3.1. Турбокомпрессоры для дизельных двигателей
3.1.1. Регулировка давления наддува
От числа оборотов зависит мощность дизельного двигателя, максимальное число которых приблизительно равно 5000 об/мин. Поднять ее можно только увеличив рабочий объем двигателя или степень сжатия.
Автомобили оснащают как можно меньшим двигателем, но в тоже время, чтобы он обеспечивал требуемую мощность.
Дизельные двигатели работает в широком диапазоне числе оборотов. Соответствие мощности турбины и нерегулируемого компрессора турбокомпрессора означает соответствие которое нагнетает турбокомпрессор давлению энергии отработавших газов. При увеличении мощности двигателя двигателя (например, увеличивая подачу топлива), мы увеличиваем как количество отработанных газов, и в то же время увеличиваем давление наддува. Недостаток этой конструкции состоит в том, что создается очень большое давление на максимальных оборотах. Для того чтобы избежать повреждения двигателя, необходимо ограничить давление.
Это достигается следующим образом. Давление наддува в компрессоре воздействует на мембрану, эта мембрана прижимается пружиной. Преодоление силы сжатия пружины, открывает регулировочный клапан, что уменьшает поток отработанных газов через турбину и уменьшает давление наддува до определенного предела, что не дает двигателю выйти из строя.
В турбокомпрессорах для дизельных двигателей этот клапан встраивается в корпус турбины. Это делают для того чтобы достигнуть компактность конструкции и точности работы.
В верхней части стержень клапана полый. Эта полость заканчивается на середине стержня боковым отверстием.
Давление во впускном трубопроводе над мембраной выше чем давление в корпусе.Поэтому более холодный воздух из компрессора циркулирует по полости расположенной в стержне турбины и по вентиляционному воздуховоду к корпусу турбины.
Крышка мембраны зажимается на корпусе клапана таким образом, что никакая регулировка усилия пружины невозможна. В том случае если клапан не работает, или работает не так как надо, корпус турбины вместе с клапаном необходимо заменить полностью.
Этот клапан иногда встраивают в выхлопную трубу.
Для того чтобы уменьшить передачу тепла, устанавливают множество теплоизоляционных элементов. Так же корпус клапана имеет ребра охлаждения, они поглощают тепло и рассеивают его.
Давление наддува также регулируется со стороны компрессора. При определенном давлении регулировочный клапан открывается и выпускает часть воздуха. У этой системы есть два недостатка. Первый - это то, что воздух который выходит имеет повышенную температуру, что снижает термодинамические преимущества турбокомпрессора. Второй заключается в том, что если давление регулируется только компрессором, требуется турбина большого размера, чтобы постоянно обеспечивать нужную производительность компрессора. Это повышает время реакции на увеличение подачи топлива, потому что турбокомпрессор начинает срабатывать с запаздыванием.
На практике клапан у компрессора используется совместно с регулятором давления наддува, как дополнительная защита от повышения давления .
3.1.2. Корпус оси
Уменьшая размеры турбины и компрессора уменьшают и общую величину современных турбокомпрессоров. При этом турбина располагается все ближе к компрессору.
Это вызывает Передачу тепла от турбины к компрессору по оси и корпусу оси, что отрицательно влияет на надежность и долговечность корпуса, и снижается теплоотдача турбокомпрессора.
Конструкторы искали новые возможности воспрепятствования передаче тепла, и при изготовлении корпуса оси стали встраивать больше термокомпенсационных элементов, увеличили количество масла, которое содержится в корпусе.
3.2. турбокомпрессоры для бензиновых двигателей
Принцип работы турбокомпрессоров для бензиновых автомобильных двигателей является таким же, что и для вышерассмотренных, дизельных двигателей. Поэтому данный раздел мы будем рассматривать как продолжение предыдущих описаний турбокомпрессоров.
При установке турбокомпрессора на бензиновый двигатель возникают специфические требования.
