Что такое автомобильный турбокомпрессор — устройство и как работает

Многие слышали слово «турбо», но толком не представляют — что это такое. Это обозначение скрывает наличие турбокомпрессора двигателя под капотом машины. Расскажем что такое автомобильный турбокомпрессор, как работает (устройство) и для чего нужен.

• Как работает
• Что такое турбояма
• Что такое перепускной клапан
• Битурбо или твинтурбо
• Что такое турботаймер

Как работает

Турбокомпрессор — это устройство для увеличения мощности мотора за счет большего подаваемого воздуха в цилиндры.

Принцип работы турбокомпрессора в следующем: в мотор попадает топливовоздушная смесь, которая сгорая уходит в выхлопную трубу. На входе выпускного коллектора стоит крыльчатка, которая жестко соединена с другой крыльчаткой, находящейся на впускном коллекторе.

Когда, выхлопные газы выходят из мотора, они раскручивают крыльчатку, которая находится во выпускном коллекторе. Та в свою очередь раскручивает крыльчатку в впускном коллекторе.

В двигатель поступает больше воздуха, а соответственно и топлива. Чем больше сгорает топлива, тем больше мощность. И, чтобы сжечь больше топлива, нужно больше количества воздуха. Турбокомпрессор мотора поставляет больше воздуха, в результате получаем существенную прибавку в мощности машины.

Что такое интеркулер? Он нужен для охлаждения подаваемого воздуха в авто. Нельзя бесконечно много подавать воздуха, т.к повышается его плотность при нагреве. Для охлаждения используют интеркулер — дополнительный радиатор.

Что такое турбояма

Следует отметить, что крыльчатка может развивать до 200 000 оборотов в минуту. Вследствие этого, у турбокомпрессора имеется большая инерционность, которая получила в народе название «турбояма».

Суть турбоямы в следующем. При резком нажатии на педаль газа, крыльчатка очень медленно набирает обороты и приходится ждать несколько секунд, когда начнет поступать воздух в двигатель.

Благо, производители в той или иной степени избавились от данного эффекта, а именно стали устанавливать два перепускных клапана или ставить турбины с изменяемой геометрией.

Первый перепускной клапан предназначен для отработавших газов, а второй, чтобы перепускать излишний воздух из впускного коллектора в трубопровод до турбокомпрессора двигателя.

Что получается? При сбросе газа обороты крыльчатки турбо уменьшаются очень медленно. А если будет резко нажата педаль газа, то воздух в двигатель поступит в полном объеме. Эффект турбоямы равен времени открытия перепускного клапана.

Также применяется механизм изменения геометрии турбины.

Дополнительное кольцо с управляемыми лопатками позволяет поддерживать поток выхлопных газов не только постоянным, но и управлять им. На низких оборотах, когда поток невелик, поперечное сечение турбины уменьшается, что увеличивает скорость газов, поступающих на колесо, повышая ее мощность. На высоких оборотах лопасти полностью открывают вход газам, увеличивая пропускную способность турбины.

Что такое перепускной клапан турбины

Его цель — пустить часть выпускного газа в обход турбины, таким образом ограничив скорость вращения крыльчатки и соответственно и давление на впускном коллекторе. Они бывают двух видов: внутренние и внешние. На большинстве автомобильных турбокомпрессоров используются внутренние.

Внешние перепускные клапана, устанавливаются отдельно от турбины и ставятся на гоночные машины. Они более надежны, но их размер часто не способствует удачному расположению под капотом гражданской машины. Одно из преимуществ внешнего клапана — возможность регулировки механизма.

Битурбо или твинтурбо

В первом случае, это означает наличие двух турбокомпрессоров двигателя авто, установленных параллельно, а втором — наличие трех турбокомпрессоров. Часто «битурбо» или «твинтурбо» используют лишь на спортивных автомобилях, а также на гражданских машинах со спортивными параметрами.

Применение нескольких турбокомпрессоров выгодно, т.к. они отличаются размерами. Один будет обладать большей инерцией, а другой — меньшей. В итоге первый турбокомпрессор автомобиля будет работать при малых и средних оборотах двигателя, а второй при оборотах близких к максимальным.

