История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885 — 1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1952 г. швейцарский инженер Альфред Бюши впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 40%. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.

Сфера использования первых турбокомпрессоров ограничивалась чрезвычайно крупными двигателями, в частности, корабельными. В автомобильной сфере первыми начали использовать турбокомпрессоры производители грузовых машин. В 1938 г. на заводе «Swiss Machine Works Sauer» был построен первый турбодвигатель для грузового автомобиля.

Первыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962 — 63 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.

Нефтяной кризис 1973 г. подтолкнул исследования в области применения турбокомпрессоров на коммерческих дизельных двигателях, так как до этого развитие турботехнологий задерживалось необходимостью больших капиталовложений в развитие технологии, а также низкой стоимостью топлива. Ужесточение экологических требований по выхлопным газам в конце 80-х привело к значительному увеличению количества грузовиков, оснащенных турбокомпрессорами. На сегодняшний день уровень развития турботехнологий достиг настолько высокого уровня, что практически каждый двигатель грузового автомобиля оснащен турбокомпрессором.

Начало использования турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка «турбо» стала входить в моду. В то время почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. Задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой на первых образцах этого оборудования, что также являлось серьезным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.

Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошел с выпуском в 1978 г. Mercedes — Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes — Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel. При помощи турбокомпрессора производителям удалось увеличить эффективность работы дизельного двигателя до уровня бензинового, сохранив при этом значительно более низкий уровень выброса в атмосферу выхлопных газов.

На сегодняшний день установка турбокомпрессора на бензиновый двигатель скорее рассматривается как способ сокращения потребления топлива и, таким образом, уменьшения уровня выброса СО2 и других вредных веществ. Таким образом, турбодвигатели служат способом уменьшения расхода энергоносителей и уменьшения выбросов в окружающую среду.

Применение наддува

Мощность двигателя с наддувом в значительной мере пропорциональна давлению наддува. Это позволяет ориентировочно оценить значение мощности, получаемое при надуве двигателя, по формуле:

Pek = Pe x (pka / p0)

Где Pek — мощность двигателя с наддувом; Pe — мощность двигателя без наддува; pka — абсолютное давление наддува; p0 — атмосферное давление.

Применение наддува влечет за собой увеличение и тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов.

Система охлаждения также должна быть рассчитана на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением — увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.

Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность надуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначался для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают.

Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет важное значение, особенно для бензиновых двигателей. В этой связи необходимо различать степень сжатия геометрическую сжатия и эффективную.

Для пояснения здесь следует вспомнить формулу для определения геометрической степени сжатия, которая имеет вид:

E = ( Vs + Vc ) / Vc

Где Vs — рабочий объем цилиндра; Vc — объем камеры сгорания. Т.е. геометрическая степень сжатия (далее — степень сжатия) представляет собой отношение полного объема над поршнем (при положении поршня в НМТ) к объему над поршнем при положении его в ВМТ.

Компрессоры автомобильные

Всякий раз, когда речь заходит о гоночных или спортивных автомобилях, тема турбонагнетателей становится весьма актуальной. Итак, поговорим о турбинах. Турбокомпрессор позволяет повысить мощность двигателя без значительного увеличения его веса. Это обстоятельство сделало турбины весьма популярными как среди автопроизводителей, так и среди энтузиастов от тюнинга.

Основы

Принимая во внимание то обстоятельство, что современные автомобильные двигатели являются высокооборотными, можно утверждать, что дальнейшее форсирование их путем повышения частоты вращения КВ является мало перспективным и, скорее, может находить применение лишь на двигателях спортивных автомобилей, предназначенных для установления рекордов скорости и не претендующих на долговечность.

Второй вариант повышения мощности за счет увеличения рабочего объема цилиндра путем изменения диаметра и хода поршня также имеет ряд конструктивных ограничений, из-за которых не всегда возможно использование таких модификаций.

Остановимся на третьем варианте — увеличение среднего эффективного давления. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя. Итак, поговорим более подробно о турбокомпрессорах (ТК).

Обычно давление, создаваемое ТК находится в пределах от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм (PSI). Так как нормальное атмосферное давление — 14.7 PSI на уровне моря, получается примерно 50-ти процентное увеличение количества воздуха, закачиваемого в двигатель. Из этого следует, что теоретически мы могли бы получить 50% прироста мощности, на практике, увы, максимум 30-40%, что тоже неплохо. Одна из причин такой неэффективности является сам ТК. Его наличие в потоке выхлопных газов создает сопротивление выхлопу и, соответственно, часть мощности двигателя затрачивается на преодоление этого сопротивления.

Как работает турбокомпрессор

ТК при работе используют энергию отработавших газов. Принцип работы весьма прост. Отработавшие газы через выпускной коллектор попадают под давлением в корпус турбинного колеса, где приводят во вращение турбинное колесо. На вал турбинного колеса жестко установлено компрессорное колесо, которое при вращении сжимает воздух и подает его во впускной коллектор двигателя. Соответственно, чем большее количество выхлопных газов проходит через компрессорное колесо, тем быстрее оно вращается. Частота вращения вала может доходить до 150.000 об/мин и более.

Недостатки турбокомпрессоров

Характерным недостатком ТК в условиях эксплуатации поршневого двигателя является то, что он при низкой частоте вращения КВ подает воздуха слишком мало, а при высокой частоте и полной нагрузке — слишком много. Это обусловливает недостаточный крутящий момент двигателя в диапазоне низких частот вращения КВ и проявляется в медленном его реагировании на изменение нагрузки при переходных процессах, например, при резком ускорении. Собственно, задержка, так называемый лаг, проявляется во всем диапазоне частот вращения КВ (на низах больше, на верхах меньше) — это объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым валом двигателя.

Одним из способов уменьшения задержки является снижение инерции вращающихся частей путем сокращения их веса.

Какой ТК выбрать — маленький или большой

Еще один способ снизить инерцию турбины — это уменьшить ее размеры. Маленький ТК быстрее создает необходимое давление в зоне низких частот вращения двигателя, но не может обеспечить требуемый объема воздуха в зоне более высоких частот. К тому же скорость вращения маленького ТК выше, чем большого, что негативно влияет на состояние вращающихся частей ТК.

Большой ТК может обеспечить большое количество воздуха в зоне высоких частот вращения двигателя, но его недостаток — значительная задержка особенно в зоне низких частот.

Дополнительная информация по ТК

Wastegate

Большинство турбированных автомобилей имеет wastegate, который позволяет использовать ТК меньшего размера для уменьшения лага, предотвращая его от слишком высоких нагрузок в зоне высоких частот вращения двигателя. Wastеgate — это клапан, стравливающий избыток выхлопных газов в обход турбинного колеса, тем самым, снижая его обороты и предотвращая от чрезмерных нагрузок.

ТК на шарикоподшипниках

Некоторые ТК используют шариковые подшипники для крепления турбинного вала. Они имеют меньший коэффициент трения, к тому же дают возможность использовать более легкий турбинный вал — итог снижение лага.

Керамические ТК
Керамические лопатки турбинных колес легче, чем стальные, используемые в большинстве ТК, следовательно, они имеют меньшую инерцию и, что естественно, снижает задержку ТК.

Последовательные ТК

Некоторые двигатели используют два ТК различных размеров. Меньший работает в зоне низких частот вращения двигателя, а большой — в зоне высоких частот, где первый не столь эффективен.

Интеркуллеры

При сжатии в ТК воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике (интеркуллере), который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.