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.
В этой статье мы ознакомимся с ответом на вопрос, что такое турбина. Здесь читатель найдет информацию о ее характеристике, видах и способах эксплуатации человеком, а также рассмотрим исторические сведенья, связанные с развитием этого механического устройства.
Введение
Что такое турбина и как она действует? Это лопаточная система (машина), которая занимается преобразованием энергий: внутренней и/или кинетической. Этот ресурс дает рабочее тело и позволяет выполнять валу его механическое предназначение. На лопатки оказывают воздействие посредством струи рабочего тела, что закрепляют около окружностей роторов. Она же приводит к их движению.
Может находить свое применение в качестве турбины электростанций (АЭС, ТЭС, ГЭС), фрагмента приводов для различного типа транспортов, а также может служить составной частью гидронасосов и газотурбинных двигателей. Настоящая энергетическая промышленность не способна обходиться без этих устройств. Вид теплопередачи вращения турбины на тепловых электростанциях, обладает высокой производительностью, он очень энергоемкий. Это позволяет человеку использовать различные ресурсы в относительно малых количествах, в сравнение с объемом получаемого электричества.
Исторические данные
Множество попыток создать устройство, схожее с современной турбиной, было совершено еще задолго до ее полноценного вида, приобретенного ею в конце девятнадцатого века. Первая попытка принадлежит Герону Александрийскому (1 век н.э.).
И. В. Линде утверждал, что именно в XIX веке была рождена масса планов и проектов, позволивших человеку превзойти «материальные трудности», мешающие выполнению и созданию такой техники. Главными событиями тех годов являлось развитие термодинамической науки, а также металлургической и машиностроительной отраслей. В конце XIX два ученых, по отдельности и независимо, смогли создать паровую турбину, пригодную в различных отраслях промышленности. Это были Густав Лаваль родом из Швеции и Чарлз Парсонс родом из Великобритании.
Хронологические данные событий
А теперь ознакомимся с некоторыми событиями, связанными с историей изобретения турбины :
- В I в. н. э. паровую турбину попытался создать Герон Александрийский, однако несколько столетий после этого ее не изучали в силу ошибочного мнения о несостоятельности идеи.
- В 1500 г. можно найти упоминание о «дымовом зонте» - приборе, поднимающем горячие потоки воздуха от пламени через лопасти, соединенные между собой и вращающие вертел.
- Джованни Бранкой в 1629 г., было совершено создание турбины, лопатки которой поднимались за счет действия сильной струи пара.
- В 1791 г., Джоном Барбером родом из Англии было приобретено право на владение патентом, который позволил ему стать первым обладателем и создателем современной газовой турбины.
- Турбины, работающие на воде, впервые были созданы в 1832 г. французским ученым Бюрденом.
- В 1894 г. была запатентована идея о корабле, который заставляла двигаться паровая турбина, а его обладателем стал Сэр Ч. Парсонс.
- 1903 год: Эджидиус Эллинг из Норвегии сконструировал первую в своем роде турбинную систему на газе, которая смогла передавать больше энергии, чем затрачивать на внутреннее обслуживание компонентов самой турбины. Эта технология стала значительным прорывом тех времен. Проблемы обуславливались недостаточным уровнем развития термодинамических знаний, однако были преодолены.
- В 1913 году Никола Тесла стал обладателем патента на турбину, работающую на основе эффекта пограничного слоя.
- 1920 год: практическая теория протекания газового потока через каналы позволила сформулировать четкие данные для развития теоретического представления о процессе протекания, в котором газ движется вдоль аэродинамической плоскости. Эта работа была проделана доктором А. А. Грифицем.
- Для самолета турбина реактивного движения была создана Сэром Ф. Уиттлом, а сам двигатель тестировали с успехом в апреле 1937 г.
Труды Густава Лаваля
Первым создателем турбины на пару стал Густав Лаваль, изобретатель родом из Швеции. Бытует мнение о том, что к конструированию такого механизма его привело желание обеспечить собственноручно сделанный сепаратор для молока механическим действием, выполняющимся без прямого вмешательства человеком. Двигатели тех времен не позволяли создавать необходимую скорость вращения.
