Ключ к знанию

Турбокомпрессор устройство и принцип действия


Предназначение турбокомпрессора, как он устроен и принцип его работы

Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.

Но увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

Устройство турбокомпрессора

Устройство турбокомпрессора:
1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).

Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.

Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.

Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.

Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.

В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

Принцип работы

В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.

Принцип работы турбокомпрессора

Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха.

При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты.

  1. Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»).
  2. После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»).

Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы:

  • использование турбины с изменяемой геометрией;
  • применение двух параллельных или последовательных компрессоров;
  • комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.

Турбина с изменяемой геометрией:
1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

Параллельно работающие турбокомпрессоры применяют для мощных V-образных двигателей (по одному на ряд цилиндров). Эта схема помогает решить проблему за счет того, что у двух маленьких турбин инерция меньше, чем у одной большой.

Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя.

При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.

Преимущества и недостатки применения турбонаддува

1. Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля.

2. Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.

3. Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

4. Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.

5. На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.

6. Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.

Как работает турбина — видео:

О недостатках

У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки.

Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения — его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.

Загрузка...

avto-i-avto.ru

Принцип работы турбокомпрессора — ПроТурбо на DRIVE2

Турбокомпрессор – важнейшая составляющая часть двигателя современного автомобиля. Благодаря ему достигается существенный прирост мощности при незначительной массе самой детали. Как известно, принцип работы турбокомпрессора заключается в сильном сжатии подаваемого в двигатель воздуха и, соответственно, создании высокой мощности взрыва в цилиндрах двигателя. Благодаря турбокомпрессору в двигатель поступает на 50% больше объема воздуха, что увеличивает мощность двигателя на 30-40% при тех же затратах топлива. Мотор, который имеет турбину, вырабатывает намного больше полезной энергии, чем не оснащенный ею.

Устройство турбокомпрессора автомобиля
Механизм состоит из таких основных элементов:

— корпус турбины, в которой выхлопные газы вращают ротор;
— корпус компрессора, который всасывает воздух, а затем с помощью ротора нагнетает его в систему впуска;
— картридж между турбиной и компрессором;
— интеркулер, который охлаждает воздух перед нагнетанием его в цилиндры двигателя.

Принцип действия автомобильной турбины
Турбокомпрессор на двигатель крепится к выпускному коллектору. Система работы турбокомпрессора заключается в том, что турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором.

Принцип действия автомобильной турбины заключается в сжатии воздуха, который поступает в цилиндры двигателя. Так возникает давление турбокомпрессора. Выхлопные газы из цилиндров вращают лопатки ротора и выходят через боковое отверстие в корпусе турбины в глушитель. Благодаря устройству турбины автомобиля ее ротор, находясь в специальном теплоустойчивом корпусе, превращает энергию потока отработавших газов в энергию вращения и перенаправляет её на компрессорный ротор.

С другой стороны вала ротор компрессора всасывает чистый атмосферный воздух из впускного тракта и направляет его под сильным давлением дальше во впускной тракт к цилиндрам мотора. Когда ротор компрессора вращается, воздух втягивается внутрь и сжимается, так как лопасти ротора вращаются с высокой скоростью. Корпус компрессора разработан таким образом, чтобы превращать поток воздуха, обладающий высокой скоростью и низким давлением, в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью с помощью процесса, называемого диффузией. В этом и заключается принцип действия автомобильной турбины.

Особенности функционирования
Оба эти ротора, турбинный и компрессорный, жестко закреплены на роторном валу, вращающемся на гидростатических подшипниках. Они поддерживают вал на тонком слое масла, которое постоянно подается для снижения трения и охлаждения вала. Для правильной работы подшипники скольжения должны быть покрыты пленкой масла. Зазоры подшипников очень малы, меньше толщины человеческого волоса.

В турбомоторах воздух, который поступает в цилиндры, приходится дополнительно охлаждать – тогда его сжатие можно будет сделать еще сильнее, закачав в цилиндры двигателя больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух легче, чем горячий. Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, от деталей турбонаддува. Поэтому перед попаданием в цилиндры двигателя сжатый воздух охлаждается в интеркулере. Интеркулер – это радиатор жидкостного или воздушного охлаждения, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам двигателя. За счет охлаждения увеличивается плотность воздуха и, соответственно, закачать в цилиндры его можно больше.

Мощность турбины автомобиля такова, что ротор турбокомпрессора вращается со скоростью до 150 тыс. оборотов в минуту, что примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения коленвала автомобильного двигателя. Так как она соединена с выхлопной системой, температура в турбине также очень высокая. Работа турбокомпрессора заключается в том, что воздух поступает в компрессор при температуре окружающей среды, но при сжатии температура растет и на выходе из компрессора достигает 200°С.

На «самообслуживание» системы наддува тратится немного энергии от двигателя – всего лишь около 1,5%. Это происходит потому, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов за счет их охлаждения. Кроме этого, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объема большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Все это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными аналогамитакой же мощности.

В последнее время популярность турбокомпрессоров резко возросла. Они оказалось перспективнее не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Если вы хотите купить турбокомпрессор с доставкой – вы обратились по адресу. На нашем сайте можно сделать заказ, а также узнать характеристики турбокомпрессора и характеристики турбины для модели своего автомобиля.

www.drive2.ru

Турбокомпрессор автомобиля - что это такое, устройство и принцип работы

Турбокомпрессор представляет собой устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в цилиндры. Это повышает интенсивность воспламенения топливной смеси и увеличивает мощность двигателя. В среднем она возрастает на 30 – 40 %. Поговорим более подробно, как устроена деталь, где находится и как работает.

Что такое турбокомпрессор в автомобиле

Первые турбинные компрессоры появились в начале ХХ века. Их изобретение связывают с американским изобретателем Альфредом Бюхи. Именно он в 1911 году зарегистрирован устройство в патентном бюро США 1911 году. Бюхи удалось добиться очень неплохих показателей – прирост мощности при использовании турбины составил 120 %.

