Как работи турбокомпресора

Как работи турбокомпресора

Tук няма такова нещо като перфектно изобретение: винаги можем да направим нещо по-добро, по-евтино, по-ефективно или по- екологично. Вземете двигателя с вътрешно горене. Може да мислите, че е забележително, че машина, задвижвана от течност, може да ви хвърли по магистралата или да ви ускори през небето много пъти по-бързо, отколкото в противен случай бихте могли да пътувате. Но винаги е възможно да се изгради двигател, който ще върви по-бързо, по-нататък или ще използва по-малко гориво. Как работи турбокомпресора. Един от начините за подобряване на двигателя е използването на турбокомпресор – двойка вентилатори, които влагат отработената енергия от задната част на двигателя, за да накарат повече въздух в предната част, доставяйки повече „мощност“, отколкото бихте получили иначе. Всички сме чували за турбо, но как точно работят? Нека разгледаме по-отблизо!

Изпускателна система

Случвало ли ви се е да гледате коли да бръмчат покрай вас със сажди, изпускащи се от изпускателната им тръба? Очевидно е, че изгорелите газове причиняват замърсяване на въздуха, но е много по-малко очевидно, че те губят енергия едновременно. Изпускателната система е смес от горещи газове, които се изпомпват със скорост и цялата енергия, която съдържа – топлината и движението (кинетична енергия) – изчезва безполезно в атмосферата. Не би ли било спретнато, ако двигателят може да използва тази загубена мощност по някакъв начин, за да кара автомобила по-бърз? Точно това прави един турбокомпресор. Автомобилните двигатели правят мощност, като изгарят гориво в здрави метални кутии, наречени цилиндри. Въздухът навлиза във всеки цилиндър, смесва се с гориво и изгаря, за да направи малка експлозия, която изтласква буталото навън, обръщайки валовете и зъбните колела, които въртят колелата на колата. Когато буталото се натисне обратно, той изпомпва отработения въздух и горивната смес от цилиндъра като изгорели газове.

Мощност на турбокомпресор

Количеството мощност, което една кола може да произведе, е пряко свързано с това колко бързо гори гориво. Колкото повече цилиндри имате и колкото по-големи са те, толкова повече гориво колата може да изгори всяка секунда и (поне теоретично) толкова по-бързо може да измине. Един от начините да карате автомобила да върви по-бързо е да добавите още цилиндри. Ето защо супер бързите спортни автомобили обикновено имат осем и дванадесет цилиндъра вместо четирите или шест цилиндъра в конвенционален семеен автомобил. Друг вариант е да използвате турбокомпресор, който принуждава повече въздух в цилиндрите всяка секунда, за да могат да изгарят гориво с по-бърза скорост. Турбокомпресорът е прост, сравнително евтин, допълнителен бит комплект, който може да получи повече мощност от същия двигател! Ако знаете как работи реактивен двигател, вие сте на половината път да разберете турбокомпресора на автомобила.

Работно състояние на турбокомпресор

Реактивен двигател засмуква студен въздух отпред, изтласква го в камера, където гори с гориво, и след това издухва горещ въздух отзад. Докато горещият въздух си тръгва, той реве покрай турбина (малко като много компактна метална вятърна мелница), която задвижва компресора(въздушна помпа) в предната част на двигателя. Това е битът, който изтласква въздуха в двигателя, за да гори горивото правилно. Турбокомпресорът на автомобил прилага много подобен принцип при буталния двигател. Той използва отработените газове за задвижване на турбина. Това завърта въздушен компресор, който изтласква допълнителен въздух (и кислород) в цилиндрите, което им позволява да изгарят повече гориво всяка секунда. Ето защо автомобилът с турбокомпресор може да произвежда повече мощност което е друг начин да се каже повече енергия в секунда.

Захранване на турбокомпресор

А компресор(или „механично задвижван свръхкомпресор“, за да му се даде пълното име) е много подобен на турбокомпресор, но вместо да се задвижва от отработените газове с помощта на турбина, той се захранва от въртящия се колянов вал на колата. Това обикновено е недостатък: когато турбокомпресорът се захранва с отпадъчна енергия в изгорелите газове, суперзаряда всъщност открадва енергия от собствения източник на енергия на колата (коляновия вал), което по принцип не е полезно. Как действа турбокомпресорът на практика? Турбокомпресорът е ефективно два малки въздушни вентилатора (наричани още работни колела или газови помпи), разположени на една и съща метална шахта, така че и двете да се въртят заедно. Един от тези вентилатори, наречен турбина, седи в изпускателния поток от цилиндрите. Докато цилиндрите издуват горещ газ покрай лопатките на вентилатора, те се въртят и валът, към който са свързани.

Вал на турбокомпресора

Вторият вентилатор се нарича компресор и тъй като седи на същия вал като турбината, той също се върти. Той е монтиран във вътрешността на въздуха на автомобила, така че докато се върти, той вкарва въздух в колата и го принуждава в цилиндрите. Как работи турбокомпресора. Сега тук има лек проблем. Ако компресирате газ, го правите по-горещ. По-горещият въздух е по-малко плътен затова топлият въздух се издига над радиаторите и по-малко ефективен за подпомагане на горивото при изгарянето, така че би било много по-добре, ако въздухът, идващ от компресора, се охлажда, преди да влезе в цилиндрите. За да се охлади, изходът от компресора преминава през топлообменник, който премахва допълнителната топлина и го каналира другаде. Основната идея е, че ауспухът задвижва турбината, която е пряко свързана с компресора, който вкарва въздух в двигателя.

