С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00

Давление наддува турбины дизельного двигателя


Избыточное давление. Всё про наддув — DRIVE2

Наддув — самый доступный и простой способ увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. Теория проста: чтобы выросла отдача, нужно сжечь как можно больше топлива. Но для его горения необходим ещё и воздух. И если «налить» в цилиндры сколько угодно топлива проще простого (качай себе и качай мощным насосом), то с воздухом дело обстоит сложнее — для него тоже нужен своеобразный насос. И роль такого агрегата в двигателях играют нагнетатели. Вне зависимости от его типа, оснащённый наддувом двигатель обладает большей мощностью и крутящим моментом, чем аналогичный атмосферник. Почему это возможно, какие существуют конструкции и какие побочные эффекты имеет наддув? Рассказываем в нашей справке по современным системам.

Турбина

ИСТОРИЯ НАДДУВАВпервые техническая идея загнать в автомобильный двигатель больше воздуха с помощью энергии вращения коленвала пришла в голову Готтлибу Даймлеру в 1885 году, а в 1905 году швейцарец Альфред Бюхи получил патент на аналогичную систему, работающую уже от энергии выхлопных газов. Но до реализации этих решений в автомобилях прошло некоторое время — первый серийный легковой автомобиль «наддули» с помощью приводного нагнетателя в 1921 году — им стал Mercedes-Benz. Турбонагнетатели же стали получать распространение в авиационных двигателях 1920-х годов, так как там было особенно важно справляться с потерей мощности по мере набора высоты, где плотность воздуха становится меньше. Вскоре газовые нагнетатели нашли своё применение и в грузоперевозках — прибавка в крутящем моменте оказалась для дизелей судов и локомотивов очень кстати. Первой легковушкой с турбонагнетателем под капотом стало купе-хардтоп Oldsmobile Jetfire с 215-сильным V8.

Точно такой же мотор Oldsmobile без турбины выдавал в то время 155-195 сил в зависимости от степени форсировки. Но важнее другое: тяга даже 195-сильного атмосферника ограничивалась 300 Н·м, тогда как турбокупе выдавало все 410. Если у атмосферных моторов существует практически прямая зависимость между объёмом камеры сгорания и максимальным крутящим моментом, то наддувные агрегаты такого недостатка лишены — по-разному конфигурируя систему, инженеры могут добиваться очень впечатляющей прибавки тяги при неизменном объёме

Вскоре турбина появилась и на Chevrolet Corvair Corsa (расположенный сзади 6-цилиндровый оппозитник воздушного охлаждения с наддувом был лишь одним из необычных технических решений этой экзотической машины), а после подоспели и европейцы в лице Porsche (911 Turbo в 1975 году) и Saab (99 Turbo 1978 года). А вот с наддувным дизельным седаном всех опередил производитель из Старого Света — в 1978 году появилась версия 300SD лимузина Mercedes-Benz W116. Вскоре дизельные автомобили приобрели в Европе огромную популярность, а турбонаддув стал неотъемлемой частью конструкции легкового дизеля. Существуют и грузовые дизели с приводными нагнетателями, но по ряду технологических причин эта схема не получила широкого распространения в автомобилестроении.

КАКИЕ СУЩЕСТВУЮТ ВИДЫ НАДДУВА

Избыточное давление, которое создаёт нагнетатель, потому так и называется, что оно больше окружающего нас атмосферного. Иногда давление наддува указывается в абсолютных величинах: в таком случае рабочее пиковое давление системы в 1,6 бара будет означать 0,6 бара избытка. Чаще всего в разговорах и литературе упоминается именно значение избытка. На фотографии монитор Subaru Forester показывает давление избытка: поскольку на холостых оборотах в камере сгорания разрежение, то давление меньше атмосферного, и на дисплее указано отрицательное значение

Читайте соответствующий тест-драйвК механическим видам наддува (обычно под наддувом понимаются именно механические схемы) относят приводной компрессор и турбокомпрессор. Приводной нагнетатель, как правило, располагается вдоль блока рядного двигателя или в развале V-образного блока и приводится от коленвала с помощью ременной передачи, прессуя воздух парой винтовых роторов или крыльчаткой. Турбина же приводится в действие вылетающими из цилиндров в коллектор под большим давлением выхлопными газами и утрамбовывает воздух на впуске крыльчаткой. Обычно турбина находится сразу за выпускным коллектором или непосредственно интегрирована в него — как, например, в современных моторах группы Volkswagen.

На оборотах двигателя выше 3500 в бампере Porsche Panamera GTS открываются боковые воздуховоды, и двигатель получает больше воздуха. А на высоких скоростях благодаря рассчитанной форме и сечению патрубков во впускной системе создаётся эффект увеличенного давления воздуха, что позволяет считать такую систему разновидностью наддува

Отдельно можно выделить эксперименты производителей с электротурбинами. Они не отбирают мощность у двигателя и лишены газовой турбоямы, так как колесо компрессора вращает электромотор. Впрочем, к этой схеме у производителей до сих пор остаётся немало вопросов, и подробнее об этом можно прочитать в нашем материале Audi завтрашнего дня. Кроме механического, существует ещё безагрегатный наддув. Так называют повышение давления на впуске с помощью сочетания скорости движения и особой формы и размеров впускных патрубков. Избыточное давление такого типа является мерой дополнительного форсирования преимущественно спортивных атмосферных двигателей. Примером заводской реализации такой схемы может служить впускной тракт хэтчбека Porsche Panamera в особой версии GTS.КАК УСТРОЕН ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬКонструкция турбонагнетателя проста: на едином валу находятся две крыльчатки, каждая из которых вращается в своём корпусе, называемом в народе «улитка». Одну крыльчатку (в так называемой горячей улитке) вращает поток выхлопных газов, а связанная с ней единой осью вторая крыльчатка в холодной части крутится и трамбует во впускной тракт забираемый с улицы воздух. Таким образом, чем выше обороты работы двигателя, тем больше он вырабатывает газов и тем больше воздуха впоследствии получает. Идеальный замкнутый круг с бесконечным потенциалом повышения мощности?

