Назначение, устройство и работа турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор

описание, характеристики, принцип работы и фото

Каждый автомобилист знает, что двигатели внутреннего сгорания по своему устройству и принципу действия разделяются на атмосферные и турбированные. Но не все понимают, в чем разница между этими силовыми агрегатами. Давайте рассмотрим, чем отличается двигатель турбо, как он устроен и как работает. Познакомимся с этими моторами на примере современных агрегатов группы VAG.

Бензиновые турбомоторы

Бензиновый турбомотор – это двигатель внутреннего сгорания с искусственно повышенной за счет турбины степенью сжатия в камерах. Повышение данного показателя дает увеличение мощности и других технических характеристик. Еще с момента создания первого двигателя внутреннего сгорания инженеры пытались прибавить мощность без существенного изменения рабочего объема ДВС.

На первый взгляд это решение было практически на поверхности – нужно было помочь мотору более эффективно «дышать». Это бы позволило получить лучшие характеристики сгорания топливной смеси. Обеспечить это можно за счет дополнительной подачи воздуха. Значит, необходимо подавать его в цилиндры принудительно, под давлением. Благодаря дополнительному объему воздуха топливо будет полностью сгорать, что и поможет увеличить мощность. Но внедрялись данные технологии очень медленно. В самом начале турбокомпрессорное оборудование использовалось только для больших моторов кораблей и авиации.

История бензиновых турбированных ДВС

Первый двигатель турбо был установлен еще в прошлом веке. Впервые автомобильные турбированные ДВС начали выпускать в 1938 году. В начале 60-х в США стали производить и первые моторы с турбиной для легковых авто. Это автомобили Oldmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza. При всех своих характеристиках двигатели не отличались высокой надежностью и износостойкостью.

Начало популярности

Популярными ДВС с турбокомпрессором стали в 70-х годах. Тогда их стали массово устанавливать на спортивные авто. Но в гражданских автомобилях двигатель турбо не стал популярным из-за высокого расхода топлива. Этим недостатком отличались все турбированные бензиновые двигатели той эпохи. А ведь расход топлива был очень важен в тот период. Это время пришлось на нефтяной кризис в 70-х годах.

Устройство бензиновых турбо-ДВС

Алгоритм работы бензинового турбированного силового агрегата заключается в применении специального компрессора. Задача последнего – нагнетать в камеры сгорания дополнительный объем воздуха. За счет улучшения наполнения цилиндров смесью воздуха и топлива растет среднее эффективное давление за цикл и повышается мощность. В качестве привода системы турбонаддува применяются отработанные газы, энергия которых делает полезную работу.

Современный компрессор представляет собой корпус с подшипниками, колесо, перепускной клапан, корпус турбины. В последнем имеются каналы для движения смазки. Также присутствует в конструкции вал ротора, подшипники скольжения, компрессор, пневматический привод перепускного клапана. В корпусе, где монтируются подшипники, установлен ротор. Он представляет собой вал с закрепленными на нем турбинным и компрессорным колесами. На последних имеются лопасти. Данный ротор может вращаться за счет подшипников скольжения. Для их смазки и охлаждения поступает масло из смазочной системы двигателя. Чтобы корпус подшипников дополнительно охлаждался, используются также и каналы охлаждающей жидкости. Данный элемент компрессора изготовлен в форме улитки.

Принцип действия

Патрубок турбины соединен с выпускным коллектором. А компрессорный – с впускным. Как уже было замечено, турбокомпрессор приводится в действие за счет энергии отработанных газов. Они при попадании в турбину вращают ротор, отдавая тем самым энергию. Далее через приемную трубу газы попадают в выхлопную систему.

Колесо компрессора и «улитки» установлены на одном и том же валу. За счет вращения турбины компрессорное колесо всасывает воздух из воздушного фильтра и нагнетает его в камеры сгорания. В зависимости от уровня наддува устройство может повысить силу давления от 30% до 80%. При помощи этого двигатель с одним и тем же объемом может принимать смесь в больших количествах. Именно за счет этого мощность агрегата повышается от 20% до 50%. Выхлопные газы и их энергия в значительной мере повышают КПД мотора.

Турбодизельные агрегаты

Примерно так же устроен и двигатель турбо (дизель). Принцип действия турбокомпрессора не отличается от бензинового. Единственное отличие – наличие интеркулера. Это специальный механизм, который охлаждает воздух, прежде чем он попадет в цилиндры. Объем холодного воздуха меньше, чем теплого. Это значит, что холодный воздух можно «затолкать» в цилиндр в большем количестве.

