Турбокомпрессор устройство и принцип действия: виды, устройство и принцип работы

Содержание

Устройство и принцип работы турбокомпрессора

03.12.2018

Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.

Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.

Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя.

То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

Устройство турбокомпрессора

Устройство турбокомпрессора: 1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).

Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.

Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.

Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.

Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.

В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

Принцип работы

В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.

Принцип работы турбокомпрессора

Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха.

При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты.

• Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»).

• После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»).

Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы:

• использование турбины с изменяемой геометрией;

• применение двух параллельных или последовательных компрессоров;

• комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.

Турбина с изменяемой геометрией

Турбина с изменяемой геометрией: 1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

Параллельно работающие турбокомпрессоры применяют для мощных V-образных двигателей (по одному на ряд цилиндров). Эта схема помогает решить проблему за счет того, что у двух маленьких турбин инерция меньше, чем у одной большой.

Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя.

При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.

Преимущества и недостатки турбонаддува

1. Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля.

2. Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.

3. Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

4. Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.

5. На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.

6. Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.

Недостатки турбонаддува

У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки.

Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения — его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.

Дополнительные элементы системы турбонаддува

Blow-Off

Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.

Клапан Blow-off

Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge.

Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха.

Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме.

Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.

Клапан Wastegate

Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор.

Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием.

Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов.

• Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке.

• Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины

Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях.

На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.

Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.

Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем.

Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.

Источник

краткое описание, принцип работы, основные элементы

Прежде чем перейти к рассмотрению непосредственно устройства турбокомпрессора, следует знать, что мощность двигателя внутреннего сгорания полностью зависит от того, какое количество воздуха и топлива в него поступает. Следовательно, если увеличить данные показатели, то получится и увеличить мощность ДВС.

Описание турбины

Устройство турбокомпрессора и его появление — это результат постоянной гонки людей за увеличением мощности двигателя. Здесь важно добавить, что такая турбина стала эффективным решением не только для бензиновых двигателей, но и для дизельных моделей. Чаще всего такие приспособления устанавливаются на те двигатели, у которых малый объем поступаемого воздуха. Здесь важно понимать следующее: чем больше сам двигатель, тем больше воздуха и топлива он потребляет и тем больше у него мощность. Для того чтобы добиться такой же мощности от двигателя меньшего объема, необходимо увеличить количество воздуха, которое умещается в цилиндрах.

Турбокомпрессор — устройство, которое предназначается для того, чтобы нагнетать большое количество воздуха в двигатель, используя выхлопные газы. У турбокомпрессора имеется два основных элемента — это турбина и центробежный насос. Между собой эти две детали связаны жесткой осью. Элементы вращаются со скоростью до 100 000 оборотов в минуту, они же и приводят в действие компрессор.

Детали турбины

Устройство турбокомпрессора включает в свой состав 8 деталей. Имеется турбинное колесо, которое вращается в корпусе, обладающим специальной формой. Основное предназначение — это передача энергии отработавших газов компрессору. Исходным материалом для сборки этих элементов являются жаропрочные материалы, к примеру, керамика.

Устройство турбокомпрессора также включает в свой состав компрессорное колесо, которое засасывает воздух. Оно также занимается его сжатием и нагнетанием в цилиндры двигателя. Располагается колесо в специальном корпусе, как и турбинное. Оба эти колеса крепятся на вал ротора, вращение которого осуществляется на подшипниках скольжения.

Устройство и действие турбокомпрессора, особенно в бензиновых двигателях, требует дополнительного охлаждения. Обычно это жидкостная система охлаждения. Кроме охлаждения самой системы, происходит также охлаждение и сжатого воздуха. Для этого турбина имеет интеркулер воздушного или же жидкостного типа. Охлаждение воздуха необходимо, так как благодаря этому увеличивается его плотность, а значит, и давление.

Данная система управляется регулятором давления. Этот перепускной клапан способен ограничивать поток отработанных газов. Таким образом, некоторое количество будет проходить мимо турбинного колеса.

Суть работы

Устройство турбокомпрессора и принцип его работы основан на использовании отработавших газов. Энергия этих газов будет приводить в движение турбинное колесо. Для передачи этой энергии турбинное колесо крепится на вал ротора, вращая его. Таким образом энергия передается компрессорному колесу. Этот элемент занимается нагнетанием воздуха в систему, а также его сжатием. Сжатый воздух проходит интеркулер, который охлаждает его. После этого вещество поступает непосредственно в цилиндры двигателя.