Современные турбокомпрессоры имеют практически нелимитированный потенциал увеличения мощности двигателя. Ограничителем обычно выступает механическая прочность вращающихся и движущихся деталей силового агрегата, а также баланс итоговых характеристик мотора и здравый смысл. Ввиду меньшего КПД и ряда технических особенностей приводные нагнетатели позволяют увеличивать мощность не так эффективно

Но всё не так просто. Во-первых, шатунно-поршневая группа каждого мотора рассчитана на определённые нагрузки, и превышение их приведёт к разрушению двигателя. Во избежание бесконтрольного роста давления наддува в горячей части нагнетателя предусмотрена специальная калитка-клапан под названием «вейстгейт» (в переводе — клапан для излишков), которая открывается с помощью пневматики или сервопривода при достижении пикового расчётного давления в системе. В результате «лишние» газы просто идут в обход турбинного колеса прямиком в выхлопной тракт и не раскручивают компрессор сверх меры. Как правило, в моторах есть и ещё одна страховка от «передува» — при превышении критического порога давления блок управления двигателем ограничивает увеличение подачи топлива на безопасной отметке, и мотор перестаёт производить слишком много выхлопных газов.

my.mail.ru/corp/auto/video/articles/2578.html

Эта анимация наглядно показывает как устроен и работает классический турбонагнетательНо в защите нуждается не только поршневая группа, но и сам турбокомпрессор. Представьте, что он уже «надул» много сжатого воздуха во впускной трубопровод, а водитель внезапно закрыл дроссель — ударившись в такое препятствие, сжатый воздух направится искать себе другую дорогу и обязательно найдёт её в противоположном направлении, где находится только что спрессовавшее его колесо компрессора. Возникающая в таком случае на крыльчатку нагрузка называется помпаж и воздействует на турбонагнетатель самым деструктивным образом. Для стравливания излишнего воздуха в районе впускного патрубка или интеркулера в систему встраивается ещё один перепускной клапан, который отправляет воздух обратно на впуск перед турбокомпрессором (тогда клапан называется байпасным) или в атмосферу (блоу-офф-клапан). Последняя разновидность «перепускников» как раз и порождает чихающие, свистящие и шипящие звуки тюнингованных автомобилей с турбонаддувом, которые можно услышать на улицах.

С понятием «турбоямы» не нужно путать понятие «турболаг». Если первое — это диапазон оборотов двигателя, где турбосистема не способна эффективно работать, то второе — время задержки системы в ответ на нажатие педали газа с целью получить генерируемую турбокомпрессором дополнительную мощность. Природа лага состоит в том, что дополнительный воздух необходимо всосать, сжать и прогнать по трубопроводу системы впуска до самой камеры сгорания. По конструктивным и компоновочным причинам весь впускной тракт иногда получается достаточно длинным, и на его прохождение воздуху требуется то самое время, которым измеряется задержка под названием «турболаг»

Ещё одна проблема уже эксплуатационного характера заключается в том, что на малых оборотах поток газов слишком мал, чтобы раскрутить вал турбокомпрессора для создания сколько-нибудь существенного давления и получения дополнительной мощности — в народе такая ситуация называется «турбоямой». Поэтому конструкторы систем наддува тщательно подбирают размеры «холодной» и «горячей» крыльчаток в зависимости от объёма двигателя и желаемого характера тяги. Например, в спортивной Audi Sport quattro турбина имеет огромную горячую часть и небольшую холодную, поэтому, чтобы раскрутить такой нагнетатель, нужно выйти на высокие обороты (3500-4000 об/мин и выше), но зато потом следует очень резкий бескомпромиссный подхват. А в современном гражданском Mini Countryman (мы совсем недавно ездили на обновлённой модели) с небольшим моторчиком объёмом 1,6 литра нагнетатель маленький, но зато легко раскручивается с минимальных оборотов, что удобно в городских условиях.

Благодаря универсальности и простоте твинскролльные турбокомпрессоры получают всё большее распространение в легковом автомобилестроении

Чтобы понизить порог наддува, когда турбина создаёт избыточное давление, и сократить зону турбоямы, создатели турбокомпрессоров используют различные конструктивные ухищрения. Самые распространённые из них — крыльчатка с изменяемой геометрией и твинскролльная горячая «улитка». TwinScroll предусматривает два параллельных, но разного размера и формы канала для выхлопных газов в едином корпусе улитки — газы в каждый из каналов попадают от своей группы цилиндров, но крутят единое турбинное колесо. Его лопатки выполнены таким образом, что одинаково эффективно воспринимают импульсы из обоих каналов.

