Ключ к знанию

Как устроена турбина в двигателе автомобиля


Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

 

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

- Установка турбонаддува
- Увеличение рабочего объёма двигателя
- Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

 

 

 

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

brturbo.ru

Turbo для чайников — DRIVE2

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.

Правильно собранный турбо мотор выдаёт до 900 л/с с литра объёма, при наддуве 5,5 атмосфер. Такие моторы применялись на Формуле-1 во времена турбо-эры с 1977 по 1988 г, с мотора объёмом 1,5 литра снимали от 700 до 1400 л/с (на фото).

Подобные моторы сейчас применяются в драг рейсинге класса "top fuel" в США, с мотора объёмом 8,2 литра снимается 7000 л/с.
От куда же берутся эти лошадиные силы? Ведь обычный мотор внутреннего сгорания имеет около 60 л/с с литра.
Обычный мотор расчитан на езду в городских условиях, с крутящим моментом на низких оборотах. Такая компоновка имеет свои ограничения в максимальной мощности и скорости. Цилиндры двигателя имеют огромный потенциал для увеличения мощности без увеличения объёма двигателя.

На сколько можно повысить мощность двигателя с помощью турбины? При увеличении наддува на 1 атмосферу, мощность увеличивается примерно на 100%. То есть если двигатель имел изначально 100 л/с, то при давлении турбонаддува 3 атмосферы (3 бар), его мощность возрастёт на 300 л/с. Естественно двигатель должен быть подготовлен к такой нагрузке: резко возрастает тепловой режим работы мотора — повышается температура клапанов, поршней, масла, охлаждающей жидкости, выпускной системы. Эти элементы должны быть доработаны к условиям возросшей температуры. Возрастает нагрузка на поршни, шатуны, коленвал, блок двигателя, сцепление, трансмиссию. Эти элементы автомобиля должны быть подобраны в соответствии с возросшей мощностью.

Клапан вестгейт (Wastegate).

Обходной клапан вестгейт служит для защиты подшипника турбины и двигателя от разрушения. Поток выхлопных газов старается раскрутить крыльчатку до бесконечности, тем самым нагнетая всё больше и больше воздуха в двигатель. Соответственно воздух увеличивает количество рабочей смеси, увеличивая поток выхлопных газов. Турбина раскручивается ещё быстрее. Получается замкнутый цикл.
Если этот цикл не остановить, турбина набирает обороты гораздо больше максимальных 100000-150000 об/мин, выдавая большое давление наддува. Если двигатель не расчитан на такое давление, произойдёт детонация, и скорый выход из строя поршней. Так же высокие обороты турбины вызывают помпаж (Surge), это когда воздух уже идёт не в двигатель, а обратно на вход компрессора, с соответствующим звуком.

Обходной клапан бывает двух видов: встроенный и внешний. Встроенный (актуатор) крепится прямо на турбине, и имеет заслонку, которая отводит часть выхлопных газов, при достижении определённого давления, в обход турбины, в глушитель. У него ограниченные возможности, он не может отводить слишком большой поток выхлопных газов.
Внешний клапан выполняет те же функции, но крепится на выпускном коллекторе. При достиженнии заданного давления компрессора, открывается, и начинает стравливать выхлопные газы с выпускного коллектора, в обход турбины — в глушитель, не позволяя раскручиваться турбине больше положенного.

Клапан блоу-оф (Blow-Off).


Его так же называют — байпасс, перепускной клапан (Bypass valve). Блоу-офф сбрасывает воздух на улицу (с соответствующим звуком), а байпасс обратно на вход турбины, как правило применяется с ДМРВ. В отличии от вестгейта этот клапан открывается не от давления турбокомпрессора, а от вакуума, который создаётся во впуске при закрытии дроссельной заслонки. Клапан блоу-офф ставится на впускной патрубок, между компрессором и дросселем. А вакуум берётся там же, где и на тормоза: во впускном коллекторе.

Представьте ситуацию: вы разгоняете двигатель, турбина набирает максимальные обороты, давление воздуха во впуске 2,5 атмосферы, поток воздуха на большой скорости поступает в двигатель, и… вы бросаете газ, что бы переключить скорость. Дроссельная заслонка закрывается, но турбина крутится на тех же оборотах. Упс… кажется это был пневмоудар (помпаж). Лопаткам компрессора в этот момент не позавидуешь. Как правило частый помпаж гнёт вал компрессора, лопатки, изнашивает упорный подшипник.
Вы переключили скорость, а лопатки турбины уже уменьшили своё вращение, и нужно опять их раскручивать, а это потеря времени.
Для того, что бы при закрытии дросселя, воздух нашёл себе путь, и существует клапан блоу-оф. Вакуум образуемый при закрытии дроссельной заслонки мгновенно открывает перепускной клапан, и поток воздуха безпрепятственно выходит на улицу, или на вход турбокомпрессора. Крыльчатка турбины при этом не теряет своих оборотов, и готова раскручиваться вновь, на новой передаче.

Интеркулер.


Интеркулер ( промежуточный охладитель воздуха ) является неотъемлемой частью двигателя с турбонаддувом. Он работает примерно как радиатор в автомобиле, только охлаждает не тосол, а воздух, нагретый турбиной. Турбокомпрессор имеет две части — горячую и холодную. Горячая часть раскручивается выхлопными газами, и сильно нагревается. Холодная часть закачивает атмосферный воздух в мотор, при этом тоже сильно нагревается от горячей части.
Горячий воздух сильно расширен, и в нём меньше молекул кислорода, так нужного двигателю. Поэтому воздух нужно охладить, иначе весь эффект от турбонаддува не будет иметь смысла. Чем холоднее воздух, поступающий в двигатель, тем больше его мощность.
Размер интеркулера тоже нельзя увеличивать бесконечно, чем больше интеркулер, тем больше турбопровал, то есть накачанный воздух пропадает в недрах слишком большого интеркулера при прибавке "газа". Но на мощных моторах он должен быть достаточно большим, иначе маленький интеркулер будет тормозить поток воздуха от большого турбокомпрессора. К примеру на моторе мощностью 1000 л/с входное и выходное отверстие интеркулера должно быть не менее 100 мм.
Интеркулер немного отличается по своему устройству от радиатора для тосола. В его каналах существуют дополнительные перегородки, для того чтобы воздух отдавал тепло как можно быстрее. Так же он выдерживает большое давление и температуру, и выполнен целиком из металла ( алюминия ) для большей прочности.

