Принцип работы турбонаддува бензинового двигателя: Система турбонаддува — принцип работы турбины, устройство турбокомпрессора автомобиля

Система турбонаддува — принцип работы турбины, устройство турбокомпрессора автомобиля

Мощность двигателя автомобиля напрямую зависит от того, какое количество топлива и какой объем воздуха поступают в двигатель. Чтобы повысить мощность двигателя, логично увеличить количество этих компонентов. 

Просто увеличить количество топлива недостаточно, если при этом не увеличить объем воздуха, необходимого для максимально полного сгорания топлива. Использование турбокомпрессора дает возможность доставить больший объем воздуха в цилиндры, предварительно сжав его.

​

Принцип работы турбины двигателя таков: в цилиндры под давлением отработанных газов подается сжатый воздух, который вращает крыльчатку. Компрессор, расположенный на одном валу с крыльчаткой, нагнетает давление в цилиндр.

Турбонаддув от выхлопных газов – наиболее эффективная система увеличения мощности двигателя. Использование турбонаддува не увеличивает объем цилиндров и не влияет на частоту вращения коленвала.

Таким образом, помимо увеличения мощности, турбонаддув позволяет рационально расходовать топливо и уменьшить токсичность отработанных газов благодаря тому, что топливо сгорает полностью. 

Устройство турбокомпрессора автомобиля

Система турбонаддува используется не только в дизельных, но и в бензиновых двигателях.

Система турбонадува состоит из следующих элементов:

• Турбокомпрессора;
• Интеркулера;
• Перепускного клапана;
• Регулировочного клапана;
• Выпускного коллектора.

 

Принцип работы турбины дизельного двигателя

Работа дизельной турбины также основана на использовании энергии выхлопных газов. 

В общих чертах принцип работы турбины дизеля выглядит так.

От выпускного коллектора выхлопные газы направляются в приемный патрубок турбины, после попадают на крыльчатку, принуждая ее двигаться.  С крыльчаткой на одном валу расположен компрессор, который нагнетает давление в цилиндрах.

Основное отличие турбокомпрессорных агрегатов от атмосферных дизелей в том, что  здесь в цилиндры воздух подается принудительно и под высоким давлением. Поэтому на цилиндр попадает значительно большее количество воздуха. В сочетании с большим объемом подающегося топлива мы получаем прирост мощности порядка 25%. При этом пропорции воздушно-топливной смеси остаются неизменными.

Чтобы еще больше увеличить объем поступающего в цилиндры воздуха, используется интеркулер – устройство, предназначенное для охлаждения атмосферного воздуха перед подачей его в двигатель. Это позволяет за один цикл подать в цилиндр еще больше воздуха, так как, холодный, он занимает меньше места.

Технология турбонаддува используется в случаях, когда необходимо увеличить мощность мотора и при этом оставить неизменными его размеры и габариты.

Более наглядно схема работы турбины показана в этом видео:

 

 

 

Принцип работы дизельной турбины несколько отличается от работы турбины на бензиновом двигателе. В чем отличие? Давайте рассмотрим подробнее.

 

Отличие работы турбины бензинового двигателя

Основное отличие турбин бензинового двигателя от турбин дизельного в том, что последние раскручиваются с помощью выхлопных газов, температура которых достигает 850 градусов.  А турбина бензинового двигателя раскручивается с помощью газов, имеющих температуру от 1000 градусов. Имея одинаковый принцип работы, бензиновая турбина изготовлена из более жароустойчивых сплавов, нежели турбина дизельная.

Само строение бензиновой турбины также имеет некоторые отличия, в частности угол входа, крутка лопаток и т.д. По этой причине не стоит использовать дизельные турбины для наддува бензинового двигателя, впрочем, как и наоборот (подробнее в статье).

 

 

 Вернутся к списку «Статьи и новости»

Принцип работы турбины – как она работает

Турбокомпрессор или попросту турбина – это дополнительное устройство двигателя, которое для своей работы использует энергию отработавших газов. Что позволяет увеличить мощность двигателя на величину от 25% до 100%. Прежде чем понять, как работает турбокомпрессор, стоит рассмотреть функционирование двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы ДВС

Любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный или бензиновый, работает на принципе получения энергии, образующейся от воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания. Через впускные клапаны в цилиндр подается отфильтрованный внешний воздух и впрыскивается топливо, причем при пассивной подаче воздуха, в цилиндр подается дозированное количество топлива. Именно эта смесь сгорает в цилиндре и заставляет двигаться поршень, который передает свою кинетическую энергию на ходовую систему автомобиля. Чем больше такой смеси подается и сгорает в цилиндрах, тем больше выходной крутящий момент и соответственно выше общая мощность мотора.

Принцип работы турбины

Для увеличения подачи воздуха в цилиндр, без изменения объема самого цилиндра, используют турбокомпрессор. При работе турбины используются продукты сгорания топливной смеси, которые приводят в действие роторный механизм турбокомпрессора, с помощью которого атмосферный воздух принудительно нагнетается в цилиндры (турбонаддув). И, благодаря этому, в цилиндр подается и большая дозировка топлива. Во время нагнетания, воздух может нагреваться, из-за чего уменьшается его плотность и масса в цилиндрах. Для подачи большего количества воздуха, его необходимо охладить. Для лучшего охлаждения используется радиаторное устройство, называемое интеркулером, который устанавливается на выходе из холодной части турбокомпрессора и через который проходит воздух перед попаданием в цилиндры. На следующем этапе поршень всасывает этот охлажденный воздух через впускные клапаны и одновременно в камеру сгорания подается топливо, образуется топливовоздушная смесь. Возгорание топливной смеси происходит от искры (бензиновые двигатели), либо от сжатия (дизельные двигатели). После того, как произошло сгорание порции смеси, продукты горения выбрасываются через выпускной клапан и попадают снова в турбину, на ее ротор. Таким образом, она работает без участия движущих частей двигателя, используя энергию потока выхлопных газов.

Для каждого двигателя турбокомпрессор подбирается индивидуально, исходя из его собственной мощности и объема. Причем величина наддува зависит от геометрических параметров (размеров) улиток, компрессорного колеса, ротора турбины. Некоторые конструкции двигателей оборудуют не одной турбиной, а двумя: одинакового размера – би-турбо, разного размера – твин-турбо. В последнее время широкое распространение получили турбокомпрессоры с механизмом изменяемой геометрии. Стоит отметить, что сложность, а соответственно и стоимость ремонта турбины зависит от ее конструктивных особенностей и модификации.

Механизм изменяемой геометрии

Такой механизм позволяет дозировать подачу отработавших газов на колесо в турбине (ротор). Тем самым, позволяет оптимизировать работу турбокомпрессора на различных оборотах.

Это достигается за счет движения специальных лопаток, смонтированных на кольце геометрии. Они синхронно передвигаются, получая движение от вакуумного актуатора или электронного сервопривода в определенный момент, и контролируют наддув. Как правило, устанавливаются они на дизельных ДВС, потому как температура выхлопных газов у бензиновых моторов выше, чем у дизеля, соответственно лопатки геометрии могут деформироваться. Такие турбины позволяют оптимизировать процесс турбонаддува, что приводит к уменьшению расхода топлива и вредных выбросов при одновременном повышении мощности и крутящего момента.

Многие автомобилисты ошибочно полагают, что турбокомпрессор начинает включаться в работу с оборотов мотора от 1500-2000 об/мин. На самом деле, он запускается сразу после заводки автомобиля и работает на холостом ходу. А оптимальных оборотов достигает в диапазоне свыше 1500 об/мин.

Турбокомпрессор достаточно надежный агрегат, однако если Вы столкнулись с его поломкой, решить проблему Вам помогут специалисты ТурбоМикрон. Мы производим замену турбины на автомобиле, а также ремонт снятых с авто турбокомпрессоров.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

 

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува
— Увеличение рабочего объёма двигателя
— Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

 

 

 

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Что такое турбонаддув — ДРАЙВ

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают проблемы.

Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

А вот так выглядит интеркулер.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.

Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 50-х годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Турбина twin-scroll имеет двойную «улитку» турбины — одна эффективно работает на высоких оборотах двигателя, вторая — на низких

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Турбина с изменяемой геометрией.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Принцип работы турбонаддува — бензин и дизель

Турбонаддув – устройство, призванное увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. Оно стало настоящим прорывом в моторостроении ХХ века, но широкое распространение приобрело значительно позже. Автором данного изобретения является Альфред Бьюхи.

Принцип работы и устройство турбонаддува.

Принцип работы турбонаддува при всей его значимости в приросте мощности двигателя весьма прост: на одном валу закреплены крыльчатки двух улиток-турбин, задача одной части посредством потока отработанных газов раскручиваться и приводить в действие вторую часть, которая работает нагнетателем воздуха в двигатель. Именно в увеличении объема воздуха, посылаемого в камеру сгорания, и кроется секрет увеличения мощности движка.

Но, как уже отмечалось выше, при всей своей логической простоте устройство набирало значимость довольно долго – более полувека. Причины:

• требовательность к точности изготовления,
• необходимость в жаропрочных качественных материалах,
• отсутствие в массовом производстве высокооктанового топлива.