Дополнительные сведения

Устройство турбокомпрессора и принцип действия в некотором роде независимы, с одной стороны, от ДВС, так как не имеется жесткой связи с валом двигателя. А с другой стороны, частота вращения все же некоторым образом влияет на эффективность работы турбины. Это связано следующим образом. Чем больше оборотов делает двигатель, тем мощнее будет поток отработавших газов. Из-за этого будет увеличиваться скорость вращения вала турбины, а значит, увеличится количество воздуха, которое будет поступать в цилиндры.

Устройство и работа турбокомпрессора имеют и несколько негативных сторон. Один из недостатков называется «турбояма». При резком нажатии на педаль газа быстрое увеличение мощности будет несколько задерживаться. После прохождения «турбоямы» наблюдается резкий скачок давления, который называется «турбоподхватом».

Устранение недостатков

Появление первого недостатка обусловлено тем, что система инерционная. Из-за этого явления возникает несоответствие между производительностью турбины и мощностью, которая требуется от двигателя. Для того чтобы решить данную проблему, есть три способа. Так как устройство турбокомпрессора дизеля аналогично бензиновому, то они подойдут и для него. Вот что можно предпринять:

Использовать турбину с изменяемой геометрией.
Использовать два параллельных или же два последовательных компрессора.
Использовать систему комбинированного наддува.

Что касается турбины с изменяемой геометрией, то она вполне способна решить проблему тем, что изменяется площадь входного клапана. Такая система очень часто используется в дизельных.

Описание разных систем

Назначение, устройство турбокомпрессора такие же, как и у обычной турбины. Основная разница заключается в том, что прибор имеет лишь 5 основных деталей, а не 8.

Применяется система турбин, подключенных параллельно. Такая система лучше всего подходит для достаточно мощных V-образных двигателей. В таком случае на каждый ряд цилиндров устанавливается по одному небольшому турбокомпрессору. Преимущество в том, что инерционность нескольких небольших устройств меньше, чем у одной большой турбины.

Устройство и принцип работы компрессора не отличается в зависимости от его объема, однако это играет важную роль, к примеру, при использовании последовательного подключения двух турбин. В таком случае каждый прибор будет включаться в работу при определенных оборотах.

Используется также система наддува, в которой применяется и механический и турбокомпрессор. Если обороты двигателя невысокие, то в работу включается механическое устройство для нагнетания воздуха. Если превысить определенный порог, то механический прибор отключится, а в работу вступит турбокомпрессор.

Какими преимуществами обладает турбина

Выделяются следующие преимущества при использовании компрессора:

Широкое использование данного устройства стало возможным из-за простоты и надежности его конструкции. Кроме того, внедрение в систему ДВС данного прибора увеличивает мощность двигателя примерно на 20-35 %.
Сам по себе компрессор не может быть причиной поломки, так как его работоспособность напрямую зависит от других систем, к примеру, от газораспределительной.
Удается экономить от 5 до 20 % топлива. Если же установить турбину в двигатель малого объема, то процесс сжигания топлива станет эффективнее, а значит, увеличится КПД.
Хорошее преимущество таких двигателей наблюдается на дорогах, проходящих, к примеру, в горах. Особенно это заметно, если сравнивать с атмосферными аналогами.
Устройство и принцип работы турбокомпрессора позволяют ему выполнять функцию дополнительного глушителя шума в системе выпуска.

Особенности применения

Несмотря на то, что сам по себе компрессор практически не выходит из строя, периодически возникают ситуации, когда его работа останавливается.

В настоящее время чаще всего причиной остановки работы турбокомпрессора стало то, что центральный картридж турбины забивается маслом. Чаще всего такая неполадка возникает из-за того, что после продолжительных и серьезных нагрузок на турбонаддув его работа резко прекращается. Для того чтобы избавиться от данной неприятности, необходимо устанавливать водяную систему охлаждения. Магистрали данной системы будут создавать эффект поглощения тепла, что позволит снизить температуру в центральном картридже. Стоит заметить, что этот эффект будет происходить некоторое время и после полной остановки двигателя, а также после полного прекращения циркуляции охлаждающей жидкости.