Масляный радиатор.


На двигателях с турбонаддувом сильно возрастает тепловой режим работы двигателя. Количество сгоревшей рабочей смеси за единицу времени увеличивается пропорционально давлению наддува, соответственно тепло переходит не только в мощность двигателя, но и передаётся его частям. Сильно нагреваются поршни, цилиндры, выпускная система и турбина.
При температуре 260`С минеральные компоненты в масле могут закоксоваться, и отложиться в масляных каналах и подшипнике турбокомпрессора. Так же масло при большом нагреве становится очень жидким и теряет смазывающие свойства. Синтетическое масло менее подвержено воздействию нагрева, почти не теряет вязкость и не коксуется, поэтому предпочтительней для двигателей.
Что бы не допустить перегрева масла, для этого служит масляный радиатор. Он подсоединяется к специальному переходнику под масляным фильтром. Большинство турбин не имеют канал для охлаждающей жидкости (тосола), и поэтому единственный способ охладить подшипник турбины — смазка холодным маслом.

www.drive2.ru

Принцип работы турбины — DRIVE2

Для получения более четкого представления о принципе работы турбокомпрессора, необходимо ознакомиться с системой функционирования двигателя внутреннего сгорания. На сегодняшний день, большинство дизельных легковых и грузовых автомобилей оснащаются 4-х тактными поршневыми двигателями, работа контролируется при помощи впускных и выпускных клапанов. Каждый рабочий цикл состоит из 4 тактов при 2 полных оборотах коленвала.

Впуск – при движении поршня вниз, воздух (в дизельном двигателе) или смесь топлива и воздуха (в бензиновом двигателе) проходит через открытый впускной клапан.
Компрессия – происходит сжатие горючей массы.
Расширение – смесь воздуха и топлива воспламеняется при помощи свечей (бензиновый двигатель), дизельное топливо впрыскивается под давлением и воспламенение происходит произвольно.
Выпуск – при движении поршня вверх, выпускаются выхлопные газы.

Увеличение объема

Увеличение объема обеспечивает увеличение мощности двигателя, так как увеличение камеры сгорания позволяет нагнетание большего объема воздуха и большее колличество сжигаемого топлива. Увеличение объема может быть достигнуто путем увеличения колличества цилиндров или увеличения объема каждого цилиндра. В целом, увеличения объема приводит к увеличению массы двигателя. Этот способ не обеспечивает значительных преимушеств по уровню выбросов и потреблению топлива.

Увеличение скорости работы двигателя

Другим способом увеличения мощности двигателя является увеличение скорости работы двигателя. Увеличение скорости проводится путем увеличения количества ходов поршня на единицу времени. Однако, по техническим причинам этот способ имеет жесткие ограничения. Увеличение скорости работы двигателя приводит к увеличению потерь при накачивании и других операциях, что вызывает падение эффективности работы.

Турбокомпрессия

При применении двух первых способов, двигатель обеспечивается только собственным нагнетанием. Воздух для сгорания проходит прямо в цилиндр во время впускного такта. При использовании турбокомпрессора, воздух, поступающий в камеру сгорания предварительно сжимается. В двигатель поступает тот же объем воздуха, однако, более высокое давление обеспечивает прохождение большего колличества воздушной массы, что позволяет увеличить объем сжигаемого топлива. Таким образом, при использовании турбокомпрессора, мощность двигателя увеличивается по отношению к его объему и колличеству потребляемого топлива.

Охлаждение нагнетаемого воздуха

В ходе компрессии, нагнетаемый воздух нагревается до 180 С. При охлаждении, плотность воздуха увеличивается, что позволяет увеличить объем нагнетаемого воздуха.
Охлаждение нагнетаемого воздуха является одной из немногих мер по увеличению мощности двигателей внутреннего сгорания, которые положительно влияют на уровень потребления топлива и уровень выброса вредных веществ. Снижение температуры входящего воздуха обеспечивает снижение температуры сгорания и, таким образом, снижение колличества вырабатываемого NO (x). Увеличение плотности воздуха снижает расход топлива и уровень загрязнения окружающей среды.

Существуют два типа турбокомпрессии – механическая турбокомпрессия и компрессия выхлопных газов.

Механическая турбокомпрессия

При механической турбокомпрессии, воздух сжимается при помощи компрессора, приводимого от двигателя. Однако, часть получаемого увеличения мощности уходит на привод компрессора. В зависимости от размера двигателя, мощность, необходимая для привода компрессора составляет от 10 до 15% от общей выработки двигателя. Таким образом, при сравнении с обычным двигателем такой же мощности, двигатель с механической турбокомпрессией имеет повышенный расход топлива.

Турбокомпрессия выхлопных газов

При использовании компрессии выхлопных газов, энергия газа, которая не используется в обычных условиях, направлена на привод турбины. Компрессор находится на одном валу с турбиной и обеспечивает забор, сжатие и подачу воздуха в камеру сгорания. В этом случае механичекие соединения с двигателем отсутствуют.
Преимущества турбокомпрессии выхлопных газов.