Последнее к слову ограничивало применение турбонаддува только на бензиновых двигателях.

Благо, наука не стоит на месте и с годами появлялись более качественные материалы, позволившие турбонаддуву начать проникать сперва в мир автогонок, где он позволял без увеличения веса двигателя увеличивать его мощность и достигать командам высоких позиций в финальных таблицах, а после и на потребительский рынок.

Теперь немного подробнее о том, как работает турбонаддув на бензиновых и дизельных двигателях, а точнее – об особенностях его работы, ведь принцип действия у них практически идентичен.

Особенности работы турбонаддува дизельного двигателя.

Дизель с турбонаддувом сегодня можно встретить гораздо чаще, чем его собрата – бензиновый агрегат. Так происходит потому, что применение турбины в дизеле позволяет решить его главную проблему – низкую эффективность на высоких оборотах – раз и навсегда.

Также аргументом в пользу использования турбины в дизельных ДВС можно назвать невысокую стоимость подобного внедрения за счет меньшей температуры выхлопных газов и более низких оборотов, которые, в сравнении все с тем же бензиновым мотором, требуют применения менее качественных материалов. Отсюда такая популярность турбонаддува у производителей дизельных авто и владельцев последних. В то же время массовость применения данного устройства в дизелях позволяет развиваться самому надуву в принципе, делая его все доступнее для бензиновых транспортных средств.

Особенности работы турбонаддува бензинового двигателя.

Если речь идет об использовании турбонаддува на бензиновых двигателях, то она в первую очередь касается высоконагруженных моторов, комплектующих спорткары и некоторые люксовые автомобили.

Такое классовое различие кроется в том, что прирост мощности в бензиновом двигателе требует больших капиталовложений, как в саму турбину двигателя, так и в обслуживание авто: на дорогое высокооктановое топливо и его количество (турбонаддув всегда ведет к увеличенному расходу), которые не всегда оправданы.

Дело в том, что в турбированном бензиновом ДВС прирост мощности достигается при высоких оборотах, при этом, таков принцип работы турбонаддува, сама мощность возрастает весьма стремительно, что для обычного среднестатистического водителя бензинового автомобиля не всегда необходимо, скорее, даже наоборот… а переплачивать за то, что вся эта мощность никогда не будет использоваться, не имеет смысла.

Видео.

Рекомендую прочитать:

Турбированные моторы & атмосферные: устройства и принцип работы | Справочная информация

Классические бензиновые и дизельные силовые агрегаты в последние несколько лет стали сдавать позиции лидеров в автомобилестроении. На смену им и в дополнение приходят турбированные и атмосферные двигатели, которые всего пару десятилетий назад можно было встретить только на гоночных болидах.

Сегодня очень часто при выборе современных моделей транспортных средств, автолюбители не знают, на каком силовом агрегате лучше всего остановиться — купить автомобиль с «атмосферником» или турбиной? У каждого из этих механизмов есть свои специфические особенности, а также плюсы и минусы в эксплуатации.

Устройство и принцип работы турбированного двигателя

Турбированный силовой агрегат считается одним из самых старых среди двигателей внутреннего сгорания, так как был придуман почти столетие назад. Принцип его работы заключается в том, в цилиндры подается увеличенное количество воздуха, для этого используется нагнетающее устройство – турбокомпрессор («турбина»). Это создает лучшие условия для сгорания топлива и, соответственно, увеличивает мощность двигателя.

По принципу работы турбированный двигатель не отличается от обычного атмосферного двигателя. А нагнетание дополнительного воздуха позволяет эффективнее использовать полный объем поступающей горючей смеси, что положительно сказывается на динамических характеристиках автомобиля.

Турбокомпрессор использует для работы энергию выхлопных газов. Он подсоединяется к выхлопной системе, в результате чего часть отработанных газов поступает на лопасти турбины и вращает крыльчатку компрессора.

Для охлаждения силового агрегата с турбокомпрессором используют интеркуллер. Это обычный радиатор, но вместо охлаждающей жидкости в нем циркулирует воздух.

Достоинства турбодвигателя

Главный козырь турбированных силовых агрегатов — это, конечно же, их высокая мощность. Двигатели с турбокомпрессором по динамике разгона значительно превосходят своих атмосферных «собратьев» при одинаковом объеме. При этом потребление топлива увеличивается ненамного, так как турбина использует энергию уже отработавших газов, а не тратит горючее на создание новых.

Еще одно достоинство турбированного агрегата – снижение содержания вредных газов в выхлопе, поскольку топливовоздушная смесь сгорает значительно эффективнее. Кроме того, мотор с турбокомпрессором работает менее шумно, чем «атмосферник».

Недостатки турбодвигателя

В отличие от атмосферного двигателя, турбодвигатель очень привередлив к качеству потребляемого горючего. Если не контролировать этот вопрос, то турбина очень скоро может выйти из строя. Кроме того, из-за специфики конструкции двигатели с турбонаддувом следует прогревать в любое время года.

Этот тип силовых агрегатов нуждается в особой заботе в вопросах использования смазочных материалов. Обычные минеральные и синтетические масла категорически запрещается заливать в двигатель с турбиной. Для них предназначаются специальные виды масел, которые достаточно дорого стоят. Кроме того, как отмечают специалисты автосервиса Favorit Motors, замена масла рекомендуется каждые 10 тысяч километров (при эксплуатации в городских условиях).

Устройство и принцип работы атмосферного двигателя

Система запитывания атмосферного двигателя основана на инжекторном или карбюраторном механизме. Топливовоздушная смесь формируется в строгой пропорции: 1 часть бензина + 14 частей воздуха.

Принцип работы «атмосферника» заключается в том, что топливо впрыскивается в цилиндр без сопротивления. Это стало возможным благодаря сложным и тонким настройкам в распределительном валу, который открывает впускающий клапан. После впрыска смесь сгорает, а выделившиеся газы приводят в движение поршни.

Атмосферный двигательный аппарат назван так потому, что давление воздуха при попадании в мотор, равняется одной атмосфере. В его конструкции не используются турбонагнетатели, он функционирует при стандартном атмосферном давлении.

Преимущество в использовании атмосферного двигателя заключается в том, что на каких бы оборотах он не работал в данный момент, у него всегда будет определенный запас мощности. Это позволяет максимально быстро ускоряться при любой начальной скорости движения. До максимально возможного количества оборотов атмосферный силовой агрегат «раскрутится» за считанные секунды.

Достоинства атмосферного двигателя

Рано или поздно даже самый надежный мотор может потребовать вложений и качественного ремонта. Атмосферный агрегат имеет более простое строение, чем турбированный мотор, а потому и проведение ремонтных работ обойдется дешевле.

Срок службы атмосферника гораздо выше, чем у турбированного мотора. Это обусловлено более мягкими условиями эксплуатации и отсутствием повышенных нагрузок. Поэтому рабочий ресурс атмосферного двигателя в среднем вдвое выше, чем у турбины.

В качестве приятного бонуса для автовладельцев специалисты ГК Favorit Motors могут привести следующий факт. Атмосферные агрегаты не требуют постоянно контроля смазки и менее требовательны к качеству используемых масел. В их конструкции отсутствуют устройства, которые нуждаются в дополнительной смазке. Это же касается и выбора топлива: атмосферный двигательный агрегат менее требователен к качеству горючего. Кроме того, замена смазочной жидкости производится реже — каждые 15-20 тысяч километров пробега.

И еще один плюс «атмосферника». Российские водители уже смогли убедиться, что атмосферный силовой агрегат даже зимой прогревается быстрее, чем его турбированный собрат.

Недостатки атмосферного двигателя

Самым главным минусом такого двигателя можно считать отсутствие высоких крутящих моментов. Атмосферный агрегат проигрывает турбированному в плане мощности. Такой автомобиль будет идеальным для неспешных поездок по городу, но в качестве трассового авто для молодежных гонок явно не подойдет.

Расход топлива для такого двигателя будет достаточно высок. Как отмечают специалисты ГК Favorit Motors, в среднем автомобиль с атмосферным двигателем потребляет не менее 11-12 литров горючего на 100 километров пути.

Итоги

Выбирать автомобиль с турбированным или атмосферным агрегатом стоит, исходя из своих личных предпочтений и возможностей. У каждого из этих типов моторов есть свои плюсы и минусы. Турбодвигатель будет мощнее и динамичнее, однако требователен в уходе и обходится дороже. Атмосферный двигатель не такой мощный, зато гораздо дешевле в плане эксплуатации и ремонта.

В наличии в компании Favorit Motors имеется множество разных моделей автомобилей как с атмосферными двигателями, так и с турбированными. Компетентный персонал поможет подобрать автомобиль, исходя из пожеланий и предпочтений каждого клиента.

Как турбированный, так и атмосферный силовой агрегат со временем может начать работать с перебоями или вообще отказать. Современные модели автомобилей оснащены высокотехнологичными электронными системами управления двигателем, поэтому диагностику и ремонт моторов следует выполнять только в специализированных автосервисах.

