Принцип работы турбины на дизельном двигателе: Как работает турбина на дизельном двигателе

Принцип работы турбины на дизельном двигателе — Турбобаланс

Дизельный двигатель, относящийся к категории двигателей внутреннего сгорания, был изобретён в феврале месяце 1893года в Германии инженером Рудольфом Дизелем.

С момента изобретения двигатель постоянно усовершенствовался, менялись виды топлива, способы его подачи, баланс топливной смеси и т.д.

Собранные по классической схеме двигатели, используют принцип превышения атмосферного давления над давлением, создающимся в цилиндре в момент движения поршня к нижней мёртвой точке. Однако за счёт незначительного времени затраченного на выполнения этого действия и небольшого перечного сечения воздухоподводящего канала поступающего воздуха недостаточно для полного сгорания топливной смеси.

Позже на родине Рудольфа Дизеля нашли способ решения данной проблемы. Воздух в цилиндры должен подаваться под избыточным давлением! Это основной принцип работы турбины на дизельном двигателе

Для этой цели было разработано специальное устройство, совмещающее в себе свойства вентилятора и компрессора. Это устройство приводилось в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя, что снижало коэффициент полезного действия всей конструкции в целом.

Следующим усовершенствованием системы подачи воздуха стала установка в качестве привода для компрессораспециальной турбины, которая приводилась во вращение за счёт использования энергии потока использованных отработанных газов.

Однако при работе двигателя на малых оборотах, воздуха подаваемого в цилиндры компрессором было недостаточно для полноценной работы дизеля. Вскоре и этот вопрос был решён путём установки двух турбин различного диаметра и приводимых во вращение выхлопными газами, забираемыми из разных частей выпускного тракта. Турбина меньшего диаметра разгонялась быстрее и обеспечивала работу двигателя на малых оборотах, а большая турбина работала при больших оборотах двигателя, что качественно изменило принципы работы турбины на дизельном двигателе. Так же для уменьшения турбоямы использовались механизмы изменяемой геометрии.

Работает турбокомпрессор следующим образом:

— Выхлопные газы, отводимые от выпускного коллектора дизеля, направляются в приемный патрубок турбокомпрессора.

— Проходят по каналу корпуса турбины, который постепенно уменьшается в сечении, а газы увеличивают скорость и воздействуя на ротор заставляют вращаться турбину. Число оборотов турбины зависит от многих факторов: конфигурации канала, его формы, сечения и т.д. Турбина вращается со скоростью около150000 об/сек, её размеры подбираются в зависимости от типа двигателя.

— Наружный воздух, проходя через фильтрующий элемент, очищается от пыли и других посторонних примесей и в сжатом состоянии попадает во впускной коллектор дизеля. После этого происходит закрытие впускного канала, дополнительное сжатие топливной смеси и её воспламенение. В завершении рабочего цикла открывается выпускной коллектор.

Поскольку уходящие выхлопные газы имеют температуру около 800° — 900° С, турбокомпрессор имеет систему охлаждения, радиатором которой является корпус подшипника. При работе турбокомпрессора, за счёт сжатия и увеличения внутренней силы трения воздух, нагнетаемый в цилиндры дизеля подогревается до температуры около 170°С. Во время охлаждения воздух «сгущается», то есть увеличивается, его плотность и соответственно взрастает, объём подаваемого воздуха. Подача в двигатель охлаждённого воздуха положительно влияет на повышение мощности дизеля, что в свою очередь снижает потребление топлива, уменьшает отрицательное воздействие на окружающую среду.

Турбокомпрессорные двигатели имеют перед обычными двигателями определённые преимущества:

• При одних и тех же энергозатратах расход топлива меньше, поскольку часть энергии выхлопных газов, раскручивая турбокомпрессор, подавая большее количество воздуха в цилиндры двигателя, увеличивает его мощность.
• Двигатели с турбокомпрессорами имеют меньший наружный объём и соответственно меньшие потери нагрева.
• За счёт относительно небольшого веса на 1Л.С. мощности снижается расход металла на сам двигатель и конструкцию, на которой он установлен.
• Также меньше объём отсека, в который может быть установлен турбодвигатель.
• За счёт малого числа оборотов при номинальной мощности турбодвигатели обладают лучшими нагрузочными характеристиками.
• В условиях разряженного воздуха, за счёт высокого давления развиваемого турбокомпрессором и низкого внешнего давления турбодвигатель имеет огромные преимущества в сравнении с обычным двигателем, поскольку мощность его практически не теряется.
• турбодвигатель за счёт малых размеров имеет меньшую звукоизлучающую поверхность, а турбокомпрессор работает как дополнительный глушитель.

Имеет турбонаддув и свои недостатки – это заметная задержка набора мощности при резком нажатии на педаль акселератора. Такое случается в связи с тем, что отсутствует механическая связь коленчатого вала и турбины Мощность начинает расти, когда турбина раскрутится выхлопными газами. Хотя подобное явление в той или иной степени наблюдается у любого двигателя.