По сравнению с обычным двигателем такой же мощности, турбодвигатель имеет меньший расход топлива, так как часть энергии выхлопных газов способствует увеличению мощности двигателя. Меньший объем двигателя сокращает термические и др. потери.
Турбодвигатель имеет значительно лучшее соотношение веса к мощности, т.е. Kw / кг.
Необходимая площадь двигательного отсека турбодвигателя меньше, чем у обычного двигателя.
При использовании турбодвигателя, возможно дальнейшее улучшение характеристик крутящего момента для поддержания мощности, близкой к максимальной при очень низкой скорости двигателя, что позволяет избежать частого переключения скоростей при езде в гористой местности.
Турбодвигатели имеют значительно лучшие характеристики работы в условиях высокогорья. В условиях пониженного давления обычный двигатель теряет значительную часть мощности. В противоположность, рабочие характеристики турбодвигателя улучшаются вследствие увеличения разницы между постоянным давлением вверх по соединениям турбины и пониженным внешним давлением у входа турбины. Низкая плотность воздуха у входа компенсируется, обеспечивая почти нулевую потерю мощности.
Так как турбодвигатель имеет меньшие размеры, а соответственно и площадь шумовыделяющей поверхности, его шумовые характеристики лучше, чем у обычных двигателей. В данном случае, турбокомпрессор действует как добавочный глушитель.

www.drive2.ru

Как работает турбина. — DRIVE2

Когда говорят о гоночных или спортивных машинах, часто всплывает тема турбонаддува. Турбины неизменно сопровождают современные дизеля. Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного роста его веса. Это большое преимущество привело к популярности турбин!

Давайте разберемся, как турбина увеличивает мощность, выживая при этом в экстремальных условиях работы. Мы познакомимся с вестгейтами, керамическими лопастями турбин и подшипниками, которые помогают турбинам делать работу еще лучше. Турбины – системы принудительного нагнетания воздуха. Они сжимают воздух. Сжатый воздух дает преимущество по мощности: в двигатель поступает больше воздуха, а это значит, что больше топлива может быть добавлено. Следовательно, каждое сгорание смеси в цилиндре дает больше мощности. Турбированный двигатель в общем случае всегда мощнее аналогичного по объему атмосферного. Двигатель меньшей массы может выдавать больше мощности при наличии наддува.

Чтобы создать давление воздуха, турбина использует поток выхлопных газов из двигателя для раскручивания своей крыльчатки, которая в свою очередь раскручивает воздушный насос. Турбина вращается с частотой до 150,000 об/мин – это в 30 раз быстрее среднего двигателя. Так как турбина работает с выхлопными газами, ей приходится выдерживать большие термические нагрузки.
Чтобы снять больше мощности с двигателя, необходимо увеличить количество топливно-воздушной смеси, которая сгорает в цилиндрах. Один из способов – добавить количество цилиндров или увеличить их объем. Часто эти изменения очень дороги. Турбина дешевле добавляет мощность, и именно поэтому она так популярна на вторичном рынке.
Турбина позволяет сгорать большему количеству топлива, увеличивая количество топлива и воздуха в цилиндрах. Типичная прибавка к давлению от турбины – 0.3 – 0.5 бар. Поскольку атмосферное давление на уровне моря 1 бар, легко подсчитать, что в камеры сгорания попадает на 50 % больше воздуха, следовательно увеличение мощности должно доходить до 50%. В действительности, эффект получается 30- 40 %.

Одна из причин этой неэффективности – сила, раскручивающая турбину, не приходит извне. Наличие турбины увеличивает сопротивление выхлопа. Это означает, что на отводе отработавших газов двигатель вынужден преодолевать возросшее обратное сопротивление, что уменьшает отдачу с цилиндров, в которых в этот момент происходит сгорание.
Турбина крепится на выхлопном коллекторе двигателя. Выхлопные газы двигателя раскручивают турбину. Турбина покоится на одном валу с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор накачивает воздух в цилиндры.
Выхлопной газ из цилиндров проходит через лопатки крыльчатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее крутится турбина.

С другой стороны вала турбины устанавливают компрессор центробежного типа – он засасывает воздух в центре крыльчатки и разбрасывает его от центра из-за вращающегося вала.

Слишком много давления?
Воздух закачивается в цилиндры под давление и дальше сжимается поршнями. В этом кроится опасность – детонация. Детонация происходит из-за резкого увеличения температуры воздуха, при котором топливная смесь сгорает до воспламенения свечи. Поэтому турбированные машины обычно ездят на высокооктановом топливе, чтобы не доводить дело до детонации. Если давление наддува очень высоко, компрессию двигателя можно снизать, чтобы не переходить в детонацию.

Чтобы работать на скоростях до 150,000 об/мин, вал турбины требует серьезной защиты. Большинство подшипников взрываются при таких скоростях, поэтому турбины часто используют жидкие подшипники. Этот тип подшипников создает вокруг вала постоянный тонкий слой масла, которое постоянно накачивается насосом. Это служит двум целям: охлаждение и снижение трения.
В следующей главе рассмотрим компромиссы, на которые вынуждены идти инженеры при проектировании турбонаддува.
Главная проблема турбины – создание давления требует некоторого времени после нажатия на педаль газа. Проходит около секунды, прежде чем турбина выйдет на рабочее давление. Водитель чувствует турбояму при нажатии на газ, потом машина резко выстреливает.
Один из путей снижения турбоямы – уменьшение инерции вращающихся частей в основном снижением их веса. Это позволяет турбине и компрессору быстро ускоряться, нагнетая давление раньше. Инерция турбины преодолевается уменьшением размера турбины. Маленькая турбины выйдет на давление раньше и на более низких оборотах, но не сможет закачать достаточно воздуха на больших оборотах, когда двигателю надо действительно много воздуха. Большие обороты также опасны для маленькой турбины.
Турбина создает максимальное давление на высоких оборотах.Большая турбина хорошо качает на высоких оборотах, но отличается глубокой турбоямой, так как раскручивание ее более тяжелых частей занимает больше времени. К счастью, есть способы решить это противоречие.
Почти все автомобильные турбины имеют вестгейт, позволяющий использовать маленькую турбины для уменьшения турбоямы и предотвращающий турбину от слишком высоких скоростей на высоких оборотах двигателя. Вестгейт (от англ. Wastegate – ворота для мусора) – это клапан, позволяющий выхлопным газам обходить лопатки турбины. Вестгейт реагирует на давление. Если давление турбины становится слишком высоким, то турбина вращается слишком быстро. Вестгейт отводит часть отработавших газов мимо лопаток крыльчатки, замедляя тем самым скорость вращения турбины.
Некоторые турбины используют шариковые подшипники, но это необычные изделия – они сделаны прецизионно из продвинутых материалов, способных выдерживать температуру в турбине. Их применение объясняется тем, что они способны еще больше снизить трение по сравнению с обычными жидкими коллегами. Еще одно преимущество – они позволяют уменьшить размер вала.
Керамические лопатки турбины легче обычных стальных. Результат: турбина раскручивается еще быстрее с меньшей турбоямой.
Две турбины и дополнительные части. Некоторые двигатели используют две турбины разного размера. Маленькая турбина быстро раскручивается, уменьшая турбояму, а большая нагнетает давления на больших оборотах.
Когда воздух сжимается, он нагревается; нагретый воздух расширяется. То есть увеличение давления воздуха из турбины поднимает его температуру до попадания в цилиндры. Увеличение мощности происходит из-за увеличения количества молекул воздуха, попадающих в цилиндры, а необязательно из-за увеличения давления наддува.
Интеркулер – дополнительный компонент системы наддува, напоминающий обычных радиатор с той разницей, что воздух проходит через него снаружи и внутри. Входящий воздух проходит через лабиринты интеркулера, внешний воздух охлаждает интеркулер.
Интеркулер увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух из компрессора перед попаданием в двигатель. Например, при избыточном давлении 0.3 бар, интеркулер подаст 0.3 бара холодного воздуха, который плотнее и содержит больше молекул, чем теплый воздух.
Турбина помогает в условиях высокогорья, где плотность воздуха ниже. Атмосферные двигатели испытывают снижение мощности, потому что в цилиндры поступает меньше воздуха. Турбированный двигатель тоже снижает мощность, но уменьшение мощности будет не столь критичным, так как разреженный воздух легче закачивать.
Старые карбюраторные машины автоматически увеличивали подачу топлива при увеличении входящего воздуха. Современные инжекторные машины делают это до определенного момента. Инжекторная система полагается на датчики кислорода в выхлопной системе, чтобы определить правильность соотношения топливо-воздух, при добавлении турбины автоматически увеличится подача топлива.

