Какими преимуществами обладает турбина по сравнению с двигателем внутреннего сгорания

Популярные разновидности турбонаддува двигателей внутреннего сгорания

Существующие в настоящее время разновидности турбонаддува позволяют обеспечить существенное увеличение мощности силового агрегата и не сказываются отрицательно на надежности двигателя.

Одним из эффективных способов увеличения мощности двигателя является использование турбонаддува, что позволяет без внесения каких-либо серьезных доработок в конструкцию мотора получить значительную прибавку в лошадиных силах. Поговорим поподробнее о том, какие бывают типы турбонаддува и что нужно знать о современных форсированных двигателях.

Классический турбонаддув

Конструкция турбонагнетателя в форме улитки была разработана в середине прошлого века и до сих пор используется многими автопроизводителями. Состоит она из так называемой улитки, внутри которой находятся две крыльчатки. Эти крыльчатки контактируют с горячими отработанными газами, приходят в движение, после чего начинают загонять воздух обратно в двигатель, повышая его давление и обеспечивая максимально возможную отдачу.

До недавнего прошло в почете были крупноразмерные классические турбины улитки, которые позволяли поднять мощность двигателя до 450 лошадиных сил. Однако подобные конструкции всё же имели определенные недостатки. Дело в том, что их установка на двигателе существенно уменьшала моторесурс мотора, кроме того такая конструкция не отличалась надежностью и требовала частого ремонта. Да и размеры такого турбонагнетателя были таковы, что расположить двигатель с дополнительной турбо в небольшом подкапотном пространстве было затруднительно.

Твинскрольная турбина

Твинскрольная турбина — это улучшенная классическая конструкция, в которой имеется горячая улитка с расположенными внутри неё параллельными каналами различного диаметра. Каждый из таких каналов обеспечивает сжатым воздухом свою половину цилиндров, при этом имеется возможность получения необходимого давления уже при минимальных оборотах двигателя. Твинскрольная турбина широко используются на современных малообъемных двигателях, где ценятся их компактные габариты, возможность получения отличной мощности уже при минимальной тяги, а также простота такой конструкции.

Турбины с изменяемой геометрией

Это современная разработка, которая позволяет обеспечить максимально возможную эффективность работы надува. Основой такой турбины является крыльчатка с лопатками, форма которых изменяется в зависимости от оборотов двигателя. Крыльчаткой управляет специальный электропривод, который способен менять угол атаки турбины, обеспечивая оптимальную мощность на всём диапазоне оборотов двигателя.

Одним из преимуществ данной технологии является возможность обеспечения ровной тяги без провалов и так называемой турбо ямы на всём диапазоне оборотов. То есть, фактически водитель получает необходимую ему тягу уже буквально с одной полторы тысячи оборотов двигателя в минуту. Сами турбины отличаются компактными габаритами, что позволяет использовать их с небольшими по объему двигателями. Однако подобная конструкция не лишена определенных недостатков. В первую очередь, это сложность устройства турбины, в которой может часто выходить из строя как сам электропривод, так и крыльчатки с изменяемой геометрией лопаток.

Механические нагнетатели

Механические нагнетатели стали использоваться еще до разработки классического турбонаддува. Достаточно часто такие турбины называют суперчарджерами или компрессорами. Это устройство располагается обычно в развале блока цилиндров, а лопасти ротора вращаются за счёт ременного или цепного привода с коленвалом. Забор воздуха осуществляется через соответствующий фильтр, после чего винтообразным ротором сжимается, охлаждается в интеркулере и подается в цилиндры.

Основным преимуществом такого механического нагнетателя в сравнении с классическим турбонаддувом является получение необходимой мощности двигателя даже на холостых оборотах. Турбояма у таких моторов не отмечается, при этом вся конструкция нагнетателя не отличается сложностью, соответственно, она надежна и долговечна.

В то же время необходимо сказать, что использование нагнетателей ограничено самим принципом работы таких агрегатов. Дело в том, что привод нагнетателя выполняется напрямую от коленвала, соответственно на этом отбирается часть мощности двигателя. То есть, увеличивать размер нагнетателя и его давление не имеет смысла, так как чем больше будет ротор у данного устройства, тем сложнее его раскрутить, и тем больше будет отобрано мощности у двигателя на привод нагнетателя.