Наибольшее распространение нагнетатели с изменяемой геометрией получили на дизельных моторах, в бензиновых агрегатах одними из первых массово подобную конструкцию применили создатели Porsche 911 Turbo предыдущего поколения 997

Из-за различной геометрии каналов и достигается хорошая тяга одновременно и на низких, и на средних и высоких оборотах, а отсутствие столкновения и завихрения потоков газов от разных групп цилиндров улучшает газодинамические свойства системы. Турбины же с изменяемой геометрией имеют специальные, приводимые актуатором, подвижные лопатки-заслонки, которые в разных положениях позволяют менять форму газового канала в горячей улитке (упрощённо — в разное время имитируют маленькую и большую турбину) и таким образом максимально эффективно в конкретный момент времени направлять на турбинное колесо поток выхлопных газов.

my.mail.ru/corp/auto/video/articles/2579.html

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией можно изучить на примере дизельного нагнетателя компании HolsetКАК УСТРОЕН МЕХАНИЧЕСКИЙ НАГНЕТАТЕЛЬВ отличие от питающегося «бесплатными» выхлопными газами турбокомпрессора, механический нагнетатель приводится в движение энергией вращающегося коленвала. Соответственно, чтобы получить дополнительную мощность, двигатель сначала часть мощности отдаёт, поэтому КПД такого решения ниже. Но, тем не менее, производители не спешат отказываться от приводных нагнетателей, потому как они наделяют автомобиль моментальной тягой с самых низких оборотов — понятие турбоямы к приводным компрессорам практически неприменимо. Конструкция предусматривает ременную, цепную или реже передачу иного типа, которая вращает вал нагнетателя от коленвала мотора. Аналогично турбокомпрессору, нагнетатель прессует воздух и отправляет его под избыточным давлением во впускной коллектор. Наиболее похожий на турбокомпрессор вид приводного нагнетателя — центробежный. Он трамбует воздух аналогичным турбинным колесом, но приводится оно не выхлопными газами, а механически.

Механический нагнетатель типа Roots

Приводной винтовой компрессор типа Lysholm

my.mail.ru/corp/auto/video/articles/2581.htmlЭта анимация компании Eaton – одного из ведущих производителей компрессоров Roots-типа — объясняет принцип работы такого нагнетателяНо самым первым компрессором, который применил в автомобилестроении Готлиб Даймлер, стал агрегат типа Roots, названный по имени своих создателей-братьев — изначально они разработали устройство для промышленных нужд. Такой нагнетатель представляет собой собранные в едином корпусе и находящиеся своими лопастями-кулачками в зацеплении два продолговатых ротора, которые своим вращением по направлению друг к другу захватывают и прокачивают воздух во впускной коллектор. Третья разновидность компрессоров — винтовые типа Lysholm — перекачивают и сжимают воздух с помощью сверлообразных несимметричных роторов, которые находятся в зацеплении. Благодаря уменьшающимся по направлению к выходу из компрессора воздушным камерам между шнеками осуществляется внутреннее сжатие воздуха, что обеспечивает большую в сравнении с Roots-нагнетателями эффективность системы. Аналогично газотурбинным схемам, развиваемое механическими компрессорами давление регулируется с помощью клапанов или муфт.

Турбонагнетатель? Нет, это третья разновидность приводного компрессора, который в качестве нагнетающего элемента использует улитку с крыльчаткой внутри, как у классической газовой турбины

КОМБИНИРОВАННЫЕ СХЕМЫ АГРЕГАТНОГО НАДДУВАКак только системы наддува стали использоваться массово, инженеры стали думать над повышением их эффективности. Для борьбы с турбоямой, помимо вышеупомянутого твинскролльного наддува, используется схема с двумя последовательно дующими нагнетателями: это может быть маленькая турбина для низких оборотов в сочетании с большой для средних и высоких (так называемая архитектура твинтурбо; пример — Subaru Legacy в кузове BE/BH) или симбиоз приводного компрессора для низких оборотов и турбокомпрессора для средних и высоких. Последним прославилась компания Volkswagen со своим мотором 1.4 Twincharger, который обеспечивал плавный рост давления, но вместе с тем из-за сложности конструкции доставлял немало хлопот по части надёжности и обслуживания.

Это двигатель Volkswagen 1.4 TSI Twincharger. Разработчики умудрились скомпоновать в небольшой «четвёрке» механический нагнетатель (слева от блока цилиндров на изображении) и газовую турбину (справа от блока)

Однако две турбины одного мотора не обязательно отличаются размерами и работают последовательно: во многих современных наддувных моторах цилиндры условно делятся на две группы, и каждая из них обслуживается своим собственным нагнетателем. Однако инженерные изыскания порой порождают и более экзотические варианты: например, в новом трёхлитровом супердизеле BMW (381 л.с./740 Н•м) — три турбины! На низких оборотах работает первая маленькая турбина с изменяемой геометрией, на средних оборотах в дело включается большой нагнетатель, а на высоких прокачивать воздух в цилиндры помогает третий небольшой турбокомпрессор. Результат — водитель трёхлитровой машины ощущает под капотом литров так пять, да ещё и как будто с механическим нагнетателем, практически без турбоямы и лага. Ещё одна схема, пока не нашедшая серийного применения — электрическая турбина в качестве помощника обычному газовому компрессору, мы упоминали о ней выше.

my.mail.ru/corp/auto/video/articles/2580.html

На этой анимации компании BMW представлена схема работы нагнетателей первого в мире легкового двигателя с тремя турбинамиОХЛАЖДЕНИЕ ВОЗДУХАТак как воздух в процессе прохождения через нагнетатель спрессовывается и соприкасается с горячими деталями агрегата, он нагревается и сам. Тёплый воздух имеет меньшую плотность, а порог разрушающей мотор детонации при использовании горячего воздуха становится ниже. Вот почему можно ощутить, что в жару автомобиль с наддувным двигателем «не едет» — в условиях недостатка воздуха (по сравнению с идеальными условиями) система управления двигателем готовит меньше горючей смеси, ограничивая до нужного соотношения и подачу топлива. Поэтому для охлаждения воздуха между нагнетателем и впускным коллектором в системах наддува предусмотрен промежуточный охладитель или, иными словами, интеркулер. Он представляет собой теплообменник (то есть радиатор), через который по пути в камеру сгорания проходит весь нагнетаемый воздух. По конструкции интеркулеры делятся на системы вида: «воздух-воздух» и «воздух-вода».

