Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство и принцип работы двигателя с турбонаддувом

Принцип работы турбонаддува

Наверное, вы хоть раз обращали внимание на автомобили с шильдиками или наклейками «turbo». Внешне они ничем не отличаются от своих «атмосферных» собратьев, разница лишь в наличии турбонаддува под капотом. Мы постараемся дать внятное объяснение что такое турбонаддув, для чего он нужен и как работает.

Теоретические аспекты

Примерный вид газовой турбины

С самого своего появления, автомобили, стараниями своих создателей, претерпевают модернизации и более всего в вопросах мощности двигателей. Так как этот параметр напрямую связан с рабочим объемом мотора а также с качеством подаваемой воздушно-топливной смеси, для увеличения мощности есть два пути — либо увеличить объем агрегата (в современном массовом автомобилестроении этот способ не очень популярен), либо каким-то образом нагнетать в цилиндры больше воздуха. Первый способ не популярен по понятным причинам — вместе с увеличением объема цилиндров возрастет и расход горючего, кроме того, сам агрегат существенно прибавит в размерах и массе, что тоже не всегда приемлемо. Поэтому автомобильными инженерами был найден способ увеличить подачу воздуха в цилиндры.

Какие бывают виды турбонаддува

Есть несколько способов нагнетания большего количество воздуха в двигатель:

  • резонансный наддув — реализуется без нагнетателя за счет кинетической энергии воздуха во впускных коллекторах;
  • механический наддув — подача воздуха увеличивается благодаря применению механического компрессора, который, в свою очередь, приводится в движение двигателем автомобиля;
  • газотурбинный наддув — турбину приводит в движение поток отработавших газов.

В первом случае наддув происходит лишь за счет особенной формы и размера впускных коллекторов без применения каких-либо нагнетателей. Поэтому мы не будем описывать его в этом материале, а остановимся подробнее на двух других вариантах, которые, на наш взгляд, заслуживают особого внимания.

Механический наддув

Некоторые современные автомобили до сих пор оснащают компрессорами

Механический наддув — способ увеличения подачи воздуха в двигатель посредством использования компрессора. Принцип работы компрессора выглядит следующим образом: когда двигатель начинает работать, его коленвал приводит в действие весь механизм. То есть механический наддув работает с первых моментов запуска мотора автомобиля.

Несомненным плюсом такой системы можно назвать, то что воздух принудительно нагнетается в цилиндры на любых оборотах двигателя (даже самых низких) и давление, соответственно возрастает с увеличением оборотов коленчатого вала. Поэтому автомобилям с механическими компрессорами не знакомо такое понятие, как «турбояма». Но такое устройство имеет и свои отрицательные стороны. Дело в том, что на приведение в движения компрессора мотор автомобиля расходует некоторую часть своей мощности, что снижает в итоге его КПД. Кроме того, для установки механического наддува нужно больше места в подкапотном пространстве. Также такое устройство создает повышенный уровень шума.

Нагнетание воздуха в мотор при помощи компрессора стало использоваться в автомобилестроении гораздо раньше, нежели применение газотурбинного механизма. Тем не менее, несмотря на некоторую устарелость, подобные устройства все еще можно встретить на современных автомобилях (ярким примером выступает компания Mercedes-Benz, на свежевыпущенных машинах которой до сих пор красуются шильдики «Kompressor»).

Газотурбинный наддув

В большинстве своем современные автомобили оснащены газотурбинными системами наддува. Принцип работы турбины сходен с компрессорным наддувом, разница лишь в том, что турбина приводится в действие потоком отработавших газов автомобиля, а не коленвалом двигателя. По ощущениям, включение турбины некоторые водители сравнивают с «пинком». Газотурбинный механизм наддува представляет собой устройство из двух крыльчаток жестко соединенных между собой валом. Каждая крыльчатка заключена в корпус, так называемую улитку.

Устройство газовой турбины

Устройство турбины достаточно несложное и состоит из:

  • двух крыльчаток;
  • двух улиток, внутри которых крутятся крыльчатки;
  • вала, соединяющего крыльчатки;
  • подшипников скольжения — двух опорных и одного упорного;
  • перепускного клапана, который используется для сброса избыточного давления.

Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы из выпускного коллектора попадают в первую улитку и вращают ее крыльчатку. Через соединительный вал вращение передается второй крыльчатке, которая и нагнетает давление во второй улитке.

Плюсы и минусы турбонаддува

Главным преимуществом турбонаддува является увеличение мощности мотора без существенного увеличения расхода топлива. Чтобы объяснить это явление нужно разобраться как работает турбонаддув: турбина приводится в движение только благодаря энергии отработавших газов, а не за счет мощности мотора автомобиля. Но следует различать такие понятия, как общая и удельная экономичность мотора. Другими словами — турбированный двигатель будет иметь больший расход горючего, нежели аналогичный по объему атмосферный агрегат. Это происходит потому что увеличившийся объем воздуха, попадающего в цилиндры, позволяет сгорать большему количеству топлива. Однако у турбированного агрегата на единицу мощности приходиться меньше израсходованного топлива. Например, если взять два мотора 1,4 литра с турбиной и атмосферный 1,8 литра, оба с мощностью 130 л.с., то 1,4 будет более экономичен, за счет большего КПД.

Что касается экологичности турбомоторов: хотя среди отечественных автолюбителей еще не так развита «экологическая сознательность», не следует забывать и о том, что турбированные моторы наносят меньше вреда окружающей среде. Все потому что в камере сгорания турбированного двигателя температура несколько меньше, поэтому снижается образование оксида азота, к тому же топливо сжигается более полно.

Принцип работы газовой турбины

Впрочем, не обошлось и без недостатков. Первое о чем следует знать — турбина требует к себе бережного отношения. Пока мотор заведен на подшипники масло подается под давлением. Как только мотор заглушен масло к подшипникам поступать прекращает. Если мотор эксплуатировался под большими нагрузками, система наддува может перегреться и выйти из строя. Дабы не допустить перегрева, прежде чем глушить турбированный двигатель, ему следует дать поработать несколько минут на холостых оборотах. Многие современные автомобили оснащаются с завода специально предназначенными для этого устройствами — турботаймерами.

Читать еще:  Как установить двигатель от машины на лодку

Есть еще один немаловажный момент — на малых оборотах мотора эффективность турбины очень мала. Также следует упомянуть об эффекте турбоямы — турбина откликается на нажатие педали акселератора с некоторой задержкой. Турбонаддув может эффективно работать только в узком диапазоне оборотов мотора, кроме того, большое значение имеет размер самой турбины. Для увеличения продуктивности этой системы многие автопроизводители устанавливают на свои автомобили две турбины разного размера или пару одинаковых турбин. Турбины разного размера позволяют существенно расширить диапазон эффективной работы турбонаддува — после того как первая турбина начинает терять продуктивность в работу вступает вторая. Две одинаковые турбины позволяют увеличить производительность, улучшить разгонную динамику и уменьшить эффект турбоямы. Для снижения этого эффекта автопроизводители прибегают к таким ухищрениям, как снижение массы движущихся частей турбины. Благодаря этому турбине нужно меньше времени чтобы раскрутиться.

Наддув двигателей внутреннего сгорания, турбонаддув

Наддувом — называют принудительную подачу воздуха под давлением выше атмосферного. Если речь идет о наддуве двигателя внутреннего сгорания, то при наддуве сжатый воздух подается компрессором из атмосферы в полость цилиндра.

Схемы наддува

Для обеспечения наддува необходим компрессор, который должен сжимать воздух и нагнетать его в двигатель. Для работы необходимо вращать вал компрессора. Для привода компрессора можно использовать разные схемы.

Приводной нагнетатель — Komoressor

Вращать вал компрессора можно с помощью коленвала, установив дополнительную зубчатую или ременную передачу. Такую схему подачи воздуха называют наддувом с приводным нагнетателем. При вращении вала будет вращаться компрессорное колесо, которое будет нагнетать воздух во впускной коллектор двигателя. Иногда на автомобилях оснащенных подобной системой наддува наносят надпись — компрессор (Kompressor). Это простая, но далеко не самая экономичная схема.