Разновидности турбин

Что касается видов турбокомпрессора, то имеется втулочный и шарикоподшипниковый тип.

Если говорить о втулочном типе турбокомпрессора, то они использовались достаточно долгое время. Однако у них имелся ряд недостатков, который был связан с их конструктивными особенностями. Это не позволяло использовать потенциал такой системы на 100 %. Шарикоподшипниковые устройства более новые, в которых были учтены недостатки, а потому они постепенно вытесняют втулочные компрессоры.

Если сравнивать эти два вида турбин, то шарикоподшипниковая считается более экономичной, так как она расходует значительно меньше масла, чем втулочный тип. Также у компрессоров имеется показатель, который отвечает за реакцию турбины, на нажатие педали газа. У шарикоподшипниковых видов турбин данный показатель лучше, что позволяет улучшить реакцию примерно на 15 %, по сравнению с втулочными.

Неисправности прибора

Здесь стоит сказать о том, что турбокомпрессор — это единственное навесное оборудование мотора, которое тесно связано во время работы практически со всеми другими системами автомобиля. Исходя из этого становится вполне очевидно, что минимальные отклонения в работе любой системы приведут к тому, что износ компрессора увеличится в разы. На сегодняшний день есть несколько причин, которые чаще всего становятся препятствием в работе турбины:

Возможно попадание в механизм посторонних предметов. Из-за огромной скорости вращения мотора это вполне может привести к повреждению, к примеру, крыльчаток.
Недостаток смазочных веществ. Чем выше динамические нагрузки, тем выше шанс того, что произойдет разрушение масляной «пленки». Это, в свою очередь, приведет к «сухому» трению, что сказывается самым негативным образом на работе системы. Поводом возникновения данной неисправности может стать любая причина, из-за которой масло не доходит в полной мере. К примеру, могут засоряться масляные цилиндры, фильтры, износ масляного насоса и т. д.

ТУРБОКОМПЕНСАТОР: КОМПОНЕНТЫ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ТИПЫ

Турбокомпрессор — это устройство, которое используется для увеличения мощности двигателя или, можно сказать, эффективности двигателя за счет увеличения количества воздуха, поступающего в камеру сгорания. Чем больше воздуха в камеру сгорания, тем больше топлива попадет в цилиндр и, как следствие, будет больше мощности от того же двигателя, если в нем установлен турбокомпрессор.

Проще говоря, турбокомпрессор представляет собой своего рода воздушный насос, который забирает воздух при атмосферном давлении, сжимает его до более высокого давления и подает сжатый воздух в двигатель через впускные клапаны.

В настоящее время турбонаддувы используются в основном на дизельных двигателях, но сейчас наблюдается тенденция к турбонаддуву серийных бензиновых двигателей.

Количество двигателя, которое фактически входит в цилиндр двигателя, по сравнению с теоретическим количеством, если бы двигатель мог поддерживать атмосферное давление, называется объемным КПД, и целью турбонагнетателя является улучшение объемного КПД двигателя за счет увеличения плотности впускной газ.

Турбокомпрессор забирает воздух из атмосферы и сжимает его с помощью центробежного компрессора перед подачей во впускной коллектор под повышенным давлением. Это приводит к тому, что большее количество воздуха поступает в цилиндры при каждом такте впуска. Центробежный компрессор получает энергию от кинетической энергии выхлопных газов двигателя.

КОМПОНЕНТЫ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ

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

Турбокомпрессор состоит из двух основных частей: турбины и компрессора.

Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины. Задача корпуса турбины — направлять выхлопные газы в турбинное колесо. Энергия выхлопных газов вращает колесо турбины, после чего газ выходит из корпуса турбины через выпускное отверстие выхлопных газов.

Компрессор также состоит из двух частей: колеса компрессора и корпуса компрессора. Принцип работы 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 низкоскоростной воздушный поток высокого давления посредством процесса, называемого диффузией. Сжатый воздух нагнетается в двигатель, позволяя двигателю сжигать больше топлива для производства большей мощности.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Турбокомпрессор в основном состоит из двух основных частей: турбины и компрессора. Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины, назначение которого состоит в том, чтобы направлять выхлопные газы в турбинное колесо. Кинетическая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую после удара о лопатки турбины. Выходное отверстие помогает выхлопным газам выйти из турбины. Колесо компрессора в турбокомпрессоре прикреплено к турбине с помощью стального вала, и когда турбина вращает колесо компрессора, оно втягивает высокоскоростной поток воздуха низкого давления и преобразует его в воздух высокого давления и низкой скорости. ручей. Этот сжатый воздух подается в двигатель с большим количеством топлива и, следовательно, производит большую мощность.