www.drive2.ru

О видах турбонадува — Ford Mondeo, 2.5 л., 2008 года на DRIVE2

Всем всего, после опубликования статьи о турбинах, многие интересовались вопросами о разновиднастях надува, и общего описания систем, в целом я решил закрыть этот недостаток статьи и рассказать Вам об основных видах надува и так начнем.

Би-турбо (Bi-turbo) и Твин-турбо (twin-turbo)

Вопреки убеждениям некоторых «экспертов» название системы битурбо или твинтурбо не отображают схему работы турбины – параллельную или последовательную (секвентальную).

Например, у автомобиля Mitsubishi 3000 VR-4 система турбонаддува носит название TwinTurbo. В автомобиле стоит двигатель V6 и у него две турбины, каждая из которых использует энергию выхлопных газов из своих трех цилиндров, но задувают они в один общий впускной коллектор. У, например, немецких автомобилей есть схожие по рабочему принципу системы, но называются они не твинтурбо, а БиТурбо.
На автомобиле Toyota Supra с рядной шестеркой установлены две турбины, система турбонаддува называется TwinTurbo, но работают они в особой последовательности, включаясь и выключаясь с помощью специальных перепускных клапанов.

На автомобиле Subaru B4 тоже стоят две турбины, но работают они последовательно: на низких оборотах дует маленькая турбина, а на высоких, когда та не справляется, подключается вторая турбина большего размера.

Давайте теперь по порядку разберем обе системы би-турбо и твинтурбо.

Би-турбо – система турбонаддува, представляющая собой две последовательно включаемых в работу турбин. В системе би-турбо используют две турбины, одну малого размера, а вторую большего размера. Маленькая турбина раскручивается быстрее, но на высоких оборотах двигателя маленькая турбина не может справиться с компрессией воздуха и созданием нужного давления. Тогда подключается большая турбина, добавляющая мощный заряд сжатого воздуха. Следовательно, минимизируется задержка (или турболаг), образуется ровная разгонная динамика. Системы би-турбо весьма не дешевое удовольствие и обычно устанавливаются на автомобили высокого класса.

Система би-турбо может быть установлена как на двигатель V6, где каждая турбина будет установлена со своей стороны, но с общим впуском. Либо на рядном моторе, где установка турбины осуществляется по цилиндрам (напр, 2 для малой и 2 для больщой турбины), так и секвентально, когда на выпускном коллекторе сначала устанавливается большая трубина, а потом маленькая.

би турбо

вид сзади=)

Твин-турбо – данная система отличается от би-турбо тем, что нацелена не на снижения турбо-лага или выравнивание разгонной динамики, а на увеличение производительности. В системах твин-турбо применяются две одинаковые турбины, соответственно производительность такой системы турбонаддува эффективней, чем системы с одной турбиной. К тому же, если применить 2 небольших турбины, схожих по производительности с одной большой, то можно снизить нежелаемый турболаг. Но это не значит, что никто не использует две больших турбины. Например, в серьезном драге могут использоваться две больших турбины для еще большей производительности. Система твин-турбо может работать как на V-образных моторах, так и на рядных. Последовательность включения турбин может варьироваться, как и на битурбо системах.

А вообще для еще большего веселья никто вам не мешает воткнуть сразу 3 турбины или более. Цель преследуется такая же, как и для твин-турбо.

Бывает три вида систем твин турбо и би-турбо а именно:

1) Параллельный тип:

Параллельная система работает одновременно и параллельно друг другу, и включает в себя два одинаковых турбокомпрессора. Параллельная работа происходит из-за ровного деления потока сгоревших газов между турбокомпрессорами. Из каждого компрессора выходит сжатый воздух и поступает в общий впускной коллектор, и потом распределяется по цилиндрам. Параллельный используется, как правило, на дизельных V-образных двигателях. Из-за параллельной схемы турбонаддува эффективность системы основывается на том, что две маленькие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая турбина. Турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателях обеспечивая быстрое повышение наддува. И каждая турбина установлена на своём выпускном коллекторе.