Двигатель Subaru с интеркулером верхнего расположения. Для большей эффективности на некоторых модификациях WRX STI для внутреннего рынка установлена система водяного орошения интеркулера. По нажатию кнопки в салоне кулер через установленные на нём форсунки омывается водой из находящегося в багажнике специального бака

Двигатель BMW с интеркулером фронтального расположения

Из-за заднемоторной компоновки интеркулеры Porsche 911 Turbo находятся по бокам в задних крыльях

Первые дешевле в производстве, легче и в целом компактнее, но менее эффективны и дают меньшую гибкость в компоновке моторного отсека. Охлаждение наддувного воздуха осуществляется в них посредством попадающего на рёбра интеркулера набегающего воздуха через воздухозаборники переднего бампера (фронтальное расположение, например, у Mitsubishi Lancer Evolution и вообще у большинства современных автомобилей) или капота (Subaru Impreza WRX, Toyota Caldina GT-T и прочие автомобили с «ноздрёй» над мотором). Интеркулер же типа «воздух-вода» остужает воздух с помощью циркулирующей по встроенному контуру жидкости, имеющей отдельно вынесенный радиатор охлаждения. Такая система обеспечивает меньшую длину впускного тракта, а значит, и меньший турболаг, а также позволяет более гибко выбирать месторасположение кулера. Среди её минусов — повышенная сложность и масса конструкции, а соответственно и цена такого решения.

www.drive2.ru

Наддув воздуха в дизельном двигателе.

Подробности Просмотров: 55159

Наддув воздуха как средство повышения мощности давно используется на больших дизельных стационарных и судовых установках, а также на дизелях грузовиков 1 . Сегодня он применяется и на быстроходных дизелях легковых автомобилей . В противоположность атмосферному впуску у двигателей с наддувом воздух подается в цилиндры под избыточным давлением. Этим увеличивается масса воздуха в цилиндре, что при большей массе топлива приводит к повышению выходной мощности двигателя при равном рабочем объеме. Наддув воздуха осуществляется при помощи так называемых нагнетателей. Дизель особенно хорошо подходит для наддува, так как в сто впускном тракте сжимается только воздух, а не топливовоздушная смесь, и на основе качественного регулирования он может хорошо комбинироваться с наддувом. У двигателей большой размерности для грузовых автомобилей при помощи наддува воздуха и снижения степени сжатия достигается повышение среднего эффективного давления (и, таким образом, крутящего момента), однако при этом надо учитывать ограничения, связанные с возможностью холодного пуска. В основном различают две разновидности нагнетателя:

• турбонагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от ОГ (газодинамическая связь двигатель/нагнетатель);

• механический нагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от коленчатого вала двигателя (механическая связь двигатель/нагнетатель).

Коэффициент наполнения

Коэффициентом наполнения называется отношение количества воздуха, заключенного в цилиндре, к определенному рабочим объемом теоретическому заряду при нормальных условиях (атмосферное давление р0 = 1013 гПа, температура Г„ = 273 К) без наддува. Вычисленный таким образом коэффициент наполнения дизелей с наддувом находится в пределах 0,85...3,0.

 

Рис. 2

1. Канал подачи ОГ 2. Крыльчатка турбины 3. Подвижная лопатка соплового аппарата 4. Патрубок подачи разрежения 5. Кольцо регулирования подвижных лопаток соплового аппарата 6. Подача смазки 7. Подача свежего воздуха к нагнетателю 8. Подача сжатого воздуха к двигателю

Динамический наддув

Динамический наддув можно создать уже одним использованием динамических эффектов во впускном тракте. Для дизеля этот процесс не имеет такого значения, как для бензинового двигателя. У дизеля основная цель конструирования системы впуска — равномерное распределение по всем цилиндрам воздуха и рециркулируемых ОГ. Кроме того, важную роль в работе двигателя играет создание воздушного вихря в цилиндрах. При относительно низкой частоте вращения коленчатого вала дизеля целенаправленное использование параметров впускного тракта для динамического наддува потребовало бы применения крайне длинных впускных каналов. В настоящее время почти все дизели снабжаются нагнетателями, среди которых наибольшими преимуществами обладают те модели, что менее инерционны при работе на нестационарных режимах. Впускной тракт дизеля делают по возможности короче. Преимуществами этого решения являются:• улучшенные динамические качества;• возможность управления рециркулицией ОГ.

Турбонаддув

Наддув воздуха турбонагнетателем, который приводится в действие отработавшими газами, находит наиболее широкое применение среди всех известных способов. Этот вариант даже на двигателях малого рабочего объемя позволяет получить крутящий момент и мощность достаточной величины при высоком КПД. Турбонагнетатели используют на легковых и грузовых автомобилях, больших судовых двигателях и тепловозах. Если раньше турбонаддув использовался прежде всего для повышения удельной мощности, то теперь он находит все большее применение для повышения величины максимального крутящего момента на низких и средних частотах вращения коленчатого вала. Это имеет значение, в частности, при использовании электронного регулирования давления наддува.

Конструкция и принцип действия

Энергия находящихся под давлением горячих ОГ двигателя внутреннего сгорания большей частью теряется, поэтому напрашивалось решение использовать часть этой энергии для повышения давлении во впускном тракте. Турбонагнетатель (рис. 3) состоит из двух газодинамических устройств:

• газовой турбины 7, которая воспринимает энергию потока ОГ;

• компрессора 2, который соединен валом 11 с турбиной и сжимает подаваемый воздух.  

Горячие ОГ поступают на турбину и раскручивают вал 11 до высокой частоты вращения, которая у дизелей достигает 200 000 мин Направленные лопатками турбинного колеса ОГ двигаются к оси турбины, откуда затем выходят через канал 8 во выпускной тракт (радиальная турбина). Вал приводит во вращение радиальный компрессор. Здесь противоположная картина: поток 3 подаваемого воздуха входит по оси компрессора, ускоряется лопатками при движении наружу и при этом превращается в поток 4 сжатого воздуха.

