С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Принцип работы турбонаддува

Принцип работы турбонаддува


Принцип работы турбонаддува

Выше, дальше, сильнее, быстрее… Больше ста лет изобретатели и рационализаторы пытаются приручить двигатель внутреннего сгорания и получить от него максимальную мощность при минимальном потреблении топлива. Собственно, все это, тех же сто лет назад, предложил электродвигатель, но ему пришлось подвинуться. Тем не менее, одним из самых продуктивных изобретений для увеличения крутящего момента ДВС остается турбонаддув. О его конструкции всерьез задумывались еще Рудольф Дизель вместе с Готтлибом Даймлером, но в конце 19 века не нашлось ни сил, ни возможности на реализацию этой идеи.

Содержание:

Зачем нужен наддув

Если не слишком углубляться в историю, то уже к 1905 году мощность двигателей внутреннего сгорания вплотную подбиралась к сотне лошадиных сил. Как следствие, росли объемы моторов, размеры автомобильных шасси, но самым страшным врагом скорости был вес. Тяжелый двигатель на тяжелом шасси съедал сам себя. Чем мощнее был мотор, тем больше был его объем, а следовательно, и вес, и расход топлива. Поэтому-то и возникла необходимость в устройстве, которое смогло бы поднять мощность без прироста веса и увеличения расхода топлива. А это положительно сказалось бы на скоростных показателях автомобиля, к чему тогда в основном и стремились.

Было придумано масса всяких устройств, среди которых были и абсурдные конструкции, но одна идея все-таки получила воплощение и была подкреплена патентом «1006907 October 1911 Buсhi». Она принадлежала швейцарскому инженеру Альфреду Бьюхи и была проста, как песня альпийского пастуха. Заключалась она в следующем: двигатель внутреннего сгорания представляет собой насос, который самостоятельно всасывает рабочую смесь в камеру сгорания. только происходит это страшно неэффективно, потому что на пути у воздуха встает масса преград — воздушные фильтры, кожухи, резкие повороты впускных коллекторов и остые грани не аэродинамичных впускных клапанов. Не говоря уже о неточностях соединений и паразитных завихрениях во впускном тракте. Для того чтобы воздуха в дизеле, а в бензиновом моторе, смеси, поместилось как можно больше, необходимо создать дополнительное давление. Так появится возможность повысить эффективность энергии взрыва в камере сгорания. Все это позволяло изобретение Бьюхи, которое сегодня называют турбонаддувом.

Технологии турбонаддува вчера и сегодня

В начале ХХ века технологии просто не позволяли изготовить настолько точный и производительный прибор, который обеспечивал бы достойный прирост мощности, да и сам двигатель не был готов к такому обновлению. Средний ресурс мотора тогда был на уровне 20 тысяч км, поэтому ни о каких дополнительных примочках речи быть не могло. Турбонаддув начал появляться только в 30-е годы на самых дорогих автомобилях, и то, в качестве эксперимента. Принцип работы турбонаддува с тех пор не изменился. Это обычный центробежный насос с таким алгоритмом работы: турбина приводится в движение выхлопными газами, а на одной оси с приводной турбиной стоит нагнетательная. Она и нагнетает в камеру сгорания воздух под высоким давлением. Со временем конструкция стала обрастать новыми подробностями, но в общих чертах, нагнетатель состоит из:

  • корпуса;
  • вала;
  • двух крыльчаток, жестко прикрепленных к валу;
  • ограничительного клапана, который контролирует обороты турбины.

Клапан просто необходим, потому что без него могут возникнуть неконтролируемые процессы в двигателе, схожие по эффекту с детонацией. Чем больше выхлопных газов проходит через ведущую турбину, тем быстрее она вращается, и тем сильнее давление в камере сгорания. Бесконечно так продолжаться не может, поэтому поток выхлопных газов необходимо контролировать. Для этого и установлен ограничительный клапан.

А одним из первых автомобилей, на которые устанавливали турбонаддув был Oldsmobile Jetfire. Вот этот красавец.

