Современным трендом в автомобилестроении стал переход с атмосферных двигателей на более малообъемные турбированные. Использование турбонаддува позволяет одновременно решить целый ряд задач, соответствующих требованиям времени: значительно повысить мощностные и динамические характеристики двигателей с одновременным снижением расхода топлива по сравнению с атмосферными двигателями аналогичной мощности, добиться высокого КПД, совместно с другими техническими решениями снизить токсичность отработавших газов.
Очевидным способом повышения мощности любого двигателя является увеличение количества сгорающего в нем топлива и создание оптимальных условий для его горения в различных режимах работы. Подать много топлива в цилиндро-поршневой двигатель в любой момент его работы проблемы не составляет, чего не скажешь о соответствующем для его сгорания количестве воздуха. Воздух засасывается в двигатель во время его работы за счет движения поршней в цилиндрах и его количество можно считать условно постоянным и зависящим прежде всего от объема мотора, то есть суммы рабочих объемов всех его цилиндров. Чтобы увеличить количество подаваемого воздуха, необходимо прежде всего увеличить размеры двигателя за счет увеличения диаметра цилиндров, их количества или рабочего хода поршней. Вполне логично, что данный способ решения не всегда допустим и приемлем, а иногда и попросту исключен.
Для решения проблемы насыщения двигателя большим количеством воздуха применялись различные технические решения, но самым эффективным и кардинальным, способствующим значительному увеличению мощности двигателя, стал именно турбонаддув.
Принцип действие турбонаддува очень прост.
- Часть отработавших газов, поступивших в выпускную систему, подается на лопастное колесо, которое раскручивается под их действием.
- На одном валу с лопастным колесом расположена крыльчатка компрессора, которая сжимает воздух и подает его во впускной коллектор двигателя.
- Одна условная единица сжатого воздуха, содержит гораздо больше молекул кислорода, чем такой же объем воздуха при атмосферном давлении. Следовательно, большим количеством молекул кислорода можно окислить (сжечь) большее количество топлива в цилиндрах и получить увеличение мощности двигателя.
- Чем больше обороты, которые развивает под действием отработавших газов ротор с крыльчаткой, тем больше сжимается воздух и тем большее количество кислорода поступает в цилиндры. Частота вращения ротора турбокомпрессора у современных двигателей может достигать величины 250000 оборотов в минуту. Вращается ротор в подшипниках скольжения на масляной пленке. Отсюда вытекают повышенные требования турбированных двигателей к качеству смазки. Стоит лишь на секунду нарушить условия смазки и мгновенный выход из строя дорогостоящего узла гарантирован.
- Еще одним недостатком турбонаддува является так называема «турбояма». Чтобы раскрутить ротор турбины необходимы обороты двигателя от 1500-2000 оборотов. До указанной величины турбина практически не работает и разница в мощности двигателя между этими двумя режимами, как правило, весьма ощутима. В современных двигателях различными вспомогательными системами научились нивелировать данный эффект и делать его практически незаметным.
- В силу физических законов во время сжатия воздуха крыльчаткой компрессора турбонагнетателя происходит его нагрев. А как известно, нагрев воздуха сопровождается его расширением, а следовательно уменьшением количества кислорода в единице объема воздуха. Чтобы избежать данной обратной реакции в некоторых случаях прибегают к использованию охлаждения наддувочного воздуха в специальном устройстве - интеркулере.
- Кроме «классических» турбонагнетателей, работающий на энергии отработавших газов, в некоторых случаях применяют аналогичные устройства с механическим приводом. Существенным недостатком подобного решения является то, что для его работы необходимо отбирать некоторое количество мощности двигателя.