Для двигателей большого рабочего объема применяются также аксиальные турбины, где ОГ подаются на аксиальное колесо. Такие турбины имеют более высокую эффективность и в производстве обходятся дешевле, чем радиальные. Для двигателей легковых и грузовых автомобилей компановочно лучше подходит радиальная турбина. Сопротивление движению ОГ, возникающее перед турбиной, увеличивает ра боту выталкивания, производимую двигателем на такте выпуска. Несмотря на это, КПД дизеля в диапазоне частичных нагрузок повышается. На стационарном режиме с постоянной частотой вращения коленчатого вала поле характеристик турбины и компрессора можно согласовать одновременно на высокий КПД и высокое давление наддува. Гораздо труднее определить параметры для нестационарных условий работы двигателя, от которого ожидают высокого крутящего момента, в частности при ускорении. В начале ускорения низкая температура ОГ и незначительное их количество, а также необходимость ускорения массы подвижных частей турбонагнетателя замедляют увеличение давления в компрессоре. Это явление у двигателей легковых автомобилей с турбонаддувом называется «провал».

Для обеспечения наддува для легковых и грузовых автомобилей созданы нагнетатели, которые из-за незначительной собственной массы подвижных деталей реагируют на изменение давления уже при небольшом усилении интенсивности потока ОГ. Используя подобные агрегаты, можно значительно улучшить характеристики работы дизеля, что особенно важно в нижней области частот вращения коленчатого вала.

Различают два принципа наддува.

При наддуве с постоянным давлением резервуар перед турбиной сглаживает пульсации давления в выпускном тракте. Вследствие этого турбина может пропускать при меньшем среднем давлении больше ОГ в области высоких нагрузок двигателя. Так как противодавление ОГ рабочей точке становится меньше, расход топлива тоже сокращается. Наддув с постоянным давлением применяют для больших судовых двигателей, дизель генераторов и стационарных установок.

Кинетическая энергия пульсаций давления при выходе ОГ из цилиндра используется при импульсном наддуве, который обеспечивает более высокий крутящий момент на более низких частотах вращения коленчатого вала. Этот принцип применяется на дизелях легковых и грузовых автомобилей. Чтобы отдельные цилиндры при газообмене не влияли на работу друг друга, у шестицилиндровых двигателей, например, выпускные магистрали объединяются по трина коллектор.

В турбинах с разделенным потоком (рис. 3), которые имеют два внешних клапана, потоки ОГ также разделяющей в зоне турбины.

Рис.3

1. Корпус компрессора 2. Компрессор 3. Поток подаваемого воздуха 4. Поток сжатого воздуха 5. Подача смазки к подшипникам 6. Корпус турбины 7. Газовая турбина 8. Канал отвода ОГ к выпускному тракту 9. Корпус подшипников вала нагнетателя 10. Канал подачи ОГ к нагнетателю 11. Вал 12. Отвод смазки от подшипников

Чтобы быстрее выходить на рабочий режим, турбонагнетатель устанавливается по возможности ближе к выпускным клапанам, поэтому он должен изготавливаться из термостойких материалов. На судах, где из-за опасности пожара запрещено наличие горячих поверхностей в машинном отделении, турбонагнетатель охлаждается водой или теплоизолируется. Нагнетатели для бензиновых двигателей, у которых температура ОГ выше, чему дизелей, на 200...300°С, также могутбыть включены в контур системы охлаждения.

Конструкция

Двигатели должны развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому турбонагнетатель конструируется из расчета небольшой скорости потока ОГ (например, полная нагрузка при частоте вращения п < 1800 мин1 ) . Для того, чтобы при больших скоростях потока ОГ нагнетатель не перегружал двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать. Для этого используются три конструктивных варианта:• нагнетатель с перепуском ОГ;

• нагнетатель с изменяемой геометрией турбины;

• нагнетатель с дросселированием турбины.

Нагнетатель с перепуском ОГ (рис. 4)

Рис.4

1. Электропневматический преобразователь давления наддува 2. Вакуумный насос 3. Исполнительный механизм перепускного клапана 4. Корпус турбины 5. Перепускной клапан 6. Канал подачи ОГ к турбине 7. Канал подачи сжатого воздуха во впускной тракт 8. Газовая турбина 9. Компрессор

При высоких нагрузках на двигатель часть потока ОГ через перепускной клапан 5 направляется мимо турбины в систему выпуска ОГ. Вследствие этого поток газов через турбину уменьшается, что снижает как степень сжатия воздуха компрессором, так и излишне высокую частоту вращения вала турбонагнетателя. При низких нагрузках на двигатель клапан закрывается и весь поток ОГ направляется в турбину. Как правило, перепускной клапан интегрирован в корпус турбины. На первых турбонагнетателях тарельчатый клапан устанавливали в отдельном корпусе параллельно турбине. Электро пневматический преобразователь 1 давления наддува приводит в действие 3/2 ходовой перепускной клапан с электроприводом, подсоединенный к вакуумному насосу 2. В положении покоя, когда преобразователь обесточен, байпасный клапан 3 исполнительного механизма под действием пружины открыт. Таким образом, часть ОГ отводится через перепускной канал, снижая нагрузку на вал нагнетателя.

Если на электропневматический преобразователь подается напряжение, он соединяет камеру перепускного клапана с вакуумным насосом. Специальная мембрана под действием разрежения от насоса сжимает пружину, закрывая перепускной клапан. В этом случае весь поток ОГ пойдет через турбонагнетатель, увеличивая частоту вращения вала нагнетателя.

Нагнетатель сконструирован таким образом, что перепуск при неисправности блока управления открывается автоматически. Благодаря этому при больших нагрузках не возникает высокое давление наддува, которые повредило бы нагнетатель или сам дизель. У бензиновых двигателей во впускном трубопроводе образуется сильное разрежение, поэтому применение вакуумного насоса не требуется. Управление при помощи электрического исполнительного механизма без помощи разрежения возможно для обоих вариантов двигателя.

Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины (рис. 5)

Рис, 5

а  положение направляющих лопаток при высокой скорости потока ОГ

b  положение направляющих лопаток при низкой скорости потока ОГ

1. Крыльчатка турбины 2. Управляющее кольцо 3. Подвижные направляющие лопатки соплового аппарата 4. Управляющий рычаг 5. Управляющий пневматический цилиндр 6. Поток ОГ

Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины (система VTG, см. список сокращений) дает возможность ограничить поток ОГ через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Подвижные направляющие лопатки 3 соплового аппарата изменяют поперечное сечение каналов, через которые ОГ устремляются на крыльчатку турбины. Этим они согласовывают возникающее в турбине давление газа с требуемым давлением наддува. При низкой нагрузке на двигатель подвижные лопатки открывают небольшое поперечное сечение каналов так, что увеличивается противодавление ОГ. Поток газов развивает в турбине высокую скорость, обеспечивая высокую частоту вращения вала нагнетателя (а). При этом поток ОГ действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины. Таким образом, возникает большее плечо силы, которое дополнительно увеличивает крутящий момент. При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что уменьшает скорость течения потока ОГ (Ь). Вследствие этого турбонагнетатель при равном количестве ОГ меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этим способом ограничивается давление наддува.

Поворотом управляющего кольца 2 изменяется угол направления лопаток, которые устанавливаются на желаемый угол либо непосредственно отдельным управляющим рычагом 4, укрепленным на лопатках, либо поворотными кулачками. Попорот кольца осуществляется при помощи управляющего пневматического цилиндра 5 под действием разрежения или давления воздуха либо, как вариант, при помощи электродвигателя с обратной связью по положению лопаток (датчик положения). Вместе с тем можно устанавливать давление наддува наилучшим образом в зависимости от различных входных величин. Нагнетатель с изменяемой геометрией в положении покоя открыт и поэтому безопасен, т. е. при отказе управления ни он сам, ни двигатель не повреждаются. Происходит лишь потеря производительности на низких частотах вращения коленчатого вала.

Эту конструкцию нагнетателя применяют сегодня преимущественно на дизелях. У бензиновых двигателей она еще не используется, прежде всего из-за высокой термической нагруженности и более горячих ОГ.

Нагнетатель с дросселированиемтурбины (рис. 6)

Рис.6

а  открыт один подводной канал

Ь  открыты два подводных канала

1. Газовая турбина 2. Подводной канал 3. Подводной канал 4. Регулировочная заслонка 5. Перепускной канал 6. Тяга управления заслонкой

Нагнетатель с дросселированием турбины (система VST, см. список сокращений) устанавливают на небольших двигателях легковых автомобилей. Регулировочная заслонка 4 постепенным открытием подводных каналов 2 и 3 изменяет в этой конструкции проходное сечение для потока ОГ к турбине.

При небольших частотах вращения коленчатого вала или малых нагрузках на двигатель открыт только канал 2. Меньшее поперечное сечение приводит к высокому противодавлению ОГ, высокой скорости течения газов и тем самым к высокой частоте вращения вала газовой турбины 1.При достижении желаемого давления наддува регулирующая задвижка плавно открывает канал 3. Скорость течения ОГ, а вместе с тем частота вращения вала турбины и давление наддува уменьшаются. Регулятор двигателя задает положение указанной задвижки с помощью пневматического цилиндра.

Через встроенный в корпус турбины перепускной канал 5 можно также отвести почти весь поток газов от турбины и таким образом получить очень небольшое давление наддува.

Преимущества и недостатки турбонаддуна с отбором от ОГ мощности, требуемой на сжатие воздуха

Уменьшение размеров

По сравнению с вариантом атмосферного впуска при одинаковой мощности турбонагнетатель обеспечивает двигателю, прежде всего, меньшую массу и габариты. В диапазоне рабочих частот вращения на графике можно видеть лучшее протекание кривой крутящего момента (рис. 7). При этом на конкретной частоте вращения коленчатого вала при равномудельном расходе топлива обеспечивается более высокая мощность двигателя с наддувом (А  В).

Рис. 7

а  двигатель без наддува в стационарном режиме

b  двигатель с наддувом в стационарном режиме

с  двигатель с наддувом в нестационарных режимах

Такое соотношение мощностей из-за более благоприятного протекания кривой крутящего момента двигателя с системой наддува имеет место уже в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала (В  С). Рабочая точка двигателя по требуемой мощности перемещается, таким образом, в область меньших частот, с более низкими потерями на трение, из чего следует и меньший расход топлива (Е  D).

Характеристика крутящего момента

При малой частоте вращения коленчатого вала крутящий момент двигателей с турбонагнетателем находится на уровне моторов без наддува. В этой области давление наддува не проявляется, поскольку энергии ОГ недостаточно для раскрутки турбины.

На нестационарных режимах величина крутящего момента при средних нагрузках находится на уровне двигателей с атмосферным впуском (с). Это связано с тем, что существует задержка в повышении интенсивности потока ОГ. При разгоне, таким образом, в работе двигателя отмечается «провал», который у бензиновых двигателей можно уменьшить, прежде всего, использованием динамического наддува, способного поддерживать высокое рабочее состояние нагнетателя. У дизелей есть возможность существенно уменьшить «провал» установкой турбонагнетателей с переменной геометрией турбины.

Другой вариант устранения «провала» — использование турбонагнетателя с дополнительным электродвигателем, который ускоряет вращение крыльчатки компрессора независимо от расхода ОГ. В настоящее время этот тип нагнетателя находится в разработке.

