Переваги і недоліки турбін (Турбояма)

Турбонагнітач (турбокомпрессор) від латин. turbo-обертання - це прилад, який використовує відпрацьовані гази(вихлопні гази) для збільшееня тиску всередині впускної камери.

Така ось невелика з вигляду турбіна є - одним із найдієвіших способів збільшення потужності двигуна.

Історія

Автомобільні конструктори (з моменту появи на світі цієї професії) постійно були стурбовані проблемою підвищення потужності моторів. Закони фізики свідчать, що потужність двигуна безпосередньо залежить від кількості палива, що спалюється за один робочий цикл. Чим більше палива ми спалюємо, тим більша потужність двигуна.

Турбокомпресор складається з двох «равликів» - через один проходять відпрацьовані гази (гаряча частина), а другий «нагнітає» повітря в циліндри (холодна частина).

Справа в тому, що для горіння палива необхідний кисень. В циліндрах згоряє не паливо, а паливно-повітряна суміш. Змішувати паливо з повітрям потрібно не на око, а в певному співвідношенні. Для прикладу, для бензинових двигунів на одну частину палива потрібно 14-15 частин повітря - залежно від режиму роботи, складу пального та інших факторів. Як ми бачимо, повітря потрібна вельми багато. Якщо ми збільшимо подачу палива (це не проблема), нам також доведеться значно збільшити і подачу повітря. Звичайні двигуни засмоктують його самостійно через різницю тисків у циліндрі і в атмосфері. Залежність виходить пряма - чим більше об'єм циліндра, тим більше кисню в нього потрапить на кожному циклі. Так і робили американці, випускаючи величезні двигуни із запаморочливим витратою пального.

Вихлопні гази з двигуна обертають ротор турбіни, той, у свою чергу, приводить в рух компресор, який нагнітає стиснене повітря в циліндри. Перед подачею повітря в циліндр, воно проходить через інтеркулер і охолоджується - так можна підвищити його щільність.

Найшвидше прийшов до цього Готтліб Вільгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Він ще в 1885 році придумав, як загнати в них більше повітря. Він здогадався закачувати повітря циліндри за допомогою нагнітача, який представляв собою вентилятор (компресор), який отримував обертання безпосередньо від валу двигуна і заганяв в циліндри стиснене повітря. Швейцарський інженер-винахідник Альфред Бюхі (Alfred J. Büchi) пішов ще далі. Він завідував розробкою дизельних двигунів в компанії Sulzer Brothers, і йому категорично не подобалося, що мотори були великими і важкими, а потужності розвивали мало. Віднімати енергію в «двигуна», щоб обертати приводний компресор, йому також не хотілося. Тому в 1905 році Бюхі запатентував перший в світі пристрій нагнітання, який використовували в якості рушія, енергію вихлопних газів. Простіше кажучи, він придумав турбонаддув.

Ідея розумного швейцарця проста, як все геніальне. Як від вітру обертаються крила млина, також і відпрацьовані гази крутять колесо з лопатками. Різниця тільки в тому, що колесо це дуже маленьке, а лопаток дуже багато. Колесо з лопатками називається ротором турбіни і посаджено на один вал з колесом компресора. Так що умовно турбонагнітач можна розділити на дві частини - ротор і компресор. Ротор отримує обертання від вихлопних газів, а з'єднаний з ним компресор, працюючи в якості «вентилятора», нагнітає додатковий повітря в циліндри. Вся ця конструкція і називається турбокомпресор (від латинських слів turbo - вихор і compressio - стиснення) або турбонагнітач.

Аналог турбонаддуву - приводний нагнітач - жорстко пов'язаний з двигуном і витрачає на свою роботу частина його потужності.

У турбодвигун повітря, яке потрапляє в циліндри, часто доводиться додатково охолоджувати - тоді його тиск можна буде зробити вище, загнавши в циліндр більше кисню. Адже стиснути холодне повітря (вже в циліндрі ДВС) легше, ніж гаряче. Повітря, що проходить через турбіну, нагрівається від стиснення, а також від деталей турбонаддуву, розігрітого вихлопними газами. Повітря що подається двигун за допомогою так званого інтеркулера (проміжного охолоджувача). Це радіатор, встановлений на шляху повітря від компресора до циліндрів мотора. Проходячи через нього повітря, віддає своє тепло інтеркулеру, а він віддає своє тепло атмосфері. А холодне повітря більш щільне - значить, його можна загнати в циліндр ще більше.

Так виглядає інтеркулер.

Чим більше вихлопних газів потрапляє в турбіну, тим швидше вона обертається і тим більше додаткового повітря надходить у циліндри, тим вища потужність. Ефективність цього рішення в порівнянні, наприклад, з приводним нагнітачем в тому, що на «самообслуговування» наддуву витрачається зовсім небагато енергії двигуна - всього 1,5%. Крім того, витрачена на стиснення повітря дармова енергія підвищує ККД двигуна. Та й можливість зняти з меншого робочого об'єму велику потужність означає менші втрати на тертя, меншу вагу двигуна (і машини в цілому). Все це робить автомобілі з турбонаддувом більш економічними в порівнянні з їх атмосферними побратимами рівної потужності.