Турбокомпрессор (turbocharger) обеспечивает повышение давления во впускной системе за счет использования энергии отработавших газов. В результате его работы увеличивается масса воздуха в камерах сгорания. Турбокомпрессор является более эффективным устройством наддува в сравнении с механическим нагнетателем, т.к. не использует мощность двигателя для привода.
Но использование турбокомпрессора все же приводит к определенным потерям мощности. Находясь в выпускном тракте, турбокомпрессор создает препятствие для движения отработавших газов из цилиндров. Создаваемое противодавление заставляет двигатель выполнять большую работы по очистке цилиндров от продуктов сгорания, соответственно тратить на это мощность. Но в сравнении с приростом мощности от применения турбокомпрессора на 30-40%, данные потери незначительны.
Основная проблема применения турбокомпрессора заключается в отставании изменения выходной мощности в ответ на изменение давления отработавших газов, т.н. турбозадержка или турбояма(turbolag). Основными причинами турбоямы являются инерционность, силы трения и нагрузки турбокомпрессора.
Турбокомпрессор состоит из трех основных элементов: турбины, центробежного компрессора и центрального корпуса. Турбина преобразует кинетическую энергию отработавших газов во вращательное движение компрессора. Она объединяет турбинное колесо, помещенное в корпус специальной формы – улитку.
Отработавшие газы поступают в корпус, двигаются по его каналу и направляются на лопатки турбинного колеса. Колесо раскручивается до высокой скорости (до 250000 об/мин). Колесо приварено к валу, который передает вращение на колесо компрессора. Проходя через лопасти турбинного колеса, отработавшие газы покидают турбину через центральное отверстие и отводятся в выпускную систему.
Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому ее элементы изготавливаются из жаропрочных материалов: турбинное колесо — из железоникелевого сплава, корпус – из стали.
Производительность турбокомпрессора во многом определяется размером и формой турбины. В общем виде, чем больше турбина, тем выше производительность компрессора. Большой турбокомпрессор воспринимает большее давление отработавших газов и соответственно обеспечивает больший прирост мощности. Но при низких оборотах двигателя в нем наиболее остро наблюдается турбозадержка. Маленький турбокомпрессор раскручивается до номинальной скорости значительно быстрее, но имеет меньшую производительность.
Для регулирования давления наддува в корпусе турбины устанавливается перепускной клапан (wastegate). Клапан имеет пневматический привод и регулируется системой управления двигателем.
Центральный корпус служит для размещения вала, позволяя ему вращаться с максимальной скоростью и минимальным трением. Вал вращается в одном или двух подшипниках. В качестве подшипников используются различные конструкции подшипников скольжения, реже – шарикоподшипники.
Смазка подшипников и вала производится системой смазки двигателя. Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и охлаждает нагретые детали. В турбированных двигателях с искровым зажиганием центральный корпус включен в систему охлаждения двигателя, чем достигается лучшее охлаждение.
Центробежный компрессор непосредственно создает дополнительное давление во впускной системе. Конструкция его аналогична соответствующему механическому нагнетателю и включает корпус с компрессорным колесом. Движение воздуха в компрессоре осуществляется от центра колеса к периферии корпуса. Диффузор преобразует кинетическую энергию воздуха в давление за счет резкого снижения скорости потока. Сжатый воздух поступает через впускной коллектор в двигатель. Компрессорное колесо и корпус компрессора изготавливаются из алюминия.
Для снижения последствий турбозадержки, повышения производительности конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются:
- снижение массы турбины за счет применения более легких и прочных материалов (керамика и др.);
- применение новых конструкций подшипников, обеспечивающих снижение потерь на трение;
- раздельный турбокомпрессор (twin-scroll);
- турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина).
Раздельный турбокомпрессор имеет два входа для отработавших газов и два сопла, рассчитанных на каждую пару цилиндров. Одно сопло предназначено для быстрого реагирования. Другое сопло обеспечивает максимальную производительность. Помимо высокой производительности конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой разделяет выпускные каналы, предотвращая их перекрытие при выпуске отработавших газов.
Турбина с изменяемой геометрией (другое наименование – турбина с переменным соплом) широко используется в дизельных двигателях, например в двигателе TDI от Volkswagen. В турбокомпрессоре установлено девять подвижных лопастей для регулирования потока отработавших газов к турбине. Угол наклона лопастей регулируется приводом, который блокирует или увеличивает поток отработавших газов. Изменение положения лопастей позволяет согласовать скорость отработавших газов и давление нагнетаемого воздуха с оборотами двигателя.
В ряде конструкций турбонаддува используется несколько турбокомпрессоров: два (twin-turbo), три (triple-turbo) и даже четыре (quad-turbo). Турбокомпрессоры устанавливаются последовательно, при этом один работает при низких оборотах двигателя, другой – при высоких оборотах. На V-образных двигателях практикуется параллельная схема установки турбокомпрессоров (на каждый ряд по компрессору). Резон данной схемы – два небольших турбокомпрессора эффективнее одного большого.