Электрический наддув

В начале двухтысячных годов автопроизводители стали активно внедрять различные автоматические системы управления. Компьютеры стали отвечать за работу тех или иных узлов и компонентов автомобиля. Соответственно, появился электрический компрессор, в котором крыльчатка приходит в движение от электромотора. Конструкция такого наддува чрезвычайно проста, а всю энергию турбина получает от аккумулятора, то есть, фактически какой-либо мощности на привод не теряется.

Автоматический блок управления электронной турбины будет следить за показателями оборотов двигателя, внося соответствующие корректировки в работу наддува. Тем самым обеспечивается оптимальная мощность двигателя, вне зависимости от текущего показателя оборотов. В то же время необходимо сказать, что, несмотря на все возможные преимущества такой технологи, она имеет ограниченное применение, так как конструктивно сложно разработать надежную и долговечную турбину. На сегодняшний день только автопроизводитель компания Audi устанавливает на свои спортивные автомобили такую систему электрического надува, которая на мощных моторах работает в паре с классическими турбинами. На низких оборотах двигателя используется электронагреватель, а по мере увеличения оборотов в дело вступают уже мощные классические турбины.

Читайте также:  Какой ресурс двигателя ниссан примера

Двойной параллельный наддув

Любой механик вам подтвердит, что лучше использовать две небольших по размеру турбины, чем одну большую. Именно поэтому многие автопроизводители используют на своих V-образных двигателях систему Twin Turbo, в которых оба компрессора работает параллельно друг с другом, и отвечают за обеспечение сжатым воздухом своего блока развала цилиндров. Небольшой размер таких турбин позволяет снизить их инерцию, обеспечивая получение качественной тяги уже с самых низких оборотов.

Последовательный Twin Turbo

Это достаточно интересная разработка мотористов от BMW, которая стала активно использоваться другими производителями. В данном случае используется две небольших по своему размеру турбины, каждая из которых активируется автоматикой при достижении определенных оборотов двигателя. То есть, на низких оборотах работает одна турбина, а при большем ускорении в работу включается вторая, позволяя обеспечить максимально возможное ускорение автомобиля.

Источник

Устройство, преимущества и недостатки турбированных двигателей

Достаточно большая часть современных автомобилей оснащаются турбированными двигателями, что позволяет одновременно улучшить показатели динамики авто, сохранив при этом достаточно небольшой расход топлива. При этом многие автовладельцы попросту не знают, как устроен турбонаддув, как правильно обслуживать такой двигатель и эксплуатировать автомобиль. Поговорим поподробнее об устройстве современного турбонаддува.

Основные преимущества турбинованных двигателей

Первые турбированные моторы стали изначально использоваться в мире автоспорта, где не так была важна надежность, а требовалось выжать из мотора все соки. В последующем уже на гражданских авто появились первые дизельные турбомоторы, которые позволяли несколько улучшить мощностные характеристики таких моторов. В начале двухтысячных годов все больше автопроизводителей начали использовать турбомоторы, которые стали реальной альтернативой для обычных атмосферных двигателей.

Основными преимуществами тубрированных двигателей является следующее:

1. Прекрасные показатели топливной экономичности.

2. Хорошая экологичность моторов.

3. Увеличение мощности.

4. Оптимизация работы мотора.

5. Низкая шумность на минимальных оборотах.

Если же говорить о недостатках турбонаддува, то можно отметить, что максимум тяги достигается на высоких оборотах. Тогда как до оборотов приблизительно 2-3 тысячи водитель может ощущать недостаток мощности, что может существенно затруднить управление автомобилем. На относительно старых турбомоторах также имелся характерный вой турбины, который не добавлял комфорта при использовании машины. Однако на современных моторах такие проблемы уже решены.

Принцип работы наддува

Турбонаддув позволяет выходящим из мотора газам раскручивать лопасти турбины, которая нагнетает воздух в компрессор, создавая нужное давление. Далее такой чистый воздух смешивается с топливом и под высоким давлением поступает в двигатель. В процессе работы турбины ее крыльчатка может раскручиваться до огромной скорости, что предъявляет повышенные требования к устройству системы смазки.