Автосервис Favorit Motors оснащен полным комплексом диагностического и ремонтного оборудования для диагностики и устранения неисправностей турбированных и атмосферных силовых агрегатов. Для обслуживания и ремонта здесь используются только качественные сертифицированные запчасти, а мастера техцентра обладают многолетним опытом работ. Все операции выполняются в соответствии с технологическими картами заводов-изготовителей, что обеспечивает высокое качество и сжатые сроки ремонта. На все детали и ремонтно-восстановительные работы предоставляется гарантия.

Специалисты компании Favorit Motors напоминают, что своевременное регламентное обслуживание способно значительно продлить срок эксплуатации силового агрегата. Необходимо регулярно менять масло в соответствии с пробегом и устранять выявленные неисправности.

Подборка б/у автомобилей Skoda Octavia

---

Турбированный бензиновый двигатель

Турбированный бензиновый двигатель — ДВС с искусственно поднятой при помощи турбонагнетателя или механического компрессора степенью сжатия в цилиндрах с целью повышения мощности.

Двигатель

История изобретения турбированного бензинового двигателя

Возможность увеличения мощности, не увеличивая бесконечно рабочий объем, интересовала инженеров с момента появления двигателя внутреннего сгорания. Решение, казалось бы, лежало на поверхности: необходимо сделать «дыхание» двигателя более эффективным, т.е. добиться лучшей сгораемости топливовоздушной смеси. Это может обеспечить дополнительная подача воздуха, а значит, он должен поступать в цилиндры не вследствие разряжения, а принудительно, под давлением. Дополнительный объем воздуха даст более полное сгорание топлива, соответственно, увеличится и мощность, получаемая в результате «мини-взрыва» смеси в цилиндре.

Однако развитие и внедрение турботехнологий происходило достаточно медленно. Изначально турбокомпрессоры использовались для крупных корабельных и авиационных силовых установок, а первыми автомобилями с турбированными двигателями закономерно стали грузовики.

Завод Swiss Machine Works Sauer начал выпускать для них такие установки с 1938 года. В начале 60-х годов на американском рынке появились и первые легковые автомобили, оснащенные турбинами. Это были Oldmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza. Однако, эти модели не отличались ни надежностью, ни выносливостью.

Популярными турбокомпрессоры стали в 70-е годы XX столетия, когда их начали массово устанавливать на спортивные автомобили. Тем не менее, широкого распространения в «гражданской» автомобильной промышленности они не получили — этому препятствовал слишком большой расход топлива, отличавший турбированные бензиновые двигатели тех времен.  На фоне нефтяного кризиса 70-х годов этот параметр оказывался важнее всех прочих.

                                                                   

Устройство и принцип работы турбированного бензинового двигателя

Принцип работы турбированной бензиновой силовой установки заключается в использовании специального компрессора, нагнетающего в цилиндры двигателя дополнительный воздух.

Благодаря улучшению наполнения цилиндров топливовоздушной смесью, повышается среднее эффективное давление цикла и возрастает мощность мотора. Приводом турбонаддува служит отработанный газ, энергия которого используется для полезной работы.

Современный турбокомпрессор включает в себя: 
- корпус подшипников;
- турбинное колесо;
- перепускной клапан;
- корпус турбины;
- масляные каналы;
- вал ротора;
- подшипник скольжения;
- компрессорное колесо;
- корпус компрессора;
- пневмопривод перепускного клапана.

В корпусе подшипников расположен ротор: вал с жестко закрепленными турбинным и компрессорным колесами, имеющими лопасти. Вращается ротор на подшипниках скольжения. Их смазку и охлаждение осуществляет моторное масло из системы смазки двигателя. Для дополнительного охлаждения корпуса подшипников могут использоваться каналы с охлаждающей жидкостью.

Корпус турбины, как и корпус всего компрессора, выполнен в форме улитки. Турбинный патрубок — соединяется с выпускным трубопроводом, а компрессорный – с впускным.

Отработанные газы поступают в турбину и раскручивают ротор турбокомпрессора, отдавая свою энергию. Затем через приемную трубу они поступают в глушитель. Колесо компрессора и лопаточное колесо турбины располагаются на одном валу. Получая вращение от турбины, колесо компрессора засасывает воздух из воздушного фильтра и, нагнетая его, подает в двигатель. При этом, компрессор, в зависимости от степени наддува, способен повышать давление воздуха на 30%-80%. С помощью турбонаддува, один и тот же объем двигателя может принять рабочую смесь в большем количестве. Поэтому при ее сгорании мощность увеличивается на 20%-50%! Использование энергии выхлопных газов позволяет значительно повысить КПД мотора.

 

Достоинства и недостатки турбированного бензинового двигателя

Основным преимуществом турбированного бензинового двигателя является его сравнительная мощность. Имеется в виду, что, при одинаковом объеме, турбированный двигатель выдает мощности на 40% больше, чем «атмосферный». Несомненным достоинством такого типа силовых установок считается и пониженный выброс в атмосферу вредных веществ.

Однако, турбированные бензиновые двигатели имеют и ряд недостатков. Чтобы уменьшить возникающую при их работе детонацию, пришлось понизить степень сжатия в цилиндрах моторов. Также возросли требования к качеству топлива — для этого типа силовых установок подходят только высокооктановые марки.

В конструкцию пришлось добавить интеркулер – промежуточный охладитель нагнетаемого воздуха, чтобы после нагрева в турбине его плотность не снижалась. Высокая температура, возникающая в ходе рабочего цикла, диктует строгий выбор материалов изготовления деталей выпускной системы, корпусных элементов компрессора и лопаток турбины. Но все эти проблемы не мешают турбированным бензиновым двигателям приобретать в последнее время все большую популярность среди автолюбителей всего мира.

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры? Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 18 февраля 2021 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 сбросить вас по шоссе 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 выхлопа из задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, обеспечивая больше «привлекательности», чем в противном случае получать. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте присмотритесь!

Фото: В типичном автомобильном турбокомпрессоре используется пара таких вентиляторов в форме улитки.Тот, который вы видите здесь, — это Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. 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 вас проносятся 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, откачиваемых на скорости, и вся энергия в ней 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 в качестве выхлопа. 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 ускорить движение автомобиля — это добавить больше цилиндров. Вот почему супер-быстрые спорткары обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндры в обычном семейном автомобиле.Другой вариант — использовать турбонагнетатель, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простой, относительно дешевый, дополнительный немного обвеса, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Рекламные ссылки

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию турбонагнетателя автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает 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 движение выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие вращающимся коленчатым валом 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 NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Как на практике работает турбонаддув? Турбокомпрессор — это 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, с которым они соединены (технически называемый 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, так что, вращаясь, он втягивает 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 — подробнее

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 наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленую) между турбиной и компрессором.

Иллюстрация: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США № 7,946,118: 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 придают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступать непосредственно из отработанного выхлопного газа — и это иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для приведения в действие компрессора, что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — вот где дополнительная мощность автомобиля происходит от. Все выхлопные газы приводят в действие турбокомпрессор и, поскольку турбокомпрессор не подключен к коленчатому валу или колесам автомобиля, он не напрямую, каким-либо образом увеличивает мощность автомобиля.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 они могут сжечь ровно столько, сколько нужно. Через впускное отверстие определенного размера вы можете втолкнуть в них столько воздуха, сколько выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для приведения в действие турбокомпрессора.Другими словами, в игру вступают и другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; вы не можете просто ускорить свой путь до бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор. Вы можете четко видеть два вентилятора / нагнетателя (один над другим) и их вход / выход. Фото любезно предоставлено Армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и более или менее на любых вид транспортного средства (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 больше мощности, чем в противном случае). Тем не менее, большая мощность означает больше энергии, выход в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что вы должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать, соответственно, 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 замечательно, 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 2013 года, проведенное 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 экономить топливо, в том числе 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 немало вещей, которые могут пойти не так.Это может значительно удорожать обслуживание турбин. 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?

Кому мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бючи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в двигательной компании Gebrüder Sulzer в Винтертуре, Швейцария. Как и в случае с турбонагнетателем, который я проиллюстрировал выше, в его оригинальной 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 этой 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 может быть сожжено.Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер 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 по трубе (зеленого цвета), приводящей в движение турбину.Он подключен к оранжевому «нагнетателю» (компрессору) и охладителю (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.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На сайте

Книги для старших читателей

Книги для юных читателей

• Car Science Ричард Хаммонд.Дорлинг Киндерсли, 2007. Объясняет, почему ваша машина работает (в возрасте 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 до Кюль-де-Сак, автор Стивен Уильямс. The New York Times, 25 октября 2018 года. 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 ты не водишь турбо», то скоро будешь. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 году количество автомобилей с установленными турбокомпрессорами удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности от двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует экологический сертификат Йорна Мадслиена.BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их более «зелеными» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

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

• Патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бючи, выдан 17 апреля 1934 г. Первый турбодвигатель, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
Патент США №
• № 2 309 968: Управление турбокомпрессором и метод, разработанный Ричардом Дж. Ллойдом, корпорация Garrett, выдан 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных оборотах двигателя.
• Патент США № 4083188: Система турбонагнетателя 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.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком BorgWarner Inc. Corporation

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2010/2020) Турбокомпрессоры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

принципов | BorgWarner Turbo Systems

Чтобы лучше понять технику турбонаддува, полезно ознакомиться с принципами работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня большинство пассажиров легковые и коммерческие дизельные двигатели представляют собой четырехтактные поршневые двигатели, регулируемые впуском. и выпускные клапаны. Один рабочий цикл состоит из четырех ходов в течение двух полных. обороты коленчатого вала.

• Всасывание (ход перезарядки)
  Когда поршень движется вниз, воздух (дизельный двигатель или бензиновый двигатель с прямым впрыском) или топливно-воздушная смесь (бензиновый двигатель) всасывается через впускной клапан.
• Компрессия (рабочий ход)
  Объем цилиндра сжат.
• Расширение (рабочий ход)
  В бензиновом двигателе топливно-воздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания, тогда как в топливо для дизельного двигателя впрыскивается под высоким давлением, и смесь самовоспламеняется.
• Выхлоп (ход перезарядки)
  Выхлопные газы удаляются при движении поршня вверх.

Эти простые принципы работы предоставляют различные возможности увеличения мощность двигателя:

Увеличение рабочего объема

Увеличение рабочего объема позволяет увеличить выходную мощность, поскольку больше воздух доступен в камере сгорания большего размера и, таким образом, можно сжечь больше топлива.Это увеличение может быть достигнуто за счет увеличения количества цилиндров или объем каждого отдельного цилиндра. В общем, это приводит к большему и большему весу двигатели. Что касается расхода топлива и выбросов, то существенных можно ожидать преимуществ.

Увеличение оборотов двигателя

Еще одна возможность увеличения выходной мощности двигателя — увеличение его мощности. скорость. Это достигается за счет увеличения количества ударов в единицу времени.Потому что пределов механической стабильности, однако такое улучшение производительности ограничено. Кроме того, увеличение скорости приводит к увеличению потерь на трение и накачку. экспоненциально и КПД двигателя падает.

Турбонаддув

В описанных выше процедурах двигатель работает как безнаддувный. двигатель. Воздух для горения втягивается непосредственно в цилиндр во время всасывания. Инсульт.В двигателях с турбонаддувом воздух для горения уже предварительно сжимается. подается в двигатель. Двигатель всасывает такой же объем воздуха, но из-за с более высоким давлением в камеру сгорания поступает больше воздушных масс. Следовательно, может быть сожжено больше топлива, так что выходная мощность двигателя увеличивается по сравнению с та же скорость и стреловидность.

По сути, следует различать газ с механическим наддувом и выхлопной газ. двигатели с турбонаддувом.

Механический наддув

При механическом наддуве воздух для горения сжимается компрессором. приводится в движение непосредственно от двигателя. Однако прирост мощности частично теряется. из-за паразитных потерь от привода компрессора. Способность управлять механическим турбокомпрессор составляет до 15% мощности двигателя. Следовательно, расход топлива выше по сравнению с безнаддувным двигателем с той же выходной мощностью.

Турбонаддув выхлопных газов

При турбонаддуве выхлопных газов часть энергии выхлопных газов, которая обычно быть потраченным впустую, используется для привода турбины. Устанавливается на том же валу, что и турбина. представляет собой компрессор, который всасывает воздух для горения, сжимает его, а затем подает это к двигателю. Механической связи с двигателем нет.

Основы турбокомпрессора

Основы турбокомпрессора

Ханну Яэскеляйнен, Магди К.Хаир

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Турбокомпрессоры — это центробежные компрессоры, приводимые в действие турбиной выхлопного газа и используемые в двигателях для повышения давления наддувочного воздуха. Производительность турбокомпрессора влияет на все важные параметры двигателя, такие как экономия топлива, мощность и выбросы. Прежде чем перейти к более подробному обсуждению специфики турбокомпрессора, важно понять ряд фундаментальных концепций.

Конструкция турбокомпрессора

Турбокомпрессор состоит из колеса компрессора и колеса турбины выхлопного газа, соединенных сплошным валом и используемого для повышения давления всасываемого воздуха двигателя внутреннего сгорания. Турбина выхлопного газа извлекает энергию из выхлопного газа и использует ее для привода компрессора и преодоления трения. В большинстве автомобильных применений и компрессор, и турбинное колесо являются радиальными. В некоторых приложениях, таких как средне- и низкооборотные дизельные двигатели, можно использовать колесо турбины с осевым потоком вместо турбины с радиальным потоком.Поток газов через типичный турбокомпрессор с радиальным компрессором и турбинными колесами показан на Рисунке 1 [482] .

Рисунок 1 . Конструкция турбокомпрессора и расход газов

(Источник: Schwitzer)

Центр-Жилье. Общий вал турбина-компрессор поддерживается системой подшипников в центральном корпусе (корпусе подшипника), расположенном между компрессором и турбиной (Рисунок 2). Узел колеса вала (SWA) относится к валу с прикрепленными колесами компрессора и турбины, т.е.е., вращающийся узел. Узел вращения центрального корпуса (CHRA) относится к SWA, установленному в центральном корпусе, но без корпусов компрессора и турбины. Центральный корпус обычно отлит из серого чугуна, но в некоторых случаях может использоваться и алюминий. Уплотнения предотвращают попадание масла в компрессор и турбину. Турбокомпрессоры для систем с высокими температурами выхлопных газов, таких как двигатели с искровым зажиганием, также могут иметь охлаждающие каналы в центральном корпусе.

Рисунок 2 . Турбокомпрессор в разрезе

Турбонагнетатель отработавших газов бензинового двигателя, вид в разрезе, показывающий колесо компрессора (слева) и колесо турбины (справа). Подшипниковая система состоит из упорного подшипника и двух полностью плавающих опорных подшипников. Обратите внимание на охлаждающие каналы.

(Источник: BorgWarner)

Подшипники турбокомпрессора

Подшипники. Система подшипников турбокомпрессора проста по конструкции, но играет ключевую роль в ряде важных функций.К наиболее важным из них относятся: контроль радиального и осевого движения вала и колес и минимизация потерь на трение в подшипниковой системе. Подшипниковым системам уделяется значительное внимание из-за их влияния на трение турбокомпрессора и его влияние на топливную экономичность двигателя.

За исключением некоторых крупных турбонагнетателей для тихоходных двигателей, подшипники, поддерживающие вал, обычно расположены между колесами в выступе. Эта гибкая конструкция ротора гарантирует, что турбокомпрессор будет работать выше своей первой и, возможно, второй критических скоростей, и, следовательно, может подвергаться динамическим условиям ротора, таким как завихрение и синхронная вибрация.

Уплотнения. Уплотнения расположены на обоих концах корпуса подшипника. Эти уплотнения представляют собой сложную конструктивную проблему из-за необходимости поддерживать низкие потери на трение, относительно больших перемещений вала из-за зазора в подшипниках и неблагоприятных градиентов давления в некоторых условиях.

Эти уплотнения в основном служат для предотвращения попадания всасываемого воздуха и выхлопных газов в центральный корпус. Давление во впускной и выпускной системах обычно выше, чем в центральном корпусе турбокомпрессора, который обычно находится на уровне давления в картере двигателя.По существу, они в первую очередь предназначены для уплотнения центрального корпуса, когда давление в центральном корпусе ниже, чем во впускной и выпускной системах. Эти уплотнения не предназначены для использования в качестве основного средства предотвращения утечки масла из центрального корпуса в выхлопную и воздушную системы. Попадание масла в контакт с этими уплотнениями обычно предотвращается другими средствами, такими как масляные дефлекторы и вращающиеся пальцы.

Уплотнения турбокомпрессора отличаются от уплотнений с мягкой кромкой, которые обычно используются во вращающемся оборудовании, работающем при гораздо более низких скоростях и температурах.Уплотнение с поршневым кольцом — это один из наиболее часто используемых типов уплотнений. Он состоит из металлического кольца, внешне похожего на поршневое кольцо. Уплотнение остается неподвижным при вращении вала. Иногда используются уплотнения лабиринтного типа. Обычно уплотнения вала турбонагнетателя не предотвращают утечку масла, если перепад давления меняется на противоположный, так что давление в центральном корпусе выше, чем во впускной или выпускной системах.

###

ТУРБОКОМПЕНСАТОР: КОМПОНЕНТЫ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ТИПЫ

Турбонагнетатель — это устройство, которое используется для увеличения мощности двигателя или, можно сказать, повышения эффективности двигателя за счет увеличения количества воздуха, поступающего в камеру сгорания.Больше воздуха в камеру сгорания означает, что в цилиндр будет поступать большее количество топлива, и, как следствие, можно получить больше мощности от того же двигателя, если в нем установлен турбонагнетатель.

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 в настоящее время наблюдается переход к турбонаддувам в серийных бензиновых двигателях.

Количество двигателя, которое фактически входит в цилиндр двигателя, по сравнению с теоретическим количеством, если двигатель может поддерживать атмосферное давление, называется объемным КПД, а цель турбокомпрессора — повысить объемный КПД двигателя за счет увеличения плотности впуска. газ.