Изначально турбокомпрессоры применяли на корабельных дизельных и авиационных бензиновых двигателях. Впервые на колесных транспортных средствах их начали использовать в 1938 году. Именно тогда автомобилестроительная компания из Швейцарии Swiss Machine Works Sauer сконструировала грузовик, в котором использовалась эта технология. Вскоре турбинные компрессоры стали широко применять и на легковых автомобилях.

По сути, турбокомпрессор представляет собой воздушную турбину с несложным строением, которая работает за счет выхлопных газов, выходящих из выпускных клапанов цилиндров. Образовавшаяся энергия используется для нагнетания воздуха в цилиндры. Оно выполняет две функции:

  • увеличивает давление внутри цилиндра;
  • обеспечивает поступление большего количества кислорода.

Оба фактора благотворно влияют на воспламенение топливной смеси – оно становится более интенсивным и ровным. Это, в свою очередь, уменьшает эффективный расход топлива и увеличивает мощность мотора. Таким образом, технология позволяет увеличить силу двигателя, не увеличивая его объем. Именно это основное назначение рассматриваемого узла автомобильного двигателя.

В настоящее время турбинный компрессор используется в в подавляющем большинстве моделей легковых автомобилей. Это и не удивительно: устройство позволяет существенно повысить общую мощность автомобильного двигателя, сохранив при этом стоимость транспортного средства почти неизменной.

Двигатели, оснащенные турбокомпрессором, принято называть турбопоршневыми. А система подачи воздуха в цилиндры с помощью устройства называется турбонаддув.

для автомобиля

Устройство турбокомпрессора

Конструкция состоит из следующих элементов:

Похожие статьи

  • Корпус. Представляет собой стальной короб, в который монтируют все остальные детали. Изготавливается из термостойких материалов (обычно стали), так как через компрессор проходят раскаленные отработавшие газы.
  • Колесо турбины. Представляет собой колесо с лопастями, зафиксированное на вале. Когда через лопасти проходят выхлопные газы, колесо начинает вращаться. Также изготавливается из термостойких сплавов.
  • Компрессионное колесо. Выполняет функцию, противоположную турбинному – нагнетает воздух в цилиндры. Закреплено на противоположном конце вала. Поскольку в области компрессионного колеса температура близка к нормальной, чаще всего его изготавливают из алюминиевого сплава. Это позволяет предотвратить потери энергии во время вращения. Обычно со стороны компрессионного колеса имеется отверстие, через которое и происходит забор атмосферного воздуха. Однако на некоторых моделях транспортных средств эта часть приспособления присоединена к воздухофильтру. Это помогает избежать попадания внутрь цилиндров пыли и других загрязнений, которые могу негативно отразиться на их работе.
  • Вал. Проходит через весь корпус приспособления. Представляет собой ось, которая соединяет турбинное и компрессионное колеса. Обеспечивает передачу вращения от одной детали к другой.
  • Подшипники. Обеспечивают свободное вращение вала внутри корпуса.
  • Клапан. Представляет собой клапан, который регулирует количество поступающих на вал турбины выхлопных газов. Чем оно выше, тем больше объем воздуха, поступающего в цилиндры. Положение клапана регулируется блоком управления на основе показаний датчиков, что не требует участия водителя в работе устройства.

Оба колеса и вал составляют единый узел – ротор турбинного компрессора. Это обусловлено тем, что они жестко связаны воедино.

Компрессор обычно располагается в непосредственной близости от цилиндроблока. Это обеспечивает максимально короткий путь отработавших газов до устройства. Благодаря этому они теряют минимум своей энергии и обеспечивают наиболее эффективное вращение крыльчатки.

регистратор автомобильный

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы приспособления выглядит следующим образом:

  • отработавшие газы из выпускных клапанов по специальному патрубку направляют в часть корпуса устройства, в которой расположено колесо турбины;
  • под воздействием газов колесо начинает вращаться и приводит в движение вал, который расположен в продольной оси корпуса;
  • вал, в свою очередь, приводит в движение компрессионное колесо;
  • компрессионное колесо непосредственно из атмосферы или через воздушный фильтр забирает воздух и нагнетает его во впускные клапаны;
  • в результате в цилиндрах формируется более высокое давление и образуется более высокая концентрация кислорода.

При этом поступление отработавших газов на колесо регулируется впускным клапаном. Положение его заслонки определяет ЭБУ. Это делается на основе показаний различных датчиков. Чем большая мощность необходима в конкретных условиях передвижения транспортного средства, тем шире открывается заслонка. Действует и обратное правило – при избыточной мощность просвет клапана уменьшается, и работа турбокомпрессора делается менее интенсивной.

навигатор для автомобиля

Виды турбин

Турбины бывают нескольких видов.

