С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Назначение турбины в дизельном двигателе

Назначение турбины в дизельном двигателе


Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Воплощение идеи по использованию выхлопных газов с целью разгона ротора позволила увеличить мощность дизельного мотора примерно на 30%. Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

Содержание:

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

Чтобы выполнять возложенные функции с необходимой эффективностью, турбонаддув имеет особую конструкция, состоящую из двух элементов:

Главная функция компрессора заключается в усилении поступления воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри него располагается ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

Как работает турбина на дизельном двигателе

Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:

  • компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры;
  • топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор;
  • скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение;
  • вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха.

Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

Как работает турбонаддув

Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

  1. компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
  2. когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

Минусы использования турбокомпрессора

Казалось бы, установка турбодизеля влечет за собой сплошные преимущества, но это не так. У устройства есть определенные недостатки:

  1. возрастает расход топлива, что особенно ощущается при неправильной регулировке системы;
  2. температура в процессе сжатия повышается, что может привести к детонации. Чтобы избежать такой неприятности, необходим монтаж регуляторов, охладителей и ряда других элементов.

Турбированный мотор: правила эксплуатации

Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

  • придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
  • использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
  • не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
  • сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

Как работает турбина: видео

Устройство, назначение и работа турбокомпрессора. Турбина с изменяемой геометрией

Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.

Но увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

Устройство турбокомпрессора

Устройство турбокомпрессора:1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).

Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.

Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.

Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.

Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.

В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

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.

  1. Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»).
  2. 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: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.

Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя.

При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.

Преимущества и недостатки применения турбонаддува

1. Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля.

2. Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.

3. Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

4. Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.

5. На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.

6. Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.

Как работает турбина — видео:

О недостатках

У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки.

Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения — его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.

(1 раз, оценка: 5,00 из 5) Загрузка...

Принцип работы турбины на дизельном двигателе и ее устройство

Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

Конструктивные элементы системы

Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

Как работает турбонаддув дизельного двигателя

Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

  • Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
  • Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
  • Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
  • Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

Регулировка давления наддува

Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

  1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
  2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

Система смазки

Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

Недостатки турбокомпрессоров

Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

  • Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
  • Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

Правила эксплуатации

Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

  • Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
  • Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
  • Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
  • Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

Как работает турбина на дизельном двигателе: особенности, устройство

Решение использовать энергию выхлопных газов для раскручивания ротора стало гениальной идеей. Она в будущем позволила разработать дизельный турбо двигатель и повысить мощность минимум на 50 процентов. При том что в процессе работы двигателя в обычном режиме процесс выброса газов снижает КПД на 40 процентов. Давайте рассмотрим, как работает турбина на дизельном двигателе, каково ее устройство.

Из истории

На самом деле идея использовать мощность выхлопных газов не давала покоя инженерам практически с самого начала изобретения ДВС. Немецкие инженеры, которые занимались строительством автомобилей и тракторов вместе с Дизелем и Даймлером, стали заниматься опытами, в ходе которых пытались повысить мощность двигателя и снизить расход горючего с помощью нагнетания сжатого воздуха на базе энергии выхлопа.

Однако первый человек, который построил один из самых первых эффективных турбокомпрессоров, это отнюдь не Даймлер, и даже не Дизель. Первым инженером, построившим турбину, считается Альфред Бюхи. Патент на данное изобретение был получен в 1911 году. Первая турбина имела такую конструкцию, что эксплуатировать ее можно было только на больших судовых моторах. Применение компрессоров на дизельных авто смысла не имело.

Затем турбины стали применять в авиации. С 30-х годов в США регулярно серийно производили военные самолеты, бензиновые моторы которых комплектовались турбинами. Первый в истории грузовик, оснащенный турбированным дизелем, был построен в 38-м году.

В 60-х силами «Дженерал Моторс» были выпущены первые модели легковых «Шевроле» и «Олдсмобиль» с бензиновыми карбюраторными моторами с наддувом. Первые компрессоры, правда, не отличались большой надежностью, поэтому с автомобильного рынка они быстро исчезли.

Мода на турбированные двигатели стала возвращаться. В период с 70-х до 80-х годов системы турбонаддува стали очень популярными в спортивных и гоночных авто. В фильмах той эпохи все супергерои нажимали на кнопку «турбо», и автомобиль стремительно уходил в закат. Но кино – это кино, а в реальности те первые турбокомпрессоры отставали в эффективности и технологичности, как и тормозила их скорость реакции. И эти агрегаты не только не экономили топливо, но и существенно увеличивали его расход. Тогда еще не шло речи об актуаторе турбины. Принцип работы и настройка еще не были до конца понятны.

Более-менее успешные попытки внедрить наддув в автомобильные серийные моторы проводились в 80-х компаниями «Мерседес» и SAAB. А уже затем, основываясь на этом передовом опыте, подключились и другие мировые автобренды.

В СССР также разрабатывались и внедрялись в серию турбированные моторы. Но здесь турбины применяли в тяжелых сельскохозяйственных и промышленных тракторах, на самосвалах и другой мощной технике.

