Турбонаддув: устройство турбокомпрессора

История

Многие думают, что турбированные моторы появились не так давно. Но это, на самом деле, произошло в XX веке. В 1911 году американский изобретатель А. Бюхи получил официальный патент на промышленное производство системы, которое позволило увеличивать мощность мотора в несколько раз.

Несмотря на то, что Альфред Бюхи понял, как правильно «сжимать» воздух на впуске, на практике этот процесс впервые начал работу в момент, когда фирма General Electric приступила к экспериментам с газовым наддувом. Через 10 лет турбонагнетателем оснастили двигатель Liberty на биплане. Ему удалось тогда подняться на высоту более 10 км.

Первые турбины давали хорошую прибавку к мощности, но были очень громоздкими. Они увеличивали и так большой вес автомобилей. По этой причине дальнейшее распространение турбонаддува не пошло. Например, в Америке не спешили встраивать ее в выпускаемые машины.

Система турбонаддува использовалась в европейских странах. В те годы как раз нагрянул бензиновый кризис. Снизить объем двигателя и повысить его мощность помогал турбонаддув. Со временем система подвергалась совершенствованию, но проблема большого расхода топлива оставалась. Решить ее удалось только в 1970 году, когда компания Мерседес представила авто с дизельным двигателем с турбонаддувом. Теперь расход топлива был снижен, поскольку дизельный агрегат оказался не таким «прожорливым».

Кстати, турбокомпрессоры использовались в авиационном строительстве еще до Второй Мировой войны. Немного позже их устанавливали на пассажирских лайнерах. Таким образом, можно сказать, что турбонаддув появился в прошлом веке, но свою заслуженную популярность получил лишь через 100 с лишним лет.

Устройство и принцип работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор (турбина) — механизм, применяемый в автомобилях для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. При этом привод турбины осуществляется исключительно за счет действия отработавших газов (выхлопа). Применение турбокомпрессора позволяет существенно увеличить мощность двигателя (примерно на 40%), сохраняя компактными его габаритные размеры и низкий уровень расхода топлива.

Конструкция и принцип работы турбины

Устройство турбокомпрессора

Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:

1. Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
2. Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
3. Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
4. Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
5. Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
6. Перепускной клапан — предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.

Принцип работы турбокомпрессора

Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:

• Отработавшие газы направляются в корпус турбокомпрессора, где воздействуют на лопатки турбинного колеса.
• Колесо турбины начинает вращаться и разгоняться. Скорость вращения турбины при высоких оборотах может достигать до 250 000 оборотов в минуту.
• Пройдя через колесо турбины, отработавшие газы отводятся в систему выпуска.
• Компрессорное колесо синхронно вращается (поскольку находится на одном валу с турбинным) и направляет поток сжатого воздуха в интеркулер и далее во впускной коллектор двигателя.

Особенности эксплуатации турбин

В сравнении с механическим нагнетателем, работающим от привода коленчатого вала, достоинствами турбины является то, что она не отнимает мощность у двигателя, а использует энергию побочных продуктов его работы. Она дешевле в изготовлении и экономичнее в эксплуатации.

Хотя технически устройство турбины дизельного двигателя практически не отличается от систем для бензиновых моторов, на дизеле она встречается чаще. Основная особенность заключается в режимах работы. Так для дизеля могут применяться менее жаропрочные материалы, поскольку температура отработавших газов в среднем составляет от 700 °С в дизельных двигателях и от 1000°С в бензиновых моторах. Это значит, что устанавливать дизельную турбину на бензиновый двигатель нельзя.

С другой стороны, для этих систем характерны и разные уровни давления наддува. При этом стоит учитывать, что производительность турбины зависит от ее геометрических размеров. Давление нагнетаемого в цилиндры воздуха складывается из двух частей: 1 атмосфера давления окружающей среды плюс избыточное, создаваемое турбокомпрессором. Оно может варьироваться от 0,4 до 2,2 и более атмосфер. Если учесть, что принцип работы турбины на дизельном двигателе предусматривает поступление большего объема выхлопных газов, конструкция для бензинового мотора также не может устанавливаться на дизелях.

Принцип действия РД

В качестве топлива в реактивных двигателях используется жидкий кислород либо азотная кислота. В качестве горючего применяют керосин. 

Компоненты поступают в камеру сгорания из двух отдельных баков. После смешивания они превращаются в массу, которая при сгорании выделяет огромное количество тепла и десятки тысяч атмосфер давления. Окислитель подается в камеру сгорания.

Топливная смесь по мере прохождения между сдвоенными стенками камеры и сопла охлаждает эти элементы. Далее горючее попадет через огромное количество форсунок в зону воспламенения. Струя вырывается наружу. За счет этого и обеспечивается толкающий момент.

Несмотря на то что жидкостные двигатели потребляют очень много горючего, их до сих пор используют в качестве маршевых агрегатов для ракеты-носителей и маневровых для орбитальных станций.

Принцип действия турбонаддува

Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.

Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.

Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.

Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.

