Как работает турбокомпрессор.

Турбокомпрессоры часто применяются в дизельных автомобилях. Турбина может существенно увеличить мощность автомобиля, без особого увеличения веса, этот факт делает её очень популярной. Давайте вкратце рассмотрим как это происходит.
В процессе горения участвует кислород,  а турбокомпрессор позволяет сжимать воздух,  поступающий в цилиндр. Таким образом, становится возможно больше воздуха поместить в цилиндр, а больший объём воздуха позволит большему количеству топлива сгореть. Теоретически, теперь каждый цилиндр может отдать больше мощности при сгорании топлива и увеличить соотношение мощность-вес двигателя.
Турбокомпрессор, используя энергию отработавших газов, раскручивает турбину, которая раскручивает воздушный насос. Скорость вращения турбины достигает 150 000 оборотов в минуту,  что примерно в 30 раз превышает скорость вращения двигателя автомобиля.

Работа двигателя с турбокомпрессором .
Самый простой способ увеличить мощность двигателя, это увеличить количество воздуха и топлива, поступающего в двигатель. Один из способов это добавление цилиндров, или увеличение их объёма. Иногда, внести такие изменения нет возможности и проще установить турбину.
Турбокомпрессор позволяет двигателю сжигать больше топлива,  «упаковывая» больше воздуха в уже имеющийся цилиндр. Типичное значение увеличения давления составляет от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм. При нормальном атмосферном давлении 14,7 фунта на квадратный дюйм, несложно подсчитать, что мы получаем прирост воздуха,  поступающего в двигатель, более 50%.
Теоретически мы ожидаем получить прирост мощности около 50%. В реальной жизни можно получить от 30 до 40%. Одной из причин такого несовпадения является то, что для раскрутки турбины требуется энергия.
 
Устройство турбокомпрессора.
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя. Выхлопные газы раскручивают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель.
Турбина соединена валом с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор — это тип центробежного насоса, который втягивает воздух своими лопастями и толкает его наружу. Он увеличивает давление воздуха, поступающего в цилиндр. Выхлопные газы проходят через лопасти турбины, заставляя её вращаться, и чем больше выхлопных газов проходит через лопасти, тем больше скорость вращения.
Для вращения со скоростью 150 000 об/м вал должен хорошо поддерживаться.
Большинство подшипников просто не выдержат таких скоростей и разрушатся, поэтому используются гидравлические подшипники. Это тип подшипника в котором непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости. Таким образом, решается два вопроса:  первый — это охлаждение вала и остальных частей турбогенератора, второй — это уменьшение трения между валом и другими частями.

Основные части турбокомпрессора.
Одна из проблем связанная, с турбокомпрессором состоит в том, что он не обеспечивает мгновенное увеличение мощности при нажатии на педаль газа. Один из способов уменьшить это отставание — это уменьшить инерцию вращающихся частей,  в основном за счёт уменьшения их массы и размера. Это позволит турбине и компрессору быстрее ускоряться. Меньший турбокомпрессор будет обладать лучшей приёмистостью на низких оборотах двигателя, но не будет в состоянии дать значительный прирост на высоких оборотах. Также существует опасность разрушения турбины и компрессора на слишком больших оборотах.

Большинство автомобильных турбокомпрессоров оснащены перепускными клапанами (wastegate),  который позволяет использовать турбокомпрессор меньшего размера, сокращая задержку и предотвращая слишком быстрое вращение на высоких оборотах. Wastegate — это клапан, который позволяет выхлопным газам обходить турбину,  он чувствителен к давлению наддува. Если давление становится слишком высоким, это показатель того, что турбина вращается слишком быстро, таким образом, перепускной клапан создаёт путь для обхода выпускными газами, лопастей турбины.
Некоторые турбокомпрессоры используют шариковые подшипники для поддержки вала турбины. Но это необычные шариковые подшипники, это высоко прецизионные шариковые подшипники, сделанные из улучшенных материалов, способные справиться с высокой скоростью и температурой. Они позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем гидродинамические подшипники, применяемые в большинстве турбокомпрессоров.
Они также позволяют слегка уменьшить и облегчить используемый вал,  что позволяет турбине быстрее ускоряться,  ещё больше уменьшая отставание.
Керамические лопасти турбины легче чем металлические,  применяющиеся в большинстве турбокомпрессоров,  они тоже способствуют более быстрому ускорению и уменьшению задержки.
 
В некоторых двигателях применяют два турбокомпрессора разных размеров. Меньший раскручивается очень быстро, тем самым уменьшая отставание,  а больший схватывает на более высоких оборотах, чтобы обеспечить больший прирост мощности.
При сжатии давление воздуха увеличивается,  а температура повышается. Чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить количество молекул воздуха в цилиндре, необязательно повышая давление. Интеркулер — это система для охлаждения нагнетаемого воздуха, является дополнительным компонентом,  который выглядит как радиатор. Входящий воздух движется через герметичные проходы внутри охладителя, в то время как холодный воздух, нагнетаемый лопастями вентилятора, обдувает радиатор. Интеркулер дополнительно увеличивает мощность двигателя, охлаждая нагнетаемый турбиной воздух, прежде чем он попадёт в двигатель.
Турбокомпрессор помогает двигателю работать на высоте, где воздух менее плотный. Обычные двигатели будут иметь пониженную мощность на больших высотах, потому что в двигатель на каждом такте будет поступать меньше кислорода.
На старых авто с карбюратором, автоматически увеличивается подача топлива при увеличении воздуха,  поступающего в цилиндры. В современных инжекторных двигателях то же есть такой механизм, он основан на анализе выхлопных газов с помощью датчиков кислорода, так же известных как лямбда-зонд.
Если турбокомпрессор поставить на инжекторную машину, система топливоподачи может не обеспечить достаточное количество топлива. Причин может быть две: либо программное обеспечение не позволит сделать это, либо топливный насос.
 
А вы знаете что...
средняя температура возле турбинного колеса: в дизельных двигателях 800 градусов Цельсия, а в бензиновых 1000 градусов! Такой температуры хватит чтобы расплавить стекло!
ротор турбокомпрессорного двигателя нового поколения может вращаться со скоростью до 220000 об./мин. Для примера ротор реактивного двигателя самолёта Боинг 747 крутится со скоростью 7000 об./мин.
Турбокомпрессор раскручивается с 20000 до 150000 менее чем за 1 сек.