Турбонагнетатель: устройство и принцип работы

Чтобы получить максимальный КПД от работы двигателя приходится усиливать его различными системами и аппаратами. Одним из них является турбонагнетатель - устройство, которое позволяет эффективно использовать энергетический потенциал выхлопных газов. За счет их использования нагнетатель вращает подвижные части аппарата и создает необходимую тягу для всасывания воздуха.

Компоненты системы и принцип их взаимодействия

Турбонагнетатель состоит из нескольких элементов: колес турбины и компрессора, подшипников, коллектора для подачи масла и его отвода, а также двух “улиток” - расширяющихся объемов для сжатого воздуха и соответственно захвата отработавших газов. В этой схеме они выполняют роль движущей силы взамен коленвала и ременной передачи.

Попадая в турбину, поток выхлопных газов вращает ротор, жестко сцепленный с колесом компрессора - сваркой трением. Такой способ наиболее эффективен, ведь сохраняет высокий КПД от взаимодействия деталей, обеспечивая при этом практически идеальную балансировку. Компрессорный агрегат может быть любым, однако зачастую в такой конструкции используется центробежный тип.

Турбина вращается с переменной скоростью - в зависимости от того, насколько высок энергетический потенциал отработавших газов, которые поступают в турбинное колесо. Поток с большой энергией раскручивает ее до огромного количества оборотов, при этом отвод выхлопов будет интенсивнее, а значит установка может усиливать саму себя до определенного порога, после которого коэффициент полезного действия неизбежно будет падать. Кроме того существует риск поломок и вывода из строя основных компонентов, поэтому большинство компрессоров такого рода имеет изменяемую геометрию.

За счет дополнительного колеса с направляющими лопастями можно контролировать входящий поток и регулировать его подачу. Это позволяет стабилизировать процесс и рациональнее использовать энергию выхлопов за счет изменения поперечного сечения колеса. На малых оборотах оно уменьшается, создавая необходимый перепад давления, и скорость потока увеличивается, повышая мощность двигателя. На высоких оборотах сечение “прохода” увеличивается, пропорционально повышая пропускную способность турбины.

Помимо стабилизации процесса и расширения эффективности, такая конструкция помогает снизить количество вредных выбросов, а также одинаково продуктивно работать как на малых, так и на больших оборотах.

Достоинства и недостатки

Огромное преимущество перед механическими нагнетателями состоит в рациональном использовании отработавшего рабочего тела - газовой смеси. Здесь из него извлекается максимальная польза в отличие от систем, в которых его просто выбрасывают в окружающую среду.

Еще один существенный плюс - существенное увеличение мощности двигателя, в среднем на 40%. При этом турбонаддув делает мотор более экономичным - его использование делает потери КПД незначительными за счет повышения продуктивности работы.

Недостатков турбокомпрессоров всего несколько:

• Высокий постоянный нагрев компонентов, который осложняет отвод тепла и требует дополнительных интеркулеров для охлаждения;
• Избыточное давление, контроль которого осложняется постоянным наддувом, что может спровоцировать чрезмерно большую частоту оборотов ротора. Для исключения поломок используется турботаймер, регулирующий работу мотора. Без него водитель должен следить за состоянием турбокомпрессора самостоятельно и вовремя переходить на более щадящий режим.

В сравнении турбонагнетателей с центробежными нагнетателями последние выигрывают за счет низкой стоимости и простоты установки, однако значительно уступают в эффективности и оптимальном использовании энергии топлива.