Как работает турбонаддув в машине

Энергия отработанных выхлопных газов в двигателе направляется на турбинное колесо нагнетателя, которое под воздействием газов вращается в своем корпусе, имеющем особую форму для улучшения кинематики прохождения выхлопных газов.

Температура здесь весьма высока, а потому корпус и сам ротор турбины вместе с ее крыльчаткой выполняются из жаропрочных сплавов, способных выдерживать длительное высокотемпературное воздействие. Также в последнее время для этих целей используются керамические композиты.

Компрессорное колесо, вращаемое за счет энергии турбины, осуществляет всасывание воздуха, его сжатие и последующее нагнетание в цилиндры силового агрегата. При этом вращение компрессорного колеса также производится в отдельной камере, куда попадает воздух после прохождения через воздухозаборник и фильтр.

Как турбинное, так и компрессорные колеса, как уже говорилось выше, жестко закрепляются на роторном валу. При этом вращение вала производится с помощью подшипников скольжения, которые смазываются моторным маслом из основной системы смазки двигателя.

Подача масла к подшипникам производится по каналам, которые располагаются непосредственно в корпусе каждого подшипника. Для того, чтобы герметизировать вал от попадания масла внутрь системы, используются специальные уплотнительные кольца из жаростойкой резины.

Безусловно, основной конструктивной сложностью для инженеров при проектировании турбонагнетателей является организация их эффективного охлаждения. Для этого в некоторых бензиновых моторах, где тепловые нагрузки наиболее высоки, нередко применяется жидкостной охлаждение нагнетателя. При этом корпус, в котором расположены подшипники, включается в двухконтурную систему охлаждения всего силового агрегата.

Еще одним важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Его предназначением выступает охлаждение поступающего воздуха. Наверняка многие из читателей этого материала зададутся вопросом о том, зачем охлаждать «забортный» воздух, если его температура и так невелика?

Ответ кроется в физике газов. Охлажденный воздух увеличивает свою плотность и, как результат, возрастает его давление. При этом конструктивно интеркулер представляет собой воздушный либо жидкостный радиатор. Проходя через него, воздух снижает температуру и увеличивает свою плотность.

Важной деталью системы турбонаддува автомобиля выступает регулятор давления наддува, представляющий собой перепускной клапан. Он применяется с целью ограничить энергию отработавших газов двигателя и направляет их часть в сторону от колеса турбины, что позволяет регулировать давление наддува

Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля. Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления.

Помимо клапана, регулирующего давление наддува, в воздушном тракте непосредственно после компрессора (где давление максимально) может монтироваться предохранительный клапан. Целью его использования является защита системы от скачков давления воздуха, которые могут быть в случае резкого перекрытия дроссельной заслонки двигателя.

Избыточное давление, возникающее в системе, стравливается в атмосферу с помощью так называемого блуофф-клапана, либо направляется на вход в компрессор клапаном типа bypass.

Виды турбин. Какие бывают на автомобиле, что выбрать

Долго собирался написать эту статью, все собирался с духом. Народных тюнеров всегда интересует такая информация — как же улучшить свой автомобиль, и в первую очередь как сделать его мощнее? Многие растачивают цилиндры (но как ни крути, сильно расточить не получится, стенки блока тонкие), другие устанавливают турбины или компрессоры это уже более здравая идея — но вот что лучше выбрать? Какой вид турбины установить? И вообще, какие они бывают. На все эти насущные проблемы постараюсь ответить в этой статье, кстати, в конце будет полезное видео, а также голосование, так что читаем, вам понравится …

Действительно сейчас существует много вариантов прокачки мощности двигателя, начиная от элементарной прошивки блока ЭБУ, заканчивая установкой «турбо нагнетателя». Многие ошибочно полагают — что турбины все одинаковы и никаких различий в них нет – ну может мощность разная, материалы изготовления ну и все.

А вот нет ребята, видов этих нагнетателей воздуха сейчас существует как минимум три:

1) Механический или так называемый компрессор

2) Турбо нагнетатель, работает от отработанных газов

3) Электрический вариант, самый свежий, но еще не изученный толком. Но как считаю за ним будущее.

Я сейчас не буду лезть в дебри и говорить о так называемых подтипах турбин, их особенно много у второго типа, а именно пройдусь по разным конструкциям. И все в конце постараемся вывести что из них лучше. НУ что же поехали.

История развития и современные проблемы производства тепловых двигателей

Первые тепловые двигатели имели очень низкий КПД, например, первый паровоз (рис. 6), который был создан в начале XIX века, имел коэффициент полезного действия около 3%, а последние паровозы (рис. 7), которые ходили по железным дорогам в прошлом веке, имели КПД повыше – около 7–9%.

Рис. 6. Первый паровоз. (Источник)

Рис. 7. Один из последних паровозов. (Источник)

Тем не менее, даже при таких низких значениях КПД данные транспортные средства очень активно эксплуатировались, т. к. более совершенных агрегатов на то время попросту не было. На сегодняшний день КПД тепловых двигателей, конечно, гораздо выше, например, дизельный двигатель (рис.