Проблемы турбонаддува в бензиновом двигателе

125% прироста мощности. Эту цифру заявили еще тогда, когда испытали первый турбонаддув в начале века. КПД наддутых двигателей продолжает расти, поскольку применяются новые материалы для подшипников турбины, снижающие ее вес и уменьшающие сопротивление качения. Это дает возможность тратить на вращение турбины еще меньшее количество энергии, меньше топлива и получать выше КПД.

Только есть у бензинового двигателя с турбиной один нюанс — турбояма. Это значит, что до определенных оборотов турбина вращается почти вхолостую, а после 3-3,5 тысяч начинает работать все активнее, подхватывает динамичнее, и чем выше будут обороты мотора, тем выше его КПД. Переход происходит не слишком мягко, поэтому турбины до 60-х годов ставили только на спортивные машины. Водитель явно был ориентирован на спортивный стиль вождения и был готов к такому повороту событий. Сейчас с этим борются, устанавливая две турбины разных размеров или две одинаковых, тогда такую систему называют битурбо.

Дизель и турбонаддув

Дизельные моторы просто созданы для турбонаддува по двум причинам как минимум: температура выхлопных газов гораздо ниже, чем у бензиновых; степень сжатия у дизельного двигателя гораздо выше, чем у бензинового, поэтому турбина работает эффективнее.

Кроме того, практически все эксперименты над турбинами проводятся именно на дизельных двигателях, потому что температура прогрева турбины меньше, а это значит, что материалы, применяемые для изготовления турбины, могут быть попроще, чем для бензиновой. Практически все новшества, такие, как турбина с изменяемой геометрией, были опробованы именно на дизельных серийных двигателях.

Система турбонаддува — принцип работы турбины

Ноя 1 2014

Турбонаддув – способ увеличения мощности двигателя автомобиля за счет увеличения подачи воздуха в цилиндры, не изменяя при этом его (двигателя) объема.

Основной элемент системы – турбокомпрессор, состоящий из турбины и компрессора (нагнетателя). Причем турбина начинает работать как только происходит запуск двигателя, а компрессор только с определенного числа оборотов. Роль обогащения топливо-воздушной смеси кислородом отведена компрессору (нагнетателю). Происходит этот процесс за счет использования энергии отработавших газов. Колеса («крыльчатки») турбины и компрессора закреплены на одном валу.

Выхлопные газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины, раскручивая ее колесо, которое в свою очередь раскручивает колесо компрессора, вследствие чего осуществляется всасывание воздуха из атмосферы в компрессор, и уже в нем его сжатие и нагнетение во впускное отверстие.

Так как сжатие воздуха сопровождается его нагревом, что приводит к уменьшению плотности, а как следствие к снижению и эффективности наддува в системах турбоннадува применяется интеркулер – своеобразный «промежуточный радиатор» (между компрессором и цилиндрами) для охлаждения воздуха, подаваемого в цилиндры.

Интеркулеры бывают двух видов: воздухо-воздушный и водо-воздушный.

В автомобилях преимущественно используются воздухо-воздушные интеркулеры, располагающиеся, как правило, либо фронтально (перепендикулярно продольной оси автомобиля) – обычно пространство перед/под радиатором двигателя, либо горизонтально над двигателем.

Твин-турбо (би-турбо) – система «сдвоенного» наддува, в которой применяется два турбокомпрессора, то есть две турбины и два компрессора.

Параллельная система «сдвоенного турбонаддува» (Parallel twin-turbo). Представляет собой конфигурацию турбонаддува, в которой два идентичных турбокомпрессора в равной степени разделяют между собой работу по нагнетанию воздуха в цилиндры.

Каждый из них действует на свой ряд цилиндров и функционирует за счет половины отработавших газов двигателя.

Секвентальная система «сдвоенного турбонаддува» (Sequential twin-turbo). В такой конфигурации также два турбокомпрессора – один меньшего размера, другой большего.

Работают они последовательно: на низких оборотах двигателя, когда энергии выхлопных газов не хватает для раскрутки колеса большой турбины, работает маленький, на высоких подключается большой.

Турбина с изменяемой геометрией

В настоящее время наряду с системами «сдвоенного турбонаддува» все большее распространение получают системы наддува с изменяемой геометрией, то есть с изменением сечения на входе колеса турбины. Происходит это за счет поворота небольших лопастей вокруг «крыльчатки».

Движение воздуха при закрытых лопастях.

Движение воздуха при открытых лопастях.

Уменьшение сечения на низких оборотах (при недостаточном для раскрутки колеса турбины количестве выхлопных газов) способствует увеличению мощности потока отработавших газов.

Когда же двигатель работает на высоких оборотах, и мощность потока газов возрастает, сечение увеличивается так, чтобы обеспечить достаточный двигателю «наддув», избежав при этом перегрузки турбокомпрессора.

По сравнению с «традиционными» турбокомпрессорами, имеющими в своей конструкции перепускной клапан, регулирующий обороты турбины, а следовательно и производительность компрессора, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией более экономичны (естественно, относительно расхода топлива) и экологичны при более высокой мощности.

Разработка подобных систем наддува, помимо снижения затрат на топливо и выброса вредных веществ в атмосферу, направлена еще и на повышение производительности двигателей – исключения такого явления, как турбо-яма (турбо-лаг), когда на низких оборотах двигателя давления выхлопных газов недостаточно для раскрутки турбины, и только на высоких оборотах двигатель раскрывает свою истинную сущность, обозначенную «шильдиком» «turbo».

«На пальцах»...чтобы понять, что такое турбо-яма нужно сесть за руль автомобиля, оснащенным простым турбо-двигателем, проехать какое-то растояние на низкой скорости, а потом «утопить» педаль акселератора (газа) в пол...после небольшой паузы автомобиль довольно резким рывком устремится вперед!

Упомянутая выше «небольшая пауза» и есть турбо-яма.

Принцип работы турбонаддува.

Турбонаддув – устройство, призванное увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. Оно стало настоящим прорывом в моторостроении ХХ века, но широкое распространение приобрело значительно позже. Автором данного изобретения является Альфред Бьюхи.

Принцип работы и устройство турбонаддува.

Принцип работы турбонаддува при всей его значимости в приросте мощности двигателя весьма прост: на одном валу закреплены крыльчатки двух улиток-турбин, задача одной части посредством потока отработанных газов раскручиваться и приводить в действие вторую часть, которая работает нагнетателем воздуха в двигатель. Именно в увеличении объема воздуха, посылаемого в камеру сгорания, и кроется секрет увеличения мощности движка.

Но, как уже отмечалось выше, при всей своей логической простоте устройство набирало значимость довольно долго – более полувека. Причины:

  • требовательность к точности изготовления,
  • необходимость в жаропрочных качественных материалах,
  • отсутствие в массовом производстве высокооктанового топлива.

Последнее к слову ограничивало применение турбонаддува только на бензиновых двигателях.

Благо, наука не стоит на месте и с годами появлялись более качественные материалы, позволившие турбонаддуву начать проникать сперва в мир автогонок, где он позволял без увеличения веса двигателя увеличивать его мощность и достигать командам высоких позиций в финальных таблицах, а после и на потребительский рынок.

Теперь немного подробнее о том, как работает турбонаддув на бензиновых и дизельных двигателях, а точнее – об особенностях его работы, ведь принцип действия у них практически идентичен.

Особенности работы турбонаддува дизельного двигателя.

Дизель с турбонаддувом сегодня можно встретить гораздо чаще, чем его собрата – бензиновый агрегат. Так происходит потому, что применение турбины в дизеле позволяет решить его главную проблему – низкую эффективность на высоких оборотах – раз и навсегда.