Что такое турботаймер

Проблема возникает если сильно нагреть турбокомпрессор — это движение авто на высоких скоростях по трассе, езда по бездорожью или с прицепом. После остановки мотора охлаждение раскаленного турбокомпрессора резко ухудшается. Масло не подаётся, тепло уходит в подшипниковый узел, остатки смазки в подшипнике и его уплотнениях начинают закоксовываться. Это приводит к нарушению расчетного режима работы.

А вращение ротора без подачи масла под давлением провоцируют появление задиров.

Для сохранения ресурса после работы на повышенных оборотах турбина должна «отдохнуть» 1-2 минуты на холостом ходу. Это нужно, чтобы при остановке разгоряченной оборотами турбины, масло на подшипниках не вскипело, поэтому она крутится на холостых оборотах постепенно снижая температуру. Поработав несколько минут, турбина остывает, и двигатель можно заглушить.

Устройство, именуемое турботаймером, позволяет при выключении зажигания глушить двигатель через время, которое можно запрограммировать, либо оно определяется автоматически, исходя из температуры мотора. В отсутствие такого прибора водитель должен обеспечить «режим остывания» самостоятельно. Производители штатно не ставят турботаймер из-за норм экологии — чтобы не загрязнять окружающую среду при холостой работе мотора.

Штатно автокомпании (VW, Skoda, Porsche) на многие модели с турбонаддувом устанавливают электрические циркуляционные насосы, которые при необходимости подают к турбокомпрессору охлаждающую жидкость. Это происходит и после остановки двигателя — антифриз некоторое время циркулирует, препятствуя перегреву. Тогда в турботаймере нет необходимости.

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

12.07.2017 #Турбокомпрессор

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания широкое применение находят специальные агрегаты — турбокомпрессоры. О том, что такое турбокомпрессор, каких типов бывают эти агрегаты, как они устроены и на каких принципах основана их работа, а также об их обслуживании и ремонте читайте в статье.

Что такое турбокомпрессор?

Турбокомпрессор — основной компонент системы агрегатного наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат для повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.

Турбокомпрессор применяется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без коренного вмешательства в его конструкцию. Данный агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания увеличенного количества топливно-воздушной смеси. В этом случае сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к повышению давления на поршень и, как следствие, к росту крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.

Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более значительных доработках рост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров находят самое широкое применение на всех типах транспортных средств с ДВС.

Типы и характеристики турбокомпрессоров

Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.

По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:

• Для одноступенчатых систем наддува — один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегатов, работающих на несколько цилиндров;
• Для последовательных и последовательно-параллельных систем надува (различные варианты Twin Turbo) — два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на общую группу цилиндров;
• Для двухступенчатых систем наддува — два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые работают в паре (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.

Наиболее широкое применение находят одноступенчатые системы наддува, построенные на основе одного турбокомпрессора. Однако такой системе может присутствовать два или четыре одинаковых агрегата — например, в V-образных двигателях используются отдельные турбокомпрессоры на каждый ряд цилиндров, в многоцилиндровых моторах (более 8) могут применяться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров. Меньшее распространение получили двухступенчатые системы наддува и различные вариации Twin-Turbo, в них используется два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые могут работать только в паре.

По применимости турбокомпрессоры можно условно разделить на несколько групп:

• По типу двигателя — для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
• По объему и мощности двигателя — для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности; для высокооборотистых двигателей, и т.д.

Турбокомпрессоры могут оснащаться турбиной одного из двух типов:

• Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) — поток отработавших газов подается на периферию крыльчатки турбины, движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
• Осевой — поток отработавших газов подается вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.

Сегодня применяются обе схемы, но на двигателях небольшого объема чаще можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это и не является правилом). Независимо от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащаются центробежным компрессором — в нем воздух подается к центру крыльчатки и отводится от ее периферии.

Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:

• Двойной вход — турбина имеет два входа, на каждый из них поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
• Изменяемая геометрия — турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, посредством которых можно изменять поток отработавших газов на рабочее колесо, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.