твин турбо битурбо параллельная

2) Последовательный:

В системе последовательного Twin Turbo постоянно работает первый турбокомпрессор, а второй начинает работать в определённом порядке работы двигателя (повышенная частота оборотов, нагрузка). Последовательный турбокомпрессор включает два одинаковых по характеристикам турбокомпрессора.
Электронная система управления обеспечивает переход между режимами и регулирует поток сгоревших газов ко второму турбокомпрессору за счёт специального клапана.

схема работы

Чтобы достичь максимально высокого выхода мощности, система последовательности Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки. Применяются, как на дизельные двигатели, так и на бензиновые. В 2011 году была представлена система с тремя последовательными турбокомпрессорами компанией BMW и называется она Triple Turbo.
Хотелось бы немного рассказать о системе надува bmw triple turbo на дизеле, а именно как работают там турбины:
Одна из малых турбин начинает работать прямо с холостых, устраняя эффект турбоямы, с ростом оборотов до 1500 в минуту в дело включается большой нагнетатель, вместе с которым достигается пиковая тяга в 740 Нм. На 2700 оборотах в минуту подключается третья турбина, чтобы пиковый крутящий момент не упал вплоть до 3000 об/мин.
Помимо последовательного наддува в автомобилях применяются и более сложные схемы с большим количеством нагнетателей. К примеру, в нашумевшем Бугатти Вейрон, для получения мощности в 1001 лошадиную силу на двигателе стоит 4 турбонагнетателя.

3)Двухступенчатый

В техническом плане система двухступенчатого турбонаддува является самой совершенной.
В системе двухступенчатого турбонаддува используется клапанное регулирование потока сгоревших газов и нагнетаемого воздуха. Эта система состоит из двух турбокомпрессоров разного размера. В последствии установленных в впускном и выпускном трактах.

Перепускной клапан сгоревших газов закрыт при низких оборотах двигателя. Сгоревшие газы через малый турбокомпрессор, имея максимальную отдачу и минимальную инерцию проходят дальше через большой турбокомпрессор. И так как давление отработавших газов не сильное, то следовательно и большая турбина практически не вращается. Перепускной клапан наддува закрыт на впуске и воздух поступает последовательно через большой и малый компрессоры.

Общая работа турбокомпрессоров начинает осуществляться при росте оборотов. И постепенно начинает открываться перепускной клапан сгоревших газов. Большая турбина начинает все больше и интенсивно раскручиваться, так как часть отработавших газов идёт прямо через неё.

схема работы

двухступенчатая ссистема

Большой турбокомпрессор на впуске с определённым давлением начинает сжимать воздух, но давление не слишком большое и сжатый воздух дальше поступает в малый турбокомпрессор, где продолжает повышается давление. При этом перепускной клапан остаётся закрыт. Перепускной клапан сгоревших газов открывается полностью при полной нагрузки. Останавливается малая турбина, а большая начинает раскручиваться до максимальной частоты, так как через неё практически полностью проходят сгоревшие газы. Давление наддува достигает своего максимального значения на впуске большого компрессора при этом малый компрессор создаёт помеху для воздуха. И в определённый момент перепускной клапан наддува открывается и сжатый воздух непосредственно напрямую поступает к двигателю.

Благодаря системе двухступенчатых турбокомпрессоров мгновенно достигается номинальный крутящий момент и поддерживается в широком диапазоне оборотов двигателя. При этом достигается максимальное увеличение мощности. Таким образом, система поддерживает блестящую работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя. Так же система объясняет известное противостояние дизельных двигателей между предельной мощностью на высоких оборотах и высоким крутящим моментом на низких оборотах.

примерный принцип работы

И немного о других видах турбин.

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией VTG (Variable Geometry Turbine)

Первым VNT (Variable Nozzle Turbine) турбокомпрессором с изменяемой геометрией в 1995 году стал турбокомпрессор для Фольксвагена Multivane с 1,9 литровым двигателем TDI. Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува (на рисунке слева). При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.
Двигатель с системой VNT, имеет лучший отклик, производит большую мощность и крутящий момент, потребляет меньше топлива и обеспечивает снижение вредных выбросов по сравнению с двигателем, связанным с турбокомпрессором традиционным байпасом. Благодаря короткому времени отклика и плавному ускорению улучшается управляемость машиной и срок ее службы. По сравнению с турбокомпрессором, оборудованным байпасом, турбокомпрессор VNT, более эффективный в более широком диапазоне величин потока

www.drive2.ru

Турбина состав системы и принцип работы — DRIVE2

Состав системы

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.

Принцип работы

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).

www.drive2.ru

Всё про наддув! — DRIVE2

Наддув — самый доступный и простой способ увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. Теория проста: чтобы выросла отдача, нужно сжечь как можно больше топлива. Но для его горения необходим ещё и воздух. И если «налить» в цилиндры сколько угодно топлива проще простого (качай себе и качай мощным насосом), то с воздухом дело обстоит сложнее — для него тоже нужен своеобразный насос. И роль такого агрегата в двигателях играют нагнетатели. Вне зависимости от его типа, оснащённый наддувом двигатель обладает большей мощностью и крутящим моментом, чем аналогичный атмосферник. Почему это возможно, какие существуют конструкции и какие побочные эффекты имеет наддув? Рассказываем в нашей справке по современным системам.

.


История наддува
Впервые техническая идея загнать в автомобильный двигатель больше воздуха с помощью энергии вращения коленвала пришла в голову Готтлибу Даймлеру в 1885 году, а в 1905 году швейцарец Альфред Бюхи получил патент на аналогичную систему, работающую уже от энергии выхлопных газов. Но до реализации этих решений в автомобилях прошло некоторое время — первый серийный легковой автомобиль «наддули» с помощью приводного нагнетателя в 1921 году — им стал Mercedes-Benz. Турбонагнетатели же стали получать распространение в авиационных двигателях 1920-х годов, так как там было особенно важно справляться с потерей мощности по мере набора высоты, где плотность воздуха становится меньше. Вскоре газовые нагнетатели нашли своё применение и в грузоперевозках — прибавка в крутящем моменте оказалась для дизелей судов и локомотивов очень кстати. Первой легковушкой с турбонагнетателем под капотом стало купе-хардтоп Oldsmobile Jetfire с 215-сильным V8.