Рабочим телом в машине Лаваля послужил пар. В 1889 году он сделал дополнение сопла турбин, на которые поставил конические расширители. Его труд стал инженерным прорывом, и это ясно, ведь анализ величины нагрузки, которую оказывали на рабочее колесо, показывает, что она была сверхсильной. Такое воздействие даже при малейшем нарушении привело бы к сбою в удержании центра тяжести и вызвало бы незамедлительное возникновение неполадок в работе подшипников. Избежать такой проблемы изобретатель смог при помощи использования тонкой оси, прогибающейся при вращении.
Чарлз Парсонс и его работа
Чарлзу Парсонсу был присвоен патент на изобретение первой многоступенчатой турбины, а сделал он это в 1884 году. Работа механизма приводила в действие устройство электрогенератора. Годом позже, в 1885-м, он модифицировал свою же версию, начавшую масштабно распространяться и применяться на электростанциях. Устройство обладало выравнивающим аппаратом, который образовывался из венцов, с лопатами турбины, которые направлялись в обратную сторону. Сами венцы оставались неподвижными. Механизм имел 3 ступени с разными показателями силы давления и геометрическими параметрами лопаток, а также путями их установления. Турбина использовала как активную, так и реактивную силу.
Устройство турбины
Теперь мы рассмотрим вопрос, что такое турбина, углубившись в механизм ее действия.
Турбинная ступень образуется при помощи двух главных частей:
- Рабочего колеса (лопатки на роторе, непосредственно создающие вращение);
- Соплового механизма (лопатки стартера, отвечающие за поворот рабочего тела, который придаст потоку нужный угол для атаки в отношении к рабочему колесу).
В зависимости от направления движения потоков рабочие тела можно разделить на аксиальные и радиальные турбинные механизмы. У первых поток р. т. движется по направлению вдоль турбинной оси. Радиальными называют турбины, у которых поток направляется перпендикулярно валовой оси.
Количество контуров позволяет разделять такие механизмы на одно-, двух- и трехконтурные. Иногда можно встретить турбины с четырьмя или пятью контурами, но это крайне редкое явление. Многоконтурное устройство турбины дает возможность пользоваться большими скачками в тепловых перепадах энтальпии. Это обуславливается размещением большого числа ступеней с разным давлением, а также влияет на мощность турбины.
В соответствии с количеством валов можно различать одно-, двух- и иногда трехвальные турбины. Они связываются общими параметрами тепловых явлений или механизмом редуктора. Валы могут располагаться коаксиально и параллельно.
Устройство и принцип действия турбины следующие: в местах, где происходит проход вала через стенки корпуса, располагаются утолщения, которые предупреждают утечку рабочего тела наружу и засасывание воздуха в корпус.
Передний конец вала оборудован предельным регулятором, который в случае необходимости автоматически остановит турбину. Это случается, например, в результате повышения показателя вращательной частоты, которая допустима для конкретного устройства.
Преобразование энергии газа
Что такое турбина? В общем виде - это машина, предназначение которой заключается в преобразовании энергии в работу. Их существует несколько видов, и одним из таких является газовая турбина.
Устройство газовой турбины основано на переводе энергетического потенциала газа в сжатом или нагретом состоянии в работу, которую выполняет механизм вала. Главные элементы - это ротор и статор. Свое применение находит в качестве детали газотурбинного двигателя, ГТУ и ПГУ.
Механизм газовой турбины
Работа турбины осуществляется, когда сопловой аппарат пропускает газы под давлением внутрь корпуса, в те места, где оно небольшое. При этом молекулы газа расширяются и ускоряются. Далее они попадают на поверхность рабочих лопаток и отдают им процент своего кинетического заряда энергии. Происходит сообщение крутящего момента лопаток.