Турбокомпрессор всасывает воздух из атмосферы и сжимает его с помощью центробежного компрессора, прежде чем он попадет во впускной коллектор под повышенным давлением.Это приводит к тому, что большее количество воздуха поступает в цилиндры на каждом такте впуска. Центробежный компрессор получает энергию за счет кинетической энергии выхлопных газов двигателя.

КОМПОНЕНТЫ ТУРБОКОМПЕНСАТОРА

Турбокомпрессор состоит из трех основных компонентов.
1. Турбина, которая почти представляет собой турбину с радиальным притоком.
2. Компрессор представляет собой почти центробежный компрессор.
3. Узел вращения центральной ступицы.

Турбокомпрессор состоит из двух основных частей: турбины и компрессора.

Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины. Корпус турбины направляет выхлопные газы в рабочее колесо турбины. Энергия выхлопного газа вращает колесо турбины, и затем газ выходит из корпуса турбины через зону выхода выхлопных газов.

Компрессор также состоит из двух частей: крыльчатки компрессора и корпуса компрессора. Принцип действия компрессора противоположен турбине. Колесо компрессора прикреплено к турбине валом из кованой стали, и когда турбина вращает колесо компрессора, высокоскоростное вращение втягивает воздух и сжимает его.Затем корпус компрессора преобразует высокоскоростной воздушный поток низкого давления в воздушный поток высокого давления и низкого давления посредством процесса, называемого диффузией. Сжатый воздух проталкивается в двигатель, позволяя двигателю сжигать больше топлива для выработки большей мощности.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Турбокомпрессор в основном состоит из двух основных частей: турбины и компрессора. Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины, цель которого — направлять выхлопные газы в турбинное колесо.Кинетическая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую после попадания их на лопатки турбины. Выхлопное отверстие помогает выхлопным газам выходить из турбины. Колесо компрессора в турбонагнетателе прикреплено к турбине с помощью стального вала, и когда турбина вращает колесо компрессора, оно втягивает высокоскоростной воздушный поток низкого давления и преобразует его в воздух высокого давления и низкой скорости. ручей. Этот сжатый воздух вдавливается в двигатель с большим количеством топлива и, следовательно, производит большую мощность.

Отработанные выхлопные газы двигателя используются для привода турбинного колеса, которое соединено валом 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 турбонагнетатель.Цилиндры внутри двигателя внутреннего сгорания срабатывают последовательно (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, уменьшая силу потока. В отличие от этого, турбонагнетатель 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 оксида 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 Twin Power вырабатывает на 30 процентов больше мощности, чем двигатель такого же размера без турбонаддува.

Это следует за следующим процессом

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 при прохождении через теплообменник и поступает в воздухозаборник цилиндра.
4. Холодный воздух горит внутри камеры сгорания быстрее из-за переноса большего количества кислорода.
5. За счет сжигания большего количества топлива выход энергии будет больше и быстрее, 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, поскольку оба установлены на одном валу.
8. Выхлопные газы покидают автомобиль через выхлопную трубу. Они тратят меньше энергии, чем двигатель без турбонагнетателя.

ВИДЫ ТУРБОКОМПЕНСАТОРОВ

1. Однотурбо

Одни только турбонагнетатели обладают безграничной вариативностью. Различие в размере крыльчатки компрессора и турбины приведет к совершенно разным характеристикам крутящего момента. Большие турбины обеспечат высокую максимальную мощность, но меньшие турбины обеспечат лучшее рычание на низких частотах, поскольку они быстрее вращаются.Есть также одиночные турбины на шарикоподшипниках и опорных подшипниках. Шарикоподшипники обеспечивают меньшее трение для вращения компрессора и турбины, поэтому их намотка происходит быстрее (что увеличивает стоимость).

Преимущества
• Экономичный способ увеличения мощности и эффективности двигателя.
• Простой, как правило, самый простой в установке вариант турбонаддува.
• Позволяет использовать двигатели меньшего размера для выработки такой же мощности, как и более крупные безнаддувные двигатели, что часто позволяет снизить вес.

Недостатки
• Одиночные турбины обычно имеют довольно узкий эффективный диапазон оборотов. Это затрудняет определение размеров, так как вам придется выбирать между хорошим крутящим моментом на низких оборотах или лучшей мощностью на высоких оборотах.
• Турбо-отклик может быть не таким быстрым, как альтернативные настройки турбо.

2. Твин-турбо

Как и одиночные турбокомпрессоры, при использовании двух турбонагнетателей существует множество возможностей. У вас может быть один турбонагнетатель для каждого ряда цилиндров (V6, V8 и т. Д.). В качестве альтернативы можно использовать один турбонагнетатель для низких оборотов и байпас к более крупному турбокомпрессору для высоких оборотов (I4, I6 и т. Д.).У вас даже могут быть две турбины одинакового размера, одна из которых используется на низких оборотах, а обе — на более высоких. На BMW X5 M и X6 M используются турбины с двумя улитками, по одной с каждой стороны от V8.

Преимущества
• Для параллельных сдвоенных турбин на V-образных двигателях преимущества (и недостатки) очень похожи на установки с одним турбонаддувом.
• Для последовательных турбин или использования одного турбонагнетателя на низких оборотах и ​​обоих на высоких оборотах, это позволяет получить гораздо более широкую и пологую кривую крутящего момента. Лучше крутящий момент на низких оборотах, но мощность не снижается на высоких оборотах, как у небольшого турбонаддува.

Недостатки
• Стоимость и сложность, поскольку вы почти вдвое увеличили количество компонентов турбонагнетателя.
• Существуют более легкие и более эффективные способы достижения аналогичных результатов (как описано ниже).

3. Twin-Scroll Turbo

Турбина приводится в движение выхлопными газами, которые направляются на вращение лопаток турбины и нагнетание воздуха в двигатель. Теперь цилиндры двигателя срабатывают последовательно, а это означает, что выхлопные газы импульсами попадают в турбонагнетатель. Как вы, наверное, догадались, эти импульсы могут легко перекрываться и мешать друг другу при включении турбонагнетателя, и турбокомпрессор с двойной спиралью решает эту проблему, используя корпус турбины с разделенным впуском и специальный выпускной коллектор, который соединяет правые цилиндры с каждым. прокрутка.В четырехцилиндровом автомобиле первый и четвертый цилиндры могут приводить в действие одну спираль, а два и три — другую. Это означает меньшее перекрытие импульсов и меньшую задержку.

Преимущества
• На выхлопную турбину направляется больше энергии, а значит, больше мощности.
• Более широкий диапазон эффективных оборотов наддува возможен благодаря различным конструкциям спиралей.
• Возможно большее перекрытие клапанов без затруднения продувки выхлопных газов, что означает большую гибкость настройки.

Недостатки
• Требуется особая компоновка двигателя и конструкция выхлопа (например: I4 и V8, где 2 цилиндра могут подаваться на каждую спираль турбонагнетателя с равными интервалами).
• Стоимость и сложность по сравнению с традиционными одинарными турбинами.

4. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT)

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией (VGT) — это дорогостоящее и сложное силовое решение, которое особенно распространено в дизельных двигателях. VGT имеет кольцо из лопаток аэродинамической формы в корпусе турбины, которые могут изменять отношение площади к радиусу в соответствии с оборотами двигателя. На низких оборотах отношение площади к радиусу создает большее давление и скорость для более эффективного раскрутки турбины.На более высоких оборотах соотношение увеличивается, чтобы впустить больше воздуха. Результат — более широкий диапазон усиления и меньшая задержка.

Преимущества
• Широкая плоская кривая крутящего момента. Эффективный турбонаддув в очень широком диапазоне оборотов.
• Требуется только один турбо, что упрощает настройку последовательного турбонаддува в нечто более компактное.

Недостатки
• Обычно используется только в дизельных двигателях, где выхлопные газы ниже, поэтому лопатки не будут повреждены теплом.
• Что касается бензиновых двигателей, то стоимость их обычно невысока, поскольку для обеспечения надежности необходимо использовать экзотические металлы.Эта технология была использована на Porsche 997, хотя бензиновых двигателей VGT существует очень мало из-за связанных с этим затрат.

5. Регулируемый турбонагнетатель Twin-Scroll

Регулируемый турбонаддув с двойной прокруткой сочетает в себе VGT с настройкой двойной прокрутки, поэтому на низких оборотах одна из спиралей полностью закрывается, выталкивая весь воздух в другую. Это приводит к хорошему турбо-отклику и низкой мощности. По мере увеличения скорости открывается клапан, позволяя воздуху проникать в другую спираль (это полностью изменяемый процесс, то есть клапан открывается с небольшими приращениями), вы получаете хорошие высокие характеристики.Вы получаете такую ​​производительность от одного турбонаддува, которую обычно можно получить только от установки с двойным турбонаддувом.

Преимущества
• Значительно дешевле (теоретически), чем VGT, что делает приемлемый вариант для бензинового турбонаддува.
• Обеспечивает широкую плоскую кривую крутящего момента.
• Более прочная конструкция по сравнению с VGT, в зависимости от выбора материала.

Недостатки
• Стоимость и сложность по сравнению с использованием одиночного турбо или традиционного двойного прокрутки.
• Эта технология использовалась и раньше (например: быстродействующий золотниковый клапан), но, похоже, она не прижилась в производственном мире.Вероятно, есть дополнительные проблемы с технологиями.