Точно такой же мотор Oldsmobile без турбины выдавал в то время 155-195 сил в зависимости от степени форсировки. Но важнее другое: тяга даже 195-сильного атмосферника ограничивалась 300 Н·м, тогда как турбокупе выдавало все 410. Если у атмосферных моторов существует практически прямая зависимость между объёмом камеры сгорания и максимальным крутящим моментом, то наддувные агрегаты такого недостатка лишены — по-разному конфигурируя систему, инженеры могут добиваться очень впечатляющей прибавки тяги при неизменном объёме.

Вскоре турбина появилась и на Chevrolet Corvair Corsa (расположенный сзади 6-цилиндровый оппозитник воздушного охлаждения с наддувом был лишь одним из необычных технических решений этой экзотической машины), а после подоспели и европейцы в лице Porsche (911 Turbo в 1975 году) и Saab (99 Turbo 1978 года). А вот с наддувным дизельным седаном всех опередил производитель из Старого Света — в 1978 году появилась версия 300SD лимузина Mercedes-Benz W116. Вскоре дизельные автомобили приобрели в Европе огромную популярность, а турбонаддув стал неотъемлемой частью конструкции легкового дизеля. Существуют и грузовые дизели с приводными нагнетателями, но по ряду технологических причин эта схема не получила широкого распространения в автомобилестроении.

Какие существуют виды наддува
К механическим видам наддува (обычно под наддувом понимаются именно механические схемы) относят приводной компрессор и турбокомпрессор. Приводной нагнетатель, как правило, располагается вдоль блока рядного двигателя или в развале V-образного блока и приводится от коленвала с помощью ременной передачи, прессуя воздух парой винтовых роторов или крыльчаткой. Турбина же приводится в действие вылетающими из цилиндров в коллектор под большим давлением выхлопными газами и утрамбовывает воздух на впуске крыльчаткой. Обычно турбина находится сразу за выпускным коллектором или непосредственно интегрирована в него — как, например, в современных моторах группы Volkswagen.
Отдельно можно выделить эксперименты производителей с электротурбинами. Они не отбирают мощность у двигателя и лишены газовой турбоямы, так как колесо компрессора вращает электромотор. Впрочем, к этой схеме у производителей до сих пор остаётся немало вопросов, и подробнее об этом можно прочитать в нашем материале Audi завтрашнего дня. Кроме механического, существует ещё безагрегатный наддув. Так называют повышение давления на впуске с помощью сочетания скорости движения и особой формы и размеров впускных патрубков. Избыточное давление такого типа является мерой дополнительного форсирования преимущественно спортивных атмосферных двигателей. Примером заводской реализации такой схемы может служить впускной тракт хэтчбека Porsche Panamera в особой версии GTS.
Как устроен турбонагнетатель
Конструкция турбонагнетателя проста: на едином валу находятся две крыльчатки, каждая из которых вращается в своём корпусе, называемом в народе «улитка». Одну крыльчатку (в так называемой горячей улитке) вращает поток выхлопных газов, а связанная с ней единой осью вторая крыльчатка в холодной части крутится и трамбует во впускной тракт забираемый с улицы воздух. Таким образом, чем выше обороты работы двигателя, тем больше он вырабатывает газов и тем больше воздуха впоследствии получает. Идеальный замкнутый круг с бесконечным потенциалом повышения мощности?

Современные турбокомпрессоры имеют практически нелимитированный потенциал увеличения мощности двигателя. Ограничителем обычно выступает механическая прочность вращающихся и движущихся деталей силового агрегата, а также баланс итоговых характеристик мотора и здравый смысл. Ввиду меньшего КПД и ряда технических особенностей приводные нагнетатели позволяют увеличивать мощность не так эффективно.


Но всё не так просто. Во-первых, шатунно-поршневая группа каждого мотора рассчитана на определённые нагрузки, и превышение их приведёт к разрушению двигателя. Во избежание бесконтрольного роста давления наддува в горячей части нагнетателя предусмотрена специальная калитка-клапан под названием «вейстгейт» (в переводе — клапан для излишков), которая открывается с помощью пневматики или сервопривода при достижении пикового расчётного давления в

www.drive2.ru

о турбине с изменяемой геометрией — DRIVE2

Конструкция классической турбины
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.

классическая турбина


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
Турбояма
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 приходиться 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.
Принцип работы турбины с изменяемой геометрией

направляющие лопости


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.
На полной скорости работы двигателя и при высоком уровне газового потока турбокомпрессор развдвигает направляющие лепестки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на уровне необходимом двигателю.
Изменение площади сечения (расстояния между направляющими элементами) может управляться непосредственно давлением турбины с помощью привода, с помощью вакуумного регулятора или шагового электромотора
a. корпус турбины
b. крыльчатка для отработанных газов
c. корпус турбокомпрессора
e. ось рычага смещения регулируемого кольца
f. регулируемое кольцо
g. оси направляющих лепестков
h. направляющие лепестки

турбина в разрезе

www.drive2.ru

Интересная статья о турбинах. — DRIVE2

Когда люди говорят о гоночных машинах или мощных спортивных авто, рано или поздо всплывает тема турбин(турбо компрессоры также устанавливают на больших дизельных моторах). Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного увеличения его размеров/веса, что является основным преимуществом которое сделало турбины столь популярными.

В данной главе вы узнаете о том как турбокомпрессор увеличивает отдачу двигателя работая в экстримальных условиях. Также вы узнаете как вестгейты, керамические крыльчатки турбин и шарикоподшипники помогают турбокомпрессорам выполнять свою работу еще лучше. Турбокомпрессоры — тип усиленной впускной системы. Они сжимают воздух во впускном тракте. Преимущество сжатия воздуха в том что двигатель получает возможность «запихнуть» в камеру сгорания больший объем воздуха, а большему кол-ву воздуха нужен больший объем топлива. Таким образом мы получаем больше мощности от каждого взрыва в каждом циллиндре. Турбированный двигатель производит больше мощности по сравнению с таким же НЕ турбированным двигателем. Турбина может значительно улучшить соотношение мощность/вес для вашего двигателя.