Наконец, турбокомпрессоры отличаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями. Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:

• Степень повышения давления — отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, лежит в пределах 1,5-3;
• Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) — масса воздуха, проходящая через компрессор за единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
• Рабочий диапазон оборотов — лежит в пределах от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, при слишком высокой скорости вращения за счет центробежных сил колесо может разрушиться. В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростями 500-600 и более м/с, то есть — в 1,5-2 раза быстрее скорости звука, это и обуславливает возникновение характерного свиста турбины;
• Рабочая/максимальная температура отработавших газов на входе в турбину — лежит в пределах 650-700°С, в отдельных случаях достигает 1000°С;
• КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Также агрегаты отличаются размерами, типом монтажа, необходимостью применять вспомогательные компоненты и т.д.

Конструкция турбокомпрессора

В общем случае турбокомпрессор состоит из трех основных узлов:

1. Турбина;
2. Компрессор;
3. Корпус подшипников (центральный корпус).

Турбина — агрегат, преобразующий кинетическую энергию отработавших газов в механическую энергию (в крутящий момент колеса), которая обеспечивает работу компрессора. Компрессор — агрегат для нагнетания воздуха. Корпус подшипников связывает оба агрегата в единую конструкцию, а расположенный в нем вал ротора обеспечивает передачу крутящего момента от колеса турбины на колесо компрессора.

Разрез турбокомпрессора

Турбина и компрессор имеют схожую конструкцию. Основой каждого из этих агрегатов выступает корпус-улитка, в периферийной и центральной части которого расположены патрубки для соединения с системой наддува. У компрессора впускной патрубок всегда находится в центре, выпускной (нагнетательный) — на периферии. Такое же расположение патрубков у осевых турбин, у радиально-осевых турбин расположение патрубков обратное (на периферии — впускной, в центре — выпускной).

Внутри корпуса располагается колесо с лопатками специальной формы. Оба колеса — турбинное и компрессорное — удерживаются общим валом, который проходит через корпус подшипников. Колеса — цельнолитые или составные, форма лопаток турбинного колеса обеспечивает максимально эффективное использование энергии отработавших газов, форма лопаток компрессорного колеса обеспечивает максимальный центробежный эффект. В современных турбинах высокого класса могут использоваться составные колеса с керамическими лопатками, которые имеют низкую массу и обладают лучшими характеристиками. Размер колес турбокомпрессоров автомобильных двигателей — 50-180 мм, мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей — 220-500 и более мм.

Оба корпуса монтируются на корпус подшипников с помощью болтов через уплотнения. Здесь располагаются подшипники скольжения (реже — подшипники качения специальной конструкции) и уплотнительные кольца. Также в центральном корпусе выполняются масляные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах и полости водяной рубашки охлаждения. При монтаже агрегат соединяется с системами смазки и охлаждения двигателя.

В конструкции турбокомпрессора могут быть предусмотрены и различные вспомогательные компоненты, в том числе детали системы рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы для улучшения смазки деталей и их охлаждения, регулировочные клапаны и т.д.

Детали турбокомпрессора изготавливаются из специальных марок стали, для колеса турбины применяются жаропрочные стали. Материалы тщательно подбираются по коэффициенту температурного расширения, что обеспечивает надежность конструкции на различных режимах работы.

Турбокомпрессор включается в систему наддува воздуха, в которую также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах — интеркулер (радиатор охлаждения наддувного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

Функционирование турбокомпрессора сводится к простым принципам. Турбина агрегата внедряется в выпускную систему двигателя, компрессор — во впускной тракт. Во время работы мотора выхлопные газы поступают в турбину, ударяются о лопатки колеса, отдавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя ее вращаться. Крутящий момент от турбины посредством вала напрямую передается на колеса компрессора. При вращении колесо компрессора отбрасывает воздух на периферию, повышая его давление — этот воздух подается во впускной коллектор.

Одиночный турбокомпрессор имеет ряд недостатков, основной из которых — турбозадержка или турбояма. Колеса агрегата имеют массу и некоторую инерцию, поэтому не могут мгновенно раскручиваться при повышении оборотов силового агрегата. Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель разгоняется не сразу — возникает короткая пауза, провал мощности. Решением этой проблемы служат специальные системы управления турбиной, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, последовательно-параллельные и двухступенчатые системы наддува, и другие.

Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров

Турбокомпрессор нуждается в минимальном техническом обслуживании. Главное — вовремя производить замену масла и масляного фильтра двигателя. Если мотор еще может какое-то время работать на старом масле, то для турбокомпрессора оно может стать смертельно опасным — даже незначительное ухудшение качества смазочного материала на высоких нагрузках может привести к заклиниванию и разрушению агрегата. Также рекомендуется периодически очищать детали турбины от нагара, что требует ее разбора, однако эту работу следует выполнять только с применением специального инструмента и оборудования.

Неисправный турбокомпрессор в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Для замены необходимо использовать агрегат того же типа и модели, что был установлен на двигателе ранее. Монтаж турбокомпрессора с иными характеристиками может нарушить работу силового агрегата. Подбор, монтаж и настройку агрегата лучше доверять специалистам — это гарантирует правильное выполнение работ и нормальную работу двигателя. При правильной замене турбокомпрессора двигатель снова обретет высокую мощность и сможет решать самые сложные задачи.

Другие статьи

#Планка генератора

Планка генератора: фиксация и регулировка генератора автомобиля

14.09.2022 | Статьи о запасных частях

В автомобилях, тракторах, автобусах и иной технике электрические генераторы монтируются к двигателю посредством кронштейна и натяжной планки, обеспечивающей регулировку натяжения ремня. О планках генератора, их существующих типах и конструкции, а также выборе и замене этих деталей — читайте в статье.

#Переходник для компрессора

Переходник для компрессора: надежные соединения пневмосистем

31.08.2022 | Статьи о запасных частях

Даже простая пневматическая система содержит несколько соединительных деталей — фитингов, или переходников для компрессора. О том, что такое переходник для компрессора, каких типов он бывает, зачем необходим и как устроен, а также о верном подборе фитингов для той или иной системы — читайте в статье.

#Стойка стабилизатора Nissan

Стойка стабилизатора Nissan: основа поперечной устойчивости «японцев»

22.06.2022 | Статьи о запасных частях

Ходовая часть многих японских автомобилей Nissan оснащается стабилизатором поперечной устойчивости раздельного типа, соединенным с деталями подвески двумя отдельными стойками (тягами). Все о стойках стабилизатора Nissan, их типах и конструкции, а также о подборе и ремонте — читайте в данной статье.

#Ремень приводной клиновой

Ремень приводной клиновой: надежный привод агрегатов и оборудования

15.06.2022 | Статьи о запасных частях

Для привода агрегатов двигателя и в трансмиссиях различного оборудования широко применяются передачи на основе резиновых клиновых ремней. Все о приводных клиновых ремнях, их существующих типах, особенностях конструкции и характеристиках, а также о правильном выборе и замене ремней — читайте в статье.

Вернуться к списку статей

Что такое турбокомпрессор? | Capital One Auto Navigator

Этот воздушный насос, похожий на улитку, помогает маленьким двигателям развивать большую мощность.

Автор: Дэвид Глюкман 15 марта 2022 г. 19

В течение десятилетий автопроизводители стремились сделать небольшие двигатели более мощными, привязывая к ним турбокомпрессоры. Эти устройства в форме фена, также сравниваемые с улитками и иногда называемые ими из-за их сходства с панцирями существ, накачивают больше воздуха в двигатель и, как следствие, создают большую мощность. По данным EPA, они были установлены почти у 35 процентов автомобилей 2020 модельного года, и это число растет. Здесь мы обсудим основы того, как работают турбокомпрессоры и что они делают.

Что такое турбокомпрессор и для чего он нужен?

Турбокомпрессоры сжимают воздух, поступающий в двигатель — процесс, известный как принудительная индукция. Двигатель внутреннего сгорания выполняет свою работу, втягивая воздух и топливо в свои цилиндры, сжимая смесь поршнями и воспламеняя ее. Возникающие в результате взрывы толкают поршни вниз, которые вращают коленчатый вал, приводя в движение автомобиль. Количество энергии, которую может производить двигатель, зависит от количества топлива, которое он может сжечь, но для увеличения количества топлива вам также нужно больше воздуха. Вот тут-то и появляются турбокомпрессоры, нагнетающие в двигатель больше воздуха, чем он мог бы всосать сам по себе.