6. Электротурбокомпрессоры

Самым недавним достижением является внедрение турбин с электрическими компрессорами. Примером может служить бустер BorgWarner, представляющий собой компрессор с электрическим приводом. Компрессор обеспечивает мгновенный наддув двигателя до тех пор, пока турбокомпрессор не наберет достаточную скорость. Похожую версию этого можно найти в Audi SQ7. С мгновенным ускорением задержка уходит в прошлое, но, опять же, система дорогая и сложная.Компрессор нуждается в двигателе, который, в свою очередь, должен быть запитан, поэтому реализовать эту систему непросто.

Преимущества
• При непосредственном подключении электродвигателя к крыльчатке компрессора турбо-задержка и недостаток выхлопных газов могут быть практически устранены путем вращения компрессора с помощью электроэнергии, когда это необходимо.
• Подключив электродвигатель к выхлопной турбине, можно восстановить потерянную энергию (как это сделано в Формуле 1).
• Очень широкий эффективный диапазон оборотов с равномерным крутящим моментом во всем.

Недостатки
• Стоимость и сложность, поскольку теперь вы должны учитывать электродвигатель и следить за тем, чтобы он оставался холодным, чтобы предотвратить проблемы с надежностью. То же касается и добавленных контроллеров.
• Упаковка и вес становятся проблемой, особенно с добавлением бортовой батареи, которая будет необходима для обеспечения достаточной мощности турбонагнетателя, когда это необходимо.
• VGT или двойные прокрутки могут предложить очень похожие преимущества (хотя и не на том же уровне) при значительно более низкой стоимости.

Базовые компоненты и теория турбонаддува

Посмотрите, не говоря уже о всей технической чепухе, турбонаддув — на самом деле довольно простая концепция. Цель здесь состоит в том, чтобы преобразовать энергию, содержащуюся в вашем выхлопном потоке, которая обычно будет потрачена впустую, в положительное давление во впускном коллекторе, нагнетая воздух в двигатель и, таким образом, производя больше мощности. Теперь мы понимаем, что это много, чтобы охватить — достаточно, чтобы написать книгу, — но цель этой конкретной статьи — познакомить всех, включая читателей, которые никогда раньше не видели турбо, в кратчайшие сроки с концепциями. вовлеченный.Говоря прямо, это турбокомпрессоры 101-A, которые покрывают самую верхушку айсберга с расстояния 1000 футов. В этой первой статье мы надеемся установить базовый словарный запас 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, лежащую в основе его работы.

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 взаимоотношений компонентов друг с другом значительно упростит выбор турбо-режима для вашего проекта.

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 необходимо 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. Он является частью корпуса турбины, который представляет собой гигантский, иногда ржавый кусок железа или стали, который вы всегда видите прикрученным к выпускному коллектору или сливному коллектору на автомобиле с турбонаддувом. Из-за огромного количества тепла, связанного со сбором и перемещением выхлопных газов под давлением, корпус турбины изготавливается 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 Т4», они говорят об этом фланце. Выхлопные газы входят через фланец, вращаются вокруг колеса внутри улитки и выходят через выпускное соединение в часть выхлопа, которую энтузиасты называют спускной трубой.

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 частотой вращения, что и турбинное колесо, и, когда двигатель и турбинное колесо ускоряются, то же самое происходит и с колесом компрессора.Этот процесс создает давление во впускном тракте, которое мы называем «наддувом», и это причина, по которой кто-либо в первую очередь установил бы турбокомпрессор. Опять же, чтобы полностью понять этот процесс, нам нужно будет объяснить несколько законов термодинамики, в том числе 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 всасывающую трубу.

Колеса компрессора — одна из наиболее часто обсуждаемых частей турбокомпрессора. Даже если вы никогда раньше не видели турбонаддув, вы, вероятно, слышали, как кто-то сказал: «Это 88-миллиметровый турбо» 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 собственно есть.Теперь, помимо всего забавного, 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)

На CHRA может не хватать чернил, но это одна из наиболее важных частей любого узла турбонагнетателя. 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 турбонагнетателей 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 на 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 турбонагнетателю выдерживать «до 50 раз большую нагрузочную способность по сравнению с обычным узлом». Многие другие производители также перешли на системы шариковых подшипников, в том числе Garrett, чтобы уменьшить сопротивление и увеличить срок службы турбокомпрессора.

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 при увеличении давления в фиксированном объеме создается тепло. Это закон термодинамики, и, что бы кто-то ни спорил, он присутствует в любом двигателе с турбонаддувом, даже при настройках «низкого наддува». В любом случае, зная, что тепло присутствует, нам нужен способ охлаждения поступающего воздуха, прежде чем он попадет во впускной коллектор, и для этого мы обычно используем промежуточный охладитель.На самом деле интеркулер — 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!

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 продолжительного времени, промежуточный охладитель воздух-воздух является одним из наиболее эффективных способов держать температуру 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, что обеспечивает невероятную охлаждающую способность. Однако то, что система воздух-вода получает от падения температуры и эффективности, со временем она теряет, поскольку вода в конечном итоге нагревается и обеспечивает гораздо меньшее охлаждение.

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, прежде чем расширяться через турбинное колесо и выходить 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 разрушению деталей, 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 турбонагнетателя с внутренними затворами) и действуют как регулируемый байпас для процентного содержания выхлопных газов. регулировать частоту вращения турбины и, таким образом, общий наддув.

Конструкция перепускной заслонки различается, но, проще говоря, каждая перепускная заслонка имеет впускной и выпускной порт, в который может поступать выхлопной газ, клапан, который регулирует поток выхлопного газа через впускной порт, и пружинный / диафрагменный привод, который управляет когда клапан открывается и закрывается.В нормальных условиях движения перепускной клапан остается закрытым, и весь выхлопной газ направляется непосредственно в корпус турбины. По мере увеличения давления наддува давление действует на пружинный узел и начинает поднимать клапан, отклоняя поток выхлопных газов 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.

Выпускной клапан — это, по сути, клапан сброса давления, который устанавливается на стороне компрессора турбо-системы.Его работа, в буквальном смысле, состоит в том, чтобы сбрасывать избыточное давление наддува, оставшееся в системе, когда закрывается дроссельная заслонка. 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 обратно 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.

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

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 и холодная стороны.

Турбо-коллекторы живут невероятно трудной жизнью. Экстремальные перепады температуры, невероятное противодавление и высокая нагрузка делают эти участки одной из наиболее вероятных областей турбонаддува 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 импульса 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.

Любой трубопровод, связанный с отводом выхлопных газов к турбокомпрессору или от него, обычно называют трубопроводом горячей стороны.Из-за сильного нагрева, связанного с переносом 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, трубы 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 выхлопа, 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!

«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 его необходимо правильно подключить, чтобы все работало.Поскольку тепло не вызывает особой озабоченности, алюминиевые трубки обычно считаются оптимальным выбором, поскольку с ними легко работать, они легкие и достаточно прочные, чтобы выдерживать относительно умеренные 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 сдувания или утечки.

Что еще мне нужно знать?

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, мы рекомендуем вам ознакомиться с двумя отличными книгами, которые мы всегда держим под рукой.Первая — это классическая разработка Корки Белла под названием «Максимальное ускорение», охватывающая проектирование системы от теории до реального применения, но при этом она не становится чрезмерно технологичной или научной. Вторая книга, которую мы рекомендуем, — это Turbo: Real World High-Performance Turbocharger Systems, написанная Джеем К. Миллером. 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

Bell, Corky.Максимальное усиление.
Кембридж, Массачусетс: Bentley Publishers, 1997

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

Как работает турбонагнетатель — детали и принципы конструкции

Принцип работы турбонагнетателя зависит от принципов конструкции, которые мы сейчас объясним в этом подробном и эффективном объяснении:

Турбокомпрессор состоит из турбины и компрессора, связанных общей осью. На вход турбины поступают выхлопные газы из выпускного коллектора двигателя, заставляя турбинное колесо вращаться.Это вращение приводит в движение компрессор, сжимающий окружающий воздух и подающий его к воздухозаборнику двигателя.

Целью турбокомпрессора является повышение эффективности двигателя по отношению к выходной мощности за счет устранения одного из его кардинальных ограничений. В автомобильном двигателе без наддува используется только ход поршня вниз, чтобы создать зону низкого давления для втягивания воздуха в цилиндр. Поскольку количество молекул воздуха и топлива определяет потенциальную энергию, доступную для прижимания поршня к такту сгорания, и из-за относительно постоянного давления атмосферы, в конечном итоге будет ограничение на количество воздуха и, следовательно, топливо, заполняющее камера сгорания.Эта способность заполнять цилиндр воздухом и есть его объемный КПД. Поскольку турбонагнетатель увеличивает давление в точке, где воздух входит в цилиндр, а количество воздуха, поступающего в цилиндр, в значительной степени зависит от времени и давления, при увеличении давления будет втягиваться больше воздуха. Давление на впуске, в отсутствие турбонагнетателя, определяемое атмосферой, может быть управляемо увеличено с помощью турбонагнетателя.

Применение компрессора для увеличения давления в точке входа воздуха в цилиндр часто называют принудительной индукцией.Центробежные нагнетатели работают так же, как и турбонагнетатели; однако энергия для вращения компрессора берется из выходной энергии вращения коленчатого вала двигателя, а не из выхлопных газов. По этой причине турбокомпрессоры в идеале более эффективны, поскольку их турбины на самом деле являются тепловыми двигателями, преобразующими часть кинетической энергии выхлопных газов, которая в противном случае была бы потрачена впустую, в полезную работу. Нагнетатели используют выходную энергию для достижения чистой выгоды за счет некоторой части общей мощности двигателя.

Компоненты

Турбокомпрессор состоит из четырех основных компонентов. Каждое колесо турбины и крыльчатки заключено в собственный сложенный конический корпус на противоположных сторонах третьего компонента, узла вращения центральной ступицы (CHRA).

Кожухи, установленные вокруг крыльчатки компрессора и турбины, собирают и направляют поток газа через колеса во время их вращения. Размер и форма могут определять некоторые рабочие характеристики турбокомпрессора в целом. Площадь конуса к радиусу от центральной ступицы выражается отношением (AR, A / R или A: R).Часто тот же самый базовый узел турбокомпрессора доступен от производителя с несколькими вариантами AR для корпуса турбины, а иногда и крышки компрессора. Это позволяет разработчику системы двигателя адаптировать компромисс между производительностью, откликом и эффективностью в зависимости от приложения или предпочтений. Оба корпуса напоминают раковины улиток, поэтому на сленге турбокомпрессоры иногда называют сердитыми улитками.

Размеры турбины и крыльчатки также определяют количество воздуха или выхлопных газов, которые могут проходить через систему, и относительную эффективность, с которой они работают.Как правило, чем больше колесо турбины и колесо компрессора, тем больше пропускная способность. Размеры и форма могут различаться, а также кривизна и количество лопастей на колесах.

Узел вращения центральной ступицы вмещает вал, соединяющий крыльчатку компрессора и турбину. Он также должен содержать систему подшипников, чтобы подвешивать вал, позволяя ему вращаться с очень высокой скоростью с минимальным трением. Например, в автомобильной промышленности CHRA обычно использует упорный подшипник или шариковый подшипник, смазываемый постоянной подачей моторного масла под давлением.CHRA также можно рассматривать как «охлаждаемый водой», поскольку он имеет точки входа и выхода охлаждающей жидкости двигателя, которая должна циклически меняться. Модели с водяным охлаждением позволяют использовать охлаждающую жидкость двигателя для охлаждения смазочного масла, избегая возможного коксования масла из-за сильного нагрева турбины.

Boost

Boost означает увеличение давления в коллекторе, которое создается турбонагнетателем во впускном тракте или, в частности, во впускном коллекторе, которое превышает нормальное атмосферное давление. Это также уровень наддува, показанный на манометре, обычно в барах, фунтах на квадратный дюйм или, возможно, в кПа.Это представляет дополнительное давление воздуха, которое достигается по сравнению с тем, что было бы достигнуто без принудительной индукции. Давление в коллекторе не следует путать с количеством или «весом» воздуха, который может пропускать турбонагнетатель.

Давление наддува ограничено, чтобы вся система двигателя, включая турбонагнетатель, находилась в расчетном рабочем диапазоне, путем управления перепускным клапаном, который отводит выхлопные газы от турбины на стороне выпуска. В некоторых автомобилях максимальный наддув зависит от октанового числа топлива и регулируется электроникой с помощью датчика детонации, см. Автоматический контроль производительности (APC).

Многие дизельные двигатели не имеют перепускных клапанов, потому что количество выхлопной энергии напрямую зависит от количества топлива, впрыскиваемого в двигатель, и небольшие колебания давления наддува не влияют на работу двигателя.

Wastegate

При вращении на относительно высокой скорости турбина компрессора втягивает большой объем воздуха и нагнетает его в двигатель. Когда объем выходного потока турбокомпрессора превышает объемный поток двигателя, давление воздуха во впускной системе начинает расти, что часто называется наддувом.Скорость вращения узла пропорциональна давлению сжатого воздуха и общей массе перемещаемого воздушного потока. Поскольку турбонагнетатель может вращаться до оборотов, намного превышающих то, что необходимо или на которые он способен безопасно, скорость необходимо контролировать. Перепускная заслонка — наиболее распространенная механическая система управления скоростью, которая часто дополняется электронным регулятором наддува. Основная функция вестгейта — позволить некоторой части выхлопных газов обходить турбину при достижении заданного давления на впуске.

Топливная эффективность

Поскольку турбонагнетатель увеличивает удельную мощность двигателя в лошадиных силах, двигатель также будет производить повышенное количество отходящего тепла. Иногда это может быть проблемой при установке турбокомпрессора на автомобиль, не рассчитанный на высокие тепловые нагрузки. Это дополнительное отработанное тепло в сочетании с более низкой степенью сжатия (точнее, степенью расширения) двигателей с турбонаддувом способствует несколько более низкому тепловому КПД, который имеет небольшое, но прямое влияние на общую топливную эффективность.

Это еще одна форма охлаждения, которая оказывает наибольшее влияние на эффективность использования топлива: охлаждение заряда. Даже с учетом преимуществ промежуточного охлаждения общая компрессия в камере сгорания выше, чем в двигателе без наддува. Чтобы избежать детонации при одновременном извлечении максимальной мощности из двигателя, обычно добавляют дополнительное топливо в заряд с единственной целью охлаждения. Хотя это кажется нелогичным, это топливо не сжигается. Вместо этого он поглощает и уносит тепло, когда меняет фазу с жидкого тумана на газовый пар.Кроме того, поскольку он более плотный, чем другое инертное вещество в камере сгорания, азот, он имеет более высокую удельную теплоемкость и большую теплоемкость. Он «удерживает» это тепло до тех пор, пока оно не будет выпущено в поток выхлопных газов, предотвращая разрушительный удар. Это термодинамическое свойство позволяет производителям достигать хорошей выходной мощности с обычным топливным насосом за счет экономии топлива и выбросов. Оптимальное соотношение воздух-топливо (A / F) для полного сгорания бензина составляет 14,7: 1. Обычное соотношение A / F в двигателе с турбонаддувом при полном наддуве составляет примерно 12: 1.Более богатые смеси иногда используются, когда конструкция системы имеет недостатки, такие как каталитический нейтрализатор, который имеет ограниченную стойкость к высоким температурам выхлопных газов, или двигатель имеет степень сжатия, которая слишком высока для эффективной работы с заданным топливом.

Наконец, эффективность самого турбонагнетателя может влиять на эффективность использования топлива. Использование небольшого турбонагнетателя обеспечит быструю реакцию и низкую задержку на низких и средних оборотах, но может задушить двигатель на стороне выпуска и генерировать огромное количество тепла, связанного с перекачкой, на стороне впуска при повышении оборотов.Большой турбокомпрессор будет очень эффективным на высоких оборотах, но это нереально для уличного автомобиля. Технологии с регулируемыми лопастями и шарикоподшипниками могут сделать турбонагнетатель более эффективным в более широком рабочем диапазоне, однако другие проблемы не позволили этой технологии появиться в большем количестве дорожных автомобилей (см. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией). В настоящее время Porsche 911 (997) Turbo — единственный производимый бензиновый автомобиль с таким турбокомпрессором. Один из способов использовать преимущества различных режимов работы двух типов турбонагнетателей — это последовательный турбонаддув, при котором используется небольшой турбонагнетатель на низких оборотах, а больший — на высоких.

Системы управления двигателем большинства современных транспортных средств могут контролировать наддув и подачу топлива в зависимости от температуры заряда, качества топлива и высоты, а также других факторов. Некоторые системы являются более сложными и нацелены на подачу топлива еще более точно в зависимости от качества сгорания. Например, система Trionic-7 от Saab обеспечивает немедленную обратную связь о возгорании, когда оно происходит с использованием электрического заряда.

Новый турбомотор 2,0 л FSI от Volkswagen / Audi включает технологию сжигания обедненной смеси и прямой впрыск для экономии топлива в условиях низкой нагрузки.Это очень сложная система, которая включает в себя множество движущихся частей и датчиков для управления характеристиками воздушного потока внутри самой камеры, что позволяет использовать стратифицированный заряд с отличной атомизацией. Прямой впрыск также обладает огромным эффектом охлаждения заряда, что позволяет двигателям использовать более высокие степени сжатия и давления наддува, чем у типичного турбомотора с впрыском через порт.

Детали автомобильной конструкции

Закон идеального газа гласит, что когда все другие переменные сохраняются постоянными, при повышении давления в системе увеличивается и температура.Здесь существует одно из негативных последствий турбонаддува — повышение температуры воздуха, поступающего в двигатель, из-за сжатия.

