Турбонаддув принцип работы: описание и принцип работы, плюсы и минусы

Принцип работы турбонаддува

Выше, дальше, сильнее, быстрее… Больше ста лет изобретатели и рационализаторы пытаются приручить двигатель внутреннего сгорания и получить от него максимальную мощность при минимальном потреблении топлива. Собственно, все это, тех же сто лет назад, предложил электродвигатель, но ему пришлось подвинуться. Тем не менее, одним из самых продуктивных изобретений для увеличения крутящего момента ДВС остается турбонаддув. О его конструкции всерьез задумывались еще Рудольф Дизель вместе с Готтлибом Даймлером, но в конце 19 века не нашлось ни сил, ни возможности на реализацию этой идеи.

Содержание:

1. Зачем нужен наддув
2. Технологии турбонаддува вчера и сегодня
3. Проблемы турбонаддува в бензиновом двигателе
4. Дизель и турбонаддув

Зачем нужен наддув

Если не слишком углубляться в историю, то уже к 1905 году мощность двигателей внутреннего сгорания вплотную подбиралась к сотне лошадиных сил. Как следствие, росли объемы моторов, размеры автомобильных шасси, но самым страшным врагом скорости был вес. Тяжелый двигатель на тяжелом шасси съедал сам себя. Чем мощнее был мотор, тем больше был его объем, а следовательно, и вес, и расход топлива. Поэтому-то и возникла необходимость в устройстве, которое смогло бы поднять мощность без прироста веса и увеличения расхода топлива. А это положительно сказалось бы на скоростных показателях автомобиля, к чему тогда в основном и стремились.

Было придумано масса всяких устройств, среди которых были и абсурдные конструкции, но одна идея все-таки получила воплощение и была подкреплена патентом «1006907 October 1911 Buсhi». Она принадлежала швейцарскому инженеру Альфреду Бьюхи и была проста, как песня альпийского пастуха. Заключалась она в следующем: двигатель внутреннего сгорания представляет собой насос, который самостоятельно всасывает рабочую смесь в камеру сгорания. только происходит это страшно неэффективно, потому что на пути у воздуха встает масса преград — воздушные фильтры, кожухи, резкие повороты впускных коллекторов и остые грани не аэродинамичных впускных клапанов. Не говоря уже о неточностях соединений и паразитных завихрениях во впускном тракте. Для того чтобы воздуха в дизеле, а в бензиновом моторе, смеси, поместилось как можно больше, необходимо создать дополнительное давление. Так появится возможность повысить эффективность энергии взрыва в камере сгорания. Все это позволяло изобретение Бьюхи, которое сегодня называют турбонаддувом.

Технологии турбонаддува вчера и сегодня

В начале ХХ века технологии просто не позволяли изготовить настолько точный и производительный прибор, который обеспечивал бы достойный прирост мощности, да и сам двигатель не был готов к такому обновлению. Средний ресурс мотора тогда был на уровне 20 тысяч км, поэтому ни о каких дополнительных примочках речи быть не могло. Турбонаддув начал появляться только в 30-е годы на самых дорогих автомобилях, и то, в качестве эксперимента. Принцип работы турбонаддува с тех пор не изменился. Это обычный центробежный насос с таким алгоритмом работы: турбина приводится в движение выхлопными газами, а на одной оси с приводной турбиной стоит нагнетательная. Она и нагнетает в камеру сгорания воздух под высоким давлением. Со временем конструкция стала обрастать новыми подробностями, но в общих чертах, нагнетатель состоит из:

• корпуса;
• вала;
• двух крыльчаток, жестко прикрепленных к валу;
• ограничительного клапана, который контролирует обороты турбины.

Клапан просто необходим, потому что без него могут возникнуть неконтролируемые процессы в двигателе, схожие по эффекту с детонацией. Чем больше выхлопных газов проходит через ведущую турбину, тем быстрее она вращается, и тем сильнее давление в камере сгорания. Бесконечно так продолжаться не может, поэтому поток выхлопных газов необходимо контролировать. Для этого и установлен ограничительный клапан.

А одним из первых автомобилей, на которые устанавливали турбонаддув был Oldsmobile Jetfire. Вот этот красавец.

