Як працює турбонаддув в машині?
У природі не існує такої речі, як ідеальне винахід: ми завжди можемо зробити щось краще, дешевше, ефективніше і екологічно чистішим. Візьміть двигун внутрішнього згоряння. Ви думаєте, що це неймовірно, що автомобіль, що працює на рідини, може прискорити ваше подорож з пункту А в пункт B в рази. Але завжди існує можливість створити двигун, який буде працювати швидше, на великі відстані, або використовувати менше палива. Одним із способів поліпшити двигун є використання турбонаддува - пари вентиляторів, які направляють вихлопні гази з задньої частини двигуна в його передню частину, тим самим надаючи двигуну більше потужності. Ми всі чули про турбированних двигунах, але як саме це працює? Давайте розглянемо це питання докладніше!
Наддувши. Що це?
Автомобільні двигуни отримують свою потужність від згоряння палива в міцних металевих ємностях, які називаються циліндрами. Повітря надходить в кожен циліндр, змішується там з паливом, і згорає, при цьому відбувається невеликий вибух, який приводить в рух поршень, а той в свою чергу приводить у рух вали і шестерні, які обертають колеса автомобіля. Коли поршень зайняв свою попередню позицію, він виштовхує відходи повітряно-паливної суміші з циліндрів. Це і є вихлопні гази. Кількість енергії, яку може зробити автомобіль, прямо пов'язане з тим, як швидко він спалює паливо. Чим більше циліндрів в двигуні і чим більше вони в обсязі, тим більше палива він може спалити кожну секунду і (принаймні, теоретично) тим швидше зможе їхати автомобіль.
З уроку наведеного вище ми усвідомили, що одним із способів зробити автомобіль набагато швидше, це додати більше циліндрів. Ось чому надшвидкі спортивні автомобілі. як правило, оснащені вісьмома або дванадцятьма циліндрами, а не чотирма шістьма, як стандартні сімейні транспортні засоби. Інший спосіб полягає у використанні турбонаддува, який нагнітає більше повітря в циліндри, щоб двигун міг спалювати паливо з більшою швидкістю. Наддувши є простою, відносно дешевою, додаткової конструкцією, яка допомагає витягти з двигуна більше потужності. Цей винахід увійшло в ТОП 10 поліпшень в конструкції двигуна з часів його створення (про це, а також про багато іншого, більш докладніше тут).
Як працює турбонаддув?
Якщо ви знайомі з принципом роботи реактивного двигуна, то ви на півдорозі до розуміння принципу роботи автомобільного турбонаддува. Реактивний двигун всмоктує холодне повітря спереду, стискає його в камері, де він згоряє з паливом, а потім випускає гаряче повітря із зворотного боку двигуна на великій швидкості. Коли гаряче повітря залишає двигун, він проходить повз турбіни (яка зовні трохи схожа на дуже компактну металеву драбину), що призводить в рух компресор (повітряний насос) в передній частині двигуна. Цей компресор штовхає повітря в двигун, щоб спалити паливо належним чином. Принцип роботи турбонаддува в автомобілі практично точно такий же. Він використовує вихлопні гази для приведення турбіни в дію. Вона обертає повітряний компресор, який нагнітає додатковий повітря в циліндри, щоб спалювати більше палива кожну секунду. Ось чому автомобілі з турбонаддувом володіють більшою потужністю.
Як це працює на практиці? Фактично турбокомпресор - це два невеликих вентилятора (так звані лопатеві колеса або газові насоси), які розміщені на одному металевому валу, так що обидва обертаються в одну сторону. Один з цих вентиляторів, який називається турбіною, розташований на шляху потоків вихлопних газів з циліндрів двигуна. Як тільки циліндри випускають гарячий газ, він обертає лопаті вентилятора, що призводить в рух вал, на якому розміщений вентилятор. Другий вентилятор, який називається компресором, також починає обертатися, так як розташований на одному валу з турбіною. Він встановлений всередині повітрозабірника автомобіля, тому, як тільки він починає обертатися, він засмоктує повітря в машину і нагнітає його в циліндри.
Але на цьому етапі виникає невелика проблема. Якщо ви стискаєте газ, ви підвищуєте його температуру. Гаряче повітря має меншу щільність, а це зменшує його ефективність в допомоги при згорянні палива. Так що, було б набагато краще, якби повітря, що надходить з компресора, охолоджувався до того, як він потрапить в циліндри. Для того, щоб вирішити цю проблему і охолодити повітря, вихід з турбокомпресора проходить через теплообмінник, який забирає зайву температуру собі і направляє її в більш підходящі місця.
Схема роботи турбонаддува з картинкою
Основна ідея полягає в тому, що вихлопні гази надають руху турбіну (червоний вентилятор), який безпосередньо підключений (і живить) до компресора (синій вентилятор), який нагнітає повітря в двигун. Для простоти, ми показуємо тільки один циліндр. Давайте розглянемо весь принцип роботи покроково.
1. Холодне повітря надходить в повітрозабірник двигуна і направляється в компресор.
2. Вентилятор компресора допомагає засмоктувати повітря всередину.
3. Компресор стискає і нагріває вступник повітря і видуває його знову.
4. Гарячий, стиснене повітря з компресора проходить через теплообмінник, який охолоджує його.
5. Охолоджений, стиснене повітря надходить в повітрозабірник циліндра. Додатковий кисень допомагає спалювати паливо в циліндрі з більшою швидкістю.
6. Так як в циліндрі спалюється більше палива, він швидше виробляє енергію і може відправляти більше потужності на колеса через поршні, вали і шестерні.
7. Вихлопні гази з циліндра виходять через випускні труби.
8. Гарячі вихлопні гази проходять повз турбіни і змушують її обертатися з високою швидкістю.
9. Обертова турбіна встановлена на тому ж валу, що і компресор (на нашій картинці вал зображений помаранчевим кольором). Таким чином, якщо обертається турбіна, то і компресор теж.
10. Вихлопні гази виходять з автомобіля, але при цьому витрачатися менше цінної енергії, ніж, якби двигун був без турбонаддува.