Как работает турбонаддув: Как работает турбонаддув?

Содержание

Как работает турбонаддув | qriosity.ru

Когда люди говорят о гоночных автомобилях или высокопроизводительных спортивных автомобилях, обычно поднимается и тема турбонаддува. Турбокомпрессоры также устанавливаются и на современные дизельные двигатели. Турбонаддув может значительно повысить мощность двигателя без заметного увеличения его объема и веса, что является огромным преимуществом, делающим турбины настолько популярными!

В этой статье мы разберемся, как турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя при экстремальных условиях эксплуатации. Мы также узнаем, как вестгейты, керамические лопатки турбин и высокотехнологичные шариковые подшипники помогают турбокомпрессорам выполнять свою работу еще лучше.

Турбокомпрессоры сжимают воздух, подаваемый в двигатель. Если воздух сжать, то это позволит втиснуть его как можно больше в цилиндр, подобно комку снега, а большее количество воздуха означает, что в него может быть добавлено еще больше топлива. Таким образом, вы получите больше энергии от каждого взрыва в каждом цилиндре. Турбонаддувный двигатель производит больше энергии, чем в целом же двигатель без наддува. Это может существенно повысить мощность по отношению к объему двигателя.

Для достижения этого повышенного давления, турбокомпрессор использует поток выхлопных газов от двигателя, чтобы вращать турбину, которая, в свою очередь, вращает воздушный насос. Турбина турбокомпрессора вращается на скорости до 150 000 оборотов в минуту. И поскольку турбокомпрессор подключен к выпуску двигателя, температуры в нем также очень высокие.

Турбина и двигатель

Один из верных способов получить больше энергии от двигателя — увеличение количества воздуха и топлива, которое может в нем гореть. Это можно сделать одним из способов: либо добавить больше цилиндров, либо увеличить их объем, либо же установить на двигатель турбину. Первые два способа ведут к увеличению веса автомобиля, а также снижают эффективность мотора с установкой чрезмерного количества дополнительных деталей. Турбонаддув, в свою очередь, является более простым и компактным способом добавления мощности.

Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха в существующих цилиндрах. Типичный наддув, предусмотренный турбонагнетателями, увеличивает давление воздуха в двигателе на 6-8 фунтов на квадратный дюйм (psi). Поскольку нормальное атмосферное давление составляет 14,7 psi на уровне моря, это означает прирост объема воздуха в двигателе на 50 %. Это, конечно, не значит равнозначное увеличение мощности двигателя, но на дополнительные 30-40 % можно вполне рассчитывать.

Одной из причин падения эффективности турбокомпрессора, является то, что вращение турбины происходит не просто так. Имея в выхлопе турбину, поток выхлопных газов получает высокое обратное давление, которое и отнимает от 10% до 30% от дополнительной мощности, полученной в результате наддува.

Конструктивная схема

Турбокомпрессор привинчен к выпускному коллектору двигателя. Отработанные газы из цилиндров вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Чем больше выхлопных газов проходит через лопасти турбины, тем быстрее они вращаются. Турбина соединена посредством вала с компрессором, который расположен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух перед подачей в цилиндры. Он имеет вид центробежного насоса: всасывая воздух в своей центральной части, он с помощью вращающихся лопастей сжимает и выталкивает воздух наружу.

Установка системы турбонаддува на двигатель

Устройство турбокомпрессора

Чтобы справиться со скоростью вращения до 150 000 об/мин., вал турбины обслуживается очень тщательно. Самые лучшие серийные подшипники будут разлетаться на такой скорости, поэтому большинство турбокомпрессоров используют подшипники с жидкостным трением. Такой подшипник находится на тонком слое масла, которое постоянно закачивается вокруг вала. Масло охлаждает вал и некоторые другие части турбокомпрессора, а также позволяет валу вращаться без лишнего трения.

Воздух из турбокомпрессора выходит с повышенной температурой. С такой температурой нежелательно запускать его во впускной коллектор, поскольку горячий воздух сильно расширяется и эффективность наддува падает. Для охлаждения воздуха применяют интеркулеры — воздушные или водяные теплообменники, понижающие температуру воздушного потока из турбокомпрессора.

Проблемы турбокомпрессора и их решения

Одна из главных проблем турбокомпрессоров заключается в том, что они не обеспечивают немедленное увеличение мощности двигателя, когда вы нажимаете на педаль газа. Пока турбина не раскрутится от выхлопных газов до нужной скорости, ничего не происходит. Такая задержка называется турболаг: водитель сильно давит на газ, но автомобиль начинает нормально разгоняться только тогда, когда турбина достигнет нужных оборотов.