Основное применение дизельные двигатели с турбонаддувом нашли на автомобилях большой грузоподъёмности, работающих с полной нагрузкой.

Принцип работы турбины на дизеле

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

• Принцип работы турбины на дизельном двигателе
• Устройство турбины дизельного двигателя
• Как работает турбина на дизельном двигателе
• Как работает турбонаддув
• Минусы использования турбокомпрессора
• Турбированный мотор: правила эксплуатации
• Как работает турбина: видео
• Что такое турбо-яма?
• Функция турбины, настройка
• Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
• Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)
• Система смазки
• Типы турбин
• Паровая турбина
• Источники:

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

Турбонаддув имеет особую конструкцию из двух элементов:

• турбина;
• компрессор.

Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

Как работает турбина на дизельном двигателе

Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:

• компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры;
• топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор;
• скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение;
• вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха.

Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

Как работает турбонаддув

Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

1. компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
2. когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

Минусы использования турбокомпрессора

У устройства есть определенные недостатки:

1. возрастает расход топлива, что особенно ощущается при неправильной регулировке системы;
2. температура в процессе сжатия повышается, что может привести к детонации. Чтобы избежать такой неприятности, необходим монтаж регуляторов, охладителей и ряда других элементов.

Турбированный мотор: правила эксплуатации

Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

• придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
• использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
• не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
• сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

Как работает турбина: видео

Что такое турбо-яма?

Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.

Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.

Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

Функция турбины, настройка

Функция турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличивать выходную мощность и крутящий момент двигателя. Благодаря турбине производители могут уменьшать количество рабочих цилиндров в двигателе без снижения мощности и крутящего момента.

Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя. 

Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

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

Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух.   Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

Система смазки

Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому достигается лучшее охлаждение.

Типы турбин

• Раздельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Сделано это для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
• Компрессор с переменным соплом. Также он известен, как турбина с изменяемой геометрией. Применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Паровая турбина

Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

Источники:

• Мой Внедорожник.ру
• DRIVE2
• http://seite1.ru/
• АвтоНоватор
• FB.ru
• SYL.ru

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

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

Принципы работы турбокомпрессоров

Хотя когда-то турбокомпрессоры использовались только в спортивных автомобилях, сегодня мы ежедневно встречаем их во всех видах транспортных средств – как дизельных, так и бензиновых.

Boost — один из самых простых способов увеличить мощность двигателя. Он состоит из воздуха, нагнетаемого в цилиндры. Турбокомпрессор является наиболее популярным типом такого рода устройств. Чаще всего он сочетается с дизельным двигателем.

Сгорание топлива в двигателе — механизм

Чтобы ближе познакомиться с принципом сгорания топлива, стоит взять в качестве примера наиболее распространенные сегодня четырехтактные двигатели. Их рабочий цикл состоит из четырех тактов. Первый – подсос – возникает при вытягивании поршня и подсосе воздуха (в дизеле) или при смешении (на бензине). Затем происходит сжатие, затем расширение. Так происходит воспламенение смеси топлива и воздуха. Последним этапом является удаление выхлопных газов.

Благодаря простоте этого принципа можно увеличить мощность двигателя, используя различные приемы.

Один из них — увеличение кубатуры.

Этот механизм работает таким образом, что чем больше увеличивается камера сгорания, тем больше топлива можно сжечь. Для этого необходимо увеличить объем каждого отдельного цилиндра или увеличить их количество. Двигатель большего веса и размера позволяет немного увеличить мощность, если не брать в расчет расход топлива и выбросы.

Другой метод для увеличения скорости вращения.

Это означает, что в единицу времени выполняется больше гребков. К сожалению, это очень ограниченный метод, и он имеет некоторые недостатки. На самом деле это может вызвать увеличение трения и, следовательно, постепенное снижение КПД двигателя.

В двигателях с турбонаддувом воздух, используемый при сгорании, сжимается до того, как он попадет в камеру сгорания, в отличие от вышеописанных случаев, когда газы выходят из двигателя естественным путем, а воздух — необходимо для обеспечения — всасывается впускным клапаном непосредственно в цилиндр. Повышенное давление позволяет попадать в камеру сгорания большему количеству воздуха, хотя и подсасывается к тому же объему цилиндра. В результате мы имеем больше топлива для сжигания, а значит и более мощный двигатель, несмотря на ту же скорость вращения и кубатуру. При сжатии воздух достигает температуры примерно до 180 градусов по Цельсию. Затем, охлаждаясь в интеркулере, он уплотняется, еще больше повышая мощность двигателя.

Одним из методов, положительно влияющих на мощность двигателя, является снижение температуры воздуха. Это способствует снижению расхода топлива и выхлопных газов, а значит — вредных оксидов азота за счет получения более низкой температуры воздуха на входе и воспламенения. Механические и турбонаддувные наддувы отличаются друг от друга.