Турбокомпрессоры обеспечивают такой прирост мощности, что автопроизводители могут уменьшать размеры двигателей, уменьшая рабочий объем и, во многих случаях, количество цилиндров, сохраняя при этом ту же мощность. Таким образом, четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом может заменить безнаддувный V6, а шестицилиндровый двигатель с наддувом может обеспечить мощность уровня V8. Двигатели без турбокомпрессора часто называют двигателями без наддува, когда необходимо различие.

Chevrolet

Как работает турбонагнетатель?

Обычный турбокомпрессор состоит из двух веерообразных колес внутри корпусов, похожих на раковины улиток и соединенных валом. Двигатель направляет выхлопные газы на одно из этих колес, известное как турбина, которое, в свою очередь, вращает другое колесо, называемое компрессором. Компрессор втягивает и сжимает свежий всасываемый воздух, который закачивается в цилиндры двигателя. По мере того, как двигатель работает и давление выхлопных газов увеличивается, турбина вращается все быстрее и быстрее, еще больше сжимая всасываемый воздух.

На снимке выше изображен базовый четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом автомобиля Chevrolet Silverado. Верно, базового V6 больше нет, и его место занимает четырехцилиндровый турбодвигатель, предлагающий больше лошадиных сил и лучшую экономию топлива, чем V6, который он заменил.

Автопроизводители и поставщики автомобилей экспериментируют с электрическими турбокомпрессорами или электронными турбинами. Эти турбины добавляют электродвигатель на тот же вал, что и турбина и компрессор, чтобы улавливать энергию или вращать компрессор быстрее, чем это могут выхлопные газы. Audi говорит, что некоторые из ее высокопроизводительных автомобилей используют электрические турбонагнетатели, но на самом деле это электрические нагнетатели по определению, поскольку они питаются исключительно от электродвигателя, а не от выхлопных газов.

Улучшают ли турбонагнетатели экономию топлива?

Хотя это может показаться нелогичным, оснащение двигателя устройством, предназначенным для подачи большего количества воздуха и топлива в цилиндры, может сделать его более эффективным. Это сводится к природе турбонагнетателя по требованию: турбонагнетатель срабатывает только тогда, когда ваша правая нога делает большой запрос на педаль акселератора. В других сценариях двигатель обходит турбонаддув и работает так, как будто его нет. Именно тогда он наиболее эффективен. Таким образом, хотя двигатель с турбонаддувом может быть более эффективным, чем безнаддувный двигатель аналогичной мощности, экономия топлива в конечном итоге зависит от того, кто и как едет.

Subaru Legacy является прекрасным примером, особенно если посмотреть на изменения модельного года 2019/2020. В том же году Subaru обновила Legacy, отказавшись от 3,6-литрового V6 от модели 2019 года в пользу четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом. Двигатель V6 выдавал 256 л.с., а по оценке Агентства по охране окружающей среды расход топлива составлял примерно 23 мили на галлон. 2,4-литровый четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом, который заменил его, был не только меньше по рабочему объему и физическим размерам, но и по рейтингу Агентства по охране окружающей среды (EPA) расходовал 27 миль на галлон, а его мощность составляла 260 л.с.

Однако показатели экономии топлива не раскрывают всей картины. Здесь применима старая поговорка о том, что ваш пробег может варьироваться. Режим испытаний Агентства по охране окружающей среды предусматривает ограниченное резкое ускорение, а это означает, что турбонаддув редко нагнетает в двигатель лишний воздух. Из-за этого автомобили с двигателями с турбонаддувом, как правило, не соответствуют своим рейтингам EPA в реальном мире с большей разницей, чем автомобили с двигателями без наддува.

Есть ли недостатки у турбонаддува?

В дополнение к их потенциальной экономии топлива, двигатели с турбонаддувом более сложны, чем двигатели без наддува, что делает их более дорогими в покупке и ремонте. Двигателю требуется время, чтобы произвести достаточно выхлопных газов для вращения компрессора, поэтому двигатели с турбонаддувом не сразу выдают всю свою мощность и могут чувствовать себя вялыми при движении — концепция, называемая турболагом. (E-turbo позволяет избежать этой проблемы.)