  • Традиционный. Наиболее простой тип турбокомпрессора. Его устройство и принцип действия описаны выше.
  • С изменяемой геометрией. В этой разновидности устройства регулировка объема поступающих на турбинное колесо отработавших газов осуществляется не за счет впускного клапана, а за счет изменения положения лопастей колеса. Таким образом, удается максимально точно согласовать нагнетание воздуха в цилиндры и количество оборотов. Чаще всего подобная конструкция используется на дизельных моторах. Однако ее применяют и на бензиновых (обычно на гоночных автомобилях).
  • Раздельный (также его называют twin-scroll). Отличительная особенность этой разновидности турбины заключается в том, что на крыльчатку отработавшие газы поступают сразу несколькими путями. Обычно для этого используется пара трубок (по 2 на каждую пару цилиндров). Одна из них предназначена для быстрого реагирования прибора, а вторая – для постоянного поддержания мощности двигателя на достаточном уровне.
  • Электрический. В отличие от всех остальных разновидностей турбокомпрессоров, электрический работает на за счет выхлопных газов, а от электродвигателя. Он, в свою очередь, запитывается от бортовой электросети транспортного средства. Подобная конструкция позволяет максимально эффективно регулировать нагнетание воздуха в цилиндры – ведь теперь оно не зависит от давления отработавших газов. Чаще всего сегодня электрокомпрессоры устанавливают на гибридные авто.
  • Гибридные. Отличается тем, что представляют собой смесь традиционного и электрического компрессора. Основную часть воздушного потока генерирует именно турбина. Однако если его недостаточно, начинает работать электрический нагнетатель и помогает турбокомпрессору. В результате удается добиться максимально стабильной работы приспособления.
  • Механический. Строго говоря, этот тип нагнетателя не является турбинным, хотя и выполняет ту же самую функцию. Он работает не за счет выхлопных газов, а за счет энергии двигателя. Она передается с карданного вала посредством приводного ремня. Главный недостаток устройств, созданных по этой схеме, заключается в том, что они отнимают часть полезной энергии у мотора и в целом менее эффективны, чем турбины.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

«Симптомами», которые могут говорить о неисправности прибора, могут быть следующие проявления:

  • существенное снижение мощности двигателя машины;
  • падение скорости;
  • появление черного или синего дыма из выхлопной трубы;
  • шум при работе мотора.

Среди наиболее распространенных неисправностей можно выделить следующие.

  • Утечка воздуха или отработавших газов. Может происходить как из корпуса прибора, так и из патрубков. Приводит к недостаточной силе нагнетания воздуха в цилиндры и потере мощности. Проблема решается заменой прокладок или прибора целиком.
  • Засорение или поломка клапана. Вызывает недостаточную подачу воздуха и потерю мощности мотора. Проблему решают путем чистки клапана или его замены.
  • Утечка масла в турбину. Смазка компрессора осуществляется за счет общей системы смазки двигателя. Если масло начнет попадать в корпус приспособления, то начнет сгорать в цилиндрах. Это приводит к снижению КПД двигателя и появлению синего дыма. Проблему решают путем устранения неисправности системы смазки.
  • Нарушение вращения ротора. Вследствие ослабления креплений или поломки подшипников может нарушиться свободных ход вала, из-за чего эффективность прибора также упадет. Проблему решают путем подтяжки всех крепления или замены подшипников.

Также следует иметь в виду, что поломка может произойти из-за физического износа устройства, который происходит по окончании срока службы. Он в среднем составляет 150 – 200 тысяч километров пробега.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Pinterest

novinki-krossoverov.ru

Автомобильный турбокомпрессор: принцип работы и назначение

С момента появления двигателя внутреннего сгорания и использования его на автомобильном транспорте, конструкторы бились обеспечением максимально возможно выхода мощности при минимальных переработках силовой установки.

Назначение автомобильного турбокомпрессора

data-full-width-responsive="true">

Принцип работы турбокомпрессора

На данный момент решением данной проблемы является использование турбокомпрессора, он же турбонаддув, турбонагнетатель. Суть работы данного устройства – обеспечение повышенного давления воздуха, подаваемого в цилиндры силовой установки. Благодаря применению турбокомпрессора конструкторам удалось повысить выходную мощность без надобности в конструктивном изменении двигателя, увеличении объема камер сгорания и оборотов коленчатого вала. При этом потребление топлива у турбированного мотора будет ниже за счет более полного его сгорания в цилиндрах.

Турбокомпрессор на данный момент устанавливается и на бензиновые, и на дизельные моторы. Но при этом установка нагнетателя более эффективна на дизельных установках. Связано это с особенностями работы такого мотора – у дизеля степень сжатия в цилиндрах почти вдвое больше, чем у бензиновых, а скорость вращения коленчатого вала – меньше.

Риск использования нагнетателя на бензиновом моторе связан с возможным образованием детонационного сгорания в цилиндрах из-за резкого возрастания количества оборотов коленчатого вала. При этом в бензиновом моторе наддув работает в более жестких температурных условиях. Температура отработавших газов в бензиновом моторе выше, чем у дизеля, а поскольку наддув использует энергию отработанных газов, то у бензинового агрегата нагнетатель больше разогревается.

Существующие турбонаддувы могут конструктивно отличаться, но все они включают в себя определенные составные части.

Конструкция турбокомпрессора

Принцип работы системы турбонаддува

Турбонаддув включает в свою конструкцию воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельную заслонку, турбокомпрессор, интеркулер (охладитель наддувочного воздуха), впускной коллектор и элементы управления. Все эти элементы связаны между собой патрубками и напорными шлангами.

Основным элементом всей этой системы является турбокомпрессор, поскольку он обеспечивает нагнетание воздуха под давлением в систему. Состоит он из двух колес, посаженных на один ротор. Корпус компрессора состоит из двух камер, в каждую из которых помещено свое колесо.

Автомобильный турбокомпрессор в разрезе

Первое колесо компрессора – турбинное. Оно воспринимает на себя энергию отработавших газов и через ротор передает его на другое колесо. То есть, турбинное колесо является ведущим. Поскольку оно работает с разогретыми газами, то изготавливается это колесо, и также его камера из жаропрочных материалов.

Второе колесо – компрессорное. Оно получает вращение от ведущего колеса и является ведомым. Данное колесо засасывает через воздухозаборник воздух, сжимает его, повышая давление, и перепускает его дальше.

Свободное вращение ротора обеспечивается наличием подшипников скольжения. Данные подшипники – плавающие, то есть между ними, ротором и корпусом обеспечивается зазор. Смазка этих подшипников производится от системы смазки мотора. Чтобы масло не вытекало наружу, и не попадало в воздух или обработанные газы, в конструкции используются уплотнительные кольца.