Для раскрутки/буста турбина использует поток выхлопных газов которые вращают крыльчатку турбины, которая в свою очередь соединена(находится на том же валу) с крыльчаткой аэро компрессора. Скорость вращения турбины может достигать150тыс. об./мин что почти в 30 раз быстрее скорости вращения самого двигателя. Естественно что при таких условиях работы, температура турбины тоже очень высока.

Основы.

Одним из верных способов увеличения мощности двигателя является увеличение объема газо-бензиновой смеси которое он может сжечь. Этого можно достичь увеличив кол-во циллиндров, или сделать имеющиеся циллиндры больше. Иногда подобные изменения могут не дать должного эффекта, в отличие от турбины, которая является более простым, компактным решением для увеличения мощности, особенно если речь идет о производителях тюнинговых решений.

Турбины позволяют двигателю сжигать большее кол-во газо-топливной смеси путем большего нагнетания ее в имеющуюся камеру сгорания. По сравнению с обычным двигателем, турбина может нагнетать до 50% больше газотопливной смеси в камеру сгорания. Установкой турбины можно достичь 40-го % прироста мощности двигателя. Статья взята из паблика Машины. Справедливо ожидать 50-ти процентного прироста мощности, но все не так замечательно, и вот почему. Установка турбины накладывает определенные ограничения на выпускную систему, тк выхлопные газы проходят через крыльчатку турбины, тем самым увеличивается сопростивление потоку выхлопных газов, что в свою очередь отнимает часть КПД от взрывов в циллиндрах которые происходят одновременно.

Турбокомпрессор и двигатель.

Турбокомпрессор устанавливается на выпускном коллекторе. Выхлопные газы раскручивают крыльчатку турбины которая работает по принципу газотурбинных двигателей. Вал турбины соединен с валом воздушного компрессора который схематически находится между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания двигателя.

Поток выхлопных газов проходящих сквозь крыльчатку турбины, разгоняет ее. Чем больше давление выхлопных газов оказываемое на крыльчатку турбины, тем быстрее она раскручивается.

На другом конце вала турбины установлен воздушный компрессор который нагнетает воздух в камеру сгорания. Компрессор работает по принципу центрифуги — он раскручивает воздух от центра к краям крыльчатки по ходу вращения.

Тк вал турбины раскручивается до огромных скоростей(150тыс об./мин.), необходимо обеспечить его надежную поддержку/закрепление. Большая часть подшипников взорвалась бы на таких скоростях, по этому в большей части турбокомпрессоров используется жидкий подшипник(маслянный клин). Данный тип подшипника поддерживает вал на тонком слое масла которое подается под давлением вокруг него(между валом и стенкой подшипника). Это делается по 2-м причинам:
1.Масло охлаждает вал и прилегающие части турбокомпрессора
2.Этот метод позволяет избежать большой силы трения между валом и стенками подшипника турбокомпрессора

Конструкция турбокомпрессора.

Одной из главных проблем связанных с использованием турбокомпрессоров является то что они не могут моментально обеспечить рабочее давление наддува(буст) когда вы нажимаете на педаль акселератора. Проходит определенное время до того как турбина разгонится и начнет обеспечивать рабочее давление наддува. Это явление называется лаг(задержка), то есть мы ощущаем лаг когда давим на педаль акселератора, затем спустя определенное время(лаг) машина выстреливает вперед.
Для уменьшения турбо лага необходимо уменьшить силу инерции вращающихся частей, главным образом путем уменьшения их веса. Это позволит турбине и компрессору разгоняться быстрее, и раньше опеспечивать рабочее давление наддува. Одним из верных способов уменьшения силы инерции турбины и компрессора является уменьшение размера самого турбокомпрессора. Не большой турбокомпрессор обеспечит рабочее давление наддува на низких оборотах двигателя значительно быстрее, но не сможет обеспечить нормальное давление наддува на высоких оборотах, когда двигателю необходим значительно больший объем воздуха.Также для небольших турбокомпрессоров существует опасность слишком быстрого вращения на высоких оборотах двигателя, когда большой объем выхлопных газов проходит сквозь турбину.
Большие турбокомпрессоры могут обеспечить достаточное давление наддува на высоких оборотах двигателя, но им присущь больший турбо лаг тк их турбина и компрессор имеют больший вес и как следствие разгоняются дольше. К счастью есть несколько способов побороть эту проблему.
У большинства автомобильных турбокомпрессоров есть вестгейт, который позволяет использовать небольшие турбокомпрессоры для уменьшения лага, а также предотвращает их слишком быстрое вращение на высоких оборотах двигателя. Вестгейт — это клапан который позволяет проходить потоку выхлопных газов в обход крыльчатки турбины. Вестгейт распознает давление наддува.Если давление слишком высоко это может означать что турбина вращается слишком быстро, в этом случае вестгейт отводит(открывает клапан) часть потока выхлопных газов от крыльчатки турбины, что позволяет снизить скорость вращения турбины.
В строении некоторых турбокомпрессоров вместо жидких подшипников(маслянного клина) используются шарикоподшипники. Но это не обычные подшипники — это супер точные подшипники созданные с использованием передовых технологий/материалов призванных допустить их использование на таких скоростях и температурах присущих турбокомпрессорам. Такие подшипники позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем в обычных жидких подшипниках. Также шарикоподшипники позволяют использовать меньший и более легкий основной вал, что тоже положительно сказывается скорости раскручивания вала, и уменьшении турбо лага.
Керамическая крыльчатка легче стальной, используемой в большинстве турбокомпрессоров. Это тоже позволяет турбине раскручиваться быстрее, что в свою очередь помогает уменьшить турбо лаг.

www.drive2.ru

Opel Astra ТрубоПроШпрот › Бортжурнал › Обладателям турбо движков. Мифы и правда о турбонаддуве :)

МИФ №1 Турбина включается и отключается при определенных оборотах. Неверно. Турбина начинает свою работу с первыми оборотами двигателя и заканчивает ее уже после того, как двигатель остановился. При первых вспышках в цилиндрах двигателя выхлопные газы из коллектора сразу же попадают в “улитку” турбины и начинают вращать вал с крыльчатками. Пока обороты двигателя невелики, давление и скорость выхлопных газов недостаточны, поэтому компрессор турбины вращается на холостом ходу и просто перемешивает воздух. С ростом оборотов агрегата выхлопных газов выделяется больше, соответственно, растут обороты турбины, и компрессор не просто месит воздух, а эффективно сжимает его и посылает в двигатель, т.е. турбина выходит на рабочий режим наддува.