Отработанные выхлопные газы двигателя используются для привода турбинного колеса, которое валом соединено с компрессорным колесом. Компрессор или воздушное колесо всасывает воздух через воздушные фильтры и подает его в двигатель.
Когда выхлопные газы выбрасываются из двигателя, они направляются на турбину или горячее колесо турбонагнетателя и таким образом завершают цикл.

1. Захват

Вместо выхода через выхлопную трубу горячие газы, образующиеся при сгорании, поступают в турбокомпрессор. Цилиндры внутри двигателя внутреннего сгорания срабатывают последовательно (не все сразу), поэтому выхлоп выходит 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. Напротив, турбокомпрессор с двойной спиралью собирает выхлопные газы от пар цилиндров в чередующейся последовательности.

2. Вращение

Выхлоп ударяет в лопатки турбины, раскручивая их до 150 000 об/мин. Чередующиеся импульсы выхлопа помогают устранить турбояму.

3. Вентиляционное отверстие

Выполнив свою задачу, выхлопные газы проходят через выпускное отверстие в каталитический нейтрализатор, где они очищаются от угарного газа, оксидов азота и других загрязняющих веществ перед выходом через выхлопную трубу.

4. Сжатие

Между тем, турбина приводит в действие воздушный компрессор, который забирает холодный чистый воздух из вентиляционного отверстия и сжимает его до давления, превышающего атмосферное на 30 процентов, или почти 19 фунтов на квадратный дюйм. Плотный, насыщенный кислородом воздух поступает в камеру сгорания.

Дополнительный кислород позволяет двигателю более полно сжигать бензин, повышая производительность двигателя меньшего размера. В результате двигатель Twin Power вырабатывает на 30% больше мощности, чем двигатель того же размера без турбонаддува.

Процедура следующая:

1. Воздухозаборник двигателя всасывает холодный воздух и направляет его в компрессор.
2. Компрессор сжимает поступающий воздух и нагревает его. Затем выдувает горячий воздух.
3. Горячий воздух охлаждается при прохождении теплообменника и поступает в воздухозаборник цилиндра.
4. Холодный воздух сгорает внутри камеры сгорания быстрее из-за переноса большего количества кислорода.
5. Из-за сжигания большего количества топлива выработка энергии будет больше, и двигатель сможет передавать больше мощности на колеса.
6. Горячие отработанные газы выходят из камеры и проходят мимо турбины на выпускном отверстии.
7. Турбина вращается с высокой скоростью и также вращает компрессор, так как оба они установлены на одном валу.
8. Выхлопные газы покидают автомобиль через выхлопную трубу. Они тратят меньше энергии, чем двигатель без турбонагнетателя.

ТИПЫ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕЙ

1. Одинарные турбонагнетатели

Одиночные турбонагнетатели имеют безграничное разнообразие. Различия в размерах крыльчатки компрессора и турбины приведут к совершенно разным характеристикам крутящего момента. Большие турбины обеспечат высокую максимальную мощность, но меньшие турбины обеспечат лучшее рычание на низких оборотах, поскольку они вращаются быстрее. Существуют также одинарные турбины на шарикоподшипниках и опорных подшипниках. Шариковые подшипники обеспечивают меньшее трение для вращения компрессора и турбины, поэтому они быстрее раскручиваются (при увеличении стоимости).

Преимущества
• Экономичный способ увеличения мощности и эффективности двигателя.
• Простой, как правило, самый простой вариант установки турбонаддува.
• Позволяет использовать меньшие двигатели для производства той же мощности, что и более крупные безнаддувные двигатели, которые часто могут уменьшить вес.

Недостатки
• Одиночные турбины, как правило, имеют довольно узкий эффективный диапазон оборотов. Это делает выбор размера проблемой, так как вам придется выбирать между хорошим крутящим моментом на низких оборотах или лучшей мощностью на высоких.
• Реакция Turbo может быть не такой быстрой, как альтернативные настройки Turbo.