Работа на турбокомпресора

Студеният въздух навлиза във въздуха на двигателя и се насочва към компресора. Вентилаторът на компресора помага за всмукване на въздух. Компресорът изстисква и загрява входящия въздух и отново го издухва. Горещият, сгъстен въздух от компресора преминава през топлообменника, който го охлажда. Охладеният сгъстен въздух навлиза във въздуха на цилиндъра. Излишният кислород помага за изгарянето на горивото в цилиндъра с по-бърза скорост. Тъй като цилиндърът изгаря повече гориво, той произвежда енергия по-бързо и може да изпрати повече мощност към колелата чрез буталото, валовете и предавките. Отпадъчният газ от цилиндъра излиза през изпускателния отвор. Горещите изгорели газове, които се издуват покрай вентилатора на турбината, го карат да се върти с висока скорост. Въртящата се турбина е монтирана на същия вал като компресора (показан тук като бледо оранжева линия). И така, докато турбината се върти, компресорът се върти също.

Откъде идва допълнителната мощност?

Изгорелите газове напускат колата, като губят по-малко енергия, отколкото иначе. На практика компонентите могат да бъдат свързани нещо подобно. Турбината поема отработения въздух чрез всмукването си, задвижвайки компресора, който поема чист външен въздух и го изпомпва в двигателя. Този конкретен дизайн се отличава с електрическа охлаждаща система между турбината и компресора. Турбокомпресорите дават на автомобила по-голяма мощност, но тази допълнителна мощност не идва директно от отработените отработени газове – и това понякога обърква хората. С турбокомпресор използваме част от енергията в ауспуха, за да задвижваме компресора, което позволява на двигателя да гори повече гориво всяка секунда. Това допълнително гориво е откъде идва допълнителната мощност на колата. Всичко, което прави отработените газове, захранва турбокомпресора и тъй като турбокомпресорът не е свързан с коляновия вал или колелата на колата, това не добавя директно към мощността на автомобила по никакъв начин.

Колко допълнителна мощност можете да получите?

Това просто позволява на един и същ двигател да гори гориво с по-бързи темпове, така че го прави по-мощен. Ако един турбокомпресор дава на двигателя повече мощност, по-големият, по-добър турбокомпресор ще му даде още повече мощност. На теория бихте могли да продължите да подобрявате своя турбокомпресор, за да направите двигателя си все по-мощен, но в крайна сметка ще постигнете ограничение. Цилиндрите са само толкова големи и има само толкова много гориво, че могат да изгорят. Има само толкова въздух, който можете да вкарате в тях чрез вход с определен размер и само толкова изгорели газове, които можете да изхвърлите, което ограничава енергията, която можете да използвате за задвижване на вашия турбокомпресор. С други думи, съществуват и други ограничаващи фактори, които трябва да вземете предвид; не можеш просто да зареждаш с турбо своя път към безкрайността!

Предимства и недостатъци на турбокомпресора

Можете да използвате турбокомпресори с бензинови или дизелови двигатели и на повече или по-малко всякакъв вид превозно средство кола, камион, кораб или автобус. Основното предимство на използването на турбокомпресор е, че получавате повече мощност за един и същ размер на двигателя всеки един ход на буталото, във всеки един цилиндър, генерира повече мощност, отколкото в противен случай. Въпреки това, повече мощност означава повече енергия в секунда и законът за запазване на енергиятани казва, че означава, че трябва да влагате и повече енергия, така че трябва да изгорите съответно повече гориво. На теория това означава, че двигателят с турбокомпресор не е по-икономичен от този без. На практика обаче двигател, снабден с турбокомпресор, е много по-малък и по-лек от двигател, произвеждащ същата мощност без турбокомпресор, така че автомобилът с турбокомпресор може да даде по-добра икономия на гориво в това отношение.

Как работи турбокомпресора

Производителите често могат да се разминат с монтирането на много по-малък двигател към същата кола като турбо V6 вместо V8 или турбо четирицилиндров двигател вместо V6. И именно там автомобилите с турбокомпресор получават своето предимство: работят добре, могат да спестят до 10 процента от горивото ви. Тъй като изгарят гориво с повече кислород, те са склонни да го изгарят по-пълно и чисто, произвеждайки по-малкозамърсяване на въздуха. Повече мощност за същия размер на двигателя звучи прекрасно, така че защо всички двигатели не са с турбо? Една от причините е, че ползите за икономия на гориво, обещани от ранните турбокомпресори, не винаги се оказват толкова впечатляващи, колкото производителите обичаха да твърдят.

Кой е изобретил турбокомпресора?

На кого благодарим за турбокомпресорите? Алфред Дж. Бючи (1879–1959), автомобилен инженер, нает от компанията за двигатели на Gebrüder Sulzer от Winterthur, Швейцария. Подобно на турбокомпресора, който съм илюстрирал по-горе, оригиналният му дизайн използва задвижван турбинен вал за задвижване на компресор, който принуждава повече въздух в цилиндрите на двигателя. Първоначално той разработва турбокомпресора в годините преди Първата световна война и го патентова в Германия през 1905 г., но продължава да работи върху подобрени дизайни до смъртта си четири десетилетия по-късно. Няколко години по-рано сър Дюгалд Кларк (1854-1932), шотландски изобретател на двутактовия двигател, експериментира с разделяне на етапите на компресия и разширяване на вътрешното горене, използвайки два отделни цилиндъра. Това работеше малко като презареждане, увеличавайки както въздушния поток в цилиндъра, така и количеството гориво, което може да се изгори. Други инженери, също експериментираха успешно със системи за зареждане.