Проблемы турбонаддува в бензиновом двигателе

125% прироста мощности. Эту цифру заявили еще тогда, когда испытали первый турбонаддув в начале века. КПД наддутых двигателей продолжает расти, поскольку применяются новые материалы для подшипников турбины, снижающие ее вес и уменьшающие сопротивление качения. Это дает возможность тратить на вращение турбины еще меньшее количество энергии, меньше топлива и получать выше КПД.

Только есть у бензинового двигателя с турбиной один нюанс — турбояма. Это значит, что до определенных оборотов турбина вращается почти вхолостую, а после 3-3,5 тысяч начинает работать все активнее, подхватывает динамичнее, и чем выше будут обороты мотора, тем выше его КПД. Переход происходит не слишком мягко, поэтому турбины до 60-х годов ставили только на спортивные машины. Водитель явно был ориентирован на спортивный стиль вождения и был готов к такому повороту событий. Сейчас с этим борются, устанавливая две турбины разных размеров или две одинаковых, тогда такую систему называют битурбо.

Дизель и турбонаддув

Дизельные моторы просто созданы для турбонаддува по двум причинам как минимум:
температура выхлопных газов гораздо ниже, чем у бензиновых;
степень сжатия у дизельного двигателя гораздо выше, чем у бензинового, поэтому турбина работает эффективнее.
Кроме того, практически все эксперименты над турбинами проводятся именно на дизельных двигателях, потому что температура прогрева турбины меньше, а это значит, что материалы, применяемые для изготовления турбины, могут быть попроще, чем для бензиновой. Практически все новшества, такие, как турбина с изменяемой геометрией, были опробованы именно на дизельных серийных двигателях.

Турбина имеет светлое будущее и ей еще есть куда развиваться. Она недостаточно надежна, а моторы с турбонаддувом, хоть и имеют высокий КПД, расплачиваются повышенным расходом топлива. Для спортивных автомобилей пока альтернативы нет. Только турбина может дать такой прирост мощности и такое увеличение крутящего момента. Вовремя охлаждайте свои турбины, не превышайте давления, и удачных всем дорог!

Читайте также  Ремонт топливного насоса высокого давления дизельного двигателя

Читайте также:

Принцип работы турбонаддува

4. 1 — Оценок: 70

Что такое турбина и турбонаддув — устройство и принцип работы.

С того момента, как появилась такая профессия, как автомобильный конструктор, возникла проблема увеличения мощности моторов. По всем законам физики, мощность мотора напрямую зависит от количества горючего, что сжигается за один цикл. Чем больше горючего при этом расходуется, тем мощность выше. Но, возникает вопрос – как увеличить количество лошадиных сил под капотом своего автомобиля? Тут есть несколько нюансов.

Для того чтобы происходил процесс горения необходим кислород. Благодаря этому становится ясно, что горит нечистое топливо, а его смесь с кислородом. При этом вся смесь должна быть в определенном балансе. Например, что касается бензиновых моторов, то топливо к воздуху смешивается в пропорции 1 к 15. При этом берется во внимание состав горючего и режим его работы.

Видно, что кислорода требуется в 15 раз больше, чем самого топлива. Из этого следует, что увеличение подачи топлива ведет за собой и обязательное увеличение подачи кислорода. Зачастую двигатели самостоятельно засасывают воздух из-за разницы в давлении между атмосферой и цилиндром. Отсюда появляется и прямая зависимость между объемом цилиндра и воздуха, который попадает в него. Именно таким образом и поступала американская автомобильная промышленность, которая выпускает большие двигатели с огромнейшим расходом топлива. Но, есть ли возможность в одинаковый объем загнать, как можно больше воздуха?

Такой способ есть и его впервые изобрел Готтлиб Вильгельм Даймлер. Один из основателей компании Daimler Chrysler. Немец достаточно сильно разбирался в двигателях и уже в 1885 году понял, каким образом можно загнать туда больше кислорода. Он придумал загонять воздух в мотор при помощи специального нагнетателя, который был в виде компрессора, что получал вращение от моторного вала и благодаря этому сжатый воздух успешно загонялся в цилиндры.