Механический наддув : для сжатия воздуха, необходимого для сгорания, используется компрессор с приводом от двигателя. Однако для работы ему нужна энергия, потеря которой влияет на относительно небольшой прирост мощности. Возможно добиться увеличения емкости в среднем на 10-15%, а ее величина зависит, например, от на габариты двигателя. Такое решение, механический нагнетатель — по сравнению с двигателем без наддува такой мощности — влияет на увеличение расхода топлива.

Наддув наддува :в этом случае мы используем энергию выхлопных газов, которая потребляется для привода турбины, расположенной на том же валу, что и компрессор. Задача компрессора — всасывать и сжимать воздух и подавать его к двигателю. Связь между двигателем и турбокомпрессором не механическая, их взаимодействие возможно через связь газа.

Турбокомпрессор: сборка турбонагнетателя дизельного двигателя

Турбокомпрессор увеличивает степень сжатия двигателя, нагнетая дополнительный воздух в камеру сгорания. Большая масса воздуха позволяет сжечь больше впрыскиваемого топлива. Это имеет два эффекта: повышение эффективности двигателя и увеличение воздушной массы. Это улучшает выходной крутящий момент. Дизельные двигатели идеально подходят для турбонаддува, поскольку их выходной крутящий момент регулируется принудительным потоком воздушно-топливной смеси.

Как работает турбокомпрессор?

Турбокомпрессоры работают аналогично поршневым двигателям. Турбина, работающая от выхлопных газов, вращает воздушный компрессор, который, в свою очередь, увеличивает приток воздуха к цилиндрам и сжигает дополнительное топливо в секунду. Это не только повышает эффективность сгорания, но и обеспечивает дополнительную мощность. Оптимизированный процесс сжигания топлива гарантирует, что при сгорании топлива извлекается максимально возможное количество энергии.

Предел мощности двигателя определяется количеством топлива, которое может быть сожжено в двигателе, но количество сожженного топлива зависит от количества воздуха, которое может быть нагнетено в двигатель. В обычном двигателе ограничивающим фактором является воздух: требуется соотношение воздуха к топливу 14,7:1, чтобы обеспечить достаточное количество кислорода для эффективного воспламенения и сжигания топлива. Турбокомпрессоры обеспечивают двигатель дополнительным кислородом, что приводит к повышению производительности.

По мере развития технологий турбокомпрессоры развивались и включали следующее:

• Турбокомпрессоры с перепускной заслонкой
• Турбокомпрессоры турбокомпаундирования
• Двухступенчатые турбокомпрессоры
• Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией
• Турбокомпрессоры с электронным управлением
• Активация, Датчик Турбокомпрессора
• Турбокомпрессоры высокого давления

Многие из этих новых технологий могут увеличить мощность двигателя на целых 50% и повысить общий тепловой КПД двигателя с 42% до 46%. Из топлива извлекается больше энергии, создавая более мощный двигатель, который дешевле в эксплуатации и соответствует стандартам EPA.

Каковы преимущества турбокомпрессоров в дизельных двигателях?

Турбокомпрессоры имеют ряд преимуществ, в том числе:

• Топливная эффективность: Дизель на 33 % экономичнее бензина, а турбокомпрессоры еще больше повышают эффективность использования дизельного топлива.
• Улучшенная производительность: Увеличивая мощность, они снижают выбросы и улучшают компенсацию высоты. Турбонаддув двигателя увеличивает выходную мощность при заданном весе двигателя.
• Более высокий крутящий момент: Дополнительный воздух, поступающий в цилиндр, увеличивает плотность и давление воздуха, поэтому впрыскивается больше топлива, создавая больший крутящий момент, что создает большую мощность. Крутящий момент на низких скоростях также улучшен.
• Улучшенные возможности буксировки: Двигатель обладает большей тяговой способностью, чем обычные дизельные и бензиновые двигатели. Это делает двигатель с турбонаддувом лучшим выбором для сельскохозяйственной техники и транспортных средств, которые должны выдерживать большие нагрузки и работать в условиях бездорожья.
• Более экологичный: Турбокомпрессор позволяет производителям автомобилей уменьшить размеры двигателя, сохраняя при этом мощность и производительность. Меньшие двигатели выделяют более низкие уровни выбросов парниковых газов.

Что вам предлагает Central Diesel?

Central Diesel специализируется на впрыске топлива, дизельных двигателях и турбонагнетателях. Наши экономичные услуги по ремонту турбокомпрессоров включают в себя полную заводскую замену, замену картриджей, а также ремонт и замену корпуса. Когда ремонт выполняется в соответствии с заводскими спецификациями, наша стандартная 14-месячная гарантия предусматривает неограниченный пробег или количество часов при условии, что владелец эксплуатирует и обслуживает устройство в соответствии с заводскими спецификациями.