Двигатели TSI

Эти агрегаты устанавливаются на современные модели автомобилей от «Фольксваген», «Ауди» и «Шкода». Все они относятся к одному концерну. Производители утверждают, что это моторы нового поколения, в которых удачно сочетаются мощность и экономичность. В случае с обыкновенным классическим ДВС при малом объеме, особой мощности от него ждать не приходится. Если вес автомобиля равен одной тонне, а двигатель маломощный, это приведет к высокому расходу топлива из-за малой динамики и работы на высоких оборотах.

Двигатель с большим объемом имеет высокий расход за счет увеличенной камеры сгорания. Турбо-двигатели («Шкода Октавия», «Фольксваген» и «Ауди») – это настоящее чудо инженерной мысли. В данных силовых агрегатах сочетается скромный расход топлива и достаточная мощность при сравнительно небольшом объеме.

TSI: устройство

По объему эти агрегаты могут быть различными. Так, производят ДВС на 1,2; 1,4; 1,6 л. А также двигатель 1,8 турбо, 2,0 л. Мощность мотора растет за счет большего объема. И это верное решение. А дальше поговорим об отличиях.

Турбированный и компрессорный

TSI – это одновременно и турбированный, и компрессорный агрегат. Специалисты группы VAG применили такую конструкцию, чтобы решить стандартную проблему мотора. Это провалы на небольших оборотах двигателя. Если рассматривать классические турбодвигатели, то «улитка» функционирует за счет отработанных газов. Сила давления при работе на небольших оборотах не дает возможности нагнетателю создавать нужное усилие и подавать в камеры сгорания достаточное количество воздуха.

На двигатель 1,8 турбо («Фольксваген») устанавливается компрессор. Он не дает падать мощности. Максимальный крутящий момент в обыкновенном атмосферном двигателе находится на уровне около 5000 об./мин. В случае с моторами TSI максимум крутящего момента пребывает в диапазоне от 1500 об./мин до 4500 об./мин. Это рабочий интервал, который используют большинство водителей. В моторах TSI за счет применения двух турбин создается давление до 2,5 Бар.

Компрессор

Данный узел функционирует от отдельного привода ременного типа. Он отличается высоким передаточным числом. Включается компрессор только тогда, когда водитель нажмет на газ. На оборотах, близких к холостым, давление составляет 0,8 BAR – это достаточно много. За счет этого получаются отличные динамические характеристики. Так работает двигатель «Ауди» 1,8 турбо с TSI. Прошлое поколение этих моторов не оснащено компрессором. Здесь имеется только турбина.

Турбированный двигатель 1,8 от «Фольксваген»

Этот агрегат присутствует на рынке порядка 20 лет. Данная модель ДВС очень популярна и дала старт спросу на моторы с турбонаддувом. Таким двигателем оснащались многие модели автомобилей от группы VAG. Дебют этой силовой установки состоялся в 1995 году.

Впервые двигатель («Фольксваген Пассат» б5) 1.8 турбо был установлен на Ауди «А4» (да, на них используют одинаковые моторы). Что касается характеристик, то существует несколько моделей мощностью в 150 и 210 лошадиных сил. В 2002 году создали мотор мощностью 190 «лошадей». Турбированный двигатель от «Фольксвагена» стал началом совершенно новой философии относительно бензиновых ДВС. Он дал хорошую производительность при сравнительно небольшом объеме за счет турбины. Преимуществом данного агрегата является умеренный аппетит.Модель «А4» от «Ауди» потребляет до 8 литров на 100 километров по трассе. В городских условиях расход топлива составляет не более 10 литров. За счет наличия 20 клапанов в ГБЦ и турбонагнетателя, инженеры «Фольксвагена» смогли получить более высокие показатели крутящего момента до того, как обороты достигнут отметки в 2 тысячи.

Так, в этом моторе объединена отличная эластичность, которая свойственна турбодизельным установкам, но при этом культура работы – бензиновая. Данный агрегат может быть также легко переоборудован на газ. Силовая установка является одной из лучших во всей линейке. Производительностью, умеренным расходом топлива и высокой надежностью может похвалиться двигатель. «Пассат» (1.8 турбо) не имеет никаких конструктивных недостатков агрегата. Даже сейчас, в эпоху современных TSI, равных этому мотору практически нет.

Турбодвигатели: преимущества и недостатки

Главный плюс, которым обладает турбомотор, – повышенная мощность. Это основная цель, которую удалось достичь без существенных изменений в конструкции. При одинаковых объемах с атмосферными моторами двигатель турбо может выдавать на 70% больше крутящего момента и мощности. Компрессор снижает процент вредных веществ в выхлопных газах. Двигатель, оснащенный турбиной, имеет значительно более низкий уровень шума. Эти силовые установки можно устанавливать на любые автомобили. Главный недостаток – высокий расход топлива. Объем воздуха увеличивается, растет и количество потребляемого топлива. Данную проблему инженеры решить не могут. Также к недостаткам относятся трудности в эксплуатации. Эти ДВС очень чувствительны к качеству горючего и масла. Дополнительно к минусам относят низкие сроки службы масла и очистительных фильтров. Мотор работает на повышенных оборотах. За счет этого масло быстрее теряет свои свойства.

fb.ru

История турбокомпрессора

История создания турбокомпрессора

16 ноября 1905 года швейцарский инженер Альфред Бюши (Alfred Büchi) получил патент № 204630 от Имперского Патентного бюро немецкого Рейха на проектирование «машины сгорания, состоящей из компрессора (компрессора высокого давления), поршневого двигателя и последовательной турбины». Альфред Бюши работал инженером в швейцарском городе Винтертуре. Его разработка заключалась не только в том, чтобы сжимать воздух, направленный в двигатель, а также использовать кинетическую энергию, образующуюся при выходе выхлопных газов под высоким давлением, которая просто тратится впустую. Таким образом он смог использовать выхлопные газы, выходящие в процессе сгорания, для работы турбины и в то же время позволяющие компрессору сжимать воздух и увеличить его объем в двигателе. Будучи главным инженером научно-исследовательского отдела компании Sulzer Brothers, Альфред Бюши в 1915 г. предложил первый прототип турбодизеля.

Хоть Бюши и первым догадался «сжимать» воздух на впуске в цилиндры при помощи кинетической энергии выхлопных газов, но первое известное практическое применение турбокомпрессора относится к 1910 году, когда экспериментами с газовым наддувом занялась американская фирма General Electric. Спустя десять лет ее турбонагнетателем был оснащен двигатель Liberty биплана Lepere, которому удалось подняться на рекордную по тем временам высоту — 10092 метра.Еще в 1917 г. ограниченное количество турбонагнетателей было испытано на авиационных моторах в условиях Первой мировой войны. Так французский инженер Огюст Рато с некоторым успехом оснащал турбонаддувом двигатели Renault установленные на различных французских истребителях.

В 1918 году, Сэнфорд Мосс, инженер General Electric, прикомандированных к армии США Air Service и человек с большим интересом к двигателям, считал, что решил проблему потери мощности двигателя на высоте. Вместо проверки своей идеи в воздухе, Мосс предложил тестирование турбокомпрессора на вершине горы. Для этого двигатель монтировался на грузовике и был испытан на горе Пайкс-Пик в Колорадо на высоте 14000 футов (4300 м). Турбокомпрессоры были впервые использованы в производстве авиационных двигателей в 1930-х до Второй мировой войны . Основная цель установки турбокомпрессоров на самолеты заключается в увеличении высоты, на которой самолет может летать, путем компенсации низкого атмосферного давления на большой высоте.

Не намного позднее турбины появились и на судовых дизелях. В 1923 году турбонаддув появился на судовых дизелях немецких пассажирских лайнеров Danzig и Preussen — мощность десятицилиндровых моторов за счет этого удалось поднять с 1750 до 2500 л.с.

Первый турбированный дизельный грузовик был изготовлен в " Schweizer Maschinenfabrik Saurer" (швейцарский машиностроительный завод Saurer) в 1938 году. До 1950 года турбины использовались преимущественно в промышленности, в судовых установках и в дизельных двигателях железнодорожных локомотивов. К 1950 году в США в различных двигателях работали более 20 тыс. турбонагнетателей.

В 50-х годах прошлого века компания Caterpillar Tractor Co. поручила компании Garrett, имеющей опыт в металлообработке, разработке уплотнений и подшипников создание системы наддува для двигателей тракторов. В 1953 году прототип турбины Garrett прошел все тесты, проработав безостановочно 1800 часов. Caterpillar заказал 5 тысяч этих турбин для своего нового гусеничного трактора D9. Garrett стал лидером не только американского, но мирового турбостроения того периода.