Параметры работы двигателей с турбонагнетателем на больших высотах над уровнем моря весьма оптимальны, так как необходимый для подключения турбины перепад давления становится выше при пониженном атмосферном давлении. Это частично выравнивает пониженную плотность воздуха. При раскрутке вала турбины необходимо обращать внимание на то, чтобы он при этом не«перекрутился».

 Механический наддув

При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя. Как правило, оба агрегата жестко связаны друг с другом, например через ременный привод. Механические нагнетатель для дизелей применяются реже, чем турбонагнетатели.

Механические нагнетатели

Наиболее распространенной конструкцией является механический нагнетатель. Он применяется преимущественно на двигателях малой и средней величины для легковых автомобилей. Для дизелей используются следующие виды механических нагнетателей:

 Нагнетатель с внутренним сжатием

В таком нагнетателе воздух сжимается непосредственно внутри нагнетателя. Дизели оснащаются поршневым или винтовым нагнетателем.

Поршневой нагнетатель

Механизмы этого типа оснащаются либо поршнем (рис. 8), либо мембраной (рис.9). Поршень (подобно поршню в двигателе) сжимает воздух, который затем подается через выпускной клапан к цилиндрам двигателя.

Рис. 8

1. Впускной клапан 2. Выпускной клапан 3. Поршень 4. Приводной (коленчатый  вал) 5. Картер нагнетателя

Рис.9

1. Впускной клапан2. Выпускной клапан 3. Мембрана 4. Приводной (кулачновый) вал

Винтовой нагнетатель

В винтовом нагнетателе (рис. 10) воздух сжимают две лопасти 4, имеющие форму винта и вращающиеся навстречу друг другу.

Рис. 10

1. Приводной вел 2. Подача воздуха на сжатие 3. Подача сжатого воздуха 4. Винтообразные лопасти

Нагнетатель без внутреннего сжатия

В механических нагнетателях без внутреннего сжатия воздух сжимается направленным потоком за нагнетателем (во впускном трубопроводе). На двухтактных дизелях чаще всего устанавливается нагнетатель системы Roots (риг 11)

Рис. 11

1. Корпус нагнетателя 2. Ротор

Нагнетатели системы RootsОснову

нагнетателя системы Roots составляют два вращающихся ротора 2, приводимых шестернями. Они движутся навстречу друг другу, как в шестеренном насосе, и нагнетают воздух во впускной тракт.

Центробежный приводной нагнетатель

Наряду с механическими объемными нагнетателями, повышающими давление воздуха, существует также центробежный нагнетатель, который сжимает воздух подобно турбонагнетателю. Для достижения требуемой высокой окружной скорости рабочая крыльчатка приводится во вращение через отдельный планетарный редуктор. Эти нагнетатели имеют благоприятный КПД в широком диапазоне частоты вращения коленчатого вала и могут рассматриваться как альтернатива турбонаддуву, особенно для малых двигателей. Механический поточный нагнетатель часто именуется также механическим круговым нагнетателем. На двигателях легковых автомобилей среднего и большого классов они применяются редко.

Регулирование давления наддува

Давление наддува на механическом нагнетателе может регулироваться через перепускной канал. Часть потока сжатого воздуха направляется в нагнетатель и определяет наполнение цилиндров двигателя. Другая часть направляется через канал, оборудованный перепускным клапаном, обратно в зону подачи. Управление перепускным клапаном происходит с помощью блока управления работой дизеля.

Преимущества и недостатки механического наддува

Поскольку нагнетатель приводится непосредственно от двигателя, то при механическом наддуве повышение частоты вращения рабочего вала нагнетателя происходит одновременно с повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Соответственно при динамичной езде механический нагнетатель обеспечивает больший крутящий момент и лучшую приемистость, чем турбонагнетатель. Используя в приводе нагнетателя вариатор, можно улучшить также приемистость дизеля на средних нагрузка.

Если отсутствует избыточная мощность (порядка 10... 15 кВт для легкового автомобиля), необходимая для привода нагнетателя, то побочным эффектом указанных преимуществ может стать повышенный расход топлива. Этот недостаток компенсируется наличием в приводе нагнетателя специальной муфты, позволяющей отключать его при малых нагрузках. Другим недостатком нагнетателя являются его сравнительно большие размеры.

Многоступенчатый наддув

Многоступенчатый наддув позволяет существенно расширить пределы регулирования мощности по сравнению с одноступенчатым наддувом. При этом удается улучшить как подачу воздуха в цилиндры, так и удельный расход топлива на стационарных и переходных режимах работы двигателя. Многоступенчатый наддув может быть реализован следующими способами.

Переключаемый наддув

При увеличивающейся нагрузке к основной системе наддува можно параллельно подключать один или несколько турбонагнетателей. В результате возможно достижение двух или даже нескольких максимумов КПД, в отличие от случая использования одного большего нагнетателя, настроенного на номинальную мощность. Из-за дорогой системы переключения нагнетателей подобная система наддува используется преимущественно на судах или стационарных генераторах.

Двухступенчатый наддув

Двухступенчатый регулируемый наддув представляет собой последовательное подключение двух турбонагнетателей различной мощности, оснащенных байпасным регулированием и, в идеальном случае, охладителями наддувочного воздуха (рис. 12). Свежий воздух сначала предварительно сжимается в нагнетателе 1 низкого давления. После этого начинает работать относительно меньший нагнетатель 2 высокого давления, сжимающий воздух до меньшего объема при большем давлении, что позволяет обеспечить требуемый расход воздуха. Использование двухступенчатого наддува может особенно благоприятно сказаться на КПД нагнетателя.

Рис. 12

1. Ступень низкого давления (турбонагнетатель с охлаждением надувочного воздуха) 2. Ступень высокого давления (турбонагнетатель с охлаждением надувочного воздуха) 3. Впускной коллектор 4. Выпускной коллектор 5. Перепускной клапан 6. Перепускная магистраль

При низких частотах вращения коленчатого вала перепускной клапан 5 закрыт, поэтому работают оба турбокомпрессора. Таким образом, очень быстро достигается высокий уровень наддува. Если нагрузка на двигатель повышается, перепускной клапан открывается вплотьдо перекрытия нагнетателя высокого давления, когда весь воздух идет из нагнетателя 1 непосредственно в двигатель. Благодаря этому система наддува плавно реагирует на потребности двигателя. Этот вид наддува из-за простоты регулирования используется для автомобилей.

Автономный нагнетатель.

Перед турбонагнетателем может устанавливается дополнительный автономный нагнетатель. Он аналогичен по конструкции и приводится в действие от независимого электромотора. При ускорении движения автономный нагнетатель подает дополнительный объем воздуха, улучшая приемистость двигателя.

Охлаждение наддувочного воздуха.

Во время сжатия воздух в нагнетателе может нагреваться почти до 180°С. Так как горячий воздух, особенно при одинаковых окружающих условиях, имеет меньшую плотность, чем холодный, его дальнейший нагрев негативно сказывается на наполнении цилиндров. Установленный за нагнетателем охладитель наддувочного воздуха помогает избежать отрицательного эффекта, поскольку с его помощью наполнение цилиндра улучшается без изменения параметров нагнетателя. Тем самым увеличивается количестве) кислорода д/ш сгорании, 1ак что могут быть достигнуты более высокие крутящий момент и мощность при заданной частоте вращения коленчатого вала. Более низкая температура поступающего в цилиндр воздуха позволяет снизить температуру в конце такта сжатия, что дает следующие преимущества:

• лучший термический КПД и вместе с тем меньший расход топлива и сниженное дымление дизеля;

• меньшая склонность к детонации бензинового двигателя;

• меньшие термические нагрузки зеркала цилиндра и поверхности камеры сгорания;

• несколько меньший уровень эмиссии NOx благодаря пониженной температуре сгорания смеси.

Сам охладитель наддувочного воздуха охлаждается внешним воздухом или подключается к системе жидкостного охлаждения двигателя.

www.boschdiagnost.ru

какое давление турбины на дизеле ~ AUTOTEXNIKA.RU

Какое давление турбины на дизеле

Если Вы ощутили, что пропала тяга в автомобиле — означает с большой вероятностью сломался турбокомпрессор.

Предпосылкой проверки работы турбокомпрессора может быть малый уровень тяги либо посторонний свист, производимый турбиной. Автовладельцы с долголетним стажем имеют свои специальные методы проверки аппарата, но, лучше пользоваться особыми сервисными устройствами.

Как проверить турбину на дизеле?

В сервисных центрах обычно для выявления неисправной работы турбины, к специальному разъему автомобиля подключают сканер. Отключение турбонаддува может случиться из-за нагнетаемого воздуха либо из-за выработки собственного ресурса турбиной. Для определения давления воздуха, который нагнетается во время работы турбиной, к ее выходу нужно подключить особое устройство с манометром. Снятые характеристики дадут осознать, необходимо поменять турбокомпрессор на сто процентов либо проводить ремонт турбины. При этом, если Вы решите купить бу турбину (при нарушении целостности корпуса турбины), то обращайтесь в наш техцентр. Специалисты помогут Вам подобрать необходимую модель, которая на 30-40% дешевле.

Проверка давления наддува в нагрузке

Работу турбины необходимо проверять в нагрузке. Нормальная турбина должна качать не менее 0.9кг/см. с ув.

TD42T давление турбины.

Актуатор турбины TD42T не лезет в леворукую 60ку, упирается в рулевой кардан. Крепление приходится колхозить

Видео — турбина кидает масло во впуск

Причины неисправности турбины автомобиля

Причиной неисправности турбины является выброс синего выхлопного дыма при разгоне автомобиля, а при постоянных оборотах его исчезновения. Это может быть вызвано сгоранием масла, попадающего в цилиндры мотора из-за утечки в турбокомпрессоре.

Также о неисправности в системе управления ТКР (турбокомпрессор) может свидетельствовать черный дым, появляющийся во время сгорания обогащенной смеси за счет утечки воздуха в нагнетающих магистралях.

Белые же выхлопные газы, наоборот, говорят о том, что засорился сливной маслопровод ТКР. Увеличение расходов масла (0,2 – 1 л на 1 тыс. км) и наличие подтеков на стыках патрубков воздушного тракта и на турбине, происходит, вероятнее всего, из-за загрязнения сливного маслопровода или воздушного канала.

Также причиной может стать закоксовывание корпуса оси ТКР. За счет недостаточного поступления воздуха из неисправного турбокомпрессора, может ухудшиться динамика разгона авто.

Если во время работы двигателя слышен посторонний шум или свист, то источником проблемы может быть утечка воздуха на стыке выхода мотора и компрессора.

Видео — свист на Mercedes-Benz Sprinter

Если же вы услышите характерный скрежет при работе или заметите трещины и деформацию корпуса турбины, то будьте готовы к тому, что ТКР в скором времени может выйти из строя.

Компоненты, из которых состоит система турбонадува: турбина, электронные датчики давления, воздуха, масла, магистраль по забору и передаче воздуха в нагнетающий трубопровод, клапан-отсекатель и т.п. Многие современные машины оснащены системами автоматики, которые немедленно отключат турбину, если одна из перечисленных систем выйдет из строя. А это, в свою очередь, скажется на возможности развить максимальную мощность двигателем.

autotexnika.ru


Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости