Турбина с изменяемой геометрией
Система наддува с применением турбины с изменяемой геометрией крыльчатки придумана как вариант борьбы с турбоямой или турболагом. Турбояма или турболаг - важнейшее конструктивное препятствие, лишающее двигатели с турбонаддувом возможности плавно наращивать отдачу мощности на всех оборотах - начиная с самых низких.
Что такое турбояма и чем она вредна
Выпускные газы могут раскрутить крыльчатки турбины до скорости 150 000 - 210 000 об/мин. Если не учитывать геометрические особенности конструкции турбины, то можно вывести простую взаимосвязь: чем больше отработанных газов попадают в турбину, тем выше ее скорость вращения и тем больше свежего воздуха она нагнетает. Именно здесь классическую турбину подстерегает неприятность. Дело в том, что мы ожидаем от турбодвигателя ускорения в любой момент. Представьте себе, что автомобиль двигается с небольшой скоростью, а двигатель работает в нижнем диапазоне частоты вращения. В таком экономном режиме двигатель вырабатывает малое количество отработанных газов и, следовательно, скорость вращения турбины низкая. Тут водитель решает обогнать автобус, резко нажимает на педаль акселератора и ... ничего не происходит. Ожидаемого ускорения нет. Причиной является врожденная задержка турбины, называемая в народе «турбоямой»: сразу же после команды водителя скорость вращения турбины низкая, а двигатель сначала увеличивает впрыск, потом это топливо сгорает и только потом поступает к турбине в виде отработанных газов. Постепенно скорость турбины увеличивается, она нагнетает больше воздуха и вот оно долгожданное ускорение - можно обгонять, но тут на «встречке» вырисовывается другой автомобиль и маневр приходится откладывать. Неприятно. Решение пришло в виде турбины с изменяемой геометрией. Ее отличие от классической конструкции - наличие специальных направляющих лепестков в канале, через который на крыльчатку подводятся отработанные газы. Принцип работы умиляет своей простотой.
Упрощенно конструкцию классического турбонагнетателя можно представить в виде двух крыльчаток, соединенных вместе одной осью. Находятся эти крыльчатки в отдельных герметично разделенных камерах. На одну из крыльчаток подводятся выпускные газы работающего двигателя и заставляют ее вращаться. Это вращение передается через совместную ось на вторую крыльчатку, соединенную с подводом атмосферного воздуха. Захваченный крыльчаткой свежий воздух направляется к цилиндрам двигателя для сгорания. Турбина увеличивает мощность двигателя Дело в том, что мощность дизельного двигателя увеличивается за счет подачи большего количества топлива. Но в этом случае мы очень быстро столкнемся с проблемой: увеличив порцию топлива в очередной раз, мы определим, что все оно не сгорает - для его горения не хватает кислорода. Помните школьные уроки, на которых нам утверждали, что горение - это химическая реакция? Это правда. Окисление происходит с помощью кислорода и, если его мало, то нам не удастся сжечь (= окислить) все топливо. В этом случае достигается предел мощности. Осознав задачу, инженеры разработали турбокомпрессор, который нагнетает дополнительный воздух в камеры сгорания. Есть дополнительный воздух, значит можно увеличить порцию впрыскиваемого топлива и увеличить мощность двигателя.
Принцип работы турбины с изменяемой геометрией
Изменение сечения между направляющими лепестками изменяет скорость движения отработанных газов. Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией состоит в изменении сечения на входе колеса турбины с целью оптимизировать мощность турбины для заданной нагрузки. При низких оборотах двигателя и поток отработанных газов является небольшим и он раскручивает турбину недостаточно сильно для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки смещаются и уменьшают расстояние между собой. Несмотря на то, что объем отработанных газов не увеличился, ему теперь приходиться «протискиваться» через узкий коридор, что заставляет отработанные газы двигаться быстрее. В результате обороты турбины возрастают и увеличивается давление наддува. Таким образом, удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.