Масло в турбину отбирается из мотора, причем устанавливаются дополнительные охладители, так как рабочая температура в турбине может достигать 900 градусов и выше. Из-за протечек масла и некачественного смазывания подвижных деталей может выходить из строя турбонаддув, после чего требуется выполнять сложный ремонт силового агрегата. Чтобы предупредить подобные критические неисправности, необходимо не только своевременно менять масло, но и поддерживать хорошее техническое состояние турбины.

Одной из особенностей турбонаддува является то, что скорость вращения турбины будет напрямую зависеть от частоты оборотов двигателя. На минимальных оборотах мотора крыльчатка наддува практически не раскручивается, что несколько уменьшает крутящий момент. А вот при высоких оборотах мотора турбина начинает раскручиваться даже до 250 тысяч оборотов в минуту, что позволяет существенно поднять давление в системе.

Воздух, который подается в двигатель, по причине высокого давления начинает быстро нагреваться. Чтобы решить эту проблему устанавливается дополнительный радиатор, что позволяет обеспечить работоспособность всего мотора. При выполнении сервисного обслуживания двигателя мастера часто вскрывают мотор и прочищают охладитель турбонаддува, что исключает его загрязнение и поломки агрегата.

Подведем итоги

В настоящее время все больше автопроизводителей отказываются от использования классических атмосферных моторов, используя на машинах турбированные силовые агрегаты. Такие двигатели обладают рядом преимуществ и в первую очередь мощностью и топливной экономичностью. Конструкция турбины тут достаточно сложна, что объясняется существенными нагрузками, которые приходятся на нее в процессе работы. Упрощенно говоря, состоит нагнетатель из крыльчатки, которая раскручивается выхлопными газами, после чего свежий воздух под высоким давлением и после принудительного охлаждения смешивается с топливом и подается в мотор.

Источник

ТУРБОНАДДУВ (ТУРБИНА) ДВИГАТЕЛЯ: ВИДЫ, КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПЛЮСЫ И МИНУСЫ

Добрый день, сегодня мы узнаем, что такое турбонаддув (турбина) двигателя внутреннего сгорания, каков принцип работы, конструкция, а также, какими плюсами и минусами обладают системы наддува мотора. Кроме того, в статье мы выясним, какие существуют виды систем наддува двигателя и, чем они отличаются. В заключении мы наглядно рассмотрим типовую схему функционирования турбонаддува силового агрегата.

Как мы знаем, мощность двигателя зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть доставлено в мотор. Если мы хотим увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не имеет никакого эффекта до тех пор, пока не будет необходимого для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток не сгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя и повышенной непрозрачности или дымности от отработанных выхлопных газов, причем также, как это происходит при масложоре.

1. ОСОБЕННОСТИ И КОМПОНЕНТЫ ТУРБОНАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ

Читайте также:  Как крепить подушку двигателя на рено логан

Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. Увеличение смещения увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном счете, его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникших технических проблем, особенно для двигателей с большим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что поступающий в двигатель воздух сжимается перед входом в камеру сгорания. Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при предыдущем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем больше мощности.

Существует две основные системы наддува: с механическим приводом, которая отражена ниже на изображении “A” и просто “турбо”, отражена на рисунке “B” (использующие энергию отработавших газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбо компаундная, отображена на рисунке “в”. Ниже на фото наглядно продемонстрированы вышеописанные системы наддува двигателя.

В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленчатым валом двигателя и компрессором. Давление воздуха турбокомпрессора достигается за счет вращения потока выхлопных газов турбины. Турбокомпрессор состоит из двух турбин впрыска и привод, соединенный с валом. Вал установлен на двух подшипниках, которые постоянно подается масло, оказывающие охлаждающее и смазочную поддержку.

Обе турбины вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они ускоряются до высокой скорости (около 10 000 оборотов в минуту) и соприкасаются с лопастным приводным колесом, и преобразуют свою кинетическую энергию в механическую вращательную энергию (крутящий момент). С такой же скоростью и давлением вращается колесо турбины, которое подает сжатый воздух в двигатель. Разрядное колесо сконструировано таким образом, что уже при небольшом расходе выхлопных газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха. При полной нагрузке двигатель достигает максимального избыточного давления (от 1,1 до 1,6 атмосфер); при этом обороты двигателя составляют около 2000 оборотов в минуту и остаются постоянными при дальнейшем наборе частоты вращения до максимальной.