Механическое устройство газовой турбины может быть гораздо проще, чем поршневого двигателя внутреннего сгорания. Современные турбореактивные двигатели могут обладать несколькими валами и сотнями лопаток как на стартере, так и на валу. Примером могут служить турбины самолетов. Их характеристикой также является наличие сложной системы расположения трубопровода, теплообменников и камер, предназначенных для сгорания.
Подшипники как радиального, так и упорного типа служат критическим элементом в этой разработке. Традиционно применялись гидродинамические или охлаждаемые маслом шарикообразные подшипники, однако в скором времени их обошли воздушные. По сей день их применяют для создания микротурбин.
Тепловые двигатели
Тепловая турбина преобразовывает работу, выполняемую паром, в механическую. Внутри лопаточного аппарата происходит превращение потенциальной энергии пара в нагретом и сжатом состоянии в кинетическую форму. Последняя, в свою очередь, преобразуется в механическую и обуславливает вращение вала.
Поступление пара происходит посредством парокотельного устройства и направляется на каждую криволинейную лопатку, закрепленную по окружности ротора. Далее пар воздействует на нее, и все вместе лопатки заставляют ротор вращаться. Турбина на пару является элементом ПТУ. Турбоагрегат образуется при помощи совмещения работы паровой турбины и электрогенератора.
Основная часть парового двигателя
Паровые механизмы образуются, так же, как и газовые, при помощи ротора и статора. На первом закрепляются способные к движению лопатки, а на последнем - не способные.
Движение потока протекает в соответствии с аксиальной или радиальной формой, что зависит от типа направления потоков пара. Аксиальная форма характеризуется перемещением пара периметра оси, котором обладает турбина. Радиальная турбина обладает потоками паров, которые двигаются перпендикулярно. При этом лопатки располагают параллельно к оси, по которой происходит вращение. Могут иметь от одного до пяти цилиндров. Число валов также может варьироваться. Существуют устройства, располагающие одним, двумя или тремя валами.
Корпус - это неподвижная часть, которую именуют статором. Он обладает рядом выточек, в которые устанавливаются диафрагмы, с соответствующими плоскости разъема турбинного корпуса разъемами. По их периферии размещают ряд сопловых каналов (решеток), которые образуются посредством криволинейных лопаток, залитых в диафрагму или приваренных к ней.
Турбокомпрессор
Существует механизм, который использует отработавшую часть газов с целью увеличения показателя давления в пространстве впускной камеры. Такой агрегат называют турбокомпрессором.
Основные части представлены доцентровым или осевым компрессором и газовой турбиной, необходимой для приведения его в действие. Обладает одним валом. Главная функция заключается в повышении давления, оказываемого рабочим телом. Это становится возможным в силу нагревания газотурбинного двигателя работой самого компрессора, приобретающего мощность благодаря турбине.
В заключение
Теперь читатель располагает общими представлениями об устройстве, принципе работы, механизме действия, способах эксплуатации турбин. Здесь также были рассмотрены конкретные виды турбин, отличающиеся видом рабочего тела, и исторические сведенья, показывающие общий ход развития данных механизмов. Подведя итоги, можно сказать, что турбины - это устройства, преобразовывающие энергию. Попытки их создания были совершены еще задолго до нашей эры. В настоящее время они широко используются человеком в различных отраслях промышленности, что значительно упрощает процесс работы, усиливает производительность и позволяет совершать механические действия, ранее недоступные человечеству.
Турбокомпрессор является решением, которое устанавливается как на бензиновый, так и практический на каждый современный дизельный двигатель автомобиля. в обиходе называются турбодизелями. Указанный компрессор представляет собой своеобразный насос для воздуха, который приводится в действие турбиной. Турбину дизельного двигателя вращает энергия выхлопных газов.
Главной задачей устройства является нагнетание воздуха в цилиндры дизельного под давлением. Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь. Результатом становится значительное увеличение мощности двигателя без необходимости физически увеличивать объем цилиндров.