И, наконец, в конце пятидесятых годов с турбонагнетателями начали экспериментировать автоконструкторы. Одними из первых серийных машин с турбонаддувом стали Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire 1962 года. Но ненадежность американских турбомоторов надолго затормозила их развитие за океаном, и центр турбоисследований переместился в Старый Свет. В 1969 году на гоночной трассе дебютирует BMW-2002 с турбированным двигателем: 280 л.с. с двух литров рабочего объёма впечатляют даже сегодня! Добыть медали помешала ненадежность ТКР того времени: агрегат часто выходил из строя; тем не менее, потенциал идеи был продемонстрирован — в 1973 году на автосалоне во Франкфурте BMW представил уже дорожную версию 2002 turbo. Porsche ответил дорожным 911Turbo и гоночным 911CanAm с двигателем мощностью 1200 л.с.

В 1977 году турбокомпрессором стали оснащать двигатели шведских автомобилей Saab 99 Turbo. Чуть позже начали появляться первые легковушки с турбодизелями: Mercedes-Benz 300 SD (1978 г.), Volkswagen Golf Turbodiesel (1981 г.).

Массовое увлечение наддувом в Америке начинается в конце 70-х в связи с угрозой мирового топливного кризиса. Правительство ввело строгие требования, обязывающие автопроизводителей разработать экономичные двигатели небольшого объема и, чтобы придать этим двигателям резвость былых мощных агрегатов, автопроизводители начали в массовом порядке устанавливать на моторы нагнетатели. В начале 80-х каждая крупная компания имела в своем модельном ряду автомобиль с наддувом. В середине 80-х началось массированное наступление японских производителей на американский рынок. Под капотом автомобилей, даже сделанных в США, все чаще можно было увидеть на турбинах логотипы Mitsubishi, Hitachi, IHI...

Сегодня турбонаддувом оснащаются практически все дизельные моторы. Появилось множество вариаций турбокомпрессоров: с двумя входными отверстиями на одну крыльчатку турбины (twin-scroll), с двумя турбинами (первое применение — Porsche 959, 1987 г.), с турбинами переменной геометрии, в которых специальными подвижными направляющими «дозируется» давление выхлопных газов на крыльчатку, из-за чего двигатель становится более отзывчивым и тяговитым на малых оборотах.

www.tvk-max.ru

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась  на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Вот это «улитка»!

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.

tractorreview.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.

Содержание статьи

Назначение автомобильного турбокомпрессора

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 перелает 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 «турбоямы» и «турбоподхвата» 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 турбонаддува 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 с турбонаддувом 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

Турбокомпрессор — Энциклопедия журнала "За рулем"

Турбокомпрессор работает под воздействием потока горячих отработавших газов, вращающих его ротор с частотой 150–230 тысяч об/мин. В этих условиях даже небольшое нарушение работы приводит к его повреждению.