Все изменилось, когда швейцарский инженер-изобретатель — Альфред Бюхи сделал сенсационное открытие. Он был главным при создании дизельного двигателя в Sulzer Brothers и он никак не мог свыкнуться с той мыслью, что двигатели были очень тяжелыми и габаритными, а мощности выдавали недостаточно. При этом он не хотел заимствовать энергию двигателя. Благодаря этому в 1905 году Альфред Бюхи получил патент на первое на планете устройство, которое было создано для нагнетания, что применяло энергию для двигателя, выдаваемую выхлопными газами. Другими словами, он создал — турбонаддув.

Данная идея была очень проста и гениальна. Выхлопные газы задают вращение колесу с лопатками точно также, как ветер вращает лопасти мельницы. Отличие только в том, что данное колесо меньшего размера, а лопастей больше. Это колесо имеет название – ротор турбины, который находится на одном и том же валу, где располагается и колесо компрессора. Поэтому турбонагнетатель можно поделить на две части, первая из которой — это ротор, а вторая – компрессор. Ротор вращается благодаря выхлопным газам, а, в свою очередь, компрессор работает, как вентилятор и благодаря этому дополнительный воздух поступает в мотор. Полностью вся конструкция имеет название турбонагнетатель или турбокомпрессор.

При этом, кислород, что попадает в мотор, необходимо дополнительно охладить, это необходимо делать для того, чтобы увеличить давление, при этом загнав в цилиндр больше воздуха. Из-за того, что сжать холодный воздух по сравнению с теплым — намного легче.

Кислород, который проходит через турбину, сам по себе нагревается из-за сжатия, а также из-за некоторых нагретых частей турбонаддува. Подаваемый в мотор воздух, охлаждается с применением промежуточного охладителя. Воздух, проходя через радиатор, отдает свое тепло в атмосферу. При этом холодный воздух плотнее загоняется в цилиндр в большем количестве.

Чем больше газа проникает в турбину, тем она чаще вращается, и соответственно больше воздуха проникает в сам цилиндр и увеличивается мощность. Стоит сказать, что эффективность именно такого метода, по сравнению с приводным турбонаддувом, в том что для того, чтобы обслужить себя, нагнетатель тратит от энергии двигателя, около 1. 5%. Это обусловлено тем фактом, что энергия к турбинному ротору поступает не благодаря замедлению выхлопного газа, а за счет его охлаждения. При этом потраченная энергия повышает коэффициент полезного действия двигателя. Благодаря этому автомобиль с нагнетателем становится максимально экономичным, по сравнению с остальными похожими двигателями примерно одинаковой мощности.

Вращение ротора в турбине может быть до 200 тысяч оборотов в минуту, следующий факт относится к раскаленным газам, которые доходят до 1000 градусов по Цельсию. Из всего этого следует тот факт, что нагнетатель, который может сдержать подобные нагрузки долгое время создать достаточно сложно и дорого.

Из-за этого нагнетатель был популярен исключительно во времена Второй Мировой Войны и только в самолетах. В 50-х годах компания из Америки (Caterpillar) смогла встроить нагнетатель к тракторному двигателю, а специалисты из компании Cummins смогли создать первые турбодизельные двигатели для грузовых машин. На легковых машинах, которые получили серийное производство, такие двигатели стали появляться гораздо позже. Это произошло в 1962 году, практически сразу появилось две модели Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire.

Стоит добавить, что проблематичность и высокая стоимость конструкции, не являются главными недостатками. Сама по себе эффективность работы турбонаддува, напрямую зависит от максимального числа оборотов двигателя. Из-за того, что на малых оборотах, выхлопных газов производится недостаточное количество, соответственно ротор не раскручивается на максимально возможную мощность и, как следствие, дополнительный кислород практически не задувается в цилиндры. Поэтому зачастую происходит так, что до 3 000 оборотов мотор не тянет, но уже после 4-5 тысяч оборотов, он резко «стреляет», эта проблема называется – турбоямой. При этом размер турбины напрямую зависит на ее разгон. Чем она больше, тем разгон дольше. Именно из-за этого, те двигатели, что имеют большую мощность и соответственно турбину высокого давления зачастую испытывают проблемы связанные с турбоямой. А те турбины, которые создают низкое давление, практически не имеют никаких проблем с провалом тяги, но при этом и мощность они могут поднять достаточно маленькую по отношению с первыми.

