Турбонаддув — один из методов агрегатного наддува, основанный на использовании энергии отработавших газов. Основной элемент системы —турбокомпрессор, иногда — турбонагнетатель с механическим приводом.

Принцип работы основан на использовании энергии отработавших газов. Поток выхлопных газов попадает на крыльчатку турбины (закреплённой на валу), тем самым раскручивая её и находящиеся на одном валу с нею лопасти компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя. Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разрежения, создаваемого поршнем (это разрежение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большее количество смеси воздуха с топливом. Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ занимает больший объём и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень.

Как правило, у турбодвигателей меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт·ч)), и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя — кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя.

Вследствие увеличения массы воздуха, сжимаемой в цилиндрах, температура в конце такта сжатия заметно увеличивается и возникает вероятность детонации. Поэтому, конструкцией турбодвигателей предусмотрена пониженная степень сжатия, применяются высокооктановые марки топлива, а также в системе предусмотрен промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер), представляющий собой радиатор для охлаждения воздуха. Уменьшение температуры воздуха требуется также и для того, чтобы плотность его не снижалась вследствие нагрева от сжатия после турбины, иначе эффективность всей системы значительно упадёт. Особенно эффективен турбонаддув у дизельных двигателей тяжёлых грузовиков. Он повышает мощность и крутящий момент при незначительном увеличении расхода топлива. Находит применение турбонаддув с изменяемой геометрией лопаток турбины, в зависимости от режима работы двигателя.

Наиболее мощные (по отношению к мощности двигателя) турбокомпрессоры применяются на тепловозных двигателях. Например на дизеле Д49 мощностью 4000 л.с. установлен турбокомпрессор мощностью 1100 л.с.

Наибольшей (по абсолютной величине) мощностью обладают турбокомпрессоры судовых двигателей, которая достигает нескольких десятков тысяч киловатт (двигатели MAN B&W).

Кроме турбокомпрессора и интеркулера в систему входят: регулировочный клапан (wastegate) (для поддержания заданного давления в системе и сброса давления в приёмную трубу), перепускной клапан (bypass valve — для отвода наддувочного воздуха обратно во впускные патрубки до турбины в случае закрытия дроссельной заслонки) и/или «стравливающий» клапан (blow-off valve — для сброса наддувочного воздуха в атмосферу с характерным звуком, в случае закрытия дроссельной заслонки, при условии отсутствия датчика массового расхода воздуха), выпускной коллектор, совместимый с турбокомпрессором, а также герметичные патрубки: воздушные для подачи воздуха во впуск, масляные для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Система подачи воздуха двигателя с турбонаддувом:

1 – воздушный фильтр; 2 – воздухоподводящий рукав низкого давления; 3 – клапан ограничения наддува; 4 – турбокомпрессор; 5 – дроссельный узел; 6 – воздухоподводящий рукав охлажденного наддувочного воздуха; 7 – радиатор охлаждения наддувочного воздуха (интеркулер); 8 – воздухоподводящий рукав горячего наддувочного воздуха; 9 – воздухозаборник

Воздух, попадая в воздухозаборник 9 (рис. 2), проходит через воздушный фильтр 1 и по воздухоподводящему рукаву низкого давления 2 попадает в турбокомпрессор 4. В турбокомпрессоре воздух под действием вращающегося колеса компрессора сжимается и, как следствие, нагревается. Из турбокомпрессора нагретый наддувочный воздух, по воздухоподводящему рукаву 8, поступает для охлаждения в радиатор (интеркулер) 7. Охлаждение наддувочного воздуха необходимо по двум причинам: во-первых, горячий воздух может послужить причиной детонации; во-вторых холодный воздух более плотный, поэтому в двигатель поступает большее количество кислорода. В интеркулере воздух охлаждается и по воздухоподводящему рукаву 6 попадает в дроссельный узел 5. В двигателе воздух смешивается с необходимым количеством топлива и, совершив полезную работу, в виде отработавших газов поступает в выпускной коллектор. Попав в выпускной коллектор отработавшие газы встречают на своем пути колесо турбины турбокомпрессора и, вращая его, уходят в систему выпуска. Клапан ограничения наддува 3 служит для стравливания избыточного давления воздуха, создающегося при закрытии дроссельной заслонки. При срабатывании клапана избыток воздуха, прошедшего через турбокомпрессор, попадает обратно в воздухоподводящий рукав низкого давления.

Управление воздухоснабжением позволяет целенаправленно изменять коэффициент избытка воздуха путем согласования подачи воздуха с величиной цикловой подачи топлива в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля. Увеличение давления наддува _k с низкими α дает возможности уменьшать угол опережения впрыскивания с целью снижения эмиссии оксидов азота NOx без заметного снижения экономичности и увеличения выбросов CO и CHx и сажи. Требуемый закон управления давлением наддувочного воздуха может быть реализован с использованием различных способов воздействия на процессы воздухоснабжения (рис. 5.1): регулирование компрессора поворотными лопатками на входе и выходе, дросселирование воздуха после компрессора; выпуск в атмосферу части сжатого воздуха; дросселирование воздуха на входе в компрессор; подвод дополнительной энергии к турбокомпрессору; перепуск части сжатого в компрессоре воздуха в турбину; дросселирование газа на выходе из турбины; регулирование турбины поворотом сопловых лопаток (РСА); регулирование проходного сечения турбины; перепуск части газов мимо турбины; применение дополнительной (форсажной) камеры сгорания перед турбиной; управляемый привод клапанов. Эти способы имеют различную эффективность, надежность и технические трудности при реализации. Наименьшую эффективность имеют способы управления с применением дросселирования воздуха на входе в компрессор и газа на выходе из турбины. Это обусловлено значительными потерями энергии при дросселировании и соответствующим снижением экономических и экологических показателей дизеля. В частности, дросселирование на выходе из турбины приводит к ухудшению очистки цилиндров, снижению α, повышению температур сгорания и увеличению содержания основных токсичных компонентов в выпускных газах.

Системы регулирования воздухоснабжения перепуском части наддувочного воздуха перепуском на вход турбины или выпуском в атмосферу сравнительно просты, но нашли ограниченное применение вследствие потери энергии на сжатие перепускаемого воздуха.

Способ перепуска части выпускных газов мимо турбины оказался наиболее простым в реализации для дизелей с невысоким уровнем наддува (_k =1,5 - 2,0) и позволяет регулировать частоту вращения ротора турбокомпрессора и давление наддува в довольно широких пределах, однако по эффективности он уступает способу регулирования турбины при помощи РСА.

Подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора и установка форсажной камеры сгорания перед турбиной ранее находили применение в основном только в дизелях большой мощности с высоким наддувом , однако в последнее время в автомобилестроении активно разрабатывают системы с электрически поддерживаемыми агрегатами наддува.

Рис. 5.1. Cпособы управления процессом воздухоснабжения: 1 - охлаждение нагнетаемого воздуха Tк ; 2 - дросселирование воздуха за компрессором (К) Dрнаг ; 3 - выпуск в атмосферу части сжатого воздуха bв ; 4 - дросселирование воздуха на входе в компрессор Dрвс ; 5 - подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора l; 6 - перепуск части сжатого воздуха на вход турбины (Т) j; 7 - дросселирование газов на выходе из турбины Dрвх ; 8 - изменение проходного сечения соплового аппарата турбины Fса ; 9 - перепуск части газов мимо турбины bг ; 10 - установка дополнительной КС на входе в турбину Тт ; 11 - изменение фазы выпуска hv