Рис. 8. Дизельный двигатель

Рис. 9. Современная паровая турбина. (Источник)

В конце занятия следует отметить очень важную тенденцию в развитии современного двигателестроения. Как мы видели, основные принципы работы тепловых двигателей уже давно открыты и получены эффективные технологии их изготовления, но возникает проблема экологичности их использования. Поскольку все тепловые двигатели потребляют топливо, то от них неизбежно возникают вредные выбросы в окружающую среду. Так вот одной из основных задач науки и техники в этой области является минимизация нанесения вреда окружающему нас миру от продуктов деятельности подобных устройств.

Тепловые двигатели на сегодняшний день уже являются объектами прошлого, и на первый план выходят двигатели иного принципа работы, о них мы поговорим в будущем.

На следующем уроке мы займемся решением задач по теме «КПД».

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Кафедра теоретической физики (Источник).
2. Классная физика (Источник).
3. YouTube (Источник).

Домашнее задание

1. Стр. 56: вопросы № 1–3; стр. 57: вопросы № 1–4, задание № 5. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Каков КПД теплового двигателя, который совершил полезную работу 70 кДж, если при полном сгорании топлива выделилась бы энергия 200 кДж?
3. При сгорании топлива в тепловом двигателе выделилось количество теплоты 200 кДж, а холодильнику передано количество теплоты 120 кДж. Каков КПД теплового двигателя?
4. Автомобиль прошел 100 км со средней скоростью 40 км/ч. При этом он израсходовал 8 л бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля, если его КПД 30%?

Турбонаддув

Турбонаддув – это система, позволяющая увеличить максимальную мощность двигателя, используя для этого энергию выхлопных газов. 

Первые турбины хотя и давали весьма ощутимую прибавку в мощности, но из-за своей громоздкости во много раз увеличивали и без того немаленький вес двигателей автомобилей тех лет.

Конструкторы со временем усовершенствовали технологию, сделав элементы системы более легковесными, одновременно повысив ее производительность. Но одним из существенных недостатков оставался повышенный расход топлива.

Конструкторам удалось решить одну из главных проблем турбодвигателя – расход топлива, ведь, как известно, дизельный агрегат менее «прожорливый», чем бензиновый.

Еще один несомненный плюс дизельного топлива – его отработанные газы имеют температуру ниже, чем бензиновые, стало быть, основные агрегаты системы турбонаддува можно было производить из менее тяжеловесных и жаростойких материалов. 

Что делать, если турбина сломалась

Если обнаружилась неисправность первое, что нужно сделать — провести диагностику. Причём чем раньше, тем лучше. Если вовремя заменить неисправную деталь, удастся избежать более серьёзных проблем

Например — зачастую автовладелец не обращает внимание на лёгкое постукивание думая, что это не имеет значения, в результате через какое-то время приходится покупать новую турбину, хотя изначально можно было обойтись небольшим ремонтом

Следует отметить, что недостаточно знать, как работает турбина на дизеле — нужно идеально разбираться во всех её компонентах. Только обладая соответствующими навыками, опытом и оборудованием получится провести качественный ремонт. Именно поэтому рекомендуем не пытаться самостоятельно отремонтировать агрегат (можно сделать только хуже), а обратиться в компанию «Дизель-Мастер». Специализируемся на ремонте турбин с 1998 года, а потому знаем о них всё.

5 причин обратиться именно к нам:

1. В наличие высокоточное диагностическое оборудование (стенды Bosch и Delphi);
2. В штате — специалисты с большим практическим опытом подобных работ.
3. Быстрый ремонт в течение дня без потери в качестве.
4. Используем только оригинальные комплектующие и ремкомплекты.
5. Предоставляем официальную гарантию на комплектующие и выполненный ремонт.

При первых признаках дефекта — обратитесь к нам. Установим причину неисправности и предложим эффективный, экономичный способ её решения.

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. Установка2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя. Прикомбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.

Турботаймер

Турботаймер — это электронное устройство, помогающее увеличить срок работы автотурбины. Иными словами, он является специальным контроллером, который заглушает двигатель через время после удаления ключа зажигания из замка. Все это время агрегат работает на холостом обороте. Турботаймер устанавливают под торпедо и подключают к замку зажигания.

Турботаймер дает возможность турбине остывать в условиях повышенной температуры. Охлаждение происходит с помощью машинного масла. Если двигатель перестает функционировать, то подача смазки-охладителя останавливается. Это все приводит к тому, что детали выходят из строя.

Автолюбители, которые постоянно эксплуатируют турбированные моторы на больших оборотах, сначала заставляют турбину работать вхолостую, и только потом выключают зажигание. Турбина остывает самостоятельно, но если использовать турботаймер, то сидеть и ждать в машине охлаждения не потребуется. Можно вытащить ключ из замка, а затем электроника сама заглушит мотор.

Если человек оставит турботаймер работающим, а сам покинет салон, то другой человек не сможет угнать машину. Устройство блокирует управление. Если человек захочет уехать на автомобиле, то сработает сигнализация.