Трубонаддув

Для вращения вала компрессора можно использовать энергию отработавших газов, добавив в систему турбины. Выхлопные газы будут вращать турбинное колесо, установленное ка одном валу с компрессорным колесом. Компрессор, в свою очередь будет сжимать воздух и подавать его в двигатель. Такая схема называется турбонаддувом. По сравнению с приводным нагнетателем турбонаддув обладает большей задержкой, так как связь между двигателем и системой наддува не жесткая.

Как работает турбонаддув?

Смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр двигателя, смесь сжимается при движении поршня вверх, затем она воспламеняется, из-за расширения газов, поршень вытесняется вниз. Двигаясь он вращает коленвал. Затем при движении воздуха вверх, через открывшиеся клапаны отработанные газы поступают в выходной коллектор.

Поток газов имеет некоторую остаточную энергию достаточную для вращения рабочего колеса турбины. Частицы газа воздействуют на лопатки турбинного колеса, заставляя его вращаться. Турбинное и компрессорное колесо установлены на одном валу. При вращении турбины вращается и компрессор. В компрессоре лопатки рабочего колес воздействуют на воздух, попадающий из атмосферы. В результате этого воздействия частицы воздуха начинают вращаться вместе с колесом. При высокой скорости вращения частицы воздуха будут отбрасываться к периметру колеса в спиральный отвод и принудительно нагнетаться в во впускной коллектор, а затем и в полость цилиндра.

Комбинированные схемы

Сжатие воздуха может быть не одноступенчатым, а двухступенчатым. Причем рабочее колесо компрессора приводится во вращение турбиной, а для привода второй ступени используется механическая передача, соединенная с коленвалом. Такая схема позволяет сочетать достоинства приводного нагнетателя и турбонаддува, и делает работ у двигателя более приемистой. Однако недостаток приводного нагнетателя в виде плохой экономичности также никуда не пропадает.

На на одних режимах работы мощность турбонаддува может быть недостаточна, на других — избыточна. Чтобы избавиться от этого недостатка, между турбиной и двигателем вводят дополнительную механическую связь. Через механическую или гидравлическую передачу. Это позволяет наиболее эффективно использовать мощность, но конструкция при этом сильно усложняется и удорожается, поэтому широкого применения эта схема не получила.

Двухступенчатым может быть не только компрессор, но и турбина. Вторая ступень может использовать для привода во вращение вентиляторов и других вспомогательных устройств, или быть соединена с коленвалом.

Дизель-турбина

На некоторых режимах работы турбина может развивать мощность достаточную для ее применения в качестве первичного двигателя.

В этом случае двигатель и компрессор связывают механически, а между двигателем и турбиной осуществляется газовая связь. Подобный агрегат называют дизель-турбиной. Такая схема эффективна при очень высоких температурах отработанных газов. Для обеспечения надежности работы турбины рабочую температуру приходится снижать, что негативно сказывается на КПД агрегата.

Охлаждение при наддуве, для чего нужен интеркулер?

В процессе сжатия воздух нагревается, теплый воздух имеет меньшую плотность чем холодный. Плотный холодный воздух позволит повысить эффективность работы двигателя, поэтому для отвода ненужного тепла, используется интеркулер.

Интеркулер — это теплообменник, который устанавливается между компрессором и впускным коллектором, он позволяет охладить сжатый воздух, переде его поступлением в двигатель.

Регулирование турбонаддува

Мощность наддува на некоторых режимах может быть избыточна, то есть воздух может сжиматься слишком сильно. Поэтому работу наддува нужно регулировать.

Читать еще:  Акпп обороты двигателя растут а скорость не набирает

Для ограничения подачи компрессора можно установить на его входе или выходе сопротивление, в виде шайбы с отверстием расчетного диаметра. При увеличении расхода через отверстие сопротивление будет расти, что в свою очередь будет затруднять поступление воздуха в компрессор и или выход из него, за счет этого будет ограничиваться подача воздуха в двигатель.

Подобное сопротивление можно установить и перед турбиной. Но установка сопротивления увеличивает потери, что отрицательно скажется на КПД.

Для того, чтобы сбрасывать часть воздуха только при определенном давлении на выходе компрессора можно установить предохранительный клапан. Запорный элемент клапан поджат пружиной, когда усилия от давления воздуха будет достаточно, чтобы сжать пружину клапан откроется и сбросить часть воздуха обратно в атмосферу.

Перепускной клапан

Вестгейт или перепускной клапан позволяет пустить часть отработанных газов в обход турбины. Запорный элемент клапана поджат пружиной.

Давление отработанных газов воздействует на запорный элемент клапана, с другой стороны на него действует усилие пружины. Когда усилие от давления газов будет выше чем усилие пружины, клапан откроется и пропустить часть газов в обход пружины. Это достаточно простая и эффективная схема регулирования, которая применяется на большинстве современных двигателей с турбонаддувом. Однако часть энергии тратится впустую, что снижает КПД. Конечно можно направить поток газа не в выхлопную систему, а на другую турбину, для привода вспомогательных механизмов, но это усложнит конструкцию и сделает ее более дорогой.

Двигатель с турбонаддувом. Плюсы и минусы

Двигатель с турбонаддувом. Плюсы и минусы

Что такое турбонаддув?

Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

Турбонаддув применяется как на бензиновых и дизельных двигателях. Наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения мотора. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Отличительной особенностью двигателя с турбонаддувом является наличие: турбокомпрессора, интеркулера, регулятора давления наддува, предохранительного клапана и других элементов. Турбокомпрессор — является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Подробнее в статье: что такое авто турбокомпрессор?.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа.

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан. Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя часть в обход турбинного колеса, обеспечивая оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува.

Также устанавливается предохранительный клапан. Он защищает от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана.

Принцип работы двигателя с турбонаддувом

Работа системы турбонаддува основана на использовании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя и эффективность работы системы зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше обороты мотора, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях. Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая. При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается.

Минусы двигателя с турбонаддувом

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбо подхват. Подробнее в статье: что такое турбояма?.

Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен воздушный фильтр.

Недостаток системы турбонаддува – чувствительность к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя.

Турбина. Устройство и принцип действия.

Практически для каждого человека, интересующегося автомобилем и его устройством, важно понимание основных принципов работы турбонаддува. Тем более, что в настоящее время появляется все больше и больше серийных образцов автомобилей, оснащенных турбонагнетателями.

Читать еще:  Через какое время меняют масло в двигателе гранта

Даже Mercedes, традиционно преданный механическим нагнетателям, осознав плюсы турбонаддува, оснащает этой системой все больше и больше моделей, не говоря уже о BMW, Японских автопроизводителях!

Можно сколько угодно повторяться в статьях про турбины, но это все будет не более чем своя трактовка общеизвестных фактов. Я не буду изобретать велосипед, и в этой заметке буду отталкиваться от информации «из уст» одного из ведущих производителей турбин — фирмы Garrett, однако внесу немного дополнительной информации.

Каков принцип работы системы турбонаддува?

Мощность двигателя пропорциональна объему воздуха и топлива, способного войти в цилиндры. При прочих равных, бОльшие двигатели потребляют бОльший поток воздуха и как результат, дают бОльшую мощность. Если мы хотим чтобы наш крошка-мотор работал также как двигатель-богатырь, либо если нам надо, чтобы уже не маленький двигатель выдавал еще бОльшую мощность, наша цель — «впихнуть» больше воздуха в цилиндр. Установив турбонагнетатель мы сможем резко увеличить характеристики двигателя.

Так каким-же образом турбонагнетатель «запихивает» больше воздуха в двигатель? Давайте для начала обратимся к схеме ниже:

1. Входное отверстие «холодной части» турбокомпрессора (она же — compressor)

2. Выход «холодной части» турбокомпрессора (она же — compressor)

3. Промежуточный охрадитель воздуха (интеркулер — intercooler)

4. Впускной клапан ГБЦ

5. Выпускной клапан ГБЦ

6. Входное отверстие «горячей части» турбокомпрессора (она же — turbine)

7. Выход «горячей части» турбокомпрессора (она же — turbine)

Компоненты, составляющие типичную систему турбонаддува

* Воздушный фильтр (не показан), через который атмосферный воздух проходит прежде чем попасть в турбокомпрессор (1)

* Воздух который превышает величину плотности атмосферного воздуха (масса/еденица объема) является сжатым. (2)

* У большинства современных оснащенных турбонаддувом, есть промежуточный охладитель воздуха (интеркулер) (3), который охлаждает сжатый воздух, дабы далее увеличить его плотность и уменьшить склонность к детонации

* После прохождения через впускной коллектор (4), воздух входит в цилиндры двигателя, которые содержат фиксированный объем. Так как вошедший воздух большей плотности, каждый цилиндр может работать с большим массовым расходом воздуха. В свою очередь, более высокий массовый расход воздуха позволяет загнать в цилиндр больше топлива (с неизменным коэффициентом воздух/топливо — air/fuel). Воспламеняясь, воздушно — топливная смесь большего объема приводит к увеличению мощности, производимой данным размером, или по другому — объемом цилиндра

* Объем газов, полученный в результате сожжения топлива в цилиндре, выходит, в такте выхлопа, в выпускной коллектор (5)

* Газ высокой температуры на большей скорости направляется прямиком в «горячую часть» турбокомпрессора — турбине (6) и давят на крыльчатку. Турбина создает противодавление на двигателе, что означает что давление выхлопных газов двигателя выше чем атмосферное давление

* Снижение давления и температуры происходит во время прохождения через турбину (7), которая (как и все гениальное) просто использует бесплатную энергию выхлопных газов для привода компрессора и нагнетания давления

Компоненты, составляющие конструкцию турбокомпрессора

В дополнение нужно отметить что температура выхлопных газов бензиновых двигателей гораздо выше этого параметра у дизелей, а как следствие — турбокомпрессоры для дизельных двигателей, при схожей конструкции сделаны из более дешевых, но менее жаропрочных материалов. Так что использование дизельных турбокомпрессоров на бензиновом двигателе мы не рекомендуем — выкинете деньги.

Другие компоненты системы турбонаддува

Клапаны Блоуофф (Байпас)

Описание данных компонентов вы сможете найти в материале Как читать турбокарты

Вестгейты (Wastegates)

Вестгейт, также как и блоуофф, является средством управления наддувом, только со стороны выхлопа. Некоторые коммерческие дизельные системы турбонаддува вовсе обходятся без оного (т.н. система свободно плавающего турбонагнетателя). Однако, использование турбонаддува на бензиновых двигателях требует применения этого компонента.

Существуют две разновидности вестгейтов — внутренний и внешний. И тот и другой обеспечивают обход выхлопных газов мимо колеса турбины. Обход газов колеса, как вы уже понимаете, уменьшает мощность турбокомпрессора, позволяя турбине соответствовать мощности, требуемой для данного уровня наддува. Аналогично блоуоффам, вестгейты используют в своей конструкции силу пружины, для регулировки потока, проходящего в обход турбины.

Внутренние вестгейты встроены в корпус турбины и состоят из клапана «хлопушки», тяги, наконечника, и пневматического привода (актюатора).

Очень важно подсоединить актюатор исключительно к давлению наддува, т.к. механизм не работает с вакуумом и не может относиться к впускному коллектору.

Внешние вестгейты монтируются на специально изготавливаемом для них приливе на коллекторе. Преимущество внешнего вестгейта заключается в том, что обойдя турбину, поток воздуха может быть повторно включен в поток газов, идущий ниже по течению турбины. Это позволяет улучшить производительность турбины. Для гоночной техники, этот поток может быть выведен прямиком в атмосферу.

Втулки против шариковых подшипников

Втулки долгое время были основой для турбокомпрессоров. Они дешевы, практичны, но шарикоподшипник является новой вехой в постройке турбокомпрессоров и несет с собой существенное улучшение их характеристик.

Массовое появление турбин на шарикоподшипниках началось в результате участия группы Garrett Motorsports в нескольких гоночных сериях, где получило название «картридж подшипник»

Картридж — одинарная втулка, которая содержит ряд шарикоподшипников с каждой стороны, в то время как традиционная система подшипника содержит набор втулок и подшипник осевого давления

Использование шарикоподшипников положительно сказывается на отклике турбины, что в свою очередь благоприятно сказывается на динамике автомобиля

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector