Как устроен турбокомпрессор

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува 01

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась  на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов –

«ЧТЗ»

, «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Немного о турбокомпрессоре

Турбокомпрессор или его ещё называют «газотурбинный нагнетатель» (Centrifugal compressors или очень популярно называть «Turbocharger») — это осевой или центробежный компрессор, что функционирует вместе с турбиной. Это конструктивный основной элемент в автомобилях с газотурбированными двигателями.

Давление во впускной системе можно повысить при помощи установки турбокомпрессора, использующего энергию отработавших газов. При его использовании масса воздуха, имеющегося в камерах сгорания, увеличивается. Механический нагнетатель не так эффективен, как турбированный компрессор газов, потому что мощность двигателя не используется для привода.

Тем не менее, после установки центробежной турбины некоторые потери мощности неизбежны. Отработавшие газы из цилиндров не находят выхода, так как турбина преграждает их путь наружу. На двигатель приходится большая нагрузка по очистке цилиндров, вследствие того, что в выпускном тракте создаётся огромное давление.

После установки центробежной турбины, можно столкнуться с ещё одной проблемой, которая в обиходе называется турбояма. Выходная мощность двигателя изменяется с отставанием от смены давления отработавших газов. Главными факторами, из-за которых образуется турбояма, являются силы трения, инерционность и нагрузка турбины.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»).

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

  • корпус компрессора;
  • компрессорное колесо;
  • вал ротора, или ось;
  • корпус турбины;
  • турбинное колесо;
  • корпус подшипников.
Читать далее:  Как устроены дворники почему не работают дворники на автомобиле ВАЗ 2107

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить.

А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта.

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

  • регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
  • перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
  • и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
  • выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
  • герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Конструкция и принцип работы турбины

Работа турбокомпрессора автомобиля, турбонагнетателя, схема
Схема турбонагнетателя

Тремя основными элементами, содержащимися в конструкции турбокомпрессора являются: центробежный компрессор, турбина и центральный корпус. Кинетическая энергия отработанных газов под воздействием турбины преобразуется во вращательное движение компрессора. Также турбина соединяет турбинное колесо, помещённое в специальный корпус в форме улитки.

Поступая в улитку, отработавшие газы перемещаются по каналу, а затем попадают на лопасти турбинного колеса. Затем оно набирает скорость в пределах 250 000 оборотов в минуту. Вал, к которому приварено турбинное колесо, передаёт на колесо компрессора энергию, которая придаёт его вращению. Лопасти турбинного колеса становятся проводниками отработавших газов, которые затем покидают турбину через отверстие в центре турбокомпрессора и выходят в выпускную систему.

Составляющие турбины изготавливаются из жароустойчивых металлов, так как внутри турбокомпрессора достигается невероятная температура. В состав турбинного колеса входит железоникелевый сплав, а в состав центрального корпуса — жаропрочная сталь.

От формы и размера турбины напрямую зависит производительность турбокомпрессора. Больший размер турбины увеличивает производительность компрессора. Значительный прирост мощности наблюдается в турбинах большего размера, потому что они могут использовать большее давление отработавших газов. Однако в таких турбокомпрессорах, на низких оборотах, значительна вероятность возникновения турбоямы. Номинальная скорость достигается гораздо быстрее при использовании турбокомпрессора меньшего размера, но они показывают меньшую производительность.

Читать далее:  Можно ли смешивать антифриз с водой летом или зимой.

Перепускной клапан устанавливается в корпус турбины для управления уровнем давления наддува. Регулировка клапана производится при помощи системы управления двигателем. Клапан оснащён пневматическим приводом.

Как устроен турбокомпрессор

Вал располагается в центральном корпусе. Это позволяет ему достигать максимальной скорости вращения при минимальном трении. Вращение происходит в одном или двух подшипниках. Для этой цели подойдут различные конструкции подшипников скольжения. Шарикоподшипники используются редко.

Система смазки двигателя обеспечивает полную смазку подшипников и вала. Промеж корпусом и подшипником имеется много пропускных каналов, через которые протекает масло. Помимо функции смазки, масло оказывает охлаждающий эффект на нагретые детали. Лучше всего охлаждение происходит в двигателях с искровым зажиганием, в которых центральный корпус турбины входит в систему охлаждения двигателя.

Дополнительный объем давления во впускной системе создаётся при воздействии

. Его конструкция похожа на аналогичные механические нагнетатели. Составляющими центробежного компрессора являются корпус и компрессорное колесо. В ЦК (центробежный компрессор) поток воздуха проходит путь от центра колеса до корпуса. Резкое понижение скорости потока воздуха позволяет преобразовать его кинетическую энергию в давление. Впускной коллектор пропускает сжатые потоки воздуха в двигатель. При изготовлении компрессорного колеса и корпуса используется алюминий.

Для снижения последствий турбоямы и повышения производительности, конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются — постоянная модернизация конструкции турбокомпрессора позволяет уменьшить последствия турбоямы и повысить его производительность. Ниже можно посмотреть список самых эффективных способов модернизации:

  1. При использовании прочных и лёгких материалов достигается значительное снижение массы турбины. Например, керамики.
  2. Установка новых подшипников с пониженным уровнем трения.
  3. Раздельный турбокомпрессор
  4. Турбина с изменяемой геометрией

Поговорим подробнее о последних двух пунктах этого списка.

Для отработавших газов в раздельном турбокомпрессоре есть два входных отверстия. Также в нем имеются два сопла, предусмотренных для каждой пары цилиндров. Первое сопло обеспечивает быстрое реагирование, а второе — максимальную производительность. Конструкция раздельного турбокомпрессора разработана для предотвращения перекрытия выпускных каналов, при прохождении через них отработавших газов.

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха.

Как работает турбина дизельного двигателя 01

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

ustroistvo turbo
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.
Читать далее:  Датчик включения вентилятора: как он устроен, где находится и при какой температуре срабатывает
Как работает турбина
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.

Как устроен турбокомпрессор

Основным недостатком работы турбины является возникающий на малых оборотах двигателя эффект «турбоямы». Он представляет собой временную задержку отклика системы на изменение оборотов двигателя. Для устранения этого недостатка разработаны различные виды турбокомпрессоров:

  • Система twin-scroll, или раздельный турбокомпрессор. Конструкция имеет два канала, которые разделяют камеру турбины и, соответственно, поток отработавших газов. Это обеспечивает более быстрое реагирование, максимальную производительность турбины, а также предотвращает перекрытие выпускных каналов.
  • Турбина с изменяемой геометрией (с переменным соплом). Такая конструкция чаще используется на дизеле. Она предусматривает изменение сечения входа в колесо турбины за счет подвижности ее лопастей. Смена угла поворота позволяет регулировать поток отработавших газов, благодаря чему происходит согласование скорости отработавших газов и рабочих оборотов двигателя. На бензиновом двигателе турбина с изменяемой геометрией часто устанавливается на спортивных автомобилях.

К минусам турбокомпрессоров можно отнести и небольшой срок службы турбины. Для бензиновых двигателей он в среднем составляет 150 000 километров пробега машины. В свою очередь, ресурс турбины дизельного двигателя несколько больше и в среднем достигает 250 000 километров. При постоянной езде на высоких оборотах, а также при неправильном подборе масла сроки эксплуатации могут сократиться в два или даже в три раза.

В зависимости от того, как работает турбина, на бензиновом или дизельном двигателе, можно судить о ее исправности. Сигналом о необходимости проверки узла является появление синего или черного дыма, снижение мощности двигателя, а также появление свиста и скрежета. Для профилактики неисправностей необходимо вовремя менять масло, воздушные фильтры и регулярно проходить техобслуживание.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

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

Следует напомнить о том, что некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

Вот это «улитка»!

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
AutoJiza
Adblock
detector