Почему дизельная турбина популярнее?

Почему же она стала очень распространена именно на дизелях, а не на бензиновых ДВС? Все очень просто. Достаточно понять, как работает турбина на дизельном двигателе. Также нужно помнить, что дизель обладает более высокой степенью сжатия. Выхлопные газы дизеля более холодные. Поэтому к такой турбине предъявляются гораздо меньшие требования по жаропрочности, а эффективность наддува гораздо выше по сравнению с бензиновыми двигателями.

Устройство наддува

Наддув состоит из двух отдельных частей. Это непосредственно турбина и компрессор. Турбина необходима для преобразования энергии выхлопных газов. Компрессор отвечает за подачу сжатого воздуха в камеры сгорания.

Чем больше сжатого воздуха будет подано в цилиндры дизельного мотора, тем больше топлива двигатель сможет потребить за единицу времени. Как результат – значительное повышение мощности без увеличения объемов. Отсюда становится понятно, как проверить турбину на дизельном двигателе – патрубок от коллектора к компрессору должен раздуваться при повышении оборотов.

В основе системы лежит ротор, который крепится на оси. Вся эта конструкция заключена в корпус, способный выдержать высокие температуры. Ротор также изготовлен из жаропрочных сплавов – он без перерывов контактирует с выхлопными газами высокой температуры.

Ось и крыльчатка турбины или колесо с лопастями при работе двигателя вращаются. Частота вращения очень высокая. При этом крыльчатка и ось вращаются в разных направлениях. За счет этого осуществляется более плотный прижим двух элементов друг к другу. Поток газов попадает в выпускной коллектор, а затем в специальный канал – он имеется в корпусе компрессора. Корпус имеет форму улитки. Когда газы пройдут через эту улитку, то затем они на большой скорости подаются к ротору. Это и есть принцип работы турбины на дизельном двигателе.

Ось нагнетателя вращается в специальных подшипниках скольжения. Смазка осуществляется от системы смазки двигателя. Чтобы масло не убегало, турбина оснащается уплотнительными прокладками и кольцами. Эти прокладки защищают узел от прорыва воздуха и газов, а также предотвращают их смешивание. Естественно, полностью исключить возможность попадания газов в воздух не получается, но и большая необходимость в этом отсутствует.

Как это работает?

Мы познакомились с устройством механизма. Теперь стоит узнать, как работает турбина на дизельном двигателе автомобиля.

Чем больше топлива сгорит за одну единицу времени, тем больше воздуха нужно закачать в двигатель. Сам мотор не способен справиться с получением избыточного количества сжатого воздуха. Это и есть основная задача системы турбонаддува – нужно наращивать подачу воздуха в камеру сгорания. Нагнетание осуществляется за счет преобразования энергии выхлопных газов в полезную работу. Прежде чем газы вылетят в трубу, они пройдут через турбину и компрессор. Вот как работает турбина. Принцип действия ее прост для понимания.

Процесс прохождения газов заставляет раскручиваться крыльчатку турбины. Она имеет лопасти. Среднее число оборотов составляет более 150 тысяч оборотов в минуту. На этом же валу, что и крыльчатка, крепится и вал компрессора. Сила, полученная в результате преобразования энергии газов, применяется для значительного повышения давления воздуха. Это позволяет подавать в цилиндры намного больше горючего, что и дает значительный прирост мощности и коэффициента полезного действия дизельного силового агрегата.

Вот как работает турбина на дизельном двигателе автомобиля. На самом деле по принципу и устройству данные механизмы очень похожи на бензиновые турбины.

Актуаторы

Много десятков лет понадобилось инженерам, чтобы разработать и построить эффективный нагнетатель. Это только теоретически выглядит очень хорошо. На самом деле все значительно сложней.

При резком нажатии на газ роста оборотов двигателя нужно подождать. Обороты начинают расти через некоторое время. Повышение давления газов, раскручивание крыльчатки турбины, закачивание сжатого воздуха проходит постепенно. Это турбояма, и победить эту проблему не получалось. Но с проблемой все-таки справились внедрением клапанов или актуаторов. Один нужен для перепускания лишнего воздуха через трубопровод из коллектора, второй – для выхлопных газов. Клапан позволяет сбрасывать лишнее давление, когда мотор работает на высоких оборотах. Давайте посмотрим, как работает актуатор турбины дизельного двигателя.

Принцип работы

Главная задача, которую должен он решить, – это снижение давления на высоких оборотах. Клапан установлен в выпускном коллекторе. Работает он крайне просто. При росте оборотов и давления вакуумный клапан пускает газы мимо крыльчатки турбины. В этот момент актуатор открывается, и газы выходят через него. Через клапаны всасывается больше воздуха, чем нужно, чтобы максимально разогнать компрессор.

Возможна регулировка актуатора турбины. Способы и особенности заключатся в замене пружины, настройке конца клапана и в монтаже буст-контроллера. Это позволяет регулировать работу турбины.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости