Продажа квадроциклов, снегоходов и мототехники
second logo
Пн-Чт: 10:00-20:00
Пт-Сб: 10:00-19:00 Вс: выходной

+7 (812) 924 3 942

+7 (911) 924 3 942

Содержание

Принцип работы турбины самолета

Как работает авиационный двигатель — простым языком.

 То что вы видите под крылом — это не турбина, а именно авиационный двигатель, а турбина — это его составная часть.

Авиационный турбовентиляторный реактивный двигатель необходим для создания тяги, которая преодолеет сопротивление воздуха, сопротивление самолета и его частей, разгонит самолет до скорости, на которой вырастет подъемная сила, способная оторвать самолет от земли и унести его с полной загрузкой в небо.

Передняя часть двигателя называется воздухозаборник. Воздух, попадая в него, начинает частично сжиматься. Далее воздух попадает на ступени вентилятора и ряд лопаток, где его давление и температура от сжимания начинает расти.

Воздух дальше идет по двум контурам. Внешний контур сжимает воздух благодаря своей форме. Воздух, который пошел во внутренний контур все больше сжимается, проходя каждый ряд статичных и крутящихся лопаток, сделанных из титана.

В компрессоре высокого давления он сжимается и его температура растет. И вот воздух попадает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом. В результате этого резко растет тепловая энергия.⠀

Разогретые до огромной температуры газы выходят с бешеной скоростью из камеры сгорания и расширяются. Попадая на колесо турбины, они приводят ее в вращение.Турбина сидит на одном валу с компрессором. Компрессор начинает вращаться и получается замкнутая цепь. Воздух вновь засасывается компрессором и процесс продолжается.

Далее происходит следующее: разогретые до огромной температуры газы выходят с бешеной скоростью из камеры сгорания и расширяются. Попадая на колесо турбины, они приводят ее во вращение.

Турбина сидит на одном валу с компрессором. Компрессор начинает вращаться. Получается замкнутая цепь: воздух вновь засасывается компрессором, и процесс повторяется.

Выходящие газы попадают в сопло и на выходе из него смешиваясь с воздухом с внешнего контура создают реактивную струю, которая и толкает самолет сквозь воздушную среду. 

Турбореактивный двигатель (ТРД)

ТРД стал самым распространённым в авиации воздушно-реактивным двигателем. Он является базой для создания целого семейства двигателей, объединяемых под общим названием газотурбинных двигателей. ТРД используют в качестве горючего керосин, находящийся в топливных баках, а в качестве окислителя – кислород воздуха.

Поток воздуха, попадающего в двигатель, тормозится во входном устройстве (1), в результате чего давление воздуха перед осевым компрессором (2) повышается. Ротор (вращающаяся часть) объединяет ряд рабочих колёс компрессора (3), представляющих собой диски с закреплёнными на них рабочими лопатками.

 Сжатый воздух из компрессора попадает в камеру сгорания (7). Примерно 25–35% от общего потока воздуха направляется непосредственно в жаровые трубы, где происходит основной процесс сгорания керосина, поступающего в распылённом состоянии через форсунки (5).

Другая часть воздуха обтекает наружные поверхности жаровых труб, и на выходе из камеры сгорания смешивается с продуктами сгорания для их охлаждения, что позволяет поддерживать температуру газовоздушной смеси в камере сгорания на уровне, определяемом допустимой теплопрочностью стенок камеры сгорания, лопаток ротора (8) и лопаток спрямляющего аппарата турбины (9). 

Часть механической мощности отбирается от вала (6) для привода агрегатов двигателя  и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы. Основная часть энергии продуктов сгорания идёт на ускорение газового потока в выходном устройстве ТРД – реактивное сопло (10), т. е. на создание реактивной тяги.

Стартовая закрутка вала (5) осуществляется стартером, приводимым при запуске двигателя от наземного или бортового электроагрегата, при дальнейшей работе двигателя вращение вала поддерживается вращением ротора турбины.

 Турбонаддув

Турбонаддув – это система, позволяющая увеличить максимальную мощность двигателя, используя для этого энергию выхлопных газов. 

Первые турбины хотя и давали весьма ощутимую прибавку в мощности, но из-за своей громоздкости во много раз увеличивали и без того немаленький вес двигателей автомобилей тех лет.

Конструкторы со временем усовершенствовали технологию, сделав элементы системы более легковесными, одновременно повысив ее производительность. Но одним из существенных недостатков оставался повышенный расход топлива.

Конструкторам удалось решить одну из главных проблем турбодвигателя – расход топлива, ведь, как известно, дизельный агрегат менее «прожорливый», чем бензиновый.

Еще один несомненный плюс дизельного топлива – его отработанные газы имеют температуру ниже, чем бензиновые, стало быть, основные агрегаты системы турбонаддува можно было производить из менее тяжеловесных и жаростойких материалов. 

Работа реактивного двигателя

Реактивное движение – это такой процесс, при котором от определенного тела с некоторой скоростью отделяется одна из его частей. Сила, которая возникает при этом, работает сама по себе, без малейшего контакта с внешними телами. Реактивное движение стало толчком к созданию реактивного двигателя.

Представим выстрел из любого огнестрельного оружия. Струя раскаленного газа, который образовался в процессе сгорания заряда в патроне, отталкивает оружие назад. Чем мощнее заряд, тем сильнее будет отдача.

В качестве горючего для реактивных двигателей вначале применяли дымный порох. Реактивные двигатели требовали топлива с основой из нитроцеллюлозы, которая растворялась в нитроглицерине. В больших агрегатах сегодня используют специальную смесь полимерного горючего с перхлоратом аммония в качестве окислителя.

Принцип действия РД

В качестве топлива в реактивных двигателях используется жидкий кислород либо азотная кислота. В качестве горючего применяют керосин. 

Компоненты поступают в камеру сгорания из двух отдельных баков. После смешивания они превращаются в массу, которая при сгорании выделяет огромное количество тепла и десятки тысяч атмосфер давления. Окислитель подается в камеру сгорания.

Топливная смесь по мере прохождения между сдвоенными стенками камеры и сопла охлаждает эти элементы. Далее горючее попадет через огромное количество форсунок в зону воспламенения. Струя вырывается наружу. За счет этого и обеспечивается толкающий момент.

Несмотря на то что жидкостные двигатели потребляют очень много горючего, их до сих пор используют в качестве маршевых агрегатов для ракеты-носителей и маневровых для орбитальных станций.

Устройство

Устроен РД следующим образом:

— компрессор;

— камера для сгорания;

— турбины;

— выхлопная система.

Компрессор представляет собой несколько турбин. Их задача – всасывать и сжимать воздух по мере того, как он проходит через лопасти. В процессе сжатия повышается температура и давление воздуха. 

Смесь выходит из камеры сгорания на высокой скорости, а затем расширяется. Далее она следует через турбину, лопасти которой вращаются за счет воздействия газов. Эта турбина, соединяясь с компрессором, находящимся в передней части агрегата, и приводит его в движение. Воздух, нагретый до высоких температур, выходит через выпускную систему. 

Двухконтурный РД

Эти агрегаты имеют массу преимуществ перед турбореактивными (меньший расход топлива при той же мощности).

Воздух, захватываемый турбиной, частично сжимается и подается в первый контур на компрессор и на второй – к неподвижным лопастям. Турбина при этом работает в качестве компрессора низкого давления.

В первом контуре двигателя воздух сжимается и подогревается, а затем подается в камеру сгорания. Здесь происходит смесь с топливом и воспламенение. Образуются газы, которые подаются на турбину высокого давления, за счет чего и вращаются лопасти турбины.

Затем газы проходят через турбину низкого давления. Она приводит в действие вентилятор, и газы попадают наружу, создавая тягу.

Турбовинтовой двигатель 

Конструкция и принцип работы были взяты из механизма турбореактивного мотора, а от поршневого — воздушные винты. Таким образом, стало возможным совмещение небольших габаритов, экономичности и высокого коэффициента полезного действия.

Однако для сверхзвуковой скорости они годными не были. Поэтому с появлением таких мощностей в военной авиации от них отказались. Зато гражданские самолеты в основном снабжаются именно ими.

Схема турбовинтового двигателя выглядит следующим образом: после нагнетания и сжатия компрессором воздух попадает в камеру сгорания. Туда же впрыскивается топливо. Полученная смесь воспламеняется и создает газы, которые при расширении поступают в турбину и вращают ее. Нерастраченная энергия выходит через сопло, создавая реактивную тягу.

Турбина

Турбина способна развить скорость до 20 тысяч оборотов в минуту, но винт не сможет ей соответствовать, поэтому здесь имеется понижающий редуктор. Редукторы могут быть разными, но главная их задача — снижать скорость и повышать момент.

Для повышения тяги иногда двумя винтами снабжается турбовинтовой двигатель. Принцип работы при этом у них реализуется за счет вращения в противоположные стороны, но при помощи одного редуктора.

Преимуществами турбовинтового двигателя являются:

  • малый вес по сравнению с поршневыми агрегатами;
  • экономичность по сравнению с турбореактивными моторами.

Турбокомпрессор

Принцип работы турбокомпрессора сводится к следующему:

  • при попадании в мотор топливовоздушной смеси происходит ее сгорание, которая затем выходит через выхлопную трубу. В начале выпускного коллектора установлена крыльчатка, крепко соединенная с другой крыльчаткой, расположенной во впускном коллекторе;
  • поток выходящих из двигателя выхлопных газов раскручивает крыльчатку, находящуюся в выпускном коллекторе, которая в свою очередь приводит в движение крыльчатку, установленную на впуске;
  • в мотор поступает большее количество воздушной массы, в него подается больше топлива. 