Практически полностью избавиться от такой проблемы, как турбояма может помочь схема с последовательным надувом, когда на достаточно малых оборотах мотора, работает маленький малоинерционный турбокомпрессор. Маленький – увеличивает тягу на низких оборотах, в то время, как большой включается во время, когда обороты начинают расти, вместе с давлением на выпуске. Еще сто лет назад систему последовательного наддува применяли в суперкаре Porsche 959. На данный момент же, такие системы применяются во многих марках, начиная от Land Rover и BMW, а в бензиновых моторах фирмы Volkswagen эту роль играет приводной нагнетатель.

На заводских двигателях зачастую применяют одиночный турбокомпрессор twin-scroll, в народе его называют «парой улиток». Каждая из таких улиток заполняется выхлопами, от разных цилиндров. Но, даже, несмотря на это, обе улитки подают выхлопные газы в одну турбину, в итоге максимально качественно раскручивая ее, как на больших, так и на малых оборотах.

Но зачастую все-таки можно встретить исключительно пару одинаковых турбокомпрессоров, которые параллельно друг от друга обслуживают отдельные цилиндры. Это является стандартной схемой, для стандартных V-образных турбодвигателей, где каждый блок имеет свой турбонаддув. Даже, несмотря на то, что мотор V8 компании M GmbH, который впервые был установлен на Bmw X6 M и X5 M оборудован перекрестным выпускным коллектором, позволял турбокомпрессору паре улиток получать газы выхлопа из цилиндров, которые находились в разных блоках.

Для того чтобы турбокомпрессор работал на максимуме своих возможностей, при всех диапазонах оборотов, можно поменять геометрию рабочей части. Исходя из оборотов, что производит улитка, там работают специальные лопатки и изменяется в некоторых дозволенных пределах форма сопла. Благодаря этому, мы имеем «супертурбину», которая отлично может работать во всех диапазонах оборотов. Такие схемы были продуманы и оговорены достаточно давно, но реализовать их на деле, появилась возможность лишь недавно. Стоит, при этом отметить, что изначально турбины, на которой поменяна геометрия, появилась исключительно на дизельном моторе, благодаря тому, что температура выхлопных газов, намного меньше. Что касается бензиновых двигателей, то первым был Porsche 911 Turbo.

Саму конструкцию турбодвигателя привели в максимальную комплектацию, относительно недавно и их актуальность сильно возросла. При этом сами турбокомпрессоры оказались актуальными не только, как для форсирования двигателя, но и для увеличения экономичности и экологичности выхлопа.

Технология двухступенчатого последовательного турбокомпрессора Garrett

Двухступенчатая последовательная система турбокомпрессора Garrett представляет собой идеальную архитектуру турбонаддува для силовых агрегатов, где главными факторами являются предельная удельная мощность и выбросы при частичной нагрузке. Эта двухступенчатая конфигурация выбирается производителями автомобилей либо для уменьшения размера двигателя, либо для повышения производительности.

Модельный ряд двигателей
Двухступенчатые последовательные системы обычно используются для дизельных двигателей объемом от 1,6 л до 3,0 л, хотя в основном они используются в сегменте 2,0 л, где влияние уменьшения объема двигателя или увеличения мощности больше. произносится.

Основные характеристики
В двухступенчатой ​​последовательной системе небольшая турбина высокого давления (HP) работает вместе с большей турбиной низкого давления (LP). Поток газа между турбинами регулируется перепускными клапанами, режимы работы которых зависят от частоты вращения двигателя. На малых оборотах – примерно до 1500 об/мин – две турбины работают в полном последовательном режиме, при закрытых перепускных клапанах компрессора и турбины. Это обеспечивает быстрое увеличение давления наддува и способствует повышению крутящего момента и отзывчивости. После 1500 об/мин турбины продолжают работать вместе, но перепускной клапан турбины постепенно направляет больше выхлопных газов на турбину низкого давления, пока не произойдет полный переход, обычно около 2800 об/мин. На этой скорости перепускные клапаны турбины и компрессора полностью открыты, регулируя поток газа только к большей турбине низкого давления. Таким образом, последний продолжает работать в монорежиме, оптимизируя эффективность использования топлива и производительность при более высоких оборотах двигателя.