Читайте в этой статье
Принцип работы и конструкция дизельного турбонагнетателя
Турбокомпрессор дизельного двигателя состоит из двух колес: турбинного и компрессорного. Данные колеса еще могут называться крыльчаткой. Крыльчатка турбины напрямую и жестко соединена с компрессорным колесом посредством оси. Устройство нагнетателя можно разделить на главные составные части:
- корпус компрессора (1);
- компрессорное колесо (2);
- вал ротора или ось (3);
- корпус турбины (4),
- турбинное колесо(5);
- корпус подшипников;
Турбина имеет в основе ротор (крыльчатку), который закреплен на оси и заключен в специальный корпус. Постоянный контакт всех элементов турбины с раскаленными газами обуславливает необходимость изготовления ротора и корпуса турбины из особых жаропрочных материалов.
Крыльчатка и ось вращаются в противоположных направлениях с высокой частотой, в результате чего осуществляется плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработавших газов проникает в выпускной коллектор, после чего оказывается в специальном канале. Данный канал находится в корпусе турбонагнетателя. Корпус имеет своеобразную форму-улитку. После прохождения улитки, отработавшие газы разгоняются и подаются на ротор. Так осуществляется вращение турбины.
Конструкция устройства может отличаться на разных типах дизельных двигателей. Главным отличием выступает разное количество каналов для движения выхлопных газов в корпусе. Также могут дополнительно присутствовать решения, которые позволяют управлять потоком отработавших газов внутри корпуса (турбина с изменяемой геометрией) и т.п.
Устройство компрессора
Компрессор имеет корпус и колесо (ротор). Корпус компрессора алюминиевый. Ротор крепится на оси турбины аналогично крыльчатке. Колесо компрессора имеет лопасти, материалом изготовления которых также является алюминий. Задачей компрессорного колеса становится забор воздуха, который проходит через его центр.
Форма лопастей заставляет воздух отбрасываться к стенкам корпуса компрессора, благодаря чему происходит его сжатие. Далее поток сжатого воздуха подается во впускной коллектор двигателя.
Ось турбокомпрессора
Ось является центральной частью турбонагнетателя и закреплена внутри корпуса на подшипниках скольжения. Смазка оси реализована при помощи подачи . С обеих сторон устанавливаются специальные уплотнительные кольца и прокладки.
Данные элементы препятствуют обильным утечкам масла, чтобы смазка не попадала в область нахождения компрессора и турбины. Сами масляные уплотнения не обеспечивают полной герметичности. Данные решения являются уплотнителями, которые функционируют благодаря разнице давлений, которые возникают в процессе работы турбокомпрессора.
Также уплотнения минимизируют прорыв воздуха из компрессора и газов из турбины в корпус оси. Стоит отметить, что полностью исключить попадание выхлопа и сжатого компрессором воздуха не удается. Излишки удаляются по сливному маслопроводу вместе с маслом и оказываются в картере дизельного двигателя.
Турбояма и турбоподхват
Крыльчатка турбины и компрессорное колесо закреплены на одной общей оси. По этой причине наблюдается определенная зависимость, которая заключается в увеличении подачи воздуха компрессором только с ростом оборотов турбины. Специалисты выделяют понятие турбоямы (турболаг), что означает задержку прироста мощности дизеля при резком нажатии на акселератор.
Турбояма возникает в результате инерционности всей системы турбонаддува. Дело в том, что для раскручивания турбинного колеса поступающими на крыльчатку выхлопными газами нужно определенное время. Турбоподхват является резким увеличением оборотов ДВС, который возникает следом за турбоямой.
Крыльчатка турбины раскручивается выхлопными газами для создания эффективного давление наддува турбокомпрессором. При определенных условиях турбина может вращаться с очень большой частотой, что зависит от конструктивных особенностей корпуса устройства и интенсивности потока отработавших газов.
Читайте также
Самостоятельная проверка турбокомпрессора дизельного двигателя. Проверка нагнетателя без снятия. Наличие масла в корпусе турбины, люфт вала, крыльчатка.
Устройство турбины автомобиля выполнено так, чтобы увеличить давление топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.