TAGSтурбокомпрессортурбофорсированный индукционный

Этот сайт предназначен только для образовательных целей. Перечисленные третьи стороны не связаны с Capital One и несут единоличную ответственность за свое мнение, продукты и услуги. Capital One не предоставляет, не поддерживает и не гарантирует какие-либо сторонние продукты, услуги, информацию или рекомендации, перечисленные выше. Информация, представленная в этой статье, считается точной на момент публикации, но может быть изменена. Показанные изображения предназначены только для иллюстрации и могут не соответствовать продукту. Материалы, представленные на этом сайте, не предназначены для предоставления юридических, инвестиционных или финансовых рекомендаций или указания на доступность или пригодность какого-либо продукта или услуги Capital One для ваших уникальных обстоятельств. Для получения конкретных советов о ваших уникальных обстоятельствах вы можете проконсультироваться с квалифицированным специалистом.

Дэвид Глюкман

Дэвид Глюкман имеет более чем десятилетний опыт работы писателем и редактором печатных и цифровых автомобильных изданий. Он может параллельно парковать школьный автобус, у него есть электронная таблица со списком всех транспортных средств, которые он когда-либо тестировал, и однажды он проехал на Lincoln Town Car со скоростью 63 мили в час задним ходом. Когда Дэвид не ищет идеальную подержанную машину, вы можете найти его, пробуя новейшие бесполезные продукты питания, которые может предложить Америка.

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Вы здесь: Домашняя страница > Транспорт > Турбокомпрессоры

• Дом
• Индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 29 сентября 2022 г.

Идеального изобретения не бывает: всегда можно сделать что-то лучше, дешевле, более эффективным или более экологичным. Возьмите внутреннюю двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может швырнуть вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать в противном случае. Но это всегда можно построить двигатель, который будет двигаться быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —а пара вентиляторов, которые используют мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, доставляя больше «крутости», чем в противном случае получать. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте посмотри внимательнее!

Фото: Безмасляный турбокомпрессор, разработанный НАСА. Фото предоставлено Исследовательский центр Гленна НАСА (НАСА-GRC).

Содержание

1. Что такое турбонагнетатель?
2. Как работает турбокомпрессор?
3. Как работает турбокомпрессор — более подробно
4. Откуда берется дополнительная мощность?
5. Сколько дополнительной энергии вы можете получить?
6. Преимущества и недостатки турбокомпрессоров
7. Кто изобрел турбокомпрессор?
8. Узнать больше

Что такое турбокомпрессор?

Вы когда-нибудь наблюдали, как мимо вас проносятся машины, из выхлопных труб которых вырываются сажевые выхлопы? Очевидно, что выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше. очевидно, что они тратят энергию впустую в то же время. Выхлоп смесь горячих газов, выбрасываемых со скоростью и всей энергией, содержит — тепло и движение (кинетическую энергию) — бесполезно исчезает в атмосфере. Было бы неплохо, если бы двигатель можно ли как-то использовать эту ненужную мощность, чтобы машина ехала быстрее? Это именно то, что делает турбокомпрессор.

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор использует пару вентиляторов в форме улитки, как этот. Здесь вы видите Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора предоставлено ВМС США.

Автомобильные двигатели вырабатывают энергию, сжигая топливо в прочных металлических банках, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр, смешивается с топливом и сгорает с небольшим взрывом который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень вдавливается обратно, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в виде выхлопа. Количество энергии мощность, которую может производить автомобиль, напрямую связана с тем, насколько быстро он сжигает топливо. у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее она можешь идти.

Один из способов увеличить скорость автомобиля — добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндров в обычном семейном автомобиле. Другим вариантом является использование турбокомпрессор, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, поэтому они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простая, относительно дешевая дополнительная немного комплекта, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Рекламные ссылки

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию работы турбокомпрессора автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, выдавливает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух сзади. Как горячий воздух уходит, он ревет мимо турбины (немного похожей на очень компактный металлический ветряк), который приводит в действие компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это часть, которая нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть правильно.

Турбокомпрессор автомобиля очень аналогичный принцип работы поршневого двигателя. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, что позволяет им сжигать больше топлива каждый раз. второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше энергии (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»). Нагнетатель (или «механический нагнетатель», чтобы дать ему полное название) очень похож на турбонагнетатель, но вместо того, чтобы приводиться в действие выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отработанной энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию из собственного источника энергии автомобиля (коленчатый вал), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор) установлены на одном валу. Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Как работает турбонаддув на практике? Турбокомпрессор фактически представляет собой два небольших вентилятора (также называемых крыльчатками). или бензонасосы) сидят на одном металлическом валу так, что оба крутятся вокруг вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в поток выхлопных газов из цилиндров. Когда цилиндры продувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, к которому они подключены (технически называется узел вращения центральной ступицы или CHRA) так же вращается. Второй вентилятор называется компрессор и, так как он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже крутится. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому при вращении втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Вот тут небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, вы делаете его горячее (вот почему велосипедный насос прогревается, когда вы начинаете накачивать шины). горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и менее эффективно помогает топливу гореть, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, выходящий из компрессора, охлаждался перед поступлением цилиндры. Для его охлаждения выход компрессора проходит над теплообменником, удаляющим дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — более подробно

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен к компрессору (и питает его) (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух и снова выдувает его.
4. Горячий сжатый воздух из компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он производит энергию быстрее и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выпускной патрубок.
8. Горячие выхлопные газы, обдувая вентилятор турбины, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (здесь показана бледно-оранжевой линией). Таким образом, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, затрачивая меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было бы соединить примерно так. Турбина (красная, справа) всасывает выхлопной воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который всасывает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленого цвета) между турбиной и компрессором.

Художественное произведение: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США №7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданного Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Изображение предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры дают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступает непосредственно из отработанных выхлопных газов, и это иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для привода компрессора. что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — это дополнительная мощность автомобиля. происходит от. Все, что делает выхлопной газ, это приводит в действие турбокомпрессор и, поскольку турбонагнетатель не соединен с коленчатым валом или колесами автомобиля, он не напрямую каким-либо образом увеличивая мощность автомобиля. Это просто позволяет тот же двигатель, чтобы сжигать топливо с большей скоростью, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной энергии вы можете получить?

Если турбокомпрессор придает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это еще больше силы. Теоретически вы могли бы продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более и более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры настолько велики, что столько топлива они могут сжечь. Через впускное отверстие определенного размера вы можете нагнетать в них столько воздуха, сколько вы можете выпустить выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для привода турбонагнетателя. Другими словами, в игру вступают другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; вы не можете просто турбонаддувом свой путь к бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Преимущества

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор. Вы можете ясно видеть два вентилятора/воздуходувки (один над другим) и их впускные/выпускные отверстия. Фото предоставлено армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и на более или менее любых тип транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).

Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность при том же размере двигателя (каждый ход поршня в каждом отдельном цилиндре генерирует больше мощности, чем в противном случае). Однако больше мощности означает больше энергии выход в секунду, а закон сохранения энергии говорит нам, что это означает, что вы также должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать соответственно больше топлива.

Теоретически это означает, что двигатель с турбокомпрессором не более экономичен по топливу, чем двигатель без него. Однако на практике двигатель, оснащенный турбокомпрессором, намного меньше и легче, чем двигатель той же мощности без турбокомпрессора, поэтому автомобиль с турбокомпрессором может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Теперь производителям часто удается установить на тот же автомобиль двигатель гораздо меньшего размера (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: работая хорошо, они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива. Поскольку они сжигают топливо с большим количеством кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, производя меньше загрязнения воздуха.

“ Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, продаваемых в США, будут оснащены им. »

Нью-Йорк Таймс, 2018 г.

Недостатки

Большая мощность при том же размере двигателя звучит замечательно, так почему же не все двигатели оснащены турбонаддувом?

Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбонагнетателями, не всегда оказывались столь впечатляющими, как хотели заявлять производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом перед своими конкурентами). Одно исследование, проведенное Consumer Reports в 2013 году, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом обеспечивают значительно меньшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические достоинства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. экономить топливо, включая гибриды, дизели и другие передовые технологии».

Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще несколько вещей, которые могут пойти не так. Это может значительно удорожить обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны подвергаться более высоким давлениям и температурам, что может привести к более раннему выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом не служат так долго.

С турбонаддувом даже вождение может быть другим: поскольку турбонагнетатель приводится в действие выхлопными газами, часто возникает значительная задержка («турбо-лаг») между нажатием педали газа и включением турбонагнетателя, что может делают автомобили с турбонаддувом очень разными (а иногда и очень сложными) в управлении. В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, усердно разрабатывали частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Garrett называется E-Turbo, а предложение Borg — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бюхи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в компании Gebrüder Sulzer Engine Company в Винтертуре, Швейцария. Подобно турбонагнетателю, который я проиллюстрировал выше, его первоначальная конструкция использовала вал турбины с приводом от выхлопных газов для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя. Первоначально он разработал турбокомпрессор еще до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1919 году.05, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя. Однако

Бюхи был не единственной важной фигурой в этой истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением стадий сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это работало как наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое можно было сжечь. Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Произведение: Один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бюхи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро разобраться. Вы можете видеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопной газ из цилиндра проходит по трубе (зеленая), которая приводит в движение турбину. Он подключен к оранжевому «зарядному вентилятору» (компрессор) и охладителю (синяя коробка), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубку. Есть и другие запутанные детали, но я не буду вдаваться во все детали; если вам интересно, взгляните на патент США № 1,9.55 620: двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через патенты Google). Работа предоставлена ​​Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнать больше

На этом сайте

• Оси и колеса
• Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
• Компрессоры и насосы
• Шестерни
• Турбины

Книги для читателей постарше

• Turbo: Real World High-Performance Turbocharge Systems by Jay K. Miller. Cartech Voyageur, 2008. Отличное общее введение.
• Турбокомпрессор: Справочник по производительности Джеффа Хартмана. Motorbooks International, 2007.
• Спортивные компактные турбины и воздуходувки Джо Петтитта. CarTech, 2004. Более практичное практическое руководство по установке и использованию турбокомпрессоров.
Турбокомпрессоры
• от Хью Макиннеса и Бетти Макиннес. Книги HP, 1987.
.
• Porsche Turbo: Полная история Питера Ванна. Motorbooks International, 2004. Первая глава включает общую историю турбокомпрессоров.

Книги для юных читателей

• Автомобильная наука Ричарда Хаммонда. Дорлинг Киндерсли, 2007 г. Объясняет науку, которая заставляет вашу машину работать (9–12 лет).

Артикул

• Создание лучшего турбокомпрессора, Дэн Карни, Design News, 19 октября 2029 г. Короткое, но интересное интервью с техническим директором Borg Warner смотрит, куда движется технология.
• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 г. . История новых электрических турбин Garrett.
• Прыжки с турбонаддувом с ипподрома в тупик Стивена Уильямса. The New York Times, 25 октября 2018 г. Как турбокомпрессоры стали важным компонентом двигателя современного автомобиля.
• Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора Алекс Дэвис. Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как повысить эффективность турбодвигателей? Просто добавь воды, Ник Чап. Нью-Йорк Таймс, 29Сентябрь 2016 г. Bosch возрождает идею распыления воды в цилиндры с турбонаддувом, чтобы сделать их более холодными и менее хаотичными.
• Автопроизводители считают, что турбины — это мощный путь к топливной экономичности, Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад турбокомпрессор был прорывной технологией Джима Коска. The New York Times, 19 декабря 2014 г. Как ранние турбокомпрессоры в конечном итоге преодолели свои первые проблемы.
• Если вы не водите турбо, вы скоро будете, Чак Скуатриглиа. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 г. количество автомобилей с установленными турбонагнетателями удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности двигателей меньшего размера.
• Турбо приветствует свою зеленую репутацию от Йорна Мэдслиена. BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «более экологичными» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробное техническое описание того, как что-то работает, лучше всего начать с патентов. Здесь Вот несколько недавних патентов на турбокомпрессоры, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США № 1 955 620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бюхи, выданный 17 апреля 1934 г. Ранний турбодвигатель, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
• Патент США № 2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод Ричарда Дж. Ллойда, The Garrett Corporation, выданный 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных скоростях двигателя.
• Патент США № 4,083,188: Система турбонагнетателя двигателя, разработанная Эмерсоном Куммом, The Garrett Corporation, выдана 11 апреля 19 г.78. Современный турбокомпрессор для дизеля с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданный Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.