Преимущества и недостатки турбонаддува

Турбокомпрессор используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя. 

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

Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. 

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. 

Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

Принцип работы газовых турбин

Газовой турбиной принято называть своеобразный тепловой двигатель, его рабочим частям предопределено только одно задание – вращаться вследствие воздействия струи газа.

История создания газовой турбины

Интересно, что механизмы турбин начали разрабатываться инженерами уже очень давно. Первая примитивная паровая турбина была создана ещё в I веке до н. э.

Активно разрабатываться турбины начали в конце XIX века одновременно с развитием термодинамики, машиностроения и металлургии.

Технические характеристики газовой турбины

Главная часть турбины представлена колесом, на которое прикреплены наборы лопаток. Газ, воздействуя на лопатки газовой турбины, заставляет их двигаться и вращать колесо. Колесо жёстко скреплено с валом.

Это ротор турбины. Вследствие этого движения достигается получение механической энергии, которая передаётся на электрогенератор, на гребной винт корабля, на воздушный винт самолёта и другие рабочие механизмы аналогичного принципа действия.

 

Активные и реактивные турбины

Активная турбина характеризуется тем, что здесь отмечается большая скорость поступления газа на рабочие лопатки. При помощи изогнутой лопатки струя газа отклоняется от своей траектории движения. В результате отклонения развивается большая центробежная сила.

В реактивной турбине поступление газа к рабочим лопаткам осуществляется на незначительной скорости и под воздействием большого уровня давления. Форма лопаток так же отлична, благодаря чему скорость газа значительно увеличивается.

 

Схема и принцип действия газотурбинного двигателя

Газотурбинным двигателем (ГТД)  называют тепловую машину, в которой энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струи и в механическую работу на валу. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Принцип действия ГТД следующий.

1. Воздух из атмосферы поступает в компрессор (сечение «В-В»), где происходит сжатие воздуха (плотность, давление и температура возрастают). Если компрессор идеальный, то сжатие воздуха осуществляется в адиабатном процессе (  ), показатель адиабаты к=1.4.

Отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе называется степенью повышения давления в компрессоре:  .

2. Из компрессора (сечение «К-К») воздух поступает в камеру сгорания, где при постоянном давлении происходит подвод тепла к потоку воздуха при горении топлива. В результате подогрева в камере сгорания газ на её выходе имеет высокую температуру. Отношение температуры газа на выходе из камеры сгорания к температуре атмосферного воздуха называется степенью подогрева воздуха в двигателе:  .

3. Из камеры сгорания газ поступает в турбину (сечение «Г-Г»), где происходит расширение газа (плотность газа уменьшается). Если турбина идеальная, то процесс расширения принимается адиабатным. Показатель адиабаты газа равен 1.33.

4. Из турбины (сечение «Т-Т») газ направляется в выходной канал двигателя. Таким образом, ГТД представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой реализуется цикл Брайтона.

Принцип действия и устройство турбин. Активные и реактивные принципы работы турбин

Особенности турбины как теплового двигателя

Турбина является тепловым ротационным двигателем, в котором потенциальная тепловая энергия пара (или газа) превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую работу вращения вала.

Пар с давлением более высоким, чем за турбиной, поступает в одно или несколько неподвижных каналов 5. В сопловых каналах пар расширяется, давление его падает, а скорость возрастает. 

Из сопл пар поступает в рабочие каналы, образованные рабочими лопатками 3, закрепленными на диске 2. Двигаясь в рабочих каналах между рабочими лопатками и изменяя свое направление, поток пара оказывает силовое воздействие на рабочие лопатки. В результате чего они вращаются вместе с диском и валом 1, установленным в опорных подшипниках 4.

Комплект, состоящий из сопл и рабочих лопаток, в которых совершается процесс расширения пара, называется ступенью давления турбины. Простейшие турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми, в отличие от более сложных многоступенчатых турбин.

Тремя основными элементами, содержащимися в конструкции турбокомпрессора являются: центробежный компрессор, турбина и центральный корпус. Кинетическая энергия отработанных газов под воздействием турбины преобразуется во вращательное движение компрессора.

Также турбина соединяет турбинное колесо, помещённое в специальный корпус в форме улитки.

Поступая в улитку, отработавшие газы перемещаются по каналу и попадают на лопасти турбинного колеса. Вал, к которому приварено турбинное колесо, передаёт на колесо компрессора энергию, которая придаёт его вращению.

Лопасти турбинного колеса становятся проводниками отработавших газов, которые затем покидают турбину через отверстие в центре турбокомпрессора и выходят в выпускную систему.

От формы и размера турбины напрямую зависит производительность турбокомпрессора. Значительный прирост мощности наблюдается в турбинах большего размера, потому что они могут использовать большее давление отработавших газов. Однако в таких турбокомпрессорах, на низких оборотах, значительна вероятность возникновения турбоямы.

 

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 3 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

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.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

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.

 

 

Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель

Турбонаддув представляет собой разновидность наддува, позволяющий подавать воздух в цилиндры ДВС под высоким давлением, которое обеспечивается высвобождаемой от сгорания топлива энергией выхлопных газов.

За счет турбонаддува повышается рабочая мощность двигателя, при этом не увеличивается внутренние объемы цилиндров двигателя и количество оборотов, совершаемых коленвалом. Кроме всего прочего турбонаддув позволяет снизить прожорливость двигателя, а также уменьшить токсичность газов благодаря более эффективному сгоранию топливовоздушной смеси.

Турбонаддув довольно широко используется на ДВС, работающих как на бензине так и на дизтопливе. При этом использование системы турбонаддува на дизелях считается более выгодным благодаря высокому показателю сжатия ДВС и малой частоте оборотов коленвала.

В бензиновых двигателях высока вероятность возникновения детонирующего эффекта вследствие значительного увеличения количества оборотов двигателя и высокого температурного режима газов при сгорании топлива (до 1000 °C, у дизеля лишь 600 °C).

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

  • воздушный заборник и фильтр;
  • дроссельная заслонка;
  • турбинный компрессор;
  • интеркулер;
  • коллектор впускной;
  • соединительные патрубки;
  • напорные шланги

Турбинный компрессор (нагнетатель)

Основной элемент устройства турбонаддува, который предназначен для увеличения рабочего давления воздушной массы в системе впуска. Турбокомпрессор состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу. Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах.

Турбинное колесо используется для переработки энергии, выделяемой отработанными газами. Колесо и его корпус изготавливаются из высокопрочных и жароустойчивых материалов – стальных и керамических сплавов.

Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС.

Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по канальцам, расположенным в подшипниковом корпусе.

Интеркулер

Интеркулер – воздушный или жидкостной радиатор, который применяется для своевременного охлаждения предварительно сжатого воздуха, вследствие чего происходит увеличивается давление и плотность воздушного потока.

Регулятор давления наддува

Ключевым элементом управления турбонаддувом является регулятор давления наддува, который по сути своей является перепускным клапаном. Основным назначением клапана является сдерживание и перенаправление части вырабатываемых газов в обход турбинного колеса для снижения давления наддува. 

Перепускной клапан может быть оснащен приводом электрического или пневматического типа. Активация клапана происходит вследствие приема сигналов от датчика давления.

Предохранительный клапан

Клапан предохранительный используется для предотвращения скачков давления воздушной массы, которое часто возникает при быстром закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление либо стравливается в атмосферу, либо переподается на вход компрессора.

Принцип действия турбонаддува

Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.

Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.

Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.

Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.

Для устранения эффекта турбоямы используются три основных метода:

  • Использование системы с двумя (и более) турбокомпрессорами. Турбины могут устанавливаться параллельно – это допускается на двигателях V-образного типа. При этом каждая турбина устанавливается на свой ряд цилиндров. Идея данного метода в том, что две турбины меньшего размера обладают более низкой инерционностью, чем одна большая турбина. Турбины так же могут устанавливаться и последовательно, причем их может быть от двух до четырех (Bugatti). Увеличение производительности и максимальная эффективность турбонаддува в этом случае достигаются за счет того, что при разных оборотах двигателя используется свой турбокомпрессор.
  • Использование турбины с изменяемой геометрией. Подобный метод обеспечивает более рациональное использование энергии отработанных газов за счет изменения площади сечения входного канала турбины. Данный метод весьма часто используется на дизельных двигателях, например всем известная система TDI от Volkswagen.
  • Использование комбинированного типа турбонаддува. Данный метод позволяет применять симбиоз двух систем – механического и турбинного наддува. Механический наддув эффективен на малых оборотах коленвала, при которых сжатие воздуха обеспечивается нагнетателем механического типа. Турбонаддув применяется при высоких оборотах коленвала, где функцию нагнетания воздуха берет на себя турбинный компрессор. Наиболее распространенной системой комбинированного наддува является наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 6 января 2020 г.

Идеального изобретения не бывает: всегда можно сделать что-нибудь лучше, дешевле, более эффективный или более экологически чистый. Возьмите внутренний двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью может сбить вас с дороги или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать иначе.Но это всегда можно построить двигатель, который будет работать быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —a пара вентиляторов, которые используют отработанную мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух впереди, доставляя больше «энергии», чем в противном случае получить. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте присмотритесь!