3.2.1. Герметичность маслогазовых каналов турбокомпрессора
в случае установки турбокомпрессора на бензиновый двигатель предотвращение утечек масла со стороны компрессора намного сложнее, чем в случае с дизельным двигателем, особенно в случае когда дроссельная заслонка установлена перед турбокомпрессором. Тогда в компрессоре образуется сильное разрежение и масло засасывается в корпус. Для того чтобы избежать этого фирма Garret, например, разработала уплотнительное кольцо из карбона, которое применяется на некоторых автомобильных турбокомпрессорах. Это кольцо обеспечивает герметизацию прижимаясь к обратной стороне крыльчатки компрессора. Но из-за этого, часть механической энергии турбокомпрессора теряется. Такую конструкцию используют только если это действительно необходимо.
Кольцо со стороны компрессора, которое обеспечивает высокую герметичность необходимо и в том случае, если топливно-воздушная смесь образуется перед входом турбокомпрессора. Герметичность предотвращает попадание смеси через корпус оси в картер двигателя, что вызвало бы пожар или повреждение двигателя.
Если же высокая герметичность не требуется, тогда используют такую же систему уплотнений, что и в компрессоре для дизельного двигателя.
Температура отработанных газов бензинового двигателя более высокая, чем в случае дизельного двигателя, поэтому необходимы дополнительные теплоизоляционные меры.
3.2.2. Качество материалов турбины
Корпус турбины, так же как и ее ротор, изготавливается из материалов с высокой термостойкостью.
Некоторые типы роторов турбин турбокомпрессоров для бензиновых двигателей по своей форме идентичны предназначенным для небольших дизельных двигателей. Чтобы избежать возможных ошибок при идентификации, производители вводят разные отличительные признаки.
3.2.3. Регулировочный клапан
Повышенная температура в турбине для бензинового двигателя также учитывается при разработке регулировочного клапана.
В случае бензинового двигателя теплоотдача от клапана к мембране исполнительного механизма велика настолько что мембрана повреждается. Это происходит в том случае если устанавливать клапан непосредственно на корпус турбины
Эта проблема решается 2-мя способами. Первый - отодвигаем клапан от турбины. Это решение использует фирма ККК, вдобавок это решение позволяет сделать регулировку более точной. Это наиболее дорогой вариант, его используют на автомобилях высшего класса. Второе решение - это конструкция в которой не используются регулировочные клапаны. Клапан заменяется заслонкой, которую размещают в системе выпуска, она приводится в действие соединенной с компрессором мембраной. Управление осуществляется через тяги, которые является препятствием для передачи тепла к мембране, что исключает ее повреждение. Недостаток этой системы в том, что между отдельными элементами может существовать люфт и при регулировке клапан будет работать с некоторым допуском.Чаще всего используется второе решение, из-за дешевизны и компактности.
3.2.4. Охлаждаемый корпус оси
Корпус оси менялся очень много раз. Был увеличен объем предназначенный для масла в корпусе оси и встроены температурные элементы между турбиной и компрессором.
Затем увеличили массу металла и добавили наружные охлаждающие ребра.
Но не смотря на это опасность переноса тепла к корпусу оси оставалась довольно высокой, в частности при работе на больших оборотах.
После остановки двигателя прекращалась циркуляция масла, и соответственно прекращался отвод тепла. Оставшееся масло в корпусе оси закоксовывается что повреждает корпус. Для решения этой проблемы, были разработаны корпусы, которые охлаждаются и маслом, и водой.
Система водного охлаждения корпуса оси соединена с системой охлаждения двигателя. Так как она имеет замкнутый тип, после остановки двигателя корпус все равно содержит охлаждающую жидкость. Кроме того, для кратковременного продолжения циркуляции жидкости после остановки двигателя дополнительно встраивают небольшой насос. Таким образом отводят, излишек тепла после остановки двигателя .