узнать больше

Основные преимущества
Двухступенчатые последовательные системы обеспечивают автопроизводителям гибкость в использовании преимуществ топливной экономичности за счет уменьшения размера двигателя или повышения производительности существующей платформы двигателя.

В случае уменьшения размера двигателя впечатляющая переходная характеристика, а также повышенная мощность и крутящий момент, обеспечиваемые системой турбонаддува, позволяют OEM-производителям создавать более экономичные двигатели, которые соответствуют характеристикам более крупных двигателей с монотурбинным наддувом.

Если основное внимание уделяется повышению производительности, можно использовать двухступенчатую последовательную систему для значительного увеличения мощности и крутящего момента, что придает двигателю более спортивный вид.

При любом подходе высокое давление наддува обеспечивает рециркуляцию отработавших газов — ключевой фактор контроля выбросов.

Эволюция и будущие тенденции
Производители автомобилей ухватились за возможности сокращения размеров и повышения производительности, предоставляемые двухступенчатой ​​последовательной технологией.

Для двигателей, для которых производительность является ключевым фактором, двухступенчатая система обычно сочетает в себе турбонаддув с изменяемой геометрией/соплом высокого давления (VNT) и турбонаддув низкого давления с перепускным клапаном. В 2011 году компания Garrett представила первую в мире двухступенчатую серийную турбосистему, разработанную для турбодизельного двигателя V6 на Audi A7. Несмотря на уменьшение рабочего объема на 30 процентов, этот двигатель демонстрирует увеличение мощности на 35 процентов и снижение расхода топлива на 10 процентов. Свободноплавающий и вестгейт часто используются вместе для более экономичных применений, таких как легкие грузовики.

Инженеры Garrett продолжают уделять внимание повышению производительности системы за счет оптимизации компоновки двухступенчатой ​​системы, а также разработки специальной аэродинамики для турбин высокого и низкого давления. Проблемы, связанные с упаковкой, весом системы и тепловой инерцией, привлекают внимание к новым технологиям компактных клапанов, а также к применению теплоизоляции и передовых материалов для повышения эффективности последующих систем доочистки.

Специально разработанная двухступенчатая система с индивидуальной аэродинамикой и повышенной надежностью

Сверхвысокоэффективная серийная двухступенчатая система с разделенным на сектора соплом с фиксированной лопастью и осевым турбинным колесом

Нагнетатель VS Турбокомпрессор [Подробное объяснение в формате PDF]

Актуальные темы

Нагнетатель — это воздушный компрессор, используемый для принудительной подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания, тогда как турбонагнетатель работает на выхлопных газах из цилиндра для повышения эффективности. .

В этой статье я расскажу о нагнетателе VS турбонагнетателе и их принципе работы, компонентах, преимуществах и недостатках.

Что такое нагнетатель?

Процесс нагнетания в цилиндр двигателя большего количества заряда, чем может быть втянут поршнем без наддува для получения большей мощности, называется нагнетателем.

Детали нагнетателя:

Четыре основных компонента центробежного нагнетателя:

• Улитка (корпус компрессора)
• Диффузор
• Рабочее колесо и
• Трансмиссия.

Принцип работы нагнетателя:

Он устанавливается перед впускным клапаном цилиндра, чтобы воздух мог сжиматься в нагнетателе и нагнетаться в цилиндр через впускной клапан. Он используется для увеличения мощности двигателя, эффективности и крутящего момента за счет многоступенчатого сжатия воздуха для увеличения количества воздуха, давления и температуры.

Больший массовый расход обеспечивает большее количество кислорода для поддержки сгорания в цилиндре по сравнению с двигателем без наддува.

Нагнетатель позволяет сжигать больше топлива и, таким образом, считается, что за цикл выполняется больше работы, что увеличивает выходную мощность двигателя.

Мощность нагнетателя поступает механически от коленчатого вала двигателя через ремень, шестерню, вал или цепь.

Super Charger увеличивает давление смеси A/F и обеспечивает более высокое давление, чем атмосферное давление.

Двигатель с наддувом производит на 40% больше мощности, чем обычный двигатель.

Также увеличивает крутящий момент на 40%.

