Турбокомпресор с фиксирана и променлива геометрия - каква е разликата?

Често, когато се описват двигатели, се използва терминът "променлива геометрия на турбокомпресора". С какво се различава от константата и какви са нейните предимства и недостатъци?

Турбокомпресорът е устройство, което се използва широко в дизеловите двигатели от 80-те години на миналия век, като увеличава въртящия момент и мощността и влияе положително на разхода на гориво. Благодарение на турбокомпресора дизелите вече не се възприемат като мръсни работни машини. При бензиновите двигатели те започват да имат същата задача и се появяват по-често през 90-те години, с времето набират популярност, а след 2010 г. стават толкова разпространени при бензиновите двигатели, колкото през 80-те и 90-те години при дизелите.

Как работи турбокомпресорът?

Турбокомпресорът се състои от турбина и компресор монтирани на общ вал и в един корпус, разделен на две почти двойни страни. Турбината се задвижва от изгорелите газове от изпускателния колектор, а компресорът, който се върти на един ротор с турбината и се задвижва от нея, създава въздушно налягане, т.нар. попълване. След това влиза във всмукателния колектор и горивните камери. Колкото по-високо е налягането на отработените газове (по-високи обороти на двигателя), толкова по-високо е налягането на компресията.  

Основният проблем при турбокомпресорите се крие именно в този факт, тъй като без подходящата скорост на изгорелите газове няма да има подходящо компресионно налягане за въздуха, влизащ в двигателя. Суперзареждането изисква определено количество изгорели газове от двигател при определена скорост - без подходящо натоварване на отработените газове няма подходящо усилване, така че двигателите с компресор при ниски обороти са изключително слаби.

За да се сведе до минимум това нежелано явление, трябва да се използва турбокомпресор с правилните размери за дадения двигател. По-малкият (ротор с по-малък диаметър) се „върти“ по-бързо, защото създава по-малко съпротивление (по-малко инерция), но дава по-малко въздух и следователно няма да генерира много тласък, т.е. мощност. Колкото по-голяма е турбината, толкова по-ефективна е тя, но изисква повече натоварване с отработени газове и повече време за „завъртане“. Това време се нарича турбо лаг или лаг. Затова има смисъл да се използва малък турбокомпресор за малък двигател (до около 2 литра) и голям за по-голям двигател. По-големите обаче все още имат проблем със забавянето, така че Големите двигатели обикновено използват би-турбо и двойно-турбо системи.

Бензин с директно впръскване - защо турбо?

Променлива геометрия - решението на проблема с турбо забавянето

Най-ефективният начин за намаляване на турбо забавянето е използването на турбина с променлива геометрия. Подвижните лопатки, наречени лопатки, променят позицията си (ъгъл на наклон) и по този начин придават променлива форма на потока от отработени газове, който удря непроменящите се лопатки на турбината. В зависимост от налягането на изгорелите газове лопатките се настройват под по-голям или по-малък ъгъл, което ускорява въртенето на ротора дори при по-ниско налягане на изгорелите газове, а при по-високо налягане на изгорелите газове турбокомпресорът работи като конвенционален без вариатор геометрия. Кормилата са монтирани с пневматично или електронно задвижване. Променливата геометрия на турбината първоначално се използва почти изключително в дизеловите двигатели., но сега все повече се използва и от бензина.

Ефектът от променливата геометрия е повече плавно ускорение от ниски обороти и липса на забележим момент на „включване на турбото“. По правило дизеловите двигатели с постоянна геометрия на турбината ускоряват до около 2000 об/мин много по-бързо. Ако турбото е с променлива геометрия, те могат да ускоряват плавно и ясно от около 1700-1800 оборота.

Променливата геометрия на турбокомпресора изглежда има някои плюсове, но това не винаги е така. Над всички експлоатационният живот на такива турбини е по-нисък. Въглеродните отлагания по воланите могат да ги блокират, така че двигателят във високия или ниския диапазон да няма своята мощност. Още по-лошо, турбокомпресорите с променлива геометрия са по-трудни за регенериране, което е по-скъпо. Понякога пълната регенерация дори не е възможна.