Об­щие све­де­ния

Мощ­ность, раз­ви­ва­е­мая пор­ш­не­вым дви­га­те­лем вну­т­рен­не­го сго­ра­ния, за­ви­сит от на­пол­не­ния ци­лин­д­ров го­рю­чей сме­сью. С уве­ли­че­ни­ем ча­с­то­ты вра­ще­ния ко­лен­ча­то­го ва­ла мощ­ность до­сти­га­ет мак­си­маль­ной ве­ли­чи­ны1, а за­тем на­чи­на­ет па­дать. Это свя­за­но с тем, что с рос­том ско­ро­сти воз­душ­но­го по­то­ка на­пол­не­ние умень­ша­ет­ся из-за уве­ли­че­ния со­про­тив­ле­ния впу­ск­но­го тру­бо­про­во­да. Для улуч­ше­ния мощ­но­ст­ных ха­рак­те­ри­с­тик мо­то­ров ис­поль­зу­ют над­дув.Над­дув — на­гне­та­ние воз­ду­ха в ци­лин­д­ры дви­га­те­ля для уве­ли­че­ния их на­пол­не­ния го­рю­чей сме­сью. Из­бы­точ­ное дав­ле­ние вы­ше ат­мо­сфер­но­го по­лу­ча­ют с по­мо­щью раз­лич­ных на­гне­та­те­лей (ком­прес­со­ров), что поз­во­ля­ет по­вы­сить мощ­ность мо­то­ра2 при тех же га­ба­ри­тах и мас­се. Ком­прес­со­ры с ме­ха­ни­че­с­ким при­во­дом от ко­лен­ча­то­го ва­ла дви­га­те­ля тре­бу­ют до­пол­ни­тель­ных за­трат топ­ли­ва и име­ют ог­ра­ни­чен­ное при­ме­не­ние.Тур­бо­ком­прес­со­ры при­во­дят­ся в дей­ст­вие не­ис­поль­зу­е­мой энер­ги­ей от­ра­бо­тав­ших га­зов. Они по­лу­чи­ли в на­сто­я­щее вре­мя на­и­боль­шее рас­про­ст­ра­не­ние, так как не тре­бу­ют до­пол­ни­тель­но­го рас­хо­да топ­ли­ва в от­ли­чие от ком­прес­со­ров с ме­ха­ни­че­с­ким при­во­дом. Тур­бо­ком­прес­со­ры, как пра­ви­ло, снаб­жа­ют­ся ох­ла­ди­те­лем.Ох­ла­ди­тель над­ду­воч­но­го воз­ду­ха ус­та­нав­ли­ва­ет­ся на вы­хо­де из тур­бо­ком­прес­со­ра для умень­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры го­рю­чей сме­си и уве­ли­че­ния ее плот­но­с­ти. При этом по­вы­ша­ет­ся на­пол­не­ние ци­лин­д­ров, сни­жа­ет­ся теп­ло­вая на­груз­ка на де­та­ли дви­га­те­ля и умень­ша­ет­ся со­дер­жа­ние окис­лов азо­та в от­ра­бо­тав­ших га­зах3.

Ус­т­рой­ст­во тур­бо­ком­прес­со­ра вклю­ча­ет в се­бя три ос­нов­ные ча­с­ти — кор­пус тур­би­ны, кор­пус под­шип­ни­ков с ро­то­ром в сбо­ре и кор­пус ком­прес­со­ра.

Турбокомпрессор1 — Корпус подшипников;2 — Турбинное колесо;3 — Перепускной клапан;4 — Корпус турбины;5 — Масляные каналы;6 — Вал ротора;7 — подшипник скольжения;8 — компрессорное колесо;9 — корпус компрессора;10 — пневмопривод перепускного клапана

• Кор­пу­са тур­би­ны и ком­прес­со­ра в оби­хо­де на­зы­ва­ют “улит­ки”. Тур­бин­ный кор­пус свя­зан с вы­пу­ск­ным, а ком­прес­сор­ный — с впу­ск­ным тру­бо­про­во­да­ми.
• В кор­пу­се под­шип­ни­ков ус­та­нов­лен ро­тор в сбо­ре, пред­став­ля­ю­щий со­бой вал, на ко­то­ром же­ст­ко за­креп­ле­ны тур­бин­ное и ком­прес­сор­ное ко­ле­са с ло­па­с­тя­ми. Ро­тор вра­ща­ет­ся на под­шип­ни­ках сколь­же­ния. Они сма­зы­ва­ют­ся и ох­лаж­да­ют­ся мо­тор­ным мас­лом, по­сту­па­ю­щим из си­с­те­мы смаз­ки дви­га­те­ля. Для сни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры кор­пу­са в нем мо­гут быть пре­ду­с­мо­т­ре­ны ка­на­лы по­да­чи ох­лаж­да­ю­щей жид­ко­с­ти.

Ог­ра­ни­че­ние дав­ле­ния над­ду­ва осу­ще­ств­ля­ют с це­лью за­щи­тить дви­га­тель от пе­ре­груз­ки.Пе­ре­пу­ск­ной кла­пан, уп­рав­ля­е­мый пнев­ма­ти­че­с­ким при­во­дом, при оп­ре­де­лен­ной ве­ли­чи­не дав­ле­ния над­ду­ва на­прав­ля­ет часть от­ра­бо­тав­ших га­зов в об­ход тур­би­ны.

По­во­рот­ные ло­пат­ки, ус­та­нов­лен­ные в кор­пу­се тур­би­ны не­ко­то­рых ком­прес­со­ров, поз­во­ля­ют из­ме­нять ее про­ход­ное се­че­ние и со­от­вет­ст­вен­но дав­ле­ние над­ду­ва.