Турбо вращается очень быстро; наиболее пиковое значение между 80 000 и 200 000 об / мин (при использовании турбонагнетателей с низким моментом инерции, 150 000–250 000 об / мин) в зависимости от размера, веса вращающихся частей, давления наддува и конструкции компрессора. Такие высокие скорости вращения могут вызвать проблемы со стандартными шарикоподшипниками, что приведет к их выходу из строя, поэтому в большинстве турбонагнетателей используются жидкостные подшипники.Они имеют текучий слой масла, который задерживает и охлаждает движущиеся части. Масло обычно берется из контура моторного масла. В некоторых турбонагнетателях используются невероятно точные шарикоподшипники, которые обеспечивают меньшее трение, чем жидкостные подшипники, но они также подвешены в полостях, демпфированных жидкостью. Более низкое трение означает, что вал турбины может быть изготовлен из более легких материалов, что снижает так называемую задержку турбонаддува или задержку наддува. Некоторые автопроизводители используют турбокомпрессоры с водяным охлаждением для увеличения срока службы подшипников. Это также может объяснить, почему многие тюнеры модернизируют свои стандартные турбины с опорными подшипниками (например, T25), которые используют упорный подшипник на 270 градусов и латунный опорный подшипник, который имеет только 3 масляных канала, до подшипника на 360 градусов, который имеет более мощный упорный подшипник. и шайба, имеющая 6 масляных каналов, чтобы обеспечить лучший поток, реакцию и эффективность охлаждения.Турбокомпрессоры с фольгированными подшипниками находятся в стадии разработки. Это устранит необходимость в системах охлаждения подшипников или подачи масла, тем самым устраняя наиболее частую причину отказа, а также значительно уменьшая турбо-задержку.

Для управления давлением воздуха на верхней палубе поток выхлопных газов турбокомпрессора регулируется перепускным клапаном, который обходит избыточный выхлопной газ, попадающий в турбину турбокомпрессора. Это регулирует частоту вращения турбины и мощность компрессора. Вестгейт открывается и закрывается сжатым воздухом из турбонагнетателя (давление на верхней палубе) и может подниматься с помощью соленоида для регулирования давления, подаваемого на мембрану вестгейта.Этим соленоидом можно управлять с помощью системы автоматического управления производительностью, электронного блока управления двигателем или компьютера управления послепродажным повышением. Другой метод повышения давления наддува заключается в использовании обратных и спускных клапанов, чтобы поддерживать давление на мембране ниже, чем давление в системе. Некоторые турбокомпрессоры (обычно называемые турбокомпрессорами с изменяемой геометрией) используют набор лопаток в выхлопном корпусе для поддержания постоянной скорости газа в турбине, такой же тип управления, как на турбинах электростанций.Эти турбокомпрессоры имеют минимальную задержку, низкий порог наддува (с полным наддувом до 1500 об / мин) и эффективны при более высоких оборотах двигателя; они также используются в дизельных двигателях. [2] Во многих установках эти турбины даже не нуждаются в перепускном клапане. Мембрана, идентичная мембране на вестгейте, управляет лопатками, но требуемый уровень контроля немного отличается.

Первым серийным автомобилем, в котором использовались эти турбины, был ограниченный выпуск 1989 года Shelby CSX-VNT, по сути, Dodge Shadow с двигателем 2.Бензиновый двигатель 2л. В Shelby CSX-VNT использовался турбонагнетатель от Garrett, названный VNT-25, потому что он использует тот же компрессор и вал, что и более распространенный Garrett T-25. Этот тип турбины называется турбиной с регулируемым соплом (VNT). Производитель турбокомпрессоров Aerocharger использует термин «турбинное сопло с переменным сечением» (VATN) для описания этого типа турбинного сопла. Другие общие термины включают в себя турбину с изменяемой геометрией (VTG), турбину с изменяемой геометрией (VGT) и турбину с регулируемой лопастью (VVT). В 1990 году этот турбокомпрессор использовался на ряде других автомобилей Chrysler Corporation, включая Dodge Daytona и Dodge Shadow.Эти двигатели производили 174 лошадиных силы и 225 фунт-футов крутящего момента, такую ​​же мощность, как и стандартные 2,2-литровые двигатели с промежуточным охлаждением, но с крутящим моментом на 25 фунт-футов и более быстрым запуском (меньше турбо-лага). Однако двигатель Turbo III без VATN или VNT выдавал 224 лошадиных силы. Причины, по которым Chrysler не продолжает использовать турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, неизвестны, но главной причиной, вероятно, было общественное стремление к двигателям V6 в сочетании с увеличением доступности двигателей V6, разработанных Chrysler.[3] Porsche 911 Turbo 2006 года имеет 3,6-литровую плоскую шестицилиндровую двигатель с двойным турбонаддувом, а в качестве турбин используются турбины BorgWarner с изменяемой геометрией (VGT). Это важно, потому что, хотя VGT использовались в усовершенствованных дизельных двигателях в течение нескольких лет и на Shelby CSX-VNT, это первый раз, когда эта технология была применена на серийных бензиновых автомобилях с тех пор, как в 1989 году были произведены 1250 двигателей Dodge. 90. Некоторые утверждали, что это связано с тем, что в бензиновых автомобилях температура выхлопных газов намного выше (чем в дизельных автомобилях), и это может иметь неблагоприятные последствия для тонких подвижных лопаток турбокомпрессора; эти агрегаты также дороже обычных турбокомпрессоров.Инженеры Porsche утверждают, что решили эту проблему с новым 911 Turbo.

Существует также тип турбонагнетателя, называемый центробежным (или просто с ременным приводом), который работает в некотором роде аналогично стандартному турбонагнетателю и в некотором смысле похож на нагнетатель. Поскольку он имеет ременной привод (выхлоп не используется), нет никаких задержек, однако наддув не является «бесплатным», как в стандартном турбонагнетателе. «Стоимость» — это дополнительное сопротивление кривошипу и, как следствие, снижение эффективности. Преимущества заключаются в отсутствии задержек, простоте настройки, поскольку не требуется никаких модификаций выхлопной системы, и, вероятно, более легком доступе для обслуживания.

Что такое турбокомпрессор и как он работает?

Узнайте, как работает турбокомпрессор:

Турбокомпрессор — это механическое устройство с принудительной индукцией с приводом от турбины. Он сжимает поступающий воздух и под высоким давлением нагнетает его в цилиндр двигателя. Таким образом, он увеличивает КПД двигателя и выходную мощность примерно на 30-40% по сравнению с двигателями без наддува.

Конструкция турбокомпрессора

И бензиновый, и дизельный двигатели используют турбонагнетатели для увеличения мощности.Однако они значительно различаются по ключевым параметрам, таким как рабочая температура, давление сгорания, объем воздуха и рабочий диапазон оборотов. Кроме того, Supercharger — это аналогичное устройство, которое работает по тому же принципу. Однако он использует мощность двигателя.

Детали конструкции турбокомпрессора:

Турбонагнетатель в основном состоит из двух колес. Он имеет турбинное колесо и компрессорное колесо, которые установлены на противоположных концах одного и того же вала. Выходящие выхлопные газы на выходе вращают турбинное колесо.Когда турбина прикреплена к валу, она вращает вал. Кроме того, крыльчатка компрессора, установленная на другом конце вала, также вращается вместе с валом и действует как всасывающий вентилятор. Вращающееся колесо компрессора всасывает поступающий воздух и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Фактически, типичный турбонагнетатель вращается с очень высокой скоростью, от 30 000 до 1,25 000 об / мин.

Контур турбонагнетателя

Компрессор нагнетает свежий воздух в цилиндры с давлением выше атмосферного, в результате чего цилиндры двигателя получают дополнительный воздух.По мере увеличения объема воздуха соответствующее количество топлива, подаваемого в двигатель, также пропорционально увеличивается, что увеличивает мощность. Когда вы сжимаете воздух, он нагревается. Таким образом, температура воздуха повышается, и он расширяется при уменьшении своей плотности.

Следовательно, производители часто используют промежуточный охладитель или «теплообменник» для охлаждения воздуха перед его поступлением в цилиндры двигателя. Поэтому производители называют эти двигатели «Turbo-Charged Inter-Cooled» или «TCIC». Турбокомпрессоры спроектированы и откалиброваны для двигателей различных размеров и конструкций, таких как технологии прямого впрыска, прямого впрыска и прямого впрыска Common Rail в дизельных двигателях, а также системы MPFi и GDI в бензиновых двигателях.Следовательно, их нельзя напрямую менять местами.

Компоненты турбокомпрессора:

1. Колесо турбины с радиальным притоком
2. Центробежный компрессор
3. Центральная ступица / вращающийся узел
4. Корпус

Детали турбокомпрессора

Турбонагнетатели имеют две основные технологии:

1. Фиксированная геометрия
2. Переменная геометрия

В наши дни современные дизельные двигатели оснащены турбонагнетателем с системой прямого впрыска Common Rail (CRDi), которая улучшает характеристики дизельных двигателей.Кроме того, некоторые усовершенствованные конструкции двигателей включают технологию «Bi-Turbo» или «Twin-turbo» в шести- или восьмицилиндровом двигателе для обеспечения превосходных характеристик двигателя. В этой конструкции реализованы два отдельных блока, работающих последовательно или параллельно. Автомобиль Volvo S80 T6 имеет такой двигатель, который использует технологию Twin-Turbo. 3,0-литровый двигатель BMW 7 серии оснащен передовой технологией Triple-Turbo.