Фото: в типичном автомобильном турбокомпрессоре используется пара таких улиток вентиляторов.Тот, который вы видите здесь, — это Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана Делкора любезно предоставлено ВМС США.

Что такое турбокомпрессор?

Фото: два вида безмасляного турбокомпрессора, разработанного НАСА. Фото любезно предоставлено Исследовательский центр НАСА Гленна (NASA-GRC).

Вы когда-нибудь видели, как мимо проезжают машины, из выхлопной трубы которых струится сажа? Очевидно, выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше очевидно, что они одновременно тратят энергию.Выхлоп смесь горячих газов выкачивается на скорости и вся энергия содержит — тепло и движение (кинетическая энергия) — исчезает бесполезно в атмосферу. Было бы здорово, если бы двигатель Могли ли как-то использовать эту бесполезную энергию, чтобы машина ехала быстрее? Именно это и делает турбокомпрессор.

Автомобильные двигатели получают энергию за счет сжигания топлива в прочных металлических канистрах, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр смешивается с топливом и горит, чтобы произвести небольшой взрыв который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля.Когда поршень возвращается внутрь, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра как выхлоп. Количество мощности Производительность автомобиля напрямую зависит от того, насколько быстро он сжигает топливо. В у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее можешь идти.

Один из способов сделать машину быстрее — это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндры в обычном семейном автомобиле.Другой вариант — использовать турбонагнетатель, который нагнетает больше воздуха в цилиндры каждую секунду, они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простой, относительно дешевый, дополнительный немного обвеса, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию турбокомпрессора автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камеру где он горит топливом, а затем выбрасывает горячий воздух из спины.В виде горячий воздух уходит, он с ревом проносится мимо турбины (что-то вроде очень компактная металлическая ветряная мельница), которая приводит в движение компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это бит, который нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть должным образом. Турбокомпрессор на автомобиле применяет очень Принцип аналогичен поршневому двигателю. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, позволяя им сжигать больше топлива каждый второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше мощности (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»).Нагнетатель (или «нагнетатель с механическим приводом», чтобы дать ему полное название) очень похож на турбокомпрессор, но вместо того, чтобы приводиться в действие выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие от вращающегося коленчатого вала автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отходов энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию от собственного источника энергии автомобиля (коленчатого вала), что обычно бесполезно.

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

Как на практике работает турбонаддув? Турбокомпрессор представляет собой два маленьких вентилятора (также называемых крыльчатками). или бензонасосы), сидящие на одном металлическом валу, так что оба вращаются все вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в выхлопная струя из цилиндров. Когда цилиндры выдувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются, и вал, к которому они присоединены (технически называется вращающийся узел центральной ступицы или CHRA) также вращается.Второй вентилятор называется , компрессор и, поскольку он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже вращается. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля и, вращаясь, притягивает воздух в автомобиль и нагнетает его в цилиндры.

Теперь здесь небольшая проблема. Если сжать газ, он станет горячее (вот почему велосипедный насос нагревается, когда вы начинаете накачивать шины). Горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и меньше эффективны для сжигания топлива, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, поступающий из компрессора, был охлажден перед входом цилиндры.Для его охлаждения мощность компрессора проходит через над теплообменником, который удаляет дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — подробный обзор

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен (и питает) компрессор (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 его выдувает.
  4. Горячий сжатый воздух от 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 быстрее вырабатывает энергию и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
  7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выхлопное отверстие.
  8. Горячие выхлопные газы, обдувающие турбинный вентилятор, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
  9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (показан здесь бледно-оранжевой линией). Итак, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
  10. Выхлопные газы покидают автомобиль, расходуя меньше энергии, чем в противном случае.

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

Иллюстрация: Как турбина и компрессор связаны в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США № 7946118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдано 24 мая 2011 г.Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры дают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступать 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 — вот где дополнительная мощность автомобиля происходит от. Все выхлопные газы питают турбокомпрессор и, поскольку турбокомпрессор не подключен к коленчатому валу или колесам автомобиля, он не прямо увеличивает мощность автомобиля в любом случае.Это просто включение один и тот же двигатель для более быстрого сжигания топлива, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной мощности вы можете получить?

Если турбокомпрессор дает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это даже больше мощности. Теоретически вы можете продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры такие большие, и топлива, которое они могут сжечь, так много. Через впускное отверстие определенного размера вы можете втянуть в них столько воздуха, сколько выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для привода турбокомпрессора.Другими словами, в игру вступают и другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; нельзя просто турбонаддувом проложить себе путь до бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и более или менее на любых вид транспортного средства (легковой автомобиль, грузовик, корабль или автобус). Основное преимущество использования турбонагнетателя заключается в увеличении выходной мощности. для двигателя того же размера (каждый ход поршня в каждом цилиндре генерирует большую мощность, чем в противном случае).Тем не менее, большая мощность означает больше энергии выработки в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что это означает, что вы также должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны соответственно сжигать больше топлива. Теоретически это означает, что двигатель с турбонагнетателем не более экономичен, чем двигатель без него. Однако на практике двигатель, оснащенный турбонагнетателем, намного меньше и легче, чем двигатель, производящий такую ​​же мощность без турбонагнетателя, поэтому автомобиль с турбонагнетателем может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении.Производители теперь часто могут обойтись без установки гораздо меньшего двигателя на тот же автомобиль (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: при хорошей работе 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, вызывая меньшее загрязнение воздуха.

« Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, проданных в США, будут оснащены одним двигателем.

The New York Times, 2018

Большая мощность при том же размере двигателя — это прекрасно, так почему же не все двигатели имеют турбонаддув? Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбокомпрессорами, не всегда оказывались столь впечатляющими, как утверждали производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом над своими конкурентами). Одно исследование, проведенное в 2013 году Consumer Reports, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом дают значительно худшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические хвастовства двигателей с турбонаддувом за чистую монету.Есть более эффективные способы экономии топлива, 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 нужно пойти не так. Это может сделать обслуживание турбин значительно дороже. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны испытывать более высокие давления и температуры, что может привести к более быстрому выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом служат не так долго.Даже вождение с турбонаддувом может отличаться: поскольку турбокомпрессор приводится в действие выхлопными газами, часто наблюдается значительная задержка («турбо-задержка») между тем, когда вы нажимаете ногу на акселератор, и моментом включения турбонагнетателя, и это может привести к турбо машины очень разные (а иногда и очень хитрые) в управлении. В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, активно разрабатывают частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Гарретта называется E-Turbo, а предложение Борга — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бюхи (1879–1959), инженер-автомобилестроитель, работавший в двигательной компании Gebrüder Sulzer в Винтертуре, Швейцария. Как и в случае с турбонагнетателем, который я проиллюстрировал выше, в его первоначальной конструкции использовался приводной от выхлопа вал турбины для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя. Первоначально он разработал турбокомпрессор за годы до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1905 году, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя.

Однако

Бючи была не единственной важной фигурой в истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением ступеней сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это немного похоже на наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое можно сжечь. Другие инженеры, включая Луи Рено, Готлиба Даймлера и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Изображение: один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бючи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро разобраться в этом. Вы можете увидеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопные газы из цилиндра проходят через трубу (зеленую), которая приводит в движение турбину. Он связан с оранжевым «нагнетательным вентилятором» (компрессором) и охладителем (синий ящик), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубу.Есть множество других сложных деталей, но я не буду вдаваться во все детали; Если вам интересно, взгляните на патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через Google Patents). Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнать больше

На сайте

Книги для старших читателей

Книги для юных читателей

  • Car Science Ричард Хаммонд.Дорлинг Киндерсли, 2007. Объясняет, почему ваша машина работает (возраст 9–12 лет).

Статьи

  • Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 года. История новых электрических турбин Гарретта.
  • «Прыжки с турбонаддувом с гоночной трассы на Кюль-де-Сак», автор Стивен Уильямс. The New York Times, 25 октября 2018 г. Как турбокомпрессоры стали неотъемлемой частью современного автомобильного двигателя.
  • Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора, автор Алекс Дэвис.Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
  • Как сделать турбодвигатели более эффективными? Просто добавь воды, Ник Чап. The New York Times, 29 сентября 2016 г. Компания Bosch возрождает идею распыления воды на цилиндры с турбонаддувом, чтобы они работали более прохладно и менее беспорядочно.
  • Автопроизводители считают, что турбины — мощный путь к экономии топлива Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, с энтузиазмом продвигают двигатели с турбонаддувом.
  • 50 лет назад Джим Коскс сделал турбонагнетатель революционной технологией. The New York Times, 19 декабря 2014 года. Как первые турбокомпрессоры в конечном итоге преодолели свои первые проблемы.
  • Чак Скватриглиа, «Если вы не водите турбо», то скоро будете. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 г. количество автомобилей с установленными турбокомпрессорами удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности от двигателей меньшего размера.
  • Turbo приветствует зеленый сертификат Йорна Мадслиена.BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «экологичнее» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробные технические описания того, как все работает, патенты — хорошее место для начала. Вот Вот некоторые недавние патенты на турбокомпрессоры, которые стоит проверить:

  • Патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бюхи, выдан 17 апреля 1934 г. Первый турбомотор, разработанный самим изобретателем турбонагнетателей.
  • Патент США №
  • №2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод, выданный Ричардом Дж. Ллойдом, корпорация Garrett, 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных оборотах двигателя.
  • Патент США № 4083188: Система турбонаддува двигателя, выданная Emerson Kumm, The Garrett Corporation, 11 апреля 1978 года. Современный турбонагнетатель для дизельного двигателя с низкой степенью сжатия.
  • Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдан 24 мая 2011 г.Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Twin-Turbocharging: как это работает?

