Турбокомпрессор — это, по сути, воздушный компрессор, который увеличивает объем всасываемого воздуха за счет сжатия воздуха. Он использует силу инерции выхлопных газов двигателя для приведения в движение турбины внутри корпуса турбины. Турбина, в свою очередь, приводит в движение соосную крыльчатку, которая сжимает подаваемый через воздушный фильтр воздух и нагнетает его в цилиндры. По мере увеличения частоты вращения двигателя скорость выхлопных газов и частота вращения турбины также увеличиваются синхронно, заставляя крыльчатку сжимать больше воздуха в цилиндры. Повышенное давление и плотность воздуха позволяют сжигать больше топлива. Увеличивая количество топлива и регулируя частоту вращения двигателя, можно увеличить выходную мощность двигателя. На двигатели гоночных автомобилей обычно устанавливаются турбокомпрессоры для увеличения мощности. Двигатель генерирует мощность за счет сжигания топлива в цилиндрах. Количество подаваемого топлива ограничено количеством воздуха, всасываемого в цилиндры, что ограничивает выходную мощность. Если двигатель уже работает в оптимальном состоянии, дальнейшего увеличения выходной мощности можно достичь только за счет сжатия большего количества воздуха в цилиндрах для увеличения количества топлива и улучшения эффективности сгорания. В современных технологических условиях турбокомпрессор является единственным механическим устройством, способным увеличить выходную мощность двигателя без изменения КПД двигателя.
Самым большим преимуществом турбокомпрессора является его способность значительно увеличивать мощность и крутящий момент двигателя без увеличения объема двигателя. Обычно мощность и крутящий момент двигателя с турбонагнетателем увеличиваются на 20–30%. Недостатком турбонагнетателя является инерционность, то есть из-за инерции крыльчатки он медленно реагирует на внезапные изменения положения дроссельной заслонки, вызывая задержку выходной мощности двигателя. Это может привести к кратковременному ощущению медлительности у автомобилей, пытающихся резко ускориться или совершить обгон.
В настоящее время основными автомобилями с турбонаддувом на китайском рынке являются Audi 1.8T и Passat 1.8T. Сначала давайте обсудим общую конструкцию и принцип работы турбокомпрессора. Турбокомпрессор выхлопных газов в основном состоит из крыльчатки насоса и турбины, а также других компонентов управления. Крыльчатка насоса и турбина соединены валом, который является ротором. Выхлопные газы двигателя приводят в движение крыльчатку насоса, которая, в свою очередь, приводит во вращение турбину. Затем турбина создает давление во впускной системе. Турбокомпрессор установлен на стороне выпуска двигателя, поэтому его рабочая температура очень высока, а частота вращения ротора чрезвычайно высока, достигая сотен тысяч оборотов в минуту. Такие высокие скорости и температуры делают обычные механические игольчатые роликоподшипники или шарикоподшипники непригодными для ротора. Поэтому в турбокомпрессорах обычно используются полностью плавающие подшипники, смазываемые моторным маслом и охлаждаемые охлаждающей жидкостью. Раньше турбокомпрессоры в основном использовались в дизельных двигателях, но теперь их используют и в некоторых бензиновых двигателях. Поскольку бензин и дизельное топливо имеют разные методы сгорания, тип турбокомпрессора, используемый в этих двигателях, также различается.
Бензиновые двигатели отличаются от дизельных тем, что не подают воздух непосредственно в цилиндры; вместо этого они подают смесь бензина и воздуха. Чрезмерное давление в этой смеси легко может привести к детонации. Поэтому установка турбокомпрессора должна избегать детонации, которая предполагает две взаимосвязанные проблемы: контроль высоких температур и контроль угла опережения зажигания.
Принудительный турбонаддув повышает температуру и давление при сжатии и сгорании в бензиновом двигателе, увеличивая склонность к детонации. Кроме того, температура выхлопа бензинового двигателя выше, чем температура выхлопа дизельного двигателя, и увеличение угла перекрытия клапанов (времени, когда впускной и выпускной клапаны одновременно открыты) для улучшения охлаждения выхлопных газов нецелесообразно; снижение степени сжатия приведет к неполному сгоранию. Кроме того, бензиновые двигатели работают на более высоких оборотах, чем дизельные, что приводит к большим изменениям воздушного потока, что может легко вызвать задержку турбокомпрессора. Инженеры внесли целенаправленные улучшения для решения этих проблем за счет использования турбокомпрессоров в бензиновых двигателях, что позволяет использовать турбокомпрессоры для выхлопных газов и в бензиновых двигателях.