2. Twin-Turbo

Как и в случае с одинарными турбонагнетателями, при использовании двух турбонагнетателей существует множество вариантов. У вас может быть один турбокомпрессор для каждого ряда цилиндров (V6, V8 и т. д.). В качестве альтернативы можно использовать один турбонагнетатель для низких оборотов и использовать байпас для более крупного турбонагнетателя для высоких оборотов (I4, I6 и т. д.). У вас может быть даже две турбины одинакового размера, одна из которых работает на низких оборотах, а обе — на более высоких. На BMW X5 M и X6 M используются турбины с двойной спиралью, по одной с каждой стороны V8.

Преимущества
• Параллельные двойные турбины на V-образных двигателях имеют преимущества (и недостатки) очень похожи на одинарные турбины.
• Для последовательных турбонаддувов или использования одного турбонагнетателя на низких оборотах и обоих на высоких оборотах это позволяет получить гораздо более широкую и пологую кривую крутящего момента. Лучший крутящий момент на низких оборотах, но мощность не будет уменьшаться на высоких оборотах, как с небольшим одинарным турбонаддувом.

Недостатки
• Стоимость и сложность, так как вы почти удвоили количество турбокомпонентов.
• Существуют более легкие и эффективные способы достижения аналогичных результатов (см. ниже).

3. Турбина Twin-Scroll

Турбина приводится в действие выхлопными газами, которые перенаправляются на вращение лопаток турбины и нагнетают воздух в двигатель. Теперь цилиндры двигателя срабатывают по очереди, а это означает, что выхлопные газы поступают в турбину импульсами. Как вы, вероятно, можете себе представить, эти импульсы могут легко перекрываться и мешать друг другу при включении турбонаддува, и турбокомпрессор с двойной спиралью решает эту проблему, используя корпус турбины с разделенным входом и специальный выпускной коллектор, который соединяет правильные цилиндры с каждым. прокрутить. В четырехцилиндровом автомобиле у вас может быть первый и четвертый цилиндры, приводящие в действие одну спираль, а два и три — другую. Это означает меньшее перекрытие импульсов и меньшее запаздывание.

Преимущества
• Больше энергии передается на выхлопную турбину, что означает увеличение мощности.
• Возможен более широкий диапазон оборотов эффективного наддува за счет различных конструкций спиральных валов.
• Возможно большее перекрытие клапанов без ущерба для 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 турбонаддува через равные промежутки времени).
• Стоимость и сложность по сравнению с традиционными одинарными турбинами.

4. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT)

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) — это дорогое и сложное решение для повышения мощности, которое особенно распространено в дизельных двигателях. VGT имеет кольцо лопаток аэродинамической формы в корпусе турбины, которое может 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 раскручивания турбонаддува. При более высоких оборотах передаточное отношение увеличивается, чтобы пропустить больше воздуха. Результатом является более широкий диапазон наддува и меньшее отставание.

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

Недостатки
• Обычно используется только в дизельных двигателях, где количество выхлопных газов меньше, поэтому лопасти не повреждаются под воздействием тепла.
• Для бензиновых двигателей стоимость обычно не позволяет использовать их, поскольку для обеспечения надежности необходимо использовать экзотические металлы. Технология была использована на Porsche 9.97, хотя существует очень мало бензиновых двигателей VGT из-за связанных с этим затрат.

5. Турбокомпрессор с регулируемой двойной спиралью

Турбокомпрессор с регулируемой двойной спиралью сочетает в себе VGT с настройкой с двойной спиралью, поэтому при низких оборотах одна из спиральных турбин полностью закрывается, нагнетая весь воздух в другую. Это приводит к хорошему отклику турбо и низкой мощности. Когда вы ускоряетесь, клапан открывается, пропуская воздух в другую спираль (это полностью переменный процесс, то есть клапан открывается с небольшим шагом), вы получаете хорошую производительность высокого класса. Вы получаете производительность с одним турбонаддувом, которую обычно можно получить только с установкой с двойным турбонаддувом.

Преимущества
• Значительно дешевле (теоретически), чем VGT, что делает возможным использование бензинового двигателя с турбонаддувом.
• Обеспечивает широкую и плоскую кривую крутящего момента.
• Более прочная конструкция по сравнению с VGT, в зависимости от выбора материала.