На больших высотах помогает за счет увеличения плотности воздуха, подаваемого в двигатель.

Типы нагнетателей:

В зависимости от метода сжатия существует два основных типа нагнетателей.

• Нагнетательный вытеснитель (пример: двухвинтовой, корни)
• Динамические компрессоры (пример: центробежный)

Поршневой насос имеет уменьшающуюся полость на стороне нагнетания и расширяющуюся полость на стороне всасывания.

Нагнетатель центробежного типа:

Смесь A/F поступает в рабочее колесо в центре и проходит через рабочее колесо и лопатки диффузора. Наконец, она попадает в спиральный корпус, и из корпуса смесь поступает в двигатель.

• Давление увеличено на 30 %
• Скорость рабочего колеса → 80000 об/мин
• Рабочее колесо изготовлено из дюралюминия/легированных сталей, чтобы противостоять высоким сталям.

Нагнетатель Рута:

В нагнетателе Рута есть два ротора эпициклоидной формы, каждый из которых закреплен на своем валу.

1. Вращающаяся лопасть 1 2. Корпус насоса 3. Вращающаяся лопасть 2 a. Впуск б. Насосное c. Нагнетание воздуха или топливовоздушной смеси во впускной коллектор

• Один ротор соединен с другими посредством шестерен.
• Шестерни одинакового размера и два ротора вращаются с одинаковой скоростью.
• Работает как шестеренчатый насос.
• Смесь на выходе из нагнетателя находится под высоким давлением.

Преимущества нагнетателя:

Вот некоторые преимущества нагнетателя:

• Более высокая выходная мощность.
• Более быстрое ускорение автомобиля.
• Уменьшение дымности выхлопных газов.
• Дешевле турбокомпрессора.

Недостатки нагнетателя:

У нагнетателя есть некоторые недостатки, а именно:

• Получает мощность от двигателя.
• Повышенное тепловыделение.

Что такое турбонагнетатель?

Это устройство с приводом от турбины, которое используется для повышения производительности и эффективности двигателя внутреннего сгорания путем подачи большего количества сжатого воздуха в цилиндр двигателя.

Компоненты турбокомпрессора:

Компоненты турбокомпрессора:

• Компрессор
• Турбина
• Цилиндр двигателя (впускной и выпускной клапан)

Принцип работы турбокомпрессора:

Это центробежный компрессор, который приводится в действие турбиной, приводимой в действие выхлопными газами двигателя.

Объемный КПД двигателя можно повысить, увеличив плотность впуска.

Турбина преобразует энергию давления выхлопных газов и кинетическую энергию двигателя в мощность вращения, которая, в свою очередь, используется для привода компрессора.

Нагнетатель VS Турбокомпрессор:

Разница между нагнетателем и турбокомпрессором показана в табличной колонке ниже.

Нагнетатель	Турбокомпрессор
В основном это компрессоры.	Турбины состоят из турбины и воздушного компрессора, установленных на одном валу.
Они получают мощность от двигателя через ремень.	Турбокомпрессор извлекает мощность из выхлопных газов.
Стоимость нагнетателя меньше, чем турбокомпрессора	Стоимость турбокомпрессора больше, чем стоимость нагнетателя
Нагнетатель подключен к впускному коллектору автомобиля.	Поскольку это комбинация турбины и компрессора, турбина соединяется с выхлопной трубой, а компрессор — с впуском.
Менее эффективный	Более эффективный
Простое обслуживание.	Трудно обслуживать
Подходит для двигателей меньшего объема.	Подходит для двигателей большего объема.
Как только двигатель запускается, нагнетатели начинают работать.	Турбины не начнут работать, пока не будет произведено достаточное количество выхлопных газов.

Это подробное объяснение нагнетателя и турбокомпрессора, а также я упомянул разницу между нагнетателем и турбонагнетателем. Если у вас есть какие-либо сомнения, не стесняйтесь спрашивать в разделе комментариев.

Ссылки [Внешние ссылки]:

• Обзор турбокомпрессора и нагнетателя — Публикация RS
• Обзор электрического турбокомпрессора и нагнетателя для двигателей внутреннего сгорания уменьшенного размера Заявка

Источники СМИ:

• Изображение 1: CZmarlin — Christopher Ziemnowicz.