Интеркулер
Повышенные температуры не только влияют на эффективность зарядки, но и увеличивают риск детонации. Поэтому необходимо устройство для понижения температуры всасываемого воздуха; это интеркулер. Он устанавливается между выпускным отверстием турбокомпрессора и впускным коллектором для охлаждения воздуха, поступающего в цилиндры. Интеркулер, как и радиатор, использует воздух или воду для охлаждения воздуха, позволяя теплу рассеиваться в атмосферу. Испытания показывают, что хорошо работающий интеркулер может поддерживать постоянную степень сжатия двигателя, не вызывая детонации, а также снижать температуру для увеличения давления на впуске, что еще больше повышает эффективную мощность двигателя.
Рабочее колесо
Из-за широкого диапазона скоростей и больших изменений расхода воздуха в бензиновых двигателях крыльчатка компрессора турбокомпрессора имеет сложную трехмерную изогнутую конструкцию со сверхтонкостенными лопатками, обычно с 12-30 лопатками, расположенными по радиальной кривой. Толщина лезвия менее 0,5 мм, изготовлено оно из алюминия специальным методом литья. Качество формы лопаток напрямую влияет на работу турбированного двигателя. Более рациональная форма и угол наклона крыльчатки, а также меньший вес приводят к более чувствительному запуску крыльчатки и минимизируют присущую турбокомпрессору «запаздывание реакции».
Датчик детонации
Помимо снижения температуры для уменьшения возможности детонации, также используется датчик детонации. Его функция заключается в обнаружении аномальных вибраций при возникновении детонации и немедленной передаче информации обратно в систему управления ЭБУ двигателя (электронный блок управления), слегка запаздывая угол опережения зажигания. После устранения детонации момент зажигания возвращается в норму.
Поскольку бензиновые двигатели легковых автомобилей имеют более высокие скорости и более быстрый и переменный поток воздуха, к их турбокомпрессорам предъявляются более высокие требования. В современных двигателях легковых автомобилей широко используются электронные системы впрыска топлива, а с поддержкой технологий электронного управления и новых материалов применение турбокомпрессоров в бензиновых двигателях станет все более распространенным.
В турбонагнетателях выхлопных газов легковых автомобилей используется корпус турбины с одним впуском, что означает, что они используют только энергию давления выхлопных газов, не требуя других вспомогательных источников энергии. Из-за широкого диапазона скоростей двигателей легковых автомобилей турбокомпрессоры должны иметь механизмы регулировки, обеспечивающие относительно постоянное давление наддува в определенном диапазоне скоростей. Кроме того, в бензиновых двигателях используется искровое зажигание, и их степень сжатия ограничена; чрезмерно высокая степень сжатия может привести к детонации. Следовательно, также необходим механизм обнаружения и контроля детонации для регулировки угла опережения зажигания по мере необходимости.
Турбокомпрессор выхлопных газов в автомобиле обычно устанавливается рядом с выхлопной трубой. Турбина и рабочее колесо установлены в корпусе турбины и турбокомпрессора соответственно, жестко соединены соосно и вращаются синхронно.
В настоящее время большинство механизмов регулировки турбокомпрессора находятся на стороне выпуска. Когда наддув не требуется, например, на холостом ходу или при наличии признаков детонации, часть выхлопных газов просачивается через перепускной клапан вместо того, чтобы попадать в турбонагнетатель. Когда частота вращения двигателя достигает 1800 об/мин, электромагнитный клапан закрывает перепускной клапан, направляя поток выхлопных газов в сторону турбины, заставляя ее вращаться. Другая конструкция регулирует угол лопаток турбины, изменяя скорость турбины за счет изменения сопротивления, тем самым изменяя давление наддува.