Одним из способов снижения турбо лага является сокращение инерции вращающихся частей, в основном, за счет уменьшения их веса. Это позволяет турбине и компрессору ускориться быстрее и начать скорее повышать давление. Еще один верный способ снизить инерцию турбины и компрессора — сделать турбокомпрессор меньше. Небольшой турбокомпрессор быстрее даст толчок двигателю при низких оборотах двигателя, но, возможно, не сможет намного повысить давление при очень большом объеме воздуха, поступающего на повышенных оборотах. Он также может начать вращаться слишком быстро на высоких оборотах двигателя, когда появляется много выхлопных газов, проходящих через турбину, что очень опасно.

Большинство автомобильных турбокомпрессоров имеют Вестгейт, что позволяет использовать меньший турбокомпрессор, чтобы сократить инерцию, в то же время предотвращая его слишком быстрое вращение на высоких оборотах двигателя. Вестгейт — это клапан, который позволяет выхлопным газам обойти турбинные лопатки. Вестгейт замеряет давление наддува. Если давление поднимается слишком высоко, это может быть показателем того, что турбина начнет вращаться слишком быстро, и Вестгейт направляет часть выхлопных газов мимо лопаток турбины, не позволяя ей слишком сильно раскручиваться.

В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо подшипников с жидкостным трением для поддержки вала турбины. Но это не обычные шариковые подшипники — это супер-точные подшипники, изготовленные из современных материалов, способные работать при скоростях и температурах турбокомпрессора. Они позволяют валу турбины вращаться легче, чем подшипники с жидкостным трением, используемые в большинстве турбокомпрессоров. Это помогает турбокомпрессору ускоряться быстрее, уменьшая турбо лаг. Керамические турбинные лопатки легче, чем стальные лопатки, используемые в большинстве турбокомпрессоров. Это так же уменьшает инерцию турбокомпрессора, а, следовательно, уменьшает турбо лаг.

устройство, принцип работы системы (видео), схема дизельного двигателя с турбиной

Идея дополнительного нагнетания воздуха зародилась едва не сразу же после постройки первых полноценных двигателей внутреннего сгорания. Изначально использование энергии выхлопных газов для повышения мощности ограничивалась корабельными ДВС, позже двигатель с турбонаддувом пришел в авиастроение. И только в 1931 году первый турбокомпрессор был установлен на грузовой автомобиль. Что такое турбонаддув и как использование нагнетателей сказывается на КПД двигателя – тема сегодняшней статьи.

Теория газообмена в ДВС

Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением, что ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

Виды турбонаддува

Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;
механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.

Турбина

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Характеристики системы

Особенности работы турбины:

наиболее эффективна в режиме высоких и средних оборотов;
очень низкая эффективность до момента, называемого выходом на буст. Еще больше ухудшает ситуацию уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации. Поэтому у авто с одноступенчатой системой турбонаддува присутствует турбояма, или турболаг;
так или иначе, но присутствует противодействие выхлопным газам на выпуске, что немного ухудшает КПД двигателя, хоть в целом турбонаддув позволяет увеличить мощность ДВС;
повышаются требования к качеству и периодичности замены моторного масла.

Механический нагнетатель

отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей;
наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов;
небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

Эксплуатация

Наибольшего распространения система турбонаддува получила на дизельных двигателях. В высокотехнологичных моторах часто применяются двухступенчатые системы наддува:

Biturbo – одна маленькая турбина для прибавки в мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов;
Турбина + механический нагнетатель. Конструкцию и принцип работы такой системы мы рассматривали на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

Как работает турбокомпрессор | Boldmethod

Википедия/НАСА

У полетов на большой высоте есть несколько преимуществ, таких как уменьшение лобового сопротивления, более высокая истинная воздушная скорость и, если вас укажут в правильном направлении, более сильный попутный ветер. Но у безнаддувных двигателей есть один существенный недостаток: нехватка кислорода.

Проблема высокогорья

По мере увеличения высоты атмосферное давление уменьшается, и снижается быстро. На самом деле, , если вы летите на высоте 18 000 футов, 50% атмосферы находится под вами. Это означает, что вашему двигателю нужно сжигать меньше воздуха, и намного меньше лошадиных сил, выходящих из передней части вашего самолета.

Решение проблемы разреженного воздуха

Турбокомпрессоры решают проблему разреженного воздуха в поршневых двигателях, сжимая всасываемый воздух до того, как он достигнет цилиндра. Сжимая воздух, ваш двигатель может работать так, как будто он находится на уровне моря или ниже, даже если он работает на эшелонах полета.

Как работает турбокомпрессор

Турбокомпрессоры состоят из трех основных компонентов:

Турбина
Компрессор
Вал, соединяющий их вместе

Турбина

Все начинается с турбины, которая приводится в движение (вращается) выхлопными газами, выходящими из вашего двигателя. Когда выхлоп выходит через выпускной коллектор, он проходит над турбиной и раскручивает ее. Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее вращается турбина. Примерно так это и работает, по крайней мере, на данный момент.

Вал

Вал соединяет турбину и компрессор, поэтому, когда турбина начинает вращаться при запуске двигателя, компрессор тоже начинает вращаться.

Компрессор

Компрессор отвечает за всасывание воздуха снаружи самолета, его сжатие и последующую подачу в двигатель. Как вы уже читали, компрессор крутится, потому что он соединен с турбиной через вал.

Теперь, когда вы знакомы с основами турбокомпрессора, осталось еще кое-что рассказать.

Выброс воздуха через перепускной клапан

Турбокомпрессоры хорошо повышают давление воздуха во впускном коллекторе вашего двигателя, известное как давление в коллекторе . Но иногда они слишком хороши. Турбокомпрессоры способны создавать слишком большое давление в коллекторе, что может повредить или разрушить ваш двигатель.

Так как же турбонагнетатели предотвращают попадание слишком большого количества воздуха в двигатель? С чем-то под названием вестгейт .

Некоторые вестгейты автоматические, а другие управляются вручную пилотом, но теория всегда одна и та же. Вестгейт открывается и закрывается, чтобы регулировать количество выхлопных газов, проходящих через турбину, и предотвращает слишком быстрое вращение турбины. Чем быстрее вращается турбина, тем быстрее вращается компрессор, а это означает, что в двигатель поступает больше воздуха.

Сколько воздуха может выдержать ваш двигатель?

Итак, сколько воздуха действительно может выдержать ваш двигатель? Это зависит от двигателя, но есть два основных типа турбонаддува: высотный турбонаддув и наземный наддув.

Высота над уровнем моря

Высотный турбонаддув, который иногда называют «нормализацией», позволяет вашему двигателю работать так, как будто он находится на уровне моря, как можно дольше. Это зависит от двигателя, но большинство высотных турбокомпрессоров поддерживают давление в коллекторе в пределах 29-30 дюймов ртутного столба (давление на уровне моря) по мере набора высоты.

Но, в конце концов, по мере увеличения высоты ваш турбонагнетатель не может сжимать достаточно воздуха, чтобы поддерживать давление в коллекторе на уровне моря. Это называется критическая высота , и это самая высокая высота, на которой ваш двигатель может развивать максимальную мощность, на которую он рассчитан (мощность двигателя оценивается на уровне моря).

С этого момента, чем выше вы поднимаетесь, тем меньше воздуха поступает в ваш двигатель. Это означает, что вы будете производить меньше лошадиных сил. Но он все же намного эффективнее, чем обычный атмосферный двигатель.

Наземное ускорение

Наземный наддув аналогичен высотному турбонаддуву, но требует большего давления. Системы с наддувом обычно работают при давлении в коллекторе от 31 до 45 дюймов ртутного столба, что намного больше, чем у высотных турбокомпрессоров. Идея проста: больше давления = больше воздуха, поступающего в двигатель = больше мощности.

Но недостаток большой: много тепла .

Boldmethod

Турбокомпрессоры и их тепловые проблемы

Когда вы сжимаете воздух, он нагревается. Это один из самых больших недостатков любого турбокомпрессора. Авиадвигатели и так работают при высоких температурах, а горячий всасываемый воздух усугубляет их. Чтобы решить эту проблему, многие турбокомпрессоры используют нечто, называемое промежуточным охладителем .

Интеркулер — это, по сути, мини-кондиционер, который размещается между турбокомпрессором и двигателем. По мере того, как горячий воздух движется от турбины к двигателю, он проходит через интеркулер, и температура значительно падает. Этот более холодный воздух делает ваш двигатель намного счастливее и поддерживает его плавную работу.

Википедия

Преимущество на большой высоте

Турбокомпрессоры являются ключом к полетам на большой высоте в самолетах с поршневым двигателем. Хотя они усложняют двигательную систему, они — единственное, что может поднять поршневой самолет до эшелонов полета при сильном попутном ветре, более высокой истинной воздушной скорости и таких видах:

Boldmethod

лучший пилот.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и викторины, которые помогут вам стать более умным и безопасным пилотом.

Зарегистрироваться >

НАЗВАНИЕ
- - Тег
- Автор
- Дата

Как работает турбонагнетатель?

Опубликовано 24 октября 2016 г. 29 августа 2017 г.

Скорее всего, если вы читаете этот блог, вы хорошо знаете, как сделать свой грузовик крутым с помощью одной из наших подставок для головной боли и светодиодных фонарей. Теперь, когда вы позаботились о внешней части своей поездки, пришло время изучить, как добиться серьезной мощности под капотом.

Сегодня мы рассмотрим, как работает турбокомпрессор, а также некоторые его преимущества.

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

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

(Источник: Explainthatstuff.com)

Согласно How Stuff Works,

«…турбина может значительно повысить мощность двигателя без значительного увеличения его веса, что является огромным преимуществом, которое делает турбины такими популярными!

Один из самых надежных способов увеличить мощность двигателя — увеличить количество воздуха и топлива, которые он может сжечь.