Турбокомпрессор с изменяемым проходным сечением корпуса турбины:1 — турбинное колесо2 — поворотные лопатки

Ра­бо­та тур­бо­ком­прес­со­ра про­ис­хо­дит под воз­дей­ст­ви­ем по­то­ка от­ра­бо­тав­ших га­зов, вра­ща­ю­щих тур­бин­ное ко­ле­со и вал ро­то­ра. Ус­та­нов­лен­ное на том же ва­лу ком­прес­сор­ное ко­ле­со на­гне­та­ет воз­дух во впу­ск­ной тру­бо­про­вод. На не­ко­то­рых ре­жи­мах ра­бо­ты мо­то­ра про­яв­ля­ют се­бя осо­бен­но­с­ти тур­бо­над­ду­ва.

Тур­бо­яма

"Тур­бо­яма” (тур­бо­лаг)” — за­держ­ка уве­ли­че­ния обо­ро­тов и мощ­но­с­ти дви­га­те­ля при рез­ком на­жа­тии на пе­даль ак­се­ле­ра­то­ра (“га­за”). Эф­фект свя­зан с инер­ци­он­но­с­тью си­с­те­мы — тре­бу­ет­ся вре­мя, что­бы ус­ко­рив­ший­ся по­ток вы­хлоп­ных га­зов рас­кру­тил тур­би­ну. Ос­нов­ной спо­соб ус­т­ра­не­ния — сни­же­ние раз­ме­ров и мас­сы вра­ща­ю­щих­ся де­та­лей для об­лег­че­ния их бы­ст­ро­го рас­кру­чи­ва­ния. Од­на­ко это ве­дет к сни­же­нию про­из­во­ди­тель­но­сти тур­бо­ком­прес­со­ра и для со­хра­не­ния не­об­хо­ди­мо­го да­в­ле­ния над­ду­ва при­хо­дит­ся уве­ли­чи­вать ча­с­то­ту вра­ще­ния ро­то­ра или при­ме­нять кор­пус тур­би­ны с из­ме­ня­е­мым про­ход­ным се­че­ни­ем.

Тур­бо­под­хват

“Тур­бо­под­хват” воз­ни­ка­ет при уве­ли­че­нии обо­ро­тов и ско­ро­сти дви­же­ния вы­хлоп­ных га­зов по­сле пре­одо­ле­ния “тур­бо­ямы”. Вслед­ст­вие это­го рез­ко уве­ли­чи­ва­ет­ся дав­ле­ние над­ду­ва, со­зда­ва­е­мо­го тур­бо­ком­прес­со­ром и, со­от­вет­ст­вен­но, мощ­ность дви­га­те­ля. Что­бы ис­клю­чить пе­ре­груз­ку де­та­лей кри­во­шип­но-ша­тун­но­го ме­ха­низ­ма и де­то­на­цию4 (в бен­зи­но­вых дви­га­те­лях), не­об­хо­ди­мо та­кое же рез­кое ог­ра­ни­че­ние дав­ле­ния над­ду­ва.На­и­бо­лее эф­фек­тив­ный спо­соб ус­т­ра­не­ния этих не­до­стат­ков — ос­на­ще­ние со­вре­мен­ных тур­бо­ком­прес­со­ров эле­к­трон­ной си­с­те­мой уп­рав­ле­ния.

Ре­ко­мен­да­ции

Экс­плу­а­ти­руя ав­то­мо­биль с тур­бо­ком­прес­со­ром, же­ла­тель­но ори­ен­ти­ро­вать­ся на сле­ду­ю­щие пра­ви­ла.

• Нель­зя глу­шить дви­га­тель на по­вы­шен­ных обо­ро­тах, сна­ча­ла сле­ду­ет пе­рей­ти на хо­ло­с­той ход на 3–5 ми­нут, и толь­ко по­сле это­го ос­та­но­вить мо­тор.
• Пе­ред тем как тро­нуть­ся с ме­с­та, обя­за­тель­но дать дви­га­те­лю по­ра­бо­тать на хо­ло­с­том хо­ду ми­ни­мум 30 се­кунд.
• Не­об­хо­ди­мо свое­вре­мен­но ме­нять мо­тор­ное мас­ло, мас­ля­ный и воз­душ­ный филь­т­ры, ис­поль­зуя толь­ко ре­ко­мен­до­ван­ные ав­то­за­во­дом для дан­но­го дви­га­те­ля с тур­бо­над­ду­вом. У ав­то­мо­би­лей с про­бе­гом свы­ше 150 тыс. км та­кая за­ме­на ре­ко­мен­ду­ет­ся че­рез 5–7 тыс.км.
• Сле­ду­ет пе­ри­о­ди­че­с­ки про­во­дить ди­а­гно­с­ти­ку дви­га­те­ля. При этом спе­ци­а­ли­с­ты осо­бое вни­ма­ние об­ра­ща­ют на ре­гу­ли­ров­ку топ­лив­ной ап­па­ра­ту­ры, си­с­те­мы за­жи­га­ния в бен­зи­но­вых мо­то­рах и ис­прав­ность вен­ти­ля­ции кар­те­ра.