Охлаждение воздуха заставляет его сжиматься и увеличивать плотность, позволяя упаковать больше воздуха в тот же объем, а также предотвращает детонацию. Поэтому автомобильные турбокомпрессоры оснащаются интеркулером. Этот интеркулер обычно имеет воздушное охлаждение и устанавливается перед радиатором двигателя, рядом или отдельно от него, используя для охлаждения встречный поток воздуха или собственный вентилятор.
Ключевым компонентом турбокомпрессора является подшипник. Этот тип подшипника, названный в соответствии с методом смазки, называется «полностью плавающим подшипником». Он работает на чрезвычайно высоких скоростях и в суровых условиях. Поэтому обеспечение надлежащей смазки имеет решающее значение. Если низкое давление масла приводит к медленной подаче масла, это приведет к повреждению подшипника и выходу из строя турбокомпрессора. Этот тип неисправности не возникает при обычном запуске двигателя, но если двигатель запускается впервые после замены масла и масляного фильтра, может возникнуть медленная подача масла, что приведет к недостаточной смазке подшипника. В этом случае после запуска дайте двигателю поработать на холостом ходу около 3 минут; Не увеличивайте сразу же частоту вращения двигателя до пусковой скорости турбонагнетателя. Аналогично, после движения на высоких скоростях или в гору не глушите сразу двигатель; дайте ему поработать на холостом ходу примерно 1 минуту, чтобы убедиться, что подшипник турбокомпрессора, который все еще работает на холостом ходу, не испытывает недостатка смазки. Поэтому водителям автомобилей с турбонаддувом необходимо строго следовать инструкциям производителя и уделять пристальное внимание качеству моторного масла; Автомобили с турбонаддувом не следует эксплуатировать как обычные автомобили.
(1) Электромагнитный клапан, (2) Камера сгорания цилиндра, (3) Интеркулер, (4) Воздушный фильтр, (5) Крыльчатка, (6) Турбина, (7) Перепускной клапан выхлопных газов
Поэтому, что касается этого конструктивного принципа, следует отметить некоторые проблемы при использовании этого типа двигателя:
1. После запуска двигателя он должен некоторое время поработать на холостом ходу, чтобы смазочное масло достигло определенной рабочей температуры и давления, чтобы предотвратить ускоренный износ или даже заклинивание подшипников из-за нехватки масла при внезапном увеличении нагрузки.
2. Когда автомобиль припаркован, поскольку ротор турбокомпрессора имеет определенную инерцию, двигатель не следует сразу выключать. Он должен некоторое время работать на холостом ходу, чтобы температура и скорость ротора турбокомпрессора постепенно снизились. Немедленное выключение двигателя приведет к потере давления масла, а ротор выйдет из строя из-за отсутствия смазки при вращении по инерции.
3. Регулярно проверяйте уровень масла, чтобы избежать выхода из строя подшипника и заклинивания вращающихся частей из-за недостаточного количества масла.
4. Регулярно меняйте масло и масляный фильтр. Поскольку полностью плавающий подшипник предъявляет высокие требования к смазочному маслу, следует использовать масло марки, указанной производителем. 5. Регулярно очищайте и заменяйте воздушный фильтр. Грязный воздушный фильтр увеличит сопротивление на впуске и снизит мощность двигателя.
6. Часто проверяйте герметичность впускной системы. Утечки могут привести к попаданию пыли в турбокомпрессор и двигатель, что приведет к их повреждению.
7. Поскольку подшипники ротора турбокомпрессора имеют очень высокую точность, рабочая среда во время обслуживания и установки требует строгого контроля. Поэтому, если турбокомпрессор неисправен или поврежден, его следует отремонтировать на авторизованной сервисной станции.
За последние 30 лет турбокомпрессоры получили широкое распространение во многих типах автомобилей. Они компенсируют некоторые присущие безнаддувным двигателям недостатки, позволяя двигателям увеличивать выходную мощность более чем на 10% без изменения рабочего объема.
Поэтому многие производители автомобилей используют эту технологию турбонаддува для повышения выходной мощности двигателя, тем самым обеспечивая автомобили с высокими эксплуатационными характеристиками.