1 – крыльчатка турбины; 2 – крыльчатка компрессора; 3 – вал; 4 – подшипниковый узел; 5 – штуцер подачи масла; 6 –регулятор. давления наддува.

В большинстве турбонаддувов используется воздушная система охлаждения, но на некоторых бензиновых двигателях встречается и жидкостная система охлаждения компрессора, входящая с состав системы охлаждения двигателя.

Интеркулер включен в систему турбонаддува для обеспечения охлаждения сжатого воздуха. Во время работы турбокомпрессора воздух разогревается, что приводит к снижению его плотности. При охлаждении плотность снова возрастает и повышается давление. Интеркулер представляет собой обычный радиатор. Он может охлаждать воздух как при помощи воздушного, так и жидкостного охлаждения. После интеркулера воздух подается во впускной коллектор, а затем уже – в цилиндры.

В турбонаддув входят элементы управления, которые обеспечивают правильное функционирование. Главным элементом управления является регулятор давления. Данный регулятор представляет собой перепускной клапан. Этот клапан регулирует количество подаваемых отработанных газов на турбинное колесо. Данный клапан работает на основе показаний датчика давления наддува, входящий в систему управления двигателем. Этот клапан обеспечивает подачу только необходимого количества отработанных газов, остальные пуская в обход турбокомпрессора.

Также в систему управления турбонаддува могут входить еще один клапан– предохранительный, который устанавливается за компрессором. Он обеспечивает защиту от возможных скачков давления в системе при резком закрытии дросселя. Этот клапан может либо стравливать избыток давления, либо перегонять лишний воздух на вход в турбокомпрессор.

Принцип работы турбокомпрессора и его недостатки

Видео: Принцип работы турбокомпрессора (турбины)

Принцип работы турбонаддува достаточно прост: выхлопные газы поступают в камеру турбинного колеса и заставляет его вращаться. Вращаясь, он чрез ротор приводит в движение турбокомпрессор. Тот в свою очередь засасывает воздух, сжимает его и подает в интеркулер для охлаждения. После прохождения интеркулера воздух под давлением подается во впускной коллектор. Работа наддува контролируется и регулируется регулятором давления, который дозирует количество отработанных газов, поступающих в камеру турбинного колеса. Благодаря этому осуществляется возможность изменения производительности турбонаддува в зависимости от вращения коленчатого вала.

Но такая конструкция имеет один существенный недостаток – при резком открытии дроссельной заслонки турбонаддув не успевает обеспечить необходимое количество воздуха для подачи в цилиндры. Для этого ему требуется определенное время. Выливается это в образование негативного эффекта, который получил название «турбояма». То есть, водитель резко нажимает на педаль газа, рассчитывая резко ускориться, но из-за нехватки воздуха ускорения сразу не происходит. Автомобиль начнет набирать обороты только после того, как наддув обеспечит необходимое количество воздуха. Вслед за «турбоямой» возникает еще один негативный эффект – «турбоподхват». Происходит он после «турбоямы» и сопровождается увеличенным давлением в турбонаддуве из-за интенсивной работы компрессора.

Для решения проблемы появления существует несколько способов. Первый из них – использование комбинированного наддува (состоящего из механического нагнетателя и турбонагнетателя). На начальном этапе при резком нажатии на педаль газа давление в выпускном коллекторе обеспечивает механический нагнетатель, работа которого не зависит от выхлопных газов, после в работу вступает турбонагнетатель, а механический отключается.

Видео: Устройство и неисправности турбины

Вторым способом преодоления «турбоямы» является использование двойного турбонаддува, так называемого «twin-turbo». Двойной турбонаддув обычно применяется на V-образных двигателях.

И третий способ – использование турбонаддува с изменяемой геометрией. В такой турбине воздушный поток оптимизируется за счет изменения площади канала, по которому подается воздух.

Неисправности и их диагностика

При своей достаточно простой конструкции, у турбокомпрессора может возникнуть большое количество неисправностей. Основными из них являются:

  • Утечка масла через уплотнительные кольца и попадание его в воздух, подаваемый в цилиндры;
  • Утечка воздуха в местах соединения патрубков;
  • Засорение канала отвода масла из компрессора;
  • Засорение подающего масляного канала;
  • Неисправности системы управления;
  • Трещины и деформация корпуса компрессора;
  • Засорение воздушного фильтра;

О многих возникших проблемах с работой турбонаддува могут просигнализировать выхлопные газы. Синий дым из трубы будет указывать на попадание масла в воздух, черный – на утечку воздуха, а белый – на засорение отводного масляного канала.

Также о неисправностях может рассказать сам двигатель и турбонаддув. Потеря динами разгона будет указывать на проблемы с управлением турбиной, свист при работе мотора будет сигнализировать об утечке воздуха между компрессором и двигателем, а деформация корпуса будет сопровождаться скрежетом.

Несмотря на свои недостатки и неисправности все больше автомобилей оснащаются турбокомпрессорами, поскольку данное устройство – действительно полезное.

avtomotoprof.ru

Устройство и принцип действия турбокомпрессора авто

Устройство и принцип действия турбокомпрессора направлены на увеличение давления топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.


Турбонаддув – принцип работы

Рассмотрим, принцип работы турбины на авто. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.

Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:
  • Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
  • Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
  • Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
  • Шарикоподшипникового картриджа;
  • Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.

Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют. Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.


Система охлаждения и устройство турбокомпрессора автомобиля

Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей — масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.

Охлаждение маслом

Достоинства:
  • Простая конструкция;
  • Удешевление турбокомпрессора.
Недостатки:
  • Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
    Высокая требовательность к составу масла;
  • Необходимость часто его менять;
  • Требовательность к контролированию температурного режима.

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.


В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:
  • Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
  • Превышение сроков замены масла;
  • Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Комплексное охлаждение турбины антифризом и маслом

Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток – усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.

Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.

Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу. Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.

Что такое интеркулер на авто?

При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер – вспомогательный охладитель воздуха.

Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность – задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.

Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.

Отличия твин турбо и битурбо

Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.


Твинтурбо – это система, в которой несколько одинаковых турбин соединены параллельно. Их задача – повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.

Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.

В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.

Последовательное соединение разных турбин получило название «битурбо».

Конструкция сделана так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина". Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.



Инновационные разработки

В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.


Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.

Также к инновационным разработкам относится система twinscroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.

При этом имеется два варианта реализации:
  1. Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twinturbo.
  2. Второй тип работает наподобие схемы biturbo – имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр – при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.

Сейчас  выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше . Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя, чистоту его выхлопа.

avto-partner.net

Принцип работы турбокомпрессора автомобиля - ПроТурбо

Принцип работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор – важнейшая составляющая часть двигателя современного автомобиля. Благодаря ему достигается существенный прирост мощности при незначительной массе самой детали. Как известно, принцип работы турбокомпрессора заключается в сильном сжатии подаваемого в двигатель воздуха и, соответственно, создании высокой мощности взрыва в цилиндрах двигателя. Благодаря турбокомпрессору в двигатель поступает на 50% больше объема воздуха, таким образом, сжигается больший объем топлива, что увеличивает мощность двигателя на 30-40% при тех же затратах топлива. Мотор, который имеет турбину, вырабатывает намного больше полезной энергии, чем не оснащенный ею.

Механизм состоит из таких основных элементов:

  • корпус турбины, в которой выхлопные газы вращают ротор;
  • корпус компрессора, который всасывает воздух, а затем с помощью ротора нагнетает его в систему впуска;
  • картридж между турбиной и компрессором, содержащий вал с крыльчатками ротора;
  • интеркулер, который охлаждает воздух перед нагнетанием его в цилиндры двигателя.

Принцип действия автомобильной турбины

Турбокомпрессор на двигатель крепится к выпускному коллектору.  Система турбокомпрессора заключается в том, что турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором.

Принцип действия автомобильной турбины заключается в сжатии воздуха, который поступает в цилиндры двигателя. Так возникает давление турбокомпрессора. Выхлопные газы из цилиндров вращают лопатки ротора и выходят через боковое отверстие в корпусе турбины в глушитель. Благодаря устройству турбины автомобиля ее ротор, находясь в специальном теплоустойчивом корпусе, превращает энергию потока отработавших газов в энергию вращения и перенаправляет её на компрессорный ротор.

С другой стороны вала ротор компрессора всасывает чистый атмосферный воздух из впускного тракта и направляет его под сильным давлением дальше во впускной тракт к цилиндрам мотора. Когда ротор компрессора вращается, воздух втягивается внутрь и сжимается, так как лопасти ротора вращаются с высокой скоростью. Корпус компрессора разработан таким образом, чтобы превращать поток воздуха, обладающий высокой скоростью и низким давлением, в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью с помощью процесса, называемого диффузией. В этом и заключается принцип действия автомобильной турбины.

Особенности функционирования

Оба эти ротора, турбинный и компрессорный, жестко закреплены на роторном валу, вращающемся на гидростатических подшипниках. Они поддерживают вал на тонком слое масла, которое постоянно подается для снижения трения и охлаждения вала. Для правильной работы подшипники скольжения должны быть покрыты пленкой масла. Зазоры подшипников очень малы, меньше толщины человеческого волоса.

В турбомоторах воздух, который поступает в цилиндры, приходится дополнительно охлаждать – тогда его сжатие можно будет сделать еще сильнее, закачав в цилиндры двигателя больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух легче, чем горячий. Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, от деталей турбонаддува. Поэтому перед попаданием в цилиндры двигателя сжатый воздух охлаждается в интеркулере. Интеркулер – это радиатор жидкостного или водяного охлаждения, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам двигателя. За счет охлаждения увеличивается плотность воздуха и, соответственно, закачать в цилиндры его можно больше.

Мощность турбины автомобиля такова, что ротор турбокомпрессора вращается со скоростью до 150 тыс. оборотов в минуту, что примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения автомобильного двигателя. Так как она соединена с выхлопной системой, температура в турбине также очень высокая. Работа турбокомпрессора заключается в том, что воздух поступает в компрессор при температуре окружающей среды, но при сжатии температура растет и на выходе из компрессора достигает 200°С.

На «самообслуживание» системы наддува тратится немного энергии от двигателя – всего лишь около 1,5%. Это происходит потому, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов за счет их охлаждения. Кроме этого, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объема большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Все это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными аналогами такой же мощности.

В последнее время популярность турбокомпрессоров резко возросла. Они оказалось перспективнее не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Если вы хотите купить турбокомпрессор с доставкой – вы обратились по адресу. На нашем сайте можно сделать заказ, а также узнать характеристики турбокомпрессора и характеристики турбины для модели своего автомобиля.

www.proturbo66.ru

описание, устройство, особенности :: SYL.ru

Для того, чтобы увеличить мощность и крутящий момент двигателя, человечество придумало массу устройств и агрегатов. Самый простой метод – пойти на увеличение объема камеры сгорания. Чем больше топлива попадет в цилиндр, тем больше произведется полезной работы. Но здесь возникают проблемы. Во-первых, размеры такого мотора могут быть запредельными, а во-вторых, эксплуатация такого ДВС ввиду высокого расхода топлива будет нерентабельной. Поэтому в последнее время все чаще автопроизводители оснащают свои машины турбиной. Что это за элемент. и в чем заключается принцип работы турбины? Узнаем подробно в нашей статье.

Характеристика

Турбина – это элемент впускной системы двигателя, который служит для увеличения давления воздуха за счет применения энергии отработавших газов. Благодаря ее работе, возрастает масса воздуха в камере сгорания.