1 Двигатель развивает максимальную мощность при определенной частоте вращения, именуемой “обороты максимальной мощности”.2 В отличие от “наддувных”, двигатели без наддува иногда называют “атмосферные”.3 Некоторые из окислов азота являются токсичными и даже канцерогенными.

wiki.zr.ru

Турбонаддув — Энциклопедия журнала "За рулем"

В турбокомпрессоре используются центробежные насосы. Под действием центробежных сил, вызванных вращением колеса с лопатками, воздух отбрасывается к периферии колеса, а в его центре создается разрежение, что обеспечивает всасывание воздуха. Для эффективной работы турбокомпрессора частота вращения колеса компрессора должна быть очень высокой не менее 50–100 тыс. мин–1.При работе ДВС из выпускного трубопровода под давлением выбрасываются продукты сгорания, которые имеют высокую температуру. Поток газов приводит во вращение колесо турбины, которое передается закрепленному на общем вале колесу компрессора.Для достижения фазы наддува, т. е. момента, когда давление воздуха на впуске превысит атмосферное, необходимо, чтобы была достигнута определенная частота вращения турбины (не менее 60 000 мин–1). При малых оборотах двигателя турбокомпрессор работает в дежурном режиме (частота 5 000–10 000 мин–1). Необходимо учитывать, что наличие турбины в выпускном тракте создает сопротивление выходу отработавших газов.

Очень важный вопрос — выбор правильного размера турбины для конкретного двигателя. В первых двигателях с турбонаддувом для легковых автомобилей 1970-х гг. использовались готовые конструкции, разработанные, как правило, для дизелей больших грузовых автомобилей. Такие устройства давали хороший результат для увеличения максимальной мощности, но были неэффективными для получения большого крутящего момента в среднем диапазоне частот вращения двигателя, т. е. для получения достаточной приемистости автомобиля. Большие турбины требовали некоторого времени на «раскрутку», когда при небольших нагрузках открывалась дроссельная заслонка, что приводило к задержке нарастания давления наддува. Этот эффект получил название турбоямы.

Большинство современных турбокомпрессоров легковых автомобилей имеют небольшие размеры и высокую частоту вращения. Для того чтобы увеличить диапазон частот вращения двигателя, при которых турбонаддув обеспечивает повышение давления, применяются по два турбокомпрессора на одном двигателе. Один турбокомпрессор работает при низких оборотах, а второй при высоких. В последних поколениях наддувных двигателей стали применяться турбокомпрессоры с переменной геометрией, которые сохраняют высокую скорость газов при малых нагрузках, так что турбина всегда вращается с нужной скоростью. В таких турбокомпрессорах поток направляемых на турбину газов управляется с помощью специальных поворачивающихся заслонок. Одновременный поворот заслонок производится с помощью штока вакуумной камеры. Разрежение в камере регулируется электромагнитным клапаном по сигналу компьютера.

При работе системы турбонаддува происходит сильный нагрев турбины, а компрессор остается сравнительно холодным. Очень важным узлом, определяющим долговечность турбокомпрессора, является узел подшипников вала. Обычно масло для смазки подшипников подается под давлением из системы смазки двигателя. Иногда для повышения работоспособности наддува применяют охлаждение корпуса турбины жидкостью из системы охлаждения двигателя. После продолжительного движения на высокой скорости автомобиля с турбонаддувом турбина может раскрутиться до высоких скоростей (сотни тысяч оборотов в минуту). После остановки двигателя турбокомпрессор останавливается не сразу, а масло уже не поступает к подшипникам. Чтобы не произошло повреждения подшипников, рекомендуется перед выключением двигателя дать ему возможность некоторое время поработать на холостом ходу.