МИФ №2 Турбины имеют маленький ресурс и не ремонтируются. Это не так. Ресурс турбины на самом деле немногим меньше (из-за высоких тепловых нагрузок и точности подгонки деталей) ресурса двигателя, а при выполнении совсем несложных правил может даже превысить его. Ресурс турбокомпрессора может снизиться либо из-за игнорирования рекомендаций производителей по эксплуатации турбированного мотора, либо из-за сбоя в работе систем силового агрегата. Игнорирование рекомендаций – это несоблюдение периодичности замены масла, использование некачественного или не рекомендованного масла, перегазовки при непрогретом моторе. Ускоряет износ и выключение двигателя без предварительной выдержки работы в режиме холостого хода и масляное голодание.

МИФ №3 Ремонтопригодность турбины зависит от степени износа деталей, в некоторых случаях турбину дешевле заменить, чем отремонтировать. Турбонаддув значительно увеличивает расход топлива. Это не совсем так. Воздух в цилиндры турбированного двигателя подается принудительно, а не только за счет движения поршня вниз, и в силовой агрегат попадает большая, по сравнению с атмосферным мотором, масса воздуха. Как следствие — появляется возможность подать в цилиндры и сжечь больше топлива, что и приводит к увеличению мощности и, соответственно, расхода топлива. Но многое зависит от стиля вождения и в некоторых случаях от конструкции двигателя. Например, некоторые турбодизельные агрегаты фирмы Volkswagen имеют при большей мощности меньший расход по сравнению с аналогичными атмосферными моторами.

МИФ №4 Турбонаддув не требует особых навыков при эксплуатации. Отчасти неверно. На самом деле ничего сложного в эксплуатации турбонаддува нет, требуется лишь элементарная аккуратность: вовремя меняйте масло и масляный фильтр, используйте нужные сорта масла, не перегревайте турбину (к перегреву приводят неисправности в системе зажигания или впрыска, длительная езда на высоких оборотах). Следите за состоянием воздушного фильтра (забитый воздушный фильтр создает повышенное сопротивление на всасывании, и производительность компрессора резко снижается). Выключение двигателя (без предварительной выдержки работы в режиме холостого хода) значительно ускоряет износ турбины, поэтому установка турботаймера на турбированный мотор оправдана на 100%. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей турбины, а следовательно, и тепловое расширение идут с разной скоростью. Поэтому при низкой температуре окружающего воздуха турбированный двигатель требует прогрева.

МИФ №5 Турбину можно демонтировать, и на работе двигателя это никак не скажется. Неверное утверждение. Изначально турбированный мотор конструктивно рассчитан на определенный объем подаваемого в цилиндры воздуха и, соответственно, топливной смеси. Конструкцией предусмотрена также пониженная степень сжатия для уменьшения детонации. После демонтажа турбины мощность и крутящий момент двигателя значительно уменьшаются (минимум на 50%) и, как следствие, значительно ухудшается динамика и увеличивается расход топлива. При необходимости (например, при поломке турбины) турбину можно за¬глушить, но сделать это необходимо, не создавая лишнего сопротивления на всасывании и выхлопе, это ухудшает характеристики и без того ослабленного двигателя. Теоретически, вернуть былую мощь турбированному мотору, исключив турбину, можно, но это потребует больших финансовых затрат и переделок, не сопоставимых со стоимостью ремонта или заменой турбины.

МИФ №6 Двигатели с турбонаддувом имеют меньший ресурс по сравнению с атмосферными. Неверно. Ресурс двигателей с турбонаддувом не меньше, чем ресурс атмосферных, поскольку проектируются они специально и имеют соответствующий запас прочности. У турбированного агрегата усилены вкладыши, более мощный коленвал, другие фазы газораспределения, по-другому отрегулированы и настроены топливная аппаратура, система зажигания и т.д. При установке турбины на изначально атмосферный двигатель существует большая вероятность снизить его ресурс. При установке турбины на «атмосферник» в результате увеличения мощности увеличивается детонационная и тепловая нагрузки на цилиндропоршневую группу и кривошип, что негативно сказывается на моторесурсе в целом.

МИФ №7 Турбированный мотор может работать на любом качественном масле. Это не так. Турбонаддуву приходится работать в далеко не легких условиях – высокая температура, высокие скорости вращения подшипников скольжения, которые изготовлены из специальных материалов с оптимально подобранными зазорами. Подшипники скольжения надежно работают при температуре не более +150 0C. При более высоких температурах возникает опасность разрыва масляного слоя в результате разжижения масла. Кроме того, при высоких температурах обычные моторные масла быстро окисляются и теряют свои смазочные свойства. Поэтому как автопроизводители, так и производители масел рекомендуют использовать только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом. Поскольку зазоры в парах (вал-подшипник и подшипник-корпус) очень малы и соизмеримы с размерами ячеек масляного фильтра, то следует также помнить о чистоте масла и состоянии масляного фильтра.

МИФ №8 Турбированные двигатели быстрее изнашивают АКПП. Неправильно. Турбированный двигатель принципиально по конструкции кривошипа и выходного вала ничем не отличается от атмосферного, поэтому модель двигателя никоим образом не влияет на ресурс АКПП. Гидротрансформатор даже сглаживает эффект турбоподхвата, и езда становится более комфортной.

www.drive2.ru


Смотрите также



© 2009-: Каталог автоинструкторов России.
Карта сайта, XML.