Это позволяет ускорить такты работы двигателя и увеличить его крутящий момент. Также отметим, что первые турбины имели механический привод. Принцип работы такой турбины заключался в преобразовании энергии от коленчатого вала. С последним элемент соединялся путем ременной передачи. Но вскоре такие агрегаты перестали использоваться. Сейчас все производители применяют газовую турбину, принцип работы которой позволяет увеличить КПД двигателя на 80 процентов вместо 30.

Где используется

В основном, такой агрегат можно встретить на современных автомобилях. Но используется данный нагнетатель не на всех ДВС. Сдерживающим фактором применения турбины на бензиновых моторах является высокая степень детонации. Она связана с увеличением частоты вращения ДВС и огромной температурой выхлопных газов (до тысячи градусов). Ввиду этого часто используется турбина на дизельном двигателе. Принцип работы такого ДВС несколько иной. Здесь меньший риск детонации, а температура газов не превышает 600 градусов. Особенно часто компрессоры встречаются на коммерческом транспорте. Невозможно представить современный автобус или магистральный тягач, не оснащенный такой турбиной. Если говорить о марках, то турбина устанавливается на следующие авто:

  • «Фольксваген».
  • «Мерседес».
  • «Вольво».
  • «Мазда».
  • «Ауди».
  • «Рено».
  • «Тойота».

Есть и другие сферы, где применяется подобный элемент. Например, это электростанции и ДВС кораблей. Но здесь используется уже паровая турбина, принцип работы которой мы рассмотрим немного позже.

Недостатки

Почему данный элемент присутствует не на всех двигателях внутреннего сгорания? В первую очередь, применение турбины увеличивает себестоимость производства авто. Помимо самой улитки, требуется еще ряд других элементов.

К тому же, для работы с турбиной двигателю нужна другая более крепкая поршневая система и блок. Это тоже влечет за собой дополнительные расходы. Также среди недостатков можно отметить так называемую турбояму (когда мотор не может набрать обороты за нужное время). Причинами данного явления является инерционность компрессора.

Конструкция

Итак, давайте рассмотрим устройство и принцип работы турбины. А состоит данный элемент из трех основных составляющих:

  • Центрального корпуса.
  • Центробежного компрессора.
  • Улитки.

В конструкцию последней входит турбинное и компрессорное колеса, вал ротора, подшипники скольжения и уплотнительные кольца. Все это заключено в крепкий металлический термостойкий корпус. Поскольку принцип работы турбины двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов, горячая часть улитки может раскаляться до тысячи и более градусов Цельсия.

Вспомогательные элементы

Поскольку турбина входит в состав впускной системы, ее работа невозможна без использования воздушного фильтра, дроссельной заслонки, а также интеркулера.

Последний призван охладить кислород, который нагнетается в камеру под давлением. Чем холоднее воздух в интеркулере, тем лучше сгорает смесь в цилиндрах. Также в конструкции не обходится без соединительных и масляных шлангов.

Как работает

Стоит отметить, что принцип работы турбины на бензиновом двигателе такой же, как и на дизельном. Во время работы ДВС вырабатываются выхлопные газы. Они поступают в корпус (горячую часть улитки), где двигаются по лопаткам турбинного колеса. Последнее раскручивается до невероятных скоростей – 100 и более тысяч оборотов в минуту. Поскольку турбинное колесо жестко соединено с валом, крутящий момент передается на вторую холодную часть турбины. Та, в свою очередь, начинает захватывать кислород из атмосферы. Он проникает внутрь после того, как пройдет через фильтр. Далее воздух под давлением попадает во впускной коллектор, где смешивается с топливом и проникает в камеру сгорания. В качестве материалов для корпуса турбины используются жаропрочные марки стали и железоникелевый сплав.

Производительность компрессора зависит от ее формы и габаритных размеров. Чем больше ее диаметр, тем больше воздуха засасывается во впускной коллектор. Но нельзя постоянно увеличивать размеры компрессора. Это может привести к турбозадержке. Малая турбина раскручивается значительно быстрее до номинальной скорости. Но на пике имеет меньшую производительность. Поэтому размеры и форма элемента подбираются строго индивидуально для каждого ДВС. Нельзя установить агрегат от бензинового авто на дизельный, и наоборот. Хоть и имеет одинаковый принцип работы турбина, действовать она будет иначе на разных авто.

Важный момент: для регулирования давления наддува в конструкции предусмотрен специальный перепускной клапан. Он имеет пневматический привод, а управляется ЭБУ двигателя.

Система смазки

Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Но не стоит думать, что эта система нужна только для смазки. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому, достигается лучшее охлаждение, но такая конструкция значительно сложнее и дороже в производстве.

Дабы избавиться от турбоямы, производители постоянно совершенствуют конструкцию турбины на дизеле. Принцип работы ее остается прежним, но меняются следующие моменты:

  • Масса компрессора. Турбина изготавливается из одновременно легких и прочных материалов (например, из керамики).
  • Конструкция подшипников. Чем меньше потери на трение, тем выше производительность турбины. Колесо легче раскручивается до номинальных значений.

Типы турбин

На данный момент существует несколько популярных типов компрессоров:

  • Раздельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Сделано это для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
  • Компрессор с переменным соплом. Также он известен, как турбина с изменяемой геометрией. Применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Паровая турбина

Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

В заключение

Итак, мы выяснили принцип работы дизельной турбины, а также бензиновой и паровой. Как видите, данные элементы устанавливаются с единой целью – выработать полезный крутящий момент. В случае с автомобилями он тратится на подачу воздуха под давлением во впуск. А на электростанциях турбина необходима для работы генератора, что вырабатывает ток.

www.syl.ru

Предназначение турбонаддува, его устройство и как он работает

Турбонаддув – это такой способ агрегатного наддува, при котором подача воздуха в цилиндры двигателя происходит под давлением, нагнетаемым действием энергии отработавших газов. Сегодня такой метод – самый эффективный, призванный увеличивать мощность двигателя, не повышая объёма его цилиндров и частоты вращения коленчатого вала.