Кому нужен один турбо, если в него можно втиснуть два? Вот как это можно сделать …

Турбокомпрессоры

были святым Граалем для увеличения мощности на протяжении многих десятилетий, обеспечивая максимальную нагрузку на блоки двигателя за счет дополнительной мощности и тепловой мощности.Независимо от того, есть ли у вашего автомобиля запасной турбонагнетатель или он был модифицирован новыми форсунками и коллектором для его установки, быстро вращающиеся лопасти турбины часто были идеальным выбором для тех, кто ищет этот любимый чу-чу.

Но если довольно значительного количества дополнительной мощности недостаточно, чтобы утолить жажду, ответом может быть двойной турбонаддув. С легендарными автомобилями, такими как Mazda RX-7 и Ferrari F40, имеющими в своем распоряжении не один, а два турбокомпрессора, пришло время взглянуть на то, как работает двойной турбонаддув, и на различные типы, доступные на рынке.

Параллельные двойные турбины

Это примерно такой же стандарт, как и двойной турбонаддув, в котором два турбонагнетателя одинакового размера работают вместе, чтобы нагнетать воздух как можно быстрее в цилиндры.Выхлопные газы, возвращаемые в турбины, поровну распределяются между ними, но обычно снова объединяются в общем впускном отверстии перед поступлением в цилиндры.

Преимущество этой упрощенной системы заключается в возможности гораздо меньшей турбо-задержки, чем от одного большого турбокомпрессора, выполняющего всю работу. В V-образных двигателях каждому турбонагнетателю обычно назначается отдельный ряд цилиндров, вместо одного большого турбонагнетателя, который должен нагнетать воздух через извилистую канализацию, чтобы пройти через моторный отсек к требуемым цилиндрам.Отсутствие задержки также происходит из-за того, что при параллельном двойном турбонаддуве используются турбокомпрессоры немного меньшего размера, заменяющие один большой турбонагнетатель, у которого будут большие лопатки. Это значительно упрощает процесс наматывания входящего воздуха.

Чтобы сохранить эти преимущества при уравновешивании потребности в мощности, общее правило состоит в том, что параллельные турбины должны быть установлены на относительно низкое давление наддува, чтобы уменьшить турбо-лаг, но с комбинацией двух турбин, обеспечивающих достаточную мощность.

Последовательные двойные турбины

В этой установке используются два разных размера турбокомпрессоров; турбонагнетатель с небольшими лопастями для низкого расхода выхлопных газов при более низких оборотах двигателя, а затем гораздо более мощный второй турбонаддув, который возьмет на себя, как только у него появится возможность раскрутиться.

Компрессионный клапан расположен перед большим турбонагнетателем, гарантируя, что все выхлопные газы с более низкой энергией, производимые в нижней части диапазона оборотов, изолированы от меньшего турбокомпрессора, чтобы максимизировать мощность в диапазоне оборотов, который был бесполезен для большинства настройки турбонагнетателя. Когда частота вращения двигателя увеличивается, клапан сжатия слегка открывается, позволяя турбине большего размера начать вращаться. Затем клапан запускается для полного открытия при заданном объеме воздушного потока, позволяя вторичной турбонаддуве максимизировать свою эффективность.

Через аккаунт YouTube High Tech Corvette

Таким образом, последовательный турбонаддув устраняет практически все недостатки одиночного турбонаддува и заменяет параллельную настройку, поскольку вторичный турбонаддув может быть установлен на чрезвычайно высокий наддув, полагаясь на первичный турбонаддув, чтобы устранить любое отставание ниже.Модификаторы автомобилей также могут сойти с ума от последовательной системы, варьируя соотношение между малым и большим турбонагнетателем, чтобы создать действительно устрашающую мощность. Подумайте о MkIV Toyota Supra, и вы сможете визуализировать, возможно, лучшую платформу для последовательного турбонаддува.

Ступенчатый турбонаддув

Используя те же принципы, что и при последовательной установке, ступенчатый турбонаддув использует «ступенчатый» процесс для увеличения сжатия воздуха до чрезвычайно высокого уровня перед подачей в цилиндры двигателя.Начиная с небольшого турбонагнетателя, воздух проходит непосредственно в более крупный турбонагнетатель, который сжимает воздух дальше. Конечное давление наддува в ступенчатой ​​системе может быть намного больше, чем в обычной системе с двойным турбонаддувом, но это довольно катастрофично, когда дело доходит до задержки. Вот почему он обычно используется в дизельных двигателях с высокой степенью сжатия и низким диапазоном оборотов.

Турбины Twin-Scroll

Чтобы избежать хлопот, связанных с использованием двух турбонагнетателей, вы можете выбрать турбонаддув с двойной прокруткой.Фактически это две турбины, помещенные в один корпус, а выпускной коллектор стратегически разделен между цилиндрами двигателя. Это связано с тем, что в обычном турбонагнетателе с одной спиралью импульсы выхлопных газов сходятся перед и внутри турбонагнетателя, создавая беспорядочный и турбулентный поток воздуха. Система двойной спирали позволяет отделять импульсы выхлопных газов и попадать в турбокомпрессор через собственные впускные отверстия, сводя к минимуму конфликты между импульсами.

, который в последнее время широко используется в BMW, включая M2, двойная прокрутка сделала турбонаддув гораздо более эффективным с точки зрения как комплектации, так и производительности, придав четырехцилиндровым двигателям возможности гораздо более мощных шестицилиндровых двигателей предыдущего поколения .

Будущее

Другие способы улучшения возможностей двойных турбонагнетателей были разработаны совсем недавно, и самые экстремальные из них были разработаны Audi с ее производительным внедорожником SQ7.Баржа, конкурирующая с Range Rover Sport SVR, использует стандартную систему двойного турбонаддува, дополненную передним по потоку электрическим компрессором. Электрический вентилятор, предназначенный для предварительного сжатия воздуха прямо из промежуточного охладителя, вращается со скоростью до 70 000 об / мин, чтобы дополнительно повысить давление наддува воздуха, который в конечном итоге достигает цилиндров.

Хотя Audi утверждает, что это эффективно устраняет задержку, следует с осторожностью применять такой компонент в их собственной системе с турбонаддувом, поскольку многие «электрические турбокомпрессоры» на вторичном рынке представляют собой просто электрические вентиляторы, которые не будут делать ничего, кроме ограничения потока выхлопных газов к лопаткам турбины.

Независимо от того, является ли двойной турбонаддув просто мечтой, которая никогда не осуществится через ваш застоявшийся проектный автомобиль, или вы счастливый обладатель автомобиля, у которого он есть в стандартной комплектации, это безумно крутой способ сделать отстой, удар и удар любого двигателя внутреннего сгорания.

Каждый заправщик наверняка должен мечтать о том, что когда-нибудь они могут появиться на местном мероприятии и открыть капот, чтобы обнажить пару блестящих турбонагнетателей размером с их собственную голову, вызывая восхищение и ревность каждого прохожего любителя V-TEC Civic . Так что продолжайте мечтать и наберитесь терпения — я обещаю, что где-то для вас найдется непревзойденная Supra.

Как работает турбо? Принцип работы турбокомпрессора

]]]]>]]>

Турбокомпрессор — это знакомый термин, когда вы говорите о гоночных автомобилях и высокопроизводительных спортивных автомобилях.Они также не редкость для больших дизельных двигателей. Турбо — это устройство, которое может увеличить мощность двигателя без увеличения его веса. Как работает турбо и как это сделать? И какие особенности сделали их такими популярными?

Что такое турбокомпрессор?

Люди из 1980-х годов, вероятно, лучше знакомы со словом «турбо», потому что в то время оно применялось ко множеству товаров, таких как турбо-скейтборды, турбо-бритвы и многое другое.Но не это произвело революцию в автомобильной промышленности.

Турбокомпрессор — это турбокомпрессор с принудительным впуском, который повышает эффективность и выходную мощность двигателя внутреннего сгорания за счет подачи дополнительного воздуха в камеру сгорания.

Если кажется немного сложным понять, как работает турбонагнетатель, , возьмите за основу тот факт, что двигатель работает на смеси топлива и воздуха. Когда турбонагнетатель нагнетает в камеру больше воздуха, он смешивается с большим количеством топлива, что в результате дает большую мощность.Он перекачивает воздух, сжимая его, используя энергию выхлопных газов, выходящих из двигателя.

Турбомотор.

Различные типы турбокомпрессора?

В автомобильной промышленности используются различные типы турбокомпрессоров:

одиночный — турбо

Когда говорят об одинарных турбокомпрессорах, большинство людей думают об этом как о турбонагнетателе. Автомобильная механика, изменяя размер элемента внутри турбонагнетателя, может создавать расходящиеся характеристики крутящих моментов.В то время как маленькие турбины могут увеличивать мощность на низких частотах и ​​быстрее вращаться, большие турбины повышают уровень максимальной мощности. Оба они являются рентабельными инструментами повышения эффективности и мощности двигателя. Не говоря уже о том, что благодаря небольшому размеру они позволяют меньшим двигателям улучшать рабочую функцию по сравнению с более крупными двигателями. Недостатком Single-turbo является то, что он может хорошо работать в узком диапазоне оборотов. Еще один недостаток заключается в том, что перед тем, как турбо-режим начнет работать, будет турбо задержка.