Очень хорошо система турбонаддува работает в дизелях. Отработавшие газы в дизеле холоднее, чем в бензиновых двигателях, что облегчает работу турбокомпрессора, и, кроме того, в дизеле не существует опасности возникновения детонации. Поэтому неслучайно, что турбонаддув устанавливается почти на всех современных дизельных двигателях легковых автомобилей.

В многоцилиндровых двигателях с большим рабочим объемом некоторых грузовых автомобилей отработавшие газы продолжают обладать большой энергией, даже после прохождения турбокомпрессора. Эту энергию можно использовать для дальнейшего повышения мощностных характеристик двигателя, создавая так называемые турбокомпаундные двигатели. В таком двигателе часть энергии отработавших газов используется для раскручивания дополнительной турбины, которая через гидравлическую муфту связана с коленчатым валом. Такая конструкция дает возможность, увеличить крутящий момент на вале двигателя. Подробнее о турбонаддуве - в главе Турбокомпрессор

wiki.zr.ru

устройство, принцип работы системы (видео), схема дизельного двигателя с турбиной

Идея дополнительного нагнетания воздуха зародилась едва не сразу же после постройки первых полноценных двигателей внутреннего сгорания. Изначально использование энергии выхлопных газов для повышения мощности ограничивалась корабельными ДВС, позже двигатель с турбонаддувом пришел в авиастроение. И только в 1931 году первый турбокомпрессор был установлен на грузовой автомобиль. Что такое турбонаддув и как использование нагнетателей сказывается на КПД двигателя – тема сегодняшней статьи.

Теория газообмена в ДВС

Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением, что ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

Виды турбонаддува

Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

• турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;
• механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.

Турбина

Очевидно, что для понимания устройства достаточно взглянуть на фото. Принцип работы турбонаддува также достаточно ясно продемонстрирован на видео. Более подробно остановимся на перепускном клапане и предназначении интеркуллера, который обязателен для эффективной работы авто с турбонаддувом.В момент резкого закрытия дроссельной заслонки на больших оборотах двигателя во впускном тракте создается сильный помпаж. Колесо компрессора «холодной» части (впускной) турбины продолжает по инерции вращаться, создавая в перекрытом заслонкой канале избыток давления. Происходит резкое замедление компрессорного колеса, что автоматически ведет к замедлению турбинного колеса в выпускном тракте и созданию сильного противодействия выхлопным газам. Для предотвращения такого эффекта предназначен перепускной клапан, который либо сбрасывает избыток давления в атмосферу (Blow-off), либо перенаправляет поток опять на вход по направлению вращения турбинного колеса (Bypass).

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Характеристики системы

Особенности работы турбины:

• наиболее эффективна в режиме высоких и средних оборотов;
• очень низкая эффективность до момента, называемого выходом на буст. Еще больше ухудшает ситуацию уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации. Поэтому у авто с одноступенчатой системой турбонаддува присутствует турбояма, или турболаг;
• так или иначе, но присутствует противодействие выхлопным газам на выпуске, что немного ухудшает КПД двигателя, хоть в целом турбонаддув позволяет увеличить мощность ДВС;
• повышаются требования к качеству и периодичности замены моторного масла.

Механический нагнетатель

В механической системе всасывание воздуха осуществляется лопастями роторов, вращающихся навстречу друг другу. Наибольшее распространение получила конструкция системы Roots с прямыми лопастями. Компания Eaton усовершенствовала нагнетатель, применив косозубые роторы. Среди механических систем можно выделить центробежный нагнетатель, который во многом напоминает принцип работы турбины.Особенности механических нагнетателей:

• отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей;
• наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов;
• небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

Эксплуатация

Наибольшего распространения система турбонаддува получила на дизельных двигателях. В высокотехнологичных моторах часто применяются двухступенчатые системы наддува:

• Biturbo – одна маленькая турбина для прибавки в мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов;
• Турбина + механический нагнетатель. Конструкцию и принцип работы такой системы мы рассматривали на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

Для лучшего понимания того, что такое турбонаддув, предлагаем посмотреть видео Александра Кулика.

autolirika.ru

• 
  Ленточный тормоз
• 
  Из чего состоит трактор
• 
  Бетон с добавками противоморозными добавками
• 
  Из чего состоит сцепление
• 
  Смесь обогащенная
• 
  Двери лифта
• 
  Срок эксплуатации автомобиля
• 
  Фиат дукато макси технические характеристики
• 
  Виды шпонок
• 
  Берлинго ситроен грузоподъемность
• 
  Вязкость бензина