Кроме этого, использование турбонаддува даёт экономию топлива в соотношении расхода к мощности и уменьшает токсичность отработавших газов, осуществляя более полное сгорание топлива.

Применение турбонаддува

Применение система турбонаддува находит на обоих типах двигателей – и на бензиновых, и на дизельных. Однако на последних она гораздо эффективнее за счёт их более высокой степени сжатия и сравнительно небольшой частоты вращения коленчатого вала.

Использование же турбонаддува для бензиновых двигателей ограничено, во-первых, вероятностью наступления детонации, обусловленной значительным увеличением оборотов двигателя, а во-вторых, перегревом турбонагнетателя из-за повышенной температуры отработавших газов – около 1000°С, в то время как у дизелей она составляет порядка 600°С.

Устройство

Основная часть компонентов турбонаддува – это типовые элементы впускной системы. Присутствие же в системе турбокомпрессора, интеркулера и конструктивно новых элементов управления становится отличительной особенностью именно турбонаддува.

Хотя конструкции отдельных систем турбонаддува и различаются, можно обозначить их общие компоненты. Помимо вышеперечисленных турбокомпрессора, интеркулера и элементов управления это воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельная заслонка, впускной коллектор, напорные шланги и соединительные патрубки, а в некоторых системах ещё и впускные заслонки.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — главный конструктивный компонент системы турбонаддува. Он нагнетает воздух во впускную систему.

Его устройство выглядит следующим образом:

Устройство турбонагнетателя:
1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо, находясь в специальном теплоустойчивом корпусе, превращает энергию потока отработавших газов в энергию вращения и перенаправляет её на компрессорное колесо. С его помощью воздух всасывается, сжимается и подаётся в цилиндры двигателя. Оба эти колеса жёстко закреплены на роторном валу, вращающемся на подшипниках скольжения плавающего вида. Интеркулер является радиатором жидкостного или воздушного типа. Он охлаждает сжатый воздух, увеличивая его плотность и давление.

Главный элемент управления системой турбонаддува – это регулятор давления наддува, он, по сути, является перепускным клапаном (wastegate). Его задача – ограничивать энергию отработавших газов и направлять часть их потока в обход турбинного колеса. Таким образом, достигается оптимальная величина давления наддува. Привод перепускного клапана – электрический или пневматический. Для его срабатывания система управления двигателем подаёт сигнал от датчика давления наддува.

Как работает турбонаддув

Принцип работы турбонаддува берёт за основу использование энергии отработавших газов. Их струя заставляет вращаться турбинное колесо, передающее вращение через роторный вал компрессорному колесу. С помощью последнего происходит сжатие воздуха и его нагнетание в систему.

Принцип работы турбонаддува

Интеркулер охлаждает воздух, нагретый при сжатии, после чего тот подаётся в цилиндры двигателя.

Хотя система турбонаддува и не связана жёстко с коленчатым валом, её эффективность напрямую зависит от частоты оборотов двигателя. Увеличение оборотов коленчатого вала ведёт к повышению энергии отработавших газов и, соответственно, частоты вращения турбины, что влечёт за собой более интенсивное поступление воздуха в цилиндры двигателя.

О отрицательных особенностях турбонаддува

Конструкция системы турбонаддува обуславливает некоторые отрицательные особенности, возникающие при её работе.

Одна из них – эффект «турбоямы» (turbolag): при резком нажатии на педаль акселератора увеличение мощности двигателя происходит с задержкой. Причина этого в инерционности системы: нужно определённое время для увеличения давления в наддуве, если на газ нажали резко. Избежать этой ситуацию становится возможным, либо применяя турбину с изменяемой геометрией, либо используя два турбокомпрессора, работающих параллельно или последовательно (bi-turbo или twin-turbo), либо задействовав комбинированный наддув.

Второй неприятный момент – это «турбоподхват»: вслед за преодолением «турбоямы» происходит резкое увеличение давления в наддуве.

Турбина с изменяемой геометрией или VNT турбина, способна оптимизировать движение потока отработавших газов, меняя размер входного канала. Наиболее распространены такие турбины в серийных системах турбонаддува дизельных двигателей известных автопроизводителей (например, TDI у Volkswagen).

Турбонаддув с двумя параллельно работающими турбокомпрессорами находит большее применение для мощных V-образных двигателей. При этом на каждый ряд цилиндров двигателя работает свой турбокомпрессор. Выигрыш получается за счёт распределения инерции с одной большой турбины на две маленькие.

В случае установки двух турбин в последовательном режиме выигрыш производительности достигается путём работы разных турбокомпрессоров для разных значений оборотов двигателя. Изредка встречаются случаи установки трёх турбокомпрессоров последовательно (triple-turbo, например, у BMW), ещё реже – четырёх (quad-turbo у Bugatti).

При комбинированном наддуве (twincharger) совместно используется турбонаддув и механический наддув. Сжатие воздуха при низких оборотах коленчатого вала происходит с помощью механического нагнетателя. С увеличением оборотов в работу включается турбокомпрессор, а при достижении их определённой частоты работа механического нагнетателя прекращается (например, TSI у Volkswagen).

Видео — как работает турбина:

Применение турбонаддува особенно эффективно для дизельных двигателей мощных грузовиков: расход топлива увеличивается ненамного, зато мощность двигателя и крутящий момент заметно повышаются.

Турбокомпрессоры, наиболее мощные в пропорции к мощности двигателя, применяются для дизелей тепловозов. По абсолютному же значению, самые мощные турбокомпрессоры устанавливаются в судовые двигатели (до десятков тысяч киловатт).

Загрузка...

avto-i-avto.ru

Теория турбонаддува — DRIVE2

Кто из автолюбителей не слышал волшебное слово "турбо"? Звенит в ушах, воображение рисует нечто мощное, стремительное. На этом фоне как-то скучно звучат термины "механический компрессор" или, хуже того — "объемный нагнетатель". На деле — не совсем так. Или совсем не так.

Какой водитель не мечтал о том что бы в его автомобиле жило намного больше лошадок под капотом чем есть. Если кто-то заявит, что он не из таких, то наверняка слукавит. Благо последнее время данную проблему довольно легко решить, вариантов увеличения мощности двигателя, да и комплектующих как грязи. В нашу жизнь плотно вошло слово "тюнинг" и многие тюнинговых ателье берутся сделать с вашим любимцем все, что угодно.

В русский язык с давних пор вошел термин "форсировка" (от английского force — сила), который означает "увеличение мощности". Стоит вспомнить, что мощность двигателя напрямую связана со следующими его основными параметрами:

— рабочим объемом цилиндров;

— количеством подаваемой топливо-воздушной смеси;

— эффективностью ее сжигания;

— энергетической "заряженностью" топлива.

Стоит заметить, что есть ещё несколько вариантов увеличения мощности — полировка впускного/выпускного каналов, применение фильтров нулегого сопротивления, применение прямоточной системы выхлопа, изменение параметров программного обеспечения (чип-тюнинг), расточка цилиндров или переходе с бензина на "нитру" (закись азота).

Перечисленные решения позволяют увеличить мощность, но не существенно, раз ве что это не касается "нитроса". Кардинальное решение одно — увеличение подачи топливо-воздушной смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит "просто так", для этого нужен воздух (кислород) — во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом увеличить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится — его возможности по всасыванию воздуха ограничены (даже при применении фильтров с нулевым сопротивлением). Поэтому и появились те самые "турбо", "компрессоры" и "нагнетатели". Они разные, и дают разные результаты.

Для начала немного теории:

Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный — на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах — еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном — тогда горючей смеси (для дизелей — воздуха) в цилиндре "поместится" больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, станет выше; вырастет и общая мощность двигателя.

Для этих целей было придумано довольно много решений, но распространение получили не многие. 1. Роторный нагнетатель Roots.

Создан Фрэнсисом Рутсом еще в 1860 году. Первоначально использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть конструкции: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые "шестерни", помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель — Итон — усовершенствовал конструкцию: прямозубые "шестерни" превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился — воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название — объемный нагнетатель, а не компрессор.

2. Спиральный компессор Lysholm.

Автор идеи — немецкий инженер Кригар, время рождения — конец позапрошлого века, первоначальное назначение — промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Алфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне — если не снимать кожух — очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вращающиеся навстречу друг другу перекачивают объемы воздуха вдоль осей, но сильно лихо закручены. Сечения роторов намного сложнее, они разные. Самое главное: шаг закрутки роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается — воздух сжимается. Поэтому Lysholm — не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор.

3. Центробежный компрессор

(устоявшегося "фирменного" названия не имеет). В корпусе-улитке вращается крыльчатка сложной формы. Воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. По этому это не просто нагнетатель, а тоже компрессор.

4. Турбокомпрессор, оно же турбонагнетатель.

По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо", пусть даже и "би…", и "твин…". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов, так сказать, по второй производной. Для данной конструкции присуща замедленная реакция на быстый "подхват".

Как следует из определения, механический нагнетатель/компрессор — роторный, спиральный или центробежный — имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное в том, что обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала.

Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm

Нагнетатель Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики, обороты компрессора увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, равномерно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные — их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя.

Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин. (Стоит заметить что компания Mercedes-Benz одна из первых начала использовать компрессора в своих автомобилях, при чем предпостение они отдали имено роторным конструкциям.)

Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления — компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители — шведские компании Lysholm и Autorotor. Более известные потребителю фирмы Kleemann, Whipple и пр. в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочевку…

Механический центробежный компрессор

Механический центробежный компрессор конструктивно наиболее прост и компактен, из-за чего весьма популярен — у американских "самодельщиков". Правда, тут требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон — до 100.000 об./мин.). Производительность нелинейная — чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь повыше можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, но лишь в довольно узком диапазоне оборотов. Следовательно, понадобится коробка со сближенным рядом и постоянная активно-утомительная работа ее рычагом…

Турбокомпрессор/турбонагнетатель.

Турбокомпрессор, по большому счету — тот же центро-бежный компрессор, но с принципиально иным приводом. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Явное достоинство: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус — инерционность: "вдавил" резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя — и наконец, "пойдет" воздух. Но с этим явлением, именуемым "турбо-яма" (по-английски "turbo-lag", что правильнее было бы перевести как "турбо-задержка" или "турбо-пауза"), научились бороться…

Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, под капотом "поселились" два перепускных клапана: один — для отработавших газов, а другой — чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды — время закрытия клапана.

В последнее время стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея эта, опять-таки, давняя, а вот воплотить ее долго не могли; в качестве примера назовем новейший агрегат наддува "опелевских" дизелей "Экотек".

Еще одна проблема использования тубин — это их небольшой срок жизни, хотя в последнее время удалось значительно увеличить это время. Как уже упоминалось, частота вращения ротора турбины должна быть очень велика. До 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли только недавно, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ — и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно удивления не применение керамики — подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! На очереди — металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции.

По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор вроде бы схож с механическим центробежным. Но "опосредствованная" система привода позволяет подстраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно "маломерных" двигателях Volvo, Volkswagen или Saab — это ли не примеры.

Что касается "битурбо" и "твинтурбо" вместо одной турбокомпрессорной установки используются две — параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном надду-ве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристики.

Дело в том что ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне порезче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Итак, турбину следует сделать как можно меньше по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается увеличивать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в паралель.

Система Интеркуллер.

Вы скорее всего

www.drive2.ru


Смотрите также



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