Внешний вид турбины
Принцип работы и устройство турбокомпрессора
Рассмотрим, как работает турбина в автомобиле. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.
Схема работы турбины
Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:
- Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
- Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
- Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
- Шарикоподшипникового картриджа;
- Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.
Общее устройство турбины
Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют. Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.
Система охлаждения и устройство турбонаддува
Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей - масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.
Охлаждение маслом
Достоинства:
- Простая конструкция;
- Удешевление турбокомпрессора.
Недостатки:
- Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
Высокая требовательность к составу масла; - Необходимость часто его менять;
- Требовательность к контролированию температурного режима.
Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.
В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:
- Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
- Превышение сроков замены масла;
- Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.
Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток — усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.
Турбина с масляным и водяным охлаждением
Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.
Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу. Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.
Конструктивные особенности
При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер - вспомогательный охладитель воздуха.
Интеркулер для турбины
Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность - задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.
Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.
Усовершенствование турбонаддува
Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.
Конструкция турбины твин-турбо
В такой системе используются параллельно пара одинаковых турбин. Их задача — повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.
Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.
Двигатель ниссан с системой твин-турбо
В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.
Последовательное соединение разных турбин получило название Bi-turbo.
Конструкция турбины би-турбо
Конструкция устроена так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина". Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.
Система би-турбо от БМВ
Инновационные разработки
В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.
Турбина с изменяемым углом наклона лопаток
Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.
Также к инновационным разработкам относится система Twin-scroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.
Конструкция турбины Твин-скролл
При этом имеется два варианта реализации:
- Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twin-turbo.
- Второй тип работает наподобие схемы biturbo - имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр - при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.
Заключение
Сейчас выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше. Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя , чистоту его выхлопа.
Автомобильные турбокомпрессоры являются ключевым компонентом для увеличения мощности любого автомобиля. В последние годы все больше новых автомобилей стали оснащаться турбинами. Благодаря турбокомпрессорам автопроизводители не только повышают мощность автомобилям, но и делает их выхлоп экологически чище. К сожалению, помимо плюсов, есть и минусы при использовании автомобильных турбин. Главный минус- это турбокомпрессора. К счастью, существуют некоторые рекомендации, которые позволяют увеличить срок службы компонентов турбонаддува. Предлагаем вам узнать, как работают турбокомпрессоры в современных автомобилях, а также узнать, как вы можете предотвратить преждевременный выход турбины из строя.
Приобретая в наши дни новый автомобиль, скорее всего, он будет оснащен турбированным двигателем, благодаря чему транспортное средство имеет неплохую мощность, низкий расход топлива и более чистый выхлоп. Давайте подробнее узнаем, что же такое турбокомпрессор, а также узнаем самые важные факты о нем. В том числе, мы расскажем о самых частых дефектах и поломках автомобильных турбин.
На сегодняшнем рынке пока не все автомобили оснащаются турбинами. Но уже через несколько лет купить машину без турбированного мотора у вас вряд ли получится. Причем это касается не только бензиновых моделей автомобилей. Дело в том, что турбиной оснащаются, в том числе, и дизельные двигатели.
Так что турбокомпрессоры в наши дни стали неотъемлемой частью большинства современных автомобилей. Но, несмотря на то, что турбированные двигатели стали очень популярны несколько лет назад, технология двигателей, оснащенных турбокомпрессорами, появилась уже более 100 лет назад.
В 1905 году Швейцарский изобретатель Альфред Бучи изобрел систему нагнетания, которая работала от выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания. Смысл этого изобретения прост и основан на принципе работы лопастей ветряной мельницы, которые вращаются потоком ветра. Только вместо ветра в изобретении Альфреда использовался выхлоп отработанных газов силового агрегата, который и вращал лопасти.
К сожалению, в те годы Альфреду удалось получить только патент на изобретение. Увы, построить партию опытных образцов у изобретателя не было возможности.
В 1913 Французский профессор Огюст Рато впервые в мире оснастил самолет турбокомпрессором, основанным на изобретении Бучи.
