дюйм. Таким образом, даже в самой удивительно эффективной конструкции двигателя максимальный перепад давления между атмосферой и впускным клапаном может составлять только около 15 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления. И с тех пор немногие из нас живут и ездят на пляж, у нас даже меньше 15 фунтов на квадратный дюйм для работы. По мере подъема на высоту атмосферное давление падает.
Турбонагнетатель
В самом базовом определении турбонагнетатель – это устройство, которое нагнетает больше воздуха в двигатель. Абсолютное давление 15 фунтов на квадратный дюйм теперь повышено до чего-то большего, и, таким образом, в цилиндры двигателя поступает больше воздуха. Теперь скорость подачи топлива может быть увеличена, и будет выработано больше лошадиных сил. Во многих случаях турбонагнетатель может обеспечить достаточный дополнительный поток воздуха, чтобы двигатель того же размера мог легко выдавать 100% или более лошадиных сил, чем в его без наддува или без наддува.
Турбонагнетатель, нагнетатель, турбонагнетатель и нагнетатель, среди других названий, являются технически правильными, когда речь идет о любом из нескольких различных типов устройств, которые выполняют основную функцию в системе принудительного впуска воздуха на двигателе внутреннего сгорания. Но среди энтузиастов, мастеров питания, гонщиков на скамейках и даже нескольких начитанных белок нагнетатель и нагнетатель используются как синонимы для обозначения устройств, которые повышают давление на входе и питаются непосредственно от коленчатого вала двигателя.
На этом рисунке показана простая система с одинарным турбонаддувом после охлаждения. Давайте проследим за всасываемым воздушным потоком, чтобы увидеть, как это работает.
A. После того, как впускной воздух проходит через воздушный фильтр, он направляется на вход компрессора турбонагнетателя (1).
B. Затем воздух сжимается, что увеличивает его плотность—или количество массы на единицу объема—секцией компрессора турбины, и выпускается через наддувочную трубку (2).
C. Большинство современных турбосистем используют охладитель после охлаждения, также известный как промежуточный охладитель или охладитель наддувочного воздуха, для приема горячего, нагнетаемого воздуха по мере его выхода из компрессора. Охладитель отводит избыточное тепло, что позволяет дополнительно повысить плотность воздуха, одновременно охлаждая заряд всасываемого воздуха (3).
D. Затем другая трубка наддува направляет воздух со стороны выпуска охладителя во впускной коллектор двигателя, где воздух направляется к впускным клапанам и поступает в каждый цилиндр (4).
E. Вводится увеличенный заряд впрыска топлива, основанный на теперь более плотном воздушном заряде, и происходит сгорание. После сгорания выхлопные газы проходят через выпускной клапан и попадают в выпускной коллектор (5).
F. Выпускной коллектор направляет энергию выхлопных газов в виде тепла и давления в турбинную ступень турбонагнетателя (6).
G. Корпус турбины создает противодавление. Это противодавление и тепло распространяются на лопатки турбинного колеса, заставляя вращаться турбинное колесо и вал, что, в свою очередь, приводит в движение колесо компрессора со стороны впуска системы. Затем оставшийся выхлоп покидает ступень турбины и поступает в выхлопную систему (7).
Турбонагнетатели царят безраздельно по одной простой причине: турбонагнетатель является наиболее эффективным из всех экономически применяемых устройств принудительной подачи воздуха. В отличие от нагнетателя, который получает энергию непосредственно от коленчатого вала для привода компрессора, турбонагнетатель использует энергию, присутствующую в выхлопных газах, которая в противном случае была бы потрачена впустую, просто выкачивая ее в атмосферу. Но даже несмотря на то, что турбонаддув использует энергию выхлопных газов, которую обычно называют отработанной энергией, существует стоимость использования этой энергии, обусловленная повышенным противодавлением, образующимся в выхлопе. Люди, применяющие турбины к двигателям, часто упускают из виду концепцию “потерь при прокачке”.
Компрессор
Когда колесо турбины вращается от горячего выхлопного газа высокого давления, расширяющегося через него, колесо соединено с валом, на противоположном конце которого изолирован компрессор. Компрессор выполняет работу, прямо противоположную работе турбины. Задача компрессора состоит в том, чтобы собирать свежий воздух и повышать его давление до того, как он поступит в двигатель.
Компрессор также состоит из двух основных компонентов: колеса компрессора и крышки компрессора. Колесо компрессора имеет радиальный тип, это означает, что, когда воздух поступает на переднюю кромку колеса, называемого индуктором, он ускоряется, поворачивается на 90 градусов и выходит из колеса компрессора перпендикулярно валу турбины, который приводит в движение колесо компрессора. Энергия, выделяемая из турбины, используется для работы по вращению колеса компрессора, которое втягивает воздух в колесо, а затем сжимает его.
Когда воздух покидает колесо компрессора, он попадает в часть компрессора, называемую диффузором. Диффузор преобразует воздух в статическое давление и заполняет крышку компрессора. Сжатый воздух выходит из крышки компрессора и направляется через наддувочную трубку непосредственно в двигатель или в охладитель, а затем поступает в двигатель.
Компрессор выполняет две функции. Первый-повысить давление на входе, чтобы помочь двигателю дышать. Более высокое давление на впуске обеспечивает более полное заполнение цилиндров двигателя воздухом. Другая функция заключается в увеличении плотности воздуха. Двигатель благоприятно реагирует на плотность воздуха больше, чем на давление наддува, а плотность воздуха является основной целью повышения давления наддува. Однако давление наддува также является критическим элементом и является непосредственно ответственный за повышение объемной эффективности.
Двигатель имеет фиксированную объемную мощность или объем двигателя. Поэтому давление и плотность воздуха должны быть увеличены таким образом, чтобы в двигатель поступала более высокая масса воздуха, что позволяет вводить более высокую массу топлива. Уровень давления наддува для данного компрессора сильно зависит от способности этого компрессора эффективно сжимать воздух без добавления избыточного тепла. Понятие плотности просто формулируется следующим образом: Плотность = масса на единицу объема. Давление наддува будет расти в зависимости от двух переменных: температуры воздуха и плотности воздуха. Именно увеличение плотности воздуха позволяет сжигать больше топлива и, следовательно, развивать больше лошадиных сил.
Если бы две запечатанные банки были снабжены манометрами, а одна была нагрета, ее манометр поднялся бы, как давление наддува. Однако в нагретой банке не было бы большей плотности воздуха, просто больше тепла и давления. Чрезмерное нагревание нежелательно, но является примером того, что происходит, когда на двигатель установлен неправильный компрессор. Если двигателю требуется больше воздуха, чем компрессор может эффективно сжать, воздух становится чрезвычайно горячим, и с большей вероятностью могут возникнуть проблемы с двигателем, такие как детонация.
Правильный размер компрессора так же важен для максимальной производительности двигателя, как и в случае с турбиной. Каждая конструкция компрессора настраивается таким образом, чтобы поток воздуха соответствовал потребности двигателя в воздухе, исходя из объема двигателя в кубических дюймах, объемной эффективности и рабочих оборотов. Слишком маленький компрессор ограничивает мощность двигателя и ограничивает мощность в лошадиных силах. Аналогично, слишком большой компрессор требует для вращения большей мощности, чем способна развить турбина, и, следовательно, будет вращаться недостаточно быстро, чтобы обеспечить поток воздуха и давление, которые в противном случае мог бы развить компрессор. Таким образом, существует баланс мощности, который становится очевидным и важным между концами компрессора и турбины турбонагнетателя.
Подшипниковая система
Вал турбины поддерживается системой подшипников, которая соединяет турбину с компрессором. Подшипниковая система размещена внутри корпуса подшипника, который содержит множество конструктивных особенностей, имеющих решающее значение для правильной работы турбонаддува. Подшипниковая система выполняет сложную работу. Он должен поддерживать турбину и компрессор колеса вращаются со скоростью более 100 000 об / мин, выдерживая различные колебания, вызванные импульсами двигателя, которые изменяются в зависимости от частоты вращения двигателя и выходной мощности. Кроме того, подшипниковая система также должна выдерживать не только радиальные нагрузки, но и осевые или осевые нагрузки. Когда давление в турбине превышает давление в компрессоре или наоборот, в подшипниковой системе возникает тяга. Перепады давления, которые становятся слишком серьезными, приведут к выходу из строя хорошего турбонагнетателя.
Подшипниковая система турбонагнетателя находится внутри корпуса подшипника. Корпус подшипника поддерживает корпус турбины и крышку компрессора, в то время как вал турбины и подшипники поддерживают динамику вращения колес турбины и компрессора. Большинство подшипниковых систем турбонагнетателя представляют собой подшипники скольжения бронзового типа, которые имеют масляные каналы для подачи в систему гидродинамической смазки, в то время как во многих высокопроизводительных турбинах последних моделей используются специально разработанные шарикоподшипниковые картриджи.
Хотя существует множество типов подшипниковых систем, все они должны выполнять эту работу, обеспечивая при этом минимальные потери энергии на сопротивление или трение, выделяемой из турбины для питания компрессора. Корпус подшипника также содержит множество других конструктивных особенностей, которые включают контроль масла, газовые уплотнения, тепловые плотины и, в некоторых конструкциях, водяные рубашки для предотвращения попадания смазочного масла при чрезвычайно высоких температурах выхлопных газов.