Недостатки
• Стоимость и сложность по сравнению с использованием одинарной турбины или традиционной двойной прокрутки.
• С этой технологией уже экспериментировали (например, быстродействующий золотниковый клапан), но, похоже, она не прижилась в мире производства. Вероятно, есть дополнительные проблемы с технологиями.

6. Электрические турбонагнетатели

Совсем недавно появились турбины 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 раскрутится достаточно. Похожую версию можно найти в Audi SQ7. С мгновенным ускорением лаги уходят в прошлое, но опять же, система дорогая и сложная. Компрессору нужен двигатель, который, в свою очередь, нуждается в питании, поэтому реализовать эту систему непросто.

Преимущества
• Благодаря прямому подключению электродвигателя к колесу компрессора турбо-задержка и недостаточное количество выхлопных газов могут быть практически устранены за счет вращения компрессора с помощью электроэнергии, когда это необходимо.
• Подключив электродвигатель к выхлопной турбине, можно восстановить потерянную энергию (как это делается в Формуле 1).
• Очень широкий эффективный диапазон оборотов с равномерным крутящим моментом.

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

Что такое турбокомпрессор и как он работает?

Турбокомпрессор с приводом от турбины. Это механическое устройство с принудительной индукцией. Во-первых, он сжимает поступающий воздух. Затем он нагнетает воздух в цилиндр двигателя под высоким давлением. Таким образом, повышается КПД двигателя и выходная мощность. Он примерно на 30-40% эффективнее двигателей без наддува.

Конструкция турбокомпрессора

Кроме того, как в бензиновых, так и в дизельных двигателях используются турбонагнетатели для повышения мощности. Однако в критических областях они существенно различаются. К ним относятся рабочие температуры и давление сгорания. Кроме того, они отличаются объемом воздуха и рабочим диапазоном оборотов. Supercharger — аналогичное устройство, работающее по тому же принципу. Однако он использует мощность двигателя.

Детали конструкции:

Турбокомпрессор в основном состоит из двух колес. Он имеет турбинное колесо и компрессорное колесо. Эти колеса насаживаются противоположными концами на один и тот же вал. Выходящие выхлопные газы вращают турбинное колесо, выходя наружу. Производители закрепляют турбину на валу. Он, в свою очередь, вращает вал.

Кроме того, колесо компрессора, установленное на другом конце вала, также вращается вместе с валом. И работает как всасывающий вентилятор. Вращающееся колесо компрессора создает всасывание поступающего воздуха. Затем он нагнетает воздух в цилиндры двигателя. На самом деле типичный турбокомпрессор вращается с очень высокой скоростью. Эта скорость колеблется от 30 000 до 1 25 000 об/мин.

Контур

Компрессор нагнетает свежий воздух в цилиндры под давлением выше атмосферного. Таким образом, цилиндры двигателя получают дополнительный воздух. По мере увеличения объема воздуха система пропорционально подает в двигатель соответствующее увеличенное количество топлива. Таким образом, увеличивается мощность. Кроме того, когда вы сжимаете воздух, он нагревается. Таким образом, температура воздуха повышается. Кроме того, он расширяется при уменьшении своей плотности.

Поэтому производители часто используют промежуточный охладитель или «теплообменник». Он охлаждает воздух перед поступлением в цилиндры двигателя. Производители называют их версиями этих двигателей с турбонаддувом и промежуточным охлаждением или TCIC. Кроме того, производители проектируют и калибруют турбокомпрессоры в соответствии с размерами и конструкциями двигателей. К ним относятся технологии прямого впрыска, In-Direct Injection и Common Rail Direct Injection в дизельных двигателях. Кроме того, у них есть системы MPFi и GDI в бензиновых двигателях. Следовательно, вы просто не можете напрямую поменять их местами.

Компоненты турбокомпрессора:

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

Компоненты турбокомпрессора

Турбокомпрессоры имеют две основные технологии:

1. Фиксированные Геометрия
2. Изменяемая геометрия

В настоящее время современные дизельные двигатели оснащены турбонагнетателем с системой прямого впрыска Common Rail (CRDi), которая улучшает характеристики дизельных двигателей. Кроме того, в некоторых передовых конструкциях двигателей используется технология Bi-Turbo или Twin-Turbo в шести- или восьмицилиндровом двигателе для достижения превосходных характеристик двигателя.