В 1915 году Альфред Бучи построил прототип корабля, оснащенного дизельным двигателем с турбиной.
Позднее, турбокомпрессоры , где перевернули представление о мощности автомобилей.
Недавно автопроизводители вспомнили о технологиях турбированных моторов, которые намного эффективнее обычных двигателей. В первую очередь автомобильные компании стали оснащать турбокомпрессорами дизельные маломощные двигатели. В итоге, благодаря турбонаддуву многие современные дизельные моторы по мощности приблизились к бензиновым силовым агрегатам.
В итоге сегодня турбомоторы стали незаменимыми для автопроизводителей, которые вынуждены подстраиваться под новые экологические нормы, которые действуют в США и Европе. Благодаря использованию турбокомпрессоров, современные автомобили стали намного экономичнее, мощнее, а также имеют низкий уровень вредных веществ в выхлопе.
В конечном итоге все современные автомобили в наши дни, выпускаемые в автопромышленности, являются самыми экологическими чистыми за всю историю автомира.
Функция турбины, настройка и ее дефекты
Функция турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличивать выходную . Благодаря турбине производители могут уменьшать количество рабочих цилиндров в двигателе без снижения мощности и крутящего момента.
Например, только трехцилиндровый 1,0 литровый турбомотор может выдавать мощность в 90 л.с. Добиться такой же производительности обычный бензиновый трехцилиндровый мотор без дорогостоящих модификаций не сможет ни один автопроизводитель.
Также 1,0 литровый имеет более низкий расход топлива и небольшой уровень выхлопных газов СО2.
Именно поэтому турбированные моторы стали очень распространенными в малолитражных бензиновых автомобилях за последние несколько лет.
Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.
В большинстве случаев работа современных турбокомпрессоров основана на тех же принципах, которые создал Швейцарский изобретатель Альфред Бучи. То есть большинство турбин в современных автомобилях работают от давления, образующего от выхлопных газах в камере сгорания двигателя.
Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя. Например, подобная турбо технология используется в дизельном 4,0 литровом моторе , который устанавливается на .
Эксплуатация и техническое обслуживание автомобильных турбин
С каждым годом во всем мире ужесточаются экологические требования к выхлопу современных автомобилей. В результате все больше новых автомобилей оснащаются турбинами. Таким образом автопроизводители пытаются выпускать автомобили, которые будут соответствовать жёстким экологическим нормам. Увы, без использования турбин в современных автомобилях добиться сокращения уровня вредных веществ в выхлопе без миллиардных инвестиций невозможно.
Наше интернет издание в связи с массовой распространенностью турбированных двигателей в автопромышленности решила собрать для вас все самые важные вопросы и ответы об автомобильных турбокомпрессорах, об их техническом обслуживании, также о многом другом:
Как работает турбина в автомобиле?
Работа турбокомпрессора основана на принципе увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания за счет большого количества воздуха (кислорода) необходимого для воспламенения топлива в камере сгорания. То есть автомобильная турбина больше не делает ничего кроме поставки двигателю большой массы кислорода.
Воздух из турбины подается непосредственно во впускное отверстие цилиндра двигателя.
Чтобы привести лопасти турбины в движение компрессор турбо нагнетателя использует для этого выхлопные газы двигателя. Для этого используется : преобразование тепловой энергии в кинетическую (горячие выхлопные газы начинают вращать лопатки турбины, которые и направляют большие потоки кислорода в двигатель, за счет чего и увеличивается мощность).
Что такое турбо лаг (турбо-яма)?
Количества выхлопных газов на низких скоростях автомобиля (низкие обороты двигателя) не достаточно для приведения в действие работы турбины турбокомпрессора. Именно поэтому турбина может создать достаточное давление воздуха для подачи в двигатель только при движении машины на средней скорости (средние обороты двигателя).