Твин-турбо

Как и в названии, на двигатель установлен второй турбонагнетатель. Таким образом, второй турбонаддув обеспечивает более высокую мощность и более широкий диапазон оборотов. Чтобы быть более конкретным, меньший турбонаддув работает на низких оборотах, а большой — на более высоких. В результате твин-турбо имеет высокую сложность и стоимость.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией, или VGT, представляет собой кольцо из лопаток аэродинамической формы, установленное внутри турбины.Эти внутренние лопатки вращаются с целью изменения угла закрутки газа. Самая впечатляющая особенность турбонагнетателя с изменяемой геометрией — это способность согласовывать площадь турбины с радиусом вращения с частотой вращения двигателя для поддержания максимальной производительности. В результате это может уменьшить турбо-лаг и сгладить диапазон крутящего момента. С другой стороны, VGT ограничен в приложениях с бензиновыми двигателями. Причина тому — детали из экзотических материалов. Это требование, поскольку VGT должен выдерживать высокотемпературные выхлопные газы.По этой причине это исключает возможность присоединения VGT к двигателям класса люкс.

Турбокомпрессор Twin-scroll с регулируемой мощностью

Этот турбокомпрессор, также называемый VTS, сочетает в себе турбо изменяемую геометрию с турбонаддувом с двойной спиралью. Благодаря этой особой комбинации турбонагнетатель с регулируемой двойной спиралью представляет собой более надежную альтернативу, а также более дешевую для владельцев автомобилей.

Электротурбокомпрессоры

Если вы ищете решение для удаления турбо-лага, электрический турбокомпрессор — ваше главное оружие.Помогая турбонагнетателям там, где обычный турбонагнетатель не самый лучший, электрический турбонагнетатель работает путем добавления электродвигателей, вращающих компрессор турбонагнетателя до тех пор, пока мощность выхлопного объема не станет достаточно высокой для запуска турбонагнетателя. И это самые совершенные турбокомпрессоры, так как в нем есть решения для всех проблем обычных турбокомпрессоров.

Как работает турбо?

Принцип работы турбокомпрессора практически аналогичен реактивному двигателю. Реактивный двигатель поглощает холодный воздух своей передней стороной, толкает его в камеру для смешивания и сжигания с топливом, а затем выпускает горячий воздух через заднюю сторону.
Когда горячий воздух выходит из двигателя, он запускает турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие воздушный насос или компрессор, расположенный на передней стороне двигателя. Он выталкивает воздух в двигатель и обеспечивает надлежащее сгорание топлива.

Как работает турбина в автомобильном двигателе? В нем применяется почти тот же принцип, что и в реактивном двигателе. Он состоит из двух основных частей — турбины и компрессора. Когда одна часть вращается, другая вращается вместе с ней, потому что они связаны друг с другом. Выхлопные газы выходят из двигателя, когда топливо горит внутри камеры сгорания.Газы спускаются в трубу и вращают турбину, которая вращается со значительно высокой скоростью и заставляет вращаться компрессор (который на самом деле является турбиной в обратном направлении). Эта цепочка действий перекачивает больше воздуха в цилиндр двигателя, позволяя сжигать больше топлива и производить больше мощности каждую секунду.

Может возникнуть вопрос, почему турбокомпрессоры не перегреваются, несмотря на работу при экстремальных температурах и большие нагрузки на давление. Ответ — интеркулер. В каждом турбокомпрессоре есть промежуточный охладитель, который охлаждает выпускаемый горячий воздух.Система масляного охлаждения заботится о турбонагнетателе и не дает ему перегреться.

Практически все современные автомобили с дизельными двигателями имеют турбокомпрессоры, потому что дизельные двигатели жестче бензиновых и имеют более простые воздухозаборники.

Как работает турбокомпрессор? (Краткий обзор)

Чтобы объяснить это кратко, пошаговые процедуры , как работает турбонагнетатель :

  1. Воздухозаборник двигателя всасывает холодный воздух и направляется в компрессор.
  2. Компрессор сжимает поступающий воздух и нагревает его. Затем он выдувает горячий воздух.
  3. Горячий воздух охлаждается, проходя через теплообменник, и поступает в воздухозаборник цилиндра.
  4. Холодный воздух горит внутри камеры сгорания быстрее из-за переноса большего количества кислорода.
  5. Из-за сжигания большего количества топлива выход энергии будет больше, и двигатель сможет передавать больше мощности на колеса.
  6. Горячие отработанные газы покидают камеру и проходят мимо турбины на выходе выхлопных газов.
  7. Турбина вращается с высокой скоростью и раскручивает компрессор, так как обе установлены на одном валу.
  8. Выхлопные газы выходят из автомобиля через выхлопную трубу. Они тратят меньше энергии, чем двигатель без турбонагнетателя.
VW Beetle использует двигатель с турбонаддувом.

Какие преимущества турбокомпрессоров?

Дополнительная мощность, безусловно, является ключевым преимуществом турбокомпрессоров, но это не единственное преимущество, которое они предлагают. Еще одно прибыльное преимущество — топливная экономичность.Турбодвигатель использует гораздо меньше топлива для выработки такой же мощности по сравнению со стандартными двигателями. По этой причине Ford использует 1,0-литровый двигатель с турбонаддувом вместо 1,6-литрового бензинового двигателя в некоторых своих моделях. Точно так же вы увидите 4-цилиндровый двигатель с турбонаддувом вместо 6-цилиндрового и V6 с турбонаддувом, заменяющий V8 во многих новых моделях.

Автомобили с турбонаддувом на самом деле лучше, чем стандартные автомобили с бензиновым двигателем, поскольку они потребляют меньше топлива и сжигают масло более чисто, что снижает загрязнение воздуха.

Еще одно преимущество использования турбонагнетателей заключается в том, что они позволяют двигателю выдавать больший крутящий момент в более низком диапазоне оборотов, что дает автомобилю преимущество при движении по городу. Дополнительный крутящий момент удобен для легкого зажатия зазоров.

Еще одно приятное преимущество турбомоторов — их тихий характер. Они заглушают звук впуска и позволяют автомобилю ездить по улицам, не издавая раздражающих звуков.

ПОДРОБНЕЕ

Турбокомпрессор против нагнетателя

Если вы разбираетесь в , как работает турбонагнетатель , вы также поймете принцип работы нагнетателя.Оба устройства выполняют одну и ту же работу — вырабатывают больше мощности двигателя автомобиля. Однако у них разные принципы работы. Турбина работает, когда выхлопные газы обматывают турбину, но нагнетатель генерирует мощность от вращающегося коленчатого вала. Этот принцип работы на самом деле менее эффективен, потому что он использует энергию двигателя автомобиля, в то время как турбонагнетатель использует потерянную энергию.

Базовые компоненты и теория турбонаддува

Послушайте, не говоря уже о технической чепухе, турбонаддув — это на самом деле довольно простая концепция.Цель здесь состоит в том, чтобы преобразовать энергию, содержащуюся в вашем выхлопном потоке, которая обычно тратится впустую, в положительное давление во впускном коллекторе, нагнетая воздух в двигатель и тем самым производя больше мощности. Теперь мы понимаем, что это очень много, чтобы рассказать о нем — достаточно, чтобы написать книгу, — но цель этой конкретной статьи — познакомить всех, включая читателей, которые никогда раньше не видели турбо, в кратчайшие сроки с концепциями. участвует. Говоря прямо, это турбокомпрессоры 101-A, которые покрывают самую верхушку айсберга с расстояния 1000 футов.В этой первой статье мы надеемся создать базовый словарь и рабочие знания, которые можно использовать в будущем, поэтому, если вы опытный турбо-гуру, который ищет советы по чтению карт компрессоров или настройке корпусов турбин для вашего конкретного применения , не бойтесь — эти истории еще впереди. А пока мы собираемся охватить основы турбонаддува, рассматривая каждый компонент, определяя его назначение и объясняя теорию его работы.

17.02

Турбокомпрессор

3/17

На самом базовом уровне турбокомпрессор состоит всего из трех основных компонентов: турбины, компрессора и подшипниковой системы, которая поддерживает вал турбины, соединяя вместе колеса турбины и компрессора.Понимание того, как все три части работают вместе, имеет решающее значение, и даже базовое понимание взаимосвязи компонентов друг с другом значительно упростит выбор турбо-режима для вашего проекта.

Турбина

17.04

Турбинное колесо отвечает за преобразование тепла и давления во вращательную силу.Чтобы понять, как происходит этот процесс, нам нужно углубиться в некоторые из основных законов термодинамики, но в рамках этой статьи нужно понимать, что высокое давление (из выпускного коллектора) всегда будет стремиться к низкому давлению и, в рамках этого процесса, турбинное колесо преобразует кинетическую энергию во вращение. Когда колесо турбины вращается, оно вращает вал турбины, который, в свою очередь, вращает колесо компрессора. Выбор турбинного колеса, о котором часто забывают, имеет решающее значение для правильно построенной системы турбонагнетателя, поскольку слишком маленькое турбинное колесо вызовет чрезмерное противодавление и может задушить двигатель, что приведет к потере мощности.С другой стороны, выбор слишком большой турбины приведет к увеличению задержки и может затруднить достижение конкретных целевых значений наддува.

Конечно, турбинное колесо действует не в одиночку. Это часть корпуса турбины, которая представляет собой гигантский, иногда ржавый кусок железа или стали, который вы всегда видите прикрученным к выпускному коллектору или сливному коллектору на турбомоторе. Из-за огромного количества тепла, связанного с сбором и перемещением выхлопных газов под давлением, корпус турбины изготовлен из толстого железа или стали и всегда состоит из опоры турбины (фланец, который соединяется с трубопроводом выпускного коллектора), выпускного патрубка (большое отверстие который соединяется с водосточной трубой) и спиральной камерой, которая представляет собой путь, по которому горячий выхлоп проходит через колесо турбины от опоры турбины к выпускному отверстию.Когда кто-то называет турбо «турбо T4», они говорят об этом фланце. Выхлоп поступает через фланец, вращается вокруг колеса внутри улитки и выходит через выпускное соединение в часть выхлопа, которую энтузиасты называют спускной трубой.

Компрессор

17.05

Как и турбина, секция компрессора состоит из двух основных компонентов: крыльчатки компрессора и крышки компрессора.Работа компрессора заключается в том, чтобы буквально сжимать свежий воздух и направлять его к корпусу дроссельной заслонки. Поскольку оно напрямую соединено с турбинным колесом через вал турбины, компрессорное колесо вращается с той же скоростью, что и турбинное колесо, и, когда двигатель и турбинное колесо ускоряются, то же самое происходит с колесом компрессора. Этот процесс создает давление во впускном тракте, которое мы называем «наддувом», и это причина, по которой кто-либо вообще установил бы турбокомпрессор. Опять же, чтобы полностью понять этот процесс, нам нужно будет объяснить несколько законов термодинамики, включая закон идеального газа, но для нашей цели понять, что работа компрессорного колеса состоит в том, чтобы собирать свежий воздух и сжимать его — вот и все.Когда колесо вращается, оно забирает окружающий воздух, поворачивает его на 90 градусов вдоль лопасти колеса и нагнетает его в крышку компрессора, где он собирается и затем нагнетается во впускную трубу.

Колеса компрессора — одна из наиболее часто упоминаемых частей турбокомпрессора. Даже если вы никогда раньше не видели турбомотора, вы, вероятно, слышали, как кто-то сказал: «Это 88-миллиметровый турбонаддув» или «Не могу поверить, что они объявили 116 вне закона». Речь идет о диаметре крыльчатки компрессора, измеренном на кончике или, точнее, на кончике индуктора.Колесо компрессора и крышка также являются наиболее фотогеничными частями турбокомпрессора, поскольку они сделаны из блестящего алюминия, и, следовательно, людям нравится фотографировать их с долларовыми купюрами, банками из-под колы или другими предметами, чтобы показать, насколько велик компрессор. колесо на самом деле есть. Теперь, помимо всего прочего, важно понимать, что компрессор является источником денег в этой системе, и это одна часть турбокомпрессора, которая выполняет всю перекачку, поэтому важно правильно выбрать ее размер для вашего приложения.

Центральный корпус / вращающийся узел (CHRA)

17.06

На CHRA может не хватать чернил, но это одна из наиболее важных частей любого узла турбокомпрессора. Фактически, CHRA служит точкой крепления для обоих корпусов и должен быть изготовлен из прочного материала, чтобы выдерживать тепло и напряжение турбины.Конечно, удерживание корпусов вместе — детская игра по сравнению с реальной работой CHRA, которая заключается в поддержке и смазке подшипников турбокомпрессора. При частоте вращения вала турбины, превышающей 100000 об / мин, работа подшипника намного, намного сложнее, чем у традиционного подшипника распределительного вала, и поэтому производители турбин потратили много времени и денег на создание серьезных подшипников для выполнения этих работ. Если вы когда-нибудь слышали о том, чтобы кто-то «перестраивал турбину», скорее всего, речь идет о замене подшипников, которые могут начать изнашиваться в зависимости от множества факторов, включая состояние масла, осевые нагрузки или движение вала.Традиционно в CHRA будут установлены два бронзовых подшипника с полным поплавком и отдельный бронзовый упорный подшипник. Сегодня многие качественные производители предлагают модернизированные подшипниковые системы, в том числе керамический шарикоподшипник Turbonetics, который устраняет традиционный упорный подшипник, позволяя турбо-двигателю выдерживать «до 50 раз большую нагрузочную способность по сравнению с обычным узлом». Многие другие производители также перешли на системы с шарикоподшипниками, в том числе Garrett, чтобы снизить сопротивление и увеличить срок службы турбокомпрессора.

Интеркулер

17.07

Понимая, что турбокомпрессор работает за счет сжатия воздуха, легко понять, почему промежуточный охладитель важен. Не вдаваясь в математику (мы снова говорим о законе идеального газа …), давайте просто скажем, что по мере увеличения давления в фиксированном объеме создается тепло.Это закон термодинамики, и, что бы ни говорили, он присутствует в любом применении двигателя с турбонаддувом, даже при настройках «низкого наддува». В любом случае, зная, что тепло присутствует, нам нужен способ охлаждения поступающего воздушного заряда, прежде чем он попадет во впускной коллектор, и для этого мы обычно используем промежуточный охладитель. На самом деле промежуточный охладитель — это не что иное, как теплообменник, и его задача — отводить тепло от всасываемого заряда, который мы создали путем его сжатия. Если вы понимаете, как работает радиатор, вы понимаете, как работает интеркулер — это действительно так просто!

Как это работает?

17.08

На сегодняшнем рынке производительности преобладают два типа промежуточных охладителей: воздух-воздух и воздух-вода.Интеркулер типа «воздух-воздух», вероятно, самый распространенный в уличных автомобилях, и вы, вероятно, видели, как они болтаются за бампером некоторых из ваших любимых автомобилей GMHTP . Как и радиатор, промежуточный охладитель воздух-воздух пропускает горячий воздух от компрессора через ряд трубок, которые физически соединены с рядом тонких алюминиевых ребер. Поскольку окружающий воздух проходит через поверхность промежуточного охладителя и тонкие ребра, он отводит тепло от сжатого воздуха, что обеспечивает охлаждающий эффект.В обычных уличных автомобилях, которые ездят в течение длительного времени, воздухо-воздушный интеркулер является одним из наиболее эффективных способов удержания температуры наддува под контролем. С другой стороны, промежуточный охладитель воздух-вода использует те же принципы, что и блок воздух-воздух, хотя вместо окружающего воздуха, проходящего по поверхности, он использует охлажденную воду, которая обеспечивает невероятную охлаждающую способность. Однако то, что система воздух-вода получает от падения температуры и эффективности, со временем она теряет, так как вода в конечном итоге нагревается и обеспечивает гораздо меньшее охлаждение.

Сливные ворота

17 сентября

Вестгейт — это просто устройство, которое отводит выхлопной газ до того, как он достигнет входа в корпус турбины. Чтобы полностью понять концепцию, давайте посмотрим на турбо-систему без вестгейта. Когда выхлопные газы заполняют коллекторы, они направляются к турбонагнетателю и входят в корпус турбины, а затем расширяются через рабочее колесо турбины и выходят через спускную трубу.В закрытой системе турбина будет видеть весь выхлоп во всем рабочем диапазоне двигателя, и наддув будет продолжать бесконтрольно повышаться, пока либо дроссельная заслонка не будет закрыта, либо колесо турбины не достигнет точки дросселирования. Для большинства двигателей это приведет к чрезмерному увеличению наддува / воздушного потока и разрушит детали, в результате чего у вас останется пара расплавленных поршней в лучшем случае или гигантское отверстие в блоке (гораздо более вероятно). Для управления наддувом и общей мощностью двигателя системы турбонагнетателя полагаются на перепускные клапаны, которые устанавливаются перед корпусом турбины (или внутри него в случае турбины с внутренними затворами) и действуют как контролируемый байпас для процентного содержания выхлопных газов в регулировать частоту вращения турбины и, таким образом, общий наддув.

Как это работает?

17.10

Конструкция перепускной заслонки различается, но, проще говоря, каждая перепускная заслонка имеет впускной и выпускной порт, в который может поступать выхлопной газ, клапан, регулирующий поток выхлопного газа через впускной порт, и пружинный / диафрагменный привод, который контролирует, когда клапан открывается и закрывается.В нормальных условиях движения перепускной клапан остается закрытым, и весь выхлопной газ направляется непосредственно в корпус турбины. Когда давление наддува растет, давление действует на пружинный узел и начинает поднимать клапан, отводя выхлопной поток от турбины и регулируя скорость турбины для регулирования давления наддува. Чтобы отрегулировать целевые уровни наддува, вестгейты полагаются на разные пружины, которые можно менять местами, чтобы увеличить или уменьшить целевое давление наддува.

Продувочные клапаны

17.11

Выпускной клапан — это, по сути, клапан сброса давления, который установлен на стороне компрессора турбо-системы.Его работа, в буквальном смысле, состоит в том, чтобы сбрасывать избыточное давление наддува, оставшееся в системе, когда дроссельная заслонка закрывается. Представьте себе турбонагнетатель, производящий 10 фунтов на квадратный дюйм, с трубопроводом, соединяющим выходное отверстие крышки компрессора непосредственно с корпусом дроссельной заслонки. Когда дроссельная заслонка широко открыта, а двигатель находится под полной нагрузкой, сжатый воздух попадает прямо во впускной коллектор и может легко заполнять цилиндры. Когда водитель отпускает (поднимает) педаль газа и закрывает дроссельную заслонку, турбонагнетатель все еще вращается и производит наддув (помните, что колесо компрессора может вращаться со скоростью свыше 150 000 об / мин!), Что создает нежелательное состояние в системе.Турбонагнетатель перемещает много воздуха, но, поскольку дроссельная заслонка закрыта, воздуху некуда идти, кроме как назад к крыльчатке компрессора, что может привести к помпажу компрессора. Помпаж компрессора может повредить турбокомпрессор из-за чрезмерной нагрузки на опорные поверхности и, в крайних случаях, может даже привести к остановке крыльчатки компрессора.

Как это работает?

17.12

Выпускной клапан по конструкции аналогичен перепускному клапану, хотя обычно он меньше по размеру и построен с гораздо меньшей устойчивостью к высокой температуре, поскольку он установлен на стороне компрессора турбонагнетателя.При нормальных условиях эксплуатации фактический клапан закрывается напротив седла, и воздух остается в трубопроводе наддува компрессора. Когда дроссельная заслонка закрыта, пружина / диафрагма выпускного клапана видит изменение давления (от атмосферного до вакуума), и клапан открывается, выпуская сжатый воздух из заправочной трубы в атмосферу. В отличие от перепускных клапанов, большинство продувочных клапанов поставляются с одной предварительно установленной пружиной, а настройка скорости открытия клапана осуществляется путем небольших корректировок предварительной нагрузки пружины.Обратите внимание, что эталонный источник наддува продувочного клапана должен располагаться после корпуса дроссельной заслонки во впускном коллекторе, чтобы он мог точно считывать разрежение при закрытой дроссельной заслонке.

Трубопроводы и коллекторы

13/17

Трубопроводы могут быть последним, что большинство энтузиастов рассматривают при создании турбо-системы, но правильное применение и размер имеют важное значение для обеспечения оптимальной производительности.В типичной системе турбонагнетателя трубопроводы можно разделить на три отдельных участка: коллекторы, горячая сторона и холодная сторона.

Коллекторы

14/17

Коллекторы

Turbo живут невероятно сложной жизнью. Экстремальные перепады температуры, невероятное противодавление и высокое напряжение делают эти участки одной из наиболее вероятных областей турбо-системы для развития проблем.Понимая крайности, которые коллектор должен выдерживать изо дня в день, лучше всего разработать коллектор, основанный на долговечности и прочности, даже если это означает снижение производительности. Кроме того, зная, что турбинное колесо работает за счет тепла и скорости, нужно построить коллектор для эффективного и быстрого отвода тепла, сохраняя как можно больше тепла внутри, без образования трещин или замедления движения выхлопных газов. Таким образом, следует рассмотреть возможность использования чугунных коллекторов, если таковые имеются, и, как показали гонщики LSX, даже стандартные агрегаты, такие как пара коллекторов для грузовиков GM, могут производить более 2000 л.с. в стандартной комплектации.Если такой коллектор не существует для вашего приложения или вы работаете в определенном пространстве, которое не может вместить их, изготовление пары коллекторов будет вашим лучшим вариантом, и вы можете обратиться ко многим превосходным производителям, чтобы выполнить эту работу.

Трубопровод горячей стороны

15/17

Любой трубопровод, связанный с отводом выхлопных газов к турбонагнетателю или от него, обычно называют трубопроводом горячей стороны.Из-за чрезмерного нагрева выхлопных газов в корпус турбины критически важно использовать здесь прочный материал, и для многих производителей нержавеющая сталь является предпочтительным материалом. Что касается диаметра, это действительно зависит от множества факторов, включая кубические дюймы, конструкцию турбинного колеса, диапазон оборотов, противодавление и т. Д., Но, как правило, трубка с внутренним диаметром 2,5 дюйма от выпускных коллекторов к корпусу турбины работает очень хорошо. Следует отметить, что некоторые строители теперь по возможности переходят на трубы меньшего размера, чтобы увеличить скорость к турбине, которая должна работать хорошо, хотя результаты будут варьироваться в зависимости от конкретного применения.Когда воздух выходит из турбинного колеса, он попадает в секцию выпуска, известную как спускная труба, и здесь чем больше, тем лучше. Вы не можете действительно увеличить водосточную трубу, а это значит, что если у вас есть место для 4- или 5-дюймовой водосточной трубы, сделайте это!

Трубопровод холодной стороны

16/17

«Холодная сторона» турбонагнетателя относится к любым трубопроводам, связанным с перемещением сжатого воздуха от турбокомпрессора к корпусу дроссельной заслонки.Если вы устанавливаете интеркулер, он также является частью холодной стороны и должен быть правильно подключен, чтобы все работало. Поскольку тепло не вызывает большого беспокойства, алюминиевые трубки обычно считаются оптимальным выбором, поскольку с ними легко работать, они легкие и достаточно прочные, чтобы выдерживать относительно низкие температуры, связанные с холодной стороной. Диаметр трубопровода зависит от размера турбонагнетателя, промежуточного охладителя и корпуса дроссельной заслонки, хотя большинство энтузиастов GM найдут, что алюминиевые трубки с внутренним диаметром 3 дюйма работают идеально.Любая область, где должно быть выполнено полупостоянное соединение, например, соединение секции 3-дюймовой трубы с концевым баком промежуточного охладителя, может быть выполнена с использованием высококачественных силиконовых муфт и традиционных зажимов, которые хорошо подходят для большинства приложений. Для тех из вас, кто хочет получить большое количество наддува, такие компании, как Vibrant Performance, предлагают быстроразъемные зажимы с двойным уплотнительным кольцом, которые могут выдерживать более 100 фунтов наддува без сдува или утечки.

Что еще мне нужно знать?

17/17

Очень много.Серьезно, понимание турбо-систем — это не то, что можно сделать в одночасье, и, как и создание двигателя или настройка подвески, могут потребоваться годы, чтобы правильно понять все нюансы конструкции турбонаддува. Но это не значит, что вам не следует начинать изучать и исследовать эту увлекательную форму принудительной индукции прямо сейчас! Если вы хотите узнать больше сегодня, рекомендуем вам ознакомиться с двумя отличными книгами, которые мы всегда держим под рукой. Первая — это классическая работа Корки Белла под названием «Максимальное ускорение», охватывающая проектирование системы от теории до реального применения, не делая при этом излишне технологичной или научной.Вторая книга, которую мы рекомендуем, — это Turbo: Real World High-Performance Turbocharger Systems Джея К. Миллера. Turbo имеет отличный раздел по анатомии турбокомпрессора и вникает в такие темы, как схемы компрессоров и восстановление турбокомпрессора, для тех из вас, кто хочет действительно расширить свои рабочие знания. И последнее, но не менее важное: мы приглашаем вас присоединиться к нам в ближайшие месяцы, поскольку мы объединяемся с одними из лучших в отрасли, чтобы изготовить и установить единую турбо-систему на нашем новейшем проектном автомобиле

Письменные источники:

Белл, Корки.Максимальное усиление.
Кембридж, Массачусетс: Bentley Publishers, 1997

Миллер, Джей. Турбо.
North Branch, MN: Cartech Books, 2008

Как работает турбокомпрессор?

Для получения дополнительной информации о том, как работает турбо, вы можете прочитать более подробную информацию на этих других страницах ниже.

Что такое турбокомпрессор?

Проще говоря, турбокомпрессор — это своего рода воздушный насос, забирающий воздух с давлением окружающей среды (атмосферное давление), сжимающий до более высокого давления и пропускающий сжатый воздух в двигатель через впускные клапаны.

В настоящее время турбины используются в основном в дизельных двигателях, но сейчас наблюдается переход к турбонаддувам в серийных бензиновых двигателях.

Поскольку все двигатели зависят от воздуха и топлива, мы знаем, что увеличение любого из этих элементов в установленных пределах увеличит мощность двигателя, но если мы увеличим количество топлива, мы должны быть в состоянии сжечь его все.

Чтобы удовлетворить наши требования к мощности, требуется воздух; подача большего количества воздуха представляет гораздо больше проблем, чем заправка большего количества топлива.Воздух находится вокруг нас все время и находится под давлением (на уровне моря это давление составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм). Именно это давление заставляет воздух поступать в цилиндры.

Для увеличения расхода воздуха установлен воздушный насос (турбонагнетатель), и в двигатель подается сжатый воздух.

Этот воздух смешивается с впрыснутым топливом, позволяя топливу сгорать более эффективно, увеличивая выходную мощность двигателя.

Еще одна сторона турбонаддува, которая может представлять интерес, — это двигатель, который регулярно работает на больших высотах, где воздух менее плотный и где турбонаддув восстанавливает большую часть потерянной мощности, вызванной падением давления воздуха.Мощность двигателя на высоте 8000 футов составляет всего 75% от его мощности на уровне моря.


Как работает турбокомпрессор?

Отработанные выхлопные газы двигателя используются для привода турбинного колеса, которое валом соединено с колесом компрессора. Компрессор или воздушное колесо всасывает воздух через воздушные фильтры и направляет его в двигатель.

По мере того, как отработанные газы удаляются из двигателя, они направляются в турбину или горячее колесо турбонагнетателя и таким образом завершают цикл.


1. Захват

Горячие газы, образующиеся при сгорании, не выходят через выхлопную трубу, а направляются в турбокомпрессор. Цилиндры внутри двигателя внутреннего сгорания срабатывают последовательно (а не все сразу), поэтому выхлопные газы выходят из камеры сгорания нерегулярными импульсами.

Обычные турбокомпрессоры с одной спиралью направляют эти нерегулярные импульсы выхлопных газов в турбину таким образом, что они сталкиваются и мешают друг другу, снижая силу потока.В отличие от этого, турбокомпрессор с двойной спиралью собирает выхлопные газы из пар цилиндров в чередующейся последовательности.

2. Отжим

Выхлоп ударяется о лопатки турбины, вращая их со скоростью до 150 000 об / мин. Чередующиеся импульсы выхлопа помогают устранить турбо-лаг.

3. Вентиляционное отверстие

Выполнив свое предназначение, выхлопные газы проходят через выпускное отверстие в каталитический нейтрализатор, где они очищаются от
монооксида углерода, оксидов азота и других загрязняющих веществ перед выходом через выхлопную трубу.

4. Сжать

Между тем, турбина приводит в действие воздушный компрессор, который собирает холодный чистый воздух из вентиляционного отверстия и сжимает его до давления на 30 процентов выше атмосферного, или почти 19 фунтов на квадратный дюйм. Плотный, богатый кислородом воздух поступает в камеру сгорания.

Дополнительный кислород позволяет двигателю более полно сжигать бензин, обеспечивая большую производительность от меньшего двигателя. В результате двигатель TwinPower вырабатывает на 30 процентов больше мощности, чем двигатель такого же размера без турбонаддува.

Турбокомпрессоры — давление наддува и привода

Фото 2/5 | турбокомпрессоры турбокомпрессор

До того, как дизельные двигатели с турбонаддувом появились на рынке грузовиков, у вас не было выбора. Либо вы купили 6,9-литровый двигатель IDI F-серии (мощностью 170 или 180 л.с.), либо 130-сильный 6,2-литровый Chevrolet C / K-серии. По состоянию на 2009 год Chevy, Dodge и Ford предлагают пакеты мощностью 350 л.с. и более, при этом соблюдая гораздо более строгие стандарты выбросов. На вторичном рынке также используется турбонаддув, а мощность в 500 с лишним лошадиных сил становится повседневной цифрой.Турбонаддув — это самая большая причина, по которой современные дизели могут достичь таких уровней мощности, поэтому, имея в виду эту историю, давайте более подробно рассмотрим, как работает самая важная часть вашего двигателя.

Основы
В среднем в день давление воздуха на уровне моря составляет около 14,7 фунтов на квадратный дюйм (psi). Когда двигатель имеет турбонаддув, турбонагнетатель действует как вентилятор с очень высокой скоростью вращения, который нагнетает больше воздуха в двигатель. Величина давления, которое может создать турбонагнетатель, измеряется в фунтах на квадратный дюйм выше атмосферного давления.Таким образом, двигатель с турбонаддувом и 15 фунтами наддува будет перемещать примерно вдвое больше воздуха, чем двигатель без наддува, и при прочих равных условиях будет производить примерно вдвое большую мощность. С более новыми дизелями давление наддува может достигать 40 фунтов на квадратный дюйм, но двигатель останется надежным и будет в три-четыре раза превышать мощность дизельного двигателя без наддува.

Как работает турбина
Турбокомпрессор в своей основной форме состоит всего из нескольких частей: рамы, вала, компрессора, турбины, а также корпуса компрессора и выхлопной системы.Выхлопные газы двигателя используются для вращения турбины, которая, в свою очередь, приводит в движение компрессор через общий вал, который создает давление наддува, которое направляется в двигатель. Эти типы турбин успешно используются с 1920-х годов в гоночных и дизельных двигателях.

Фото 3/5 | Здесь BD Super B с турбонаддувом можно увидеть рядом со стандартным HX35 (установленным на двигателях Cummins 94-981⁄2). Хотя они могут выглядеть примерно одинакового размера, есть несколько тонких отличий. Корпус компрессора больше для достижения более высокого максимального потока воздуха, а выхлопной корпус меньше для лучших характеристик катушки.Имеются также внутренние различия в смазке, подшипниках, колесах турбины и компрессора.

Давление наддува и привода
Хотя мы уже ввели давление наддува, еще одним важным аспектом турбонаддува является давление привода. Давление привода — это сила (в фунтах на квадратный дюйм), которая используется для вращения турбокомпрессора. Отношение давления привода к давлению наддува 1: 1 является идеальным, хотя в действительности давление привода обычно немного выше давления наддува.Если возникает ситуация, когда давление привода намного превышает давление наддува (скажем, давление наддува 35 фунтов на квадратный дюйм, давление привода 65 фунтов на квадратный дюйм), возможно, вы столкнулись с проблемой. Чтобы сымитировать ситуацию с высоким давлением вождения, попробуйте вдохнуть нормальным дыханием, затем прикрыть рот рукой и выдохнуть. Это то, что вы делаете со своим двигателем. Высокое давление привода плохо влияет на детали и снижает эффективность вашего турбокомпрессора.

Слишком сильный наддув также может быть проблемой для турбокомпрессоров. Чтобы обеспечить большее ускорение, турбины будут вращаться быстрее, и у каждого турбокомпрессора есть место, где он просто не может вращаться быстрее.Например, если у вас есть HX35 (установленный на ’94-98 1/2 Dodges), он может производить только около 40 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем превышение скорости станет угрозой. Если вы используете давление наддува на 45 фунтов на квадратный дюйм или более на HX35 в течение длительного периода времени, ваш турбокомпрессор почти наверняка выйдет из строя.

Фото 4/5 | Вот пример внешнего вестгейта (стрелка). Перепускная заслонка забирает избыточное давление выхлопных газов из двигателя и отводит его по спускной трубе. Таким образом, на турбонагнетателе можно использовать меньший корпус со стороны выпуска для улучшения характеристик намотки.

Внутренние и внешние заслонки для сброса давления и турбо-лаг
В 1989 году, когда Dodge представила свой дизельный Ram D250, на двигатель Cummins был установлен турбокомпрессор WHC-1 без впускных клапанов. Идея заключалась в том, что, поскольку эти грузовики в основном использовались для перевозки грузов, особого ответа не требовалось. Поскольку грузовики стали популярными в повседневной жизни, потребность в более эффективных турбокомпрессорах стала необходимостью. Есть время, которое проходит от момента, когда вы наполняете свой дизельный двигатель, до момента, когда он начинает создавать изрядное количество наддува (скажем, 10-15 фунтов на квадратный дюйм).Этот период времени называется турбо-лагом.

Чтобы уменьшить турбо-задержку, Dodge и другие производители начали использовать выхлопные корпуса гораздо меньшего размера и сбрасывать газы в своих турбокомпрессорах за счет отвода выхлопных газов вокруг колеса турбины. Меньший корпус выхлопной трубы помог бы турбонагнетателю быстрее раскручиваться, в то время как перепускная заслонка позволила бы стравить избыточное давление привода, как только турбонагнетатель наберет скорость. Когда дизельные грузовики модифицируются для производства большего количества топлива или более высоких оборотов, количество выхлопных газов может превышать пропускную способность внутреннего перепускного клапана.В этом случае можно установить более крупный выпускной корпус или добавить к турбо-системе внешний перепускной клапан, установленный в выпускном коллекторе. Следует отметить, что не все турбокомпрессоры являются перепускными. В соревнованиях, таких как буксировка салазок, двигатель может работать только в очень узком рабочем диапазоне (скажем, 3500-5000 об / мин). Если управляемость не вызывает беспокойства, эти гоночные двигатели могут уйти с корпусом без перепускных клапанов и при этом иметь благоприятное соотношение давления наддува и привода.

Фото 5/5 | Это изображение того, что осталось от турбокомпрессора, у которого взорвалось колесо компрессора. Турбокомпрессор был разрушен в результате превышения скорости — было использовано слишком много закиси азота (что значительно увеличило давление привода) без надлежащего сброса газа.

Как выходит из строя турбокомпрессор? Когда мне понадобится новый?
Самая распространенная проблема, которая приводит к отказу турбонагнетателя, — это когда люди пытаются протолкнуть штатный турбонагнетатель далеко за его пределы, и либо вал выходит из строя, либо компрессор взрывается.Обе эти ситуации обычно являются результатом превышения скорости турбокомпрессора из-за избыточного давления привода. Установка внешнего перепускного клапана снизит давление привода, но у вас все равно может быть больше топлива, чем воздуха. В этом случае пора перейти к турбокомпрессору большего размера. Большинство стандартных турбокомпрессоров развивают мощность примерно 400-500 лошадиных сил. Кроме того, сброс газа и / или установка турбонагнетателя с индуктором 62-71 мм (в зависимости от вашего приложения) — верный выбор для обеспечения надежной мощности.

Турбины с изменяемой геометрией, кожухи с водяным охлаждением и многое другое
По мере развития технологий были найдены новые способы повышения долговечности и эффективности современного турбокомпрессора. Многие турбокомпрессоры теперь имеют водяное охлаждение для большей долговечности, а потребность в более быстром намотке турбонагнетателя привела к появлению на рынке турбонагнетателей с изменяемой геометрией. Турбины с изменяемой геометрией (также называемые турбинами с регулируемыми лопастями или сокращенно VGT или VNT) имеют небольшие лопатки, установленные на раме, которые открывают и направляют выхлопные газы к турбине во время работы на низких оборотах, помогая быстрее катушке турбокомпрессора.Выхлопной газ также попадает на лопатки почти под прямым углом, что эффективно приводит к уменьшению площади корпуса, что также помогает наматывать катушку и часто устраняет необходимость в перепускной заслонке. Новый 4,5-литровый двигатель Duramax является хорошим примером двигателя, в котором вместо перепускного клапана используется турбокомпрессор с изменяемой геометрией. DP

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.