Между двигателем и турбокомпрессором имеется соединение только через поток выхлопных газов. Частота вращения турбины напрямую не зависит от скорости вращения коленчатого вала двигателя и характеризуется некоторой инерцией, то есть увеличением подачи топлива, увеличением энергии выхлопного потока, а затем увеличением частоты вращения турбины и напором разряда, а мотор, следовательно, получает больше воздуха в цилиндры, что позволяет увеличить подачу топлива. Ниже на фото продемонстрирована схема типового турбокомпрессора и его основных элементов.

Основные компоненты турбокомпрессора: 1 – трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 – нагнетательное колесо турбины; 3 – корпус нагнетательного колеса; 4 – промежуточный корпус; 5 – сбрасывающий клапан; 6 – диафрагма; 7 – пружина; 8 – диафрагменная камера; 9 – приводное колесо; 10 – корпус турбонагнетателя; 11, 12 – опоры; А – подача воздуха от воздушного фильтра; B – подача воздуха к впускным клапаном; C – обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D – подача отработавших газов от двигателя; E – подача отработавших газов к выпускной системе; H – подача смазки; J – отвод смазки; K – подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПЛЮСЫ И МИНУСЫ СИСТЕМ ТУРБОНАДДУВА

Для предотвращения нарастания давления более, чем необходимо на высоких оборотах двигателя, в компрессоре находится специальное устройство, состоящее из разгрузочного клапана и диафрагмы с пружиной, которое обеспечивает контроль давления и оборотов мотора. Полость перед мембраной связана с давлением поступающего воздуха через трубопровод. С увеличением давления, которое происходит с нарастанием частоты вращения коленчатого вала, диафрагма сгибается, сжимая пружину опуская и открывая клапан. Выхлопные газы таким образом проходят через дополнительный обводной канал с тем, чтобы снизить скорость вращения приводного колеса турбины, а значит и разгрузочного колеса. Повышение давления становится постоянным.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне скоростей (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, то есть турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого показателя.

Для удовлетворения все возрастающих требований, которые необходимы для автомобильной техники в областях потребления топлива, выбросов выхлопных газов и шума, сегодня проектируются и разрабатываются электронные системы контроля за наддувом.

На первом этапе, исходя из определенного количества параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла, впускной воздух и выхлопные газы происходит анализ состояния двигателя. Кроме того, измеряются обороты двигателя, положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются компьютером и используются для определения оптимума в условиях давления наддува на мотор.

На втором этапе значение давления передается исполнительным устройствам, контролирующим этот показатель во впускной системе. При определении этого давления также учитываются критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Акустические датчики позволяют определить даже самовозгорание в системах мотора. Давление наддува в этом случае уменьшается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не исчезнет. Когда детонация остановится, давление наддува снова возрастет до исходного значения. Компьютер также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, возникающей, например, из-за использования некачественного топлива.

Читайте также:  Датчик для измерения температуры двигателя

Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, который определяет время его открытия, и работает, соответственно, как специальный регулятор турбины. Таким образом, мембрана действует не на все давление наддува, а только на ее небольшую часть. Данный момент зависит от положения электромагнитного клапана.

При нажатии на педаль акселератора компьютер выдает команду закрыть клапан и все выхлопные газы заходят в турбину, вызывая повышение давления наддува и мотор развивает значительную мощность, что делает возможным быстро ускориться автомобилю. После достижения желаемой скорости сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится стандартным. Ниже на фото продемонстрирована принципиальная схема электронного управления турбонаддувом.

Вариантом системы наддува для двигателей легковых автомобилей является волновой нагнетатель воздуха, также известный, как Comprex. Двигатель, управляемый через зубчатый ремень, делится на секции, ротор вращается в цилиндрическом корпусе с торцами прорезных окон для прохождения свежего воздуха и выхода выхлопных газов. Система окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет волнам давления выхлопного потока преобразовать под давлением поток свежего воздуха. Ниже на изображении наглядно отображен волновой нагнетатель системы турбонаддува.

Основные элементы волнового нагнетателя системы наддува двигателя: 1 – поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 – зубчатый ремень; 3 – поток свежего воздуха под низким давлением; 4 – поршень двигателя; 5 – поток отработавших газов под высоким давлением; 6 – поток отработавших газов под низким давлением; 7 – ротор; 8 – щелевые окна.

Существенным достоинством волнового нагнетателя является непосредственный газодинамический энергообмен между отработавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Волновой обменник, как и механический нагнетатель, автоматически реагирует на изменения нагрузки изменением давления наддува. При постоянном передаточном отношении между двигателем и волновым нагнетателем, энергооб­мен оптимален только для одного рабочего режима.

Для устранения вышеописанного недостатка, на торцах корпуса имеется ряд воздушных «карманов» разной формы и размера, благодаря которым диапазон оптимальной работы нагнетателя расширяется. Кроме того, это позволяет достичь благоприят­ного протекания кривой крутящего момента, чего невозможно добиться при помощи других методов наддува.

Нагнетатель волнового типа по сравнению с другими устройствами наддува требует много места для ременной передачи и систем трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в подкапотном пространстве автомобиля. Однако для дизельных двигателей используется турбонаддув с изменяемой геометрией турбины, который позволяет ограничить поток выхлопных газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Ниже на изображение наглядно продемонстрирован принцип работы волнового турбонаддува.

Основные фазы и компоненты участвующие в работе волнового наддува двигателя: а – положение направляющих лопаток при высокой скорости потока отработавших газов; б – положение направляющих лопаток при низкой скорости потока отработавших газов; 1 – крыльчатка турбины; 2 – управляющее кольцо; 3 – подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 – управляющий рычаг; 5 – управляющий пневматический цилиндр; 6 – поток отработавших газов.

Подвижные направляющие лопатки соплового типа изменяют сечение каналов, через которые отработанные газы устремляются на крыльчатку турбины. Они соприкасаются в турбине и происходит выброс газа под давлением с желаемым повышающим коэффициентом. При низкой нагрузке двигателя подвижные лопасти открывают небольшое поперечное сечение каналов, так что повышается давление выхлопа назад. Поток газов в турбине развивается на высокой скорости, обеспечивая высокую скорость вала нагнетателя. Поток выхлопных газов действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины.

Таким образом, имеется большая моментная нагрузка на рукоятку, которая увеличивает крутящий момент. При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что снижает скорость течения потока выхлопных газов. В результате этого турбо нагнетатель при равном количестве выхлопных газов меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этот метод ограничивает давление наддува. Поворачивая кольцо управления, он изменяет угол наклона лопастей, которое устанавливаются под определенным углом либо непосредственно отдельным рычагом управления, установленным на лопастях, или при помощи поворотных камер.

В свою очередь поворотное кольцо осуществляет управление пневматическим цилиндром под действием вакуума или давления воздуха и в качестве альтернативы, с помощью положения обратной связи двигателя лопастей (датчика положения) их открывает. Открытый нагнетатель с изменением геометрии находится в определенном положении и поэтому безопасен, то есть в случае отказа управления ни он, ни двигатель не повреждаются. Однако могут возникать потери, но только от производительности и при низких частотах вращения коленчатого вала.

В заключении отметим, что турбонаддув — это определенный тип наддува, при помощи которого воздух в рабочую область цилиндров нагнетается под сильным давлением за счет использования энергии отработанных газов. Турбонаддув используется на бензиновых и дизельных двигателях. Наиболее эффективен в сочетании с дизельным мотором вследствие высокой степени сжатия газов в двигателе и довольно невысокой частоты вращения вала коленчатого типа. Однако сдерживающими факторами использования и применения систем наддува двигателей на бензиновых моторах являются моменты, связанные с наступлениями детонаций, которые возникают в связи с резким повышением частоты вращения двс. Кроме того, при работе на высоких температурах с отработанными газами может происходить сильный перегрев системы наддува мотора, что в свою очередь приводит к выходу из строя самой турбины автомобиля.

Источник

Adblock
detector