Давление топлива в турбированных автомобилях регулируется в зависимости от давления турбонагнетателя. То есть, если обороты двигателя маленькие, то давление топлива будет небольшое и топливная смесь будет не богатой кислородом из-за того, что турбокомпрессор не будет давать достаточного давления кислорода. То же самое происходит не только на малых оборотах двигателя, но и при резком нажатии на педаль газа с места. В этот момент машина не начнет максимально динамичный разгон, так как крыльчатке турбокомпрессора будет не хватать необходимого давления выхлопных газов для создания сжатого потока кислорода и подаче его в камеру сгорания двигателя. В итоге на короткое время в двигателе будет наблюдаться дефицит топливной смеси для эффективного воспламенения (кислород+топливо). Это и приводит к кратковременной задержке разгона, которая и называется турбо-лаг или "турбо яма". Вот почему многие владельцы турбированных автомобилей часто жалуются, что при резком разгоне с малых оборотов двигателя автомобиль после нажатия педали газа на 1-2 секунду не сразу реагирует на увеличение оборотов двигателя.
В некоторых премиальных автомобилях в последние годы стали появляться по две или даже три турбины, которые решают проблему турбо-ям (одна турбина работает при маленьких оборотах двигателя, другая включается на более высокой скорости работы мотора). Также недавно стали появляться турбокомпрессоры с адаптивными крыльчатками (регулируемые лопатки в турбине), которые умеют адаптироваться к любому диапазону оборотов двигателя. Таким образом достигается высокий крутящий момент автомобиля на низких скоростях.
В чем разница между турбокомпрессором и турбонагнетателем (турбонаддув)?
Функция их проста: сжатие всасываемого воздуха и подача его в камеру сгорания двигателя. Но, несмотря на одинаковый смысл работы между двумя видами турбин, существуют отличия.
Главное отличие двух видов турбин это система их питания.
Турбокомпрессор получает питание от ременного привода, который передает крутящий момент двигателя на турбину, точно также, как силовой агрегат передает с помощью ремней и роликов крутящий момент на электрический генератор автомобиля, который заряжает аккумуляторную батарею. То есть, по сути, турбокомпрессор питается от электричества.
Что касаемо турбонагнетателя или турбонаддува, то этот вид турбин работает от выхлопных газов. Как мы уже сказали выше, после нагнетания кислорода он подается под давлением в камеру сгорания увеличивая крутящий момент двигателя и его .
Срок службы турбокомпрессора
Еще недавно турбокомпрессоры были ненадежны и часто выходили из строя, даже при надлежащем уходе. Современные компрессоры стали более надежны и некоторые из них имеют срок службы сравнимым с ресурсом двигателя. Тем не менее, для того чтобы турбина проработала как можно дольше, она нуждается в обслуживании и регулярном техническом осмотре для выявления на начальном этапе каких-либо неисправностей.
Во-первых, владельцы турбированных автомобилей ни в коем случае не должны затягивать с плановой заменой моторного масла и воздушного фильтра, поскольку даже малейшее загрязнение фильтра и масла могут негативно сказываться на работоспособности турбины и ее срока службы. То есть, если в автомобиле с обычным двигателем вы можете без особого вреда запаздывать с плановой заменой масла и воздушного фильтра, то в турбированных силовых агрегатах плановое ТО должно быть проведено даже немного раньше, чем рекомендовано автопроизводителем. Особенно это касается нашей страны, где качество топлива оставляет желать лучшего.
Также турбины требуют постоянной диагностики, чтобы вовремя заметить возможные неисправности. Главная задача не допустить увеличения давления наддува, которое может не только вывести из строя турбокомпрессор, но и серьезно повредить двигатель.
Можно ли с помощью тюнинга оснастить автомобиль с обычным двигателем турбокомпрессором?
Благодаря современным турбосистемам, фактически любая машина может быть оборудована турбонаддувом. В большинстве случаев для этого необходимо обратиться в специализированное тюнинг-ателье или автомастерскую. Перед установкой турбины специалисты проверят, выдержит ли ваш двигатель повышение мощности за счет турбонаддува. Также специалисты проведут диагностику топливной системы, которая играет важное значение в турбированных двигателях.