Также аргументом в пользу использования турбины в дизельных ДВС можно назвать невысокую стоимость подобного внедрения за счет меньшей температуры выхлопных газов и более низких оборотов, которые, в сравнении все с тем же бензиновым мотором, требуют применения менее качественных материалов. Отсюда такая популярность турбонаддува у производителей дизельных авто и владельцев последних. В то же время массовость применения данного устройства в дизелях позволяет развиваться самому надуву в принципе, делая его все доступнее для бензиновых транспортных средств.

Особенности работы турбонаддува бензинового двигателя.

Если речь идет об использовании турбонаддува на бензиновых двигателях, то она в первую очередь касается высоконагруженных моторов, комплектующих спорткары и некоторые люксовые автомобили.

Такое классовое различие кроется в том, что прирост мощности в бензиновом двигателе требует больших капиталовложений, как в саму турбину двигателя, так и в обслуживание авто: на дорогое высокооктановое топливо и его количество (турбонаддув всегда ведет к увеличенному расходу), которые не всегда оправданы.

Дело в том, что в турбированном бензиновом ДВС прирост мощности достигается при высоких оборотах, при этом, таков принцип работы турбонаддува, сама мощность возрастает весьма стремительно, что для обычного среднестатистического водителя бензинового автомобиля не всегда необходимо, скорее, даже наоборот… а переплачивать за то, что вся эта мощность никогда не будет использоваться, не имеет смысла.

Видео.

Рекомендую прочитать:

Все о принципах работы турбонаддува

Турбонаддув – это система, позволяющая увеличить максимальную мощность двигателя автомобиля, используя для этого энергию выхлопных газов. Эту систему еще часто называют просто «турбина» – по названию основного агрегата, который под давлением нагнетает отработанные мотором газы в турбокомпрессор, а тот, в свою очередь, подает в цилиндры двигателя большее количество воздуха, чем атмосферный мотор.

История

Многие водители полагают, что турбированные моторы появились относительно недавно — во второй половине ХХ века, когда турбонагнетателями стали оснащать силовые установки автомобилей немецких марок Mercedes-Benz и BMW. На самом деле датой рождения турбированного двигателя считают 1911 год, когда американец Альфред Бюхи получил патент на промышленное изготовление системы, позволявшей в несколько раз увеличить мощность обычного двигателя. Надо отметить, что за 15 лет до этого события двое немцев, Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель уже проводили испытание агрегатов, которые помогали более эффективно нагнетать воздух в цилиндры двигателя, но да патентования этой технологии дело так и не дошло.

Впрочем, первые турбины хотя и давали весьма ощутимую прибавку в мощности, но из-за своей громоздкости во много раз увеличивали и без того немаленький вес двигателей автомобилей тех лет. Так что распространение технологии турбонаддува для легковых автомобилей застопорилось на долгие годы, тогда как турбины довольно активно применялись на грузовом и специальном транспорте. В США, фактической и юридической родине турбонагнетательной системы, производители легкового транспорта не спешили применять ее в серийном производстве, сделав ставку на большие по объему и прожорливые атмосферные моторы. Хотя первые серийные модели, на которых устанавливался турбонаддув, появились именно в Соединенных Штатах – это были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire.

Chevrolet Corvair Monza 1961 год

Более экономная Европа, по которой, к тому же, в середине ХХ века ударил бензиновый кризис, начала склоняться к популярной ныне идее даунсайзинга – уменьшения рабочего объема двигателя с одновременным повышением его мощности. Добиться такого результата помогала система турбонаддува. За прошедшие с момента изобретения системы годы конструкторы усовершенствовали технологию, сделав элементы системы более легковесными, одновременно повысив ее производительность. Но одним из существенных недостатков, который так и не был искоренен по прошествии времени, являлся повышенный расход топлива. И именно поэтому модели, оборудовавшиеся турбированными бензиновыми моторами, не снискали популярности в народе.

Выход из ситуации был найден в 1970-х годах, когда компания Mercedes-Benz выпустила на рынок свою первую модель, оснащенную дизельным двигателем с турбонаддувом – 300 SD.

Mercedes-Benz 300SD

Конструкторам удалось решить одну из главных проблем турбодвигателя – расход топлива, ведь, как известно, дизельный агрегат менее «прожорливый», чем бензиновый. Еще один несомненный плюс дизельного топлива – его отработанные газы имеют температуру ниже, чем бензиновые, стало быть, основные агрегаты системы турбонаддува можно было производить из менее тяжеловесных и жаростойких материалов. А это, в свою очередь, влияло на конечную стоимость автомобиля, что довольно скоро оценили покупатели.

В чем отличия?

Системы турбонаддува для бензинового и дизельного моторов конструктивно практически не имеют отличий. В эту систему входят такие компоненты: турбина, турбокомпрессор и интеркулер (промежуточный охладитель). Некоторые водители ошибочно считают, что между турбонаддувом и турбокомпрессором есть какая-то разница. Ее нет, так как компрессор – лишь составляющий элемент системы наддува.

Турбонаддув

Турбина представляет собой улиткообразный патрубок, в который попадают выхлопные газы. Они вращают крыльчатку находящегося в патрубке ротора, благодаря чему газы идут дальше в турбокомпрессор. Он также представлен в виде улиткообразного патрубка, в котором есть своя крыльчатка. Ротор турбины объединен с ротором турбокомпрессора, следовательно, чем быстрее вращается крыльчатка первого, тем быстрее крутится крыльчатка второго. Попадающая в турбокомпрессор воздушная смесь под давлением, которое создается вращением крыльчатки, подается к цилиндрам двигателя.

Интеркулер

На входе в цилиндры стоит третий основной компонент турбонаддува – интеркулер, который охлаждает поступающий из турбокомпрессора воздух, чтобы повысить его плотность и уменьшить объем – тогда в цилиндры попадет больше воздуха, который, смешиваясь с топливом, сгорает более эффективно. А эффективное сгорание топлива позволяет поднять мощность двигателя, при этом расход топлива, идущий на образование топливовоздушной смеси в цилиндрах уменьшается.

Вот так устроена турбина

Еще один немаловажный компонент системы турбонаддува – приводной нагнетатель (либо малый турбокомпрессор), который создает давление в турбине на малых оборотах и помогает избежать такого явления как турбояма (когда двигатель не может развить мощность на малых оборотах из-за недостаточного поступления в систему турбонаддува выхлопных газов).

Помимо указанных выше основных компонентов турбонаддува, в систему входят еще такие элементы как регулировочный, перепускной и стравливающий клапаны, а также выпускной коллектор, воздушные и масляные патрубки.

Регулировочный клапан помогает поддерживать давление в системе на установленном уровне и при необходимости сбрасывать его в трубу приемки. Функция перепускного клапана состоит в нагнетании воздуха обратно во впускные патрубки, откуда он снова попадает в турбину – это происходит, когда дроссельная заслонка закрыта. Стравливающий клапан отводит избыточный воздух из системы турбонаддува при закрытой дроссельной заслонке. Воздушные патрубки подают воздух в турбину, а по масляным патрубкам подается жидкость для смазки и охлаждения системы турбонаддува.

Разновидности

В настоящее время производится два основных вида турбин: одинарные и двойные. Первые устанавливаются в основном на рядные двигатели: они используют энергию выхлопных газов от всех цилиндров мотора и подают воздух во все цилиндры. Вторыми комплектуются силовые установки с V-образным расположением цилиндров. Они имеют два турбокомпрессора, которые подают воздух в определенные цилиндры. Иногда для повышения мощности двигателя на таких турбинах используют так называемый перекрестный выпускной коллектор, который аккумулирует выхлопные газы из всех цилиндров мотора и направляет этот, более мощный поток к компрессорам, что повышает давление в турбине, и, соответственно, мощность двигателя.

Революционной в деле турбонаддува стала идея применения изменяемой геометрии турбины. Она позволяет регулировать геометрию сопла турбины, создавая более мощные потоки воздуха уже на низких оборотах, вследствие чего многократно повышается мощность двигателя.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости