С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Сколько мощности добавляет турбина

Сколько мощности добавляет турбина


Мощность турбонаддува

Способность турбонагнетателя увеличивать мощность наиболее наглядно демонстрировалась гоночными автомобилями Гран-при Формулы 1 эпохи 1977-1988 годов.

Рис. Двигатель Renault EF15B Formula 1, 1985 — 1986 г.г., V6. объем 1492 куб. см., давление наддува до 4 бар, мощность до 900 л.с.

Сравнение мощности драгстеров с мощностью болидов Формулы 1 показывает абсолютное превосходство двигателей с турбонаддувом. Реальная мощность драгстера с 8-ми литровым двигателем находится в диапазоне 5000-6000 л.с., что означает 0,62 — 0,75 л.с. с 1 куб. см. Эти цифры выглядят блекло в сравнении с 1300-1400 л.с. 1500 кубовых двигателей автомобилей Формулы 1 1981 года, что означает отдачу от 0,86 до 0,93 л.с. с одного кубического сантиметра рабочего объема. Однако у потенциального пользователя турбонаддува остается много вопросов, ответы на которые покажут, почему турбонадцув в равной степени полезен автомобильному энтузиасту, который использует автомобиль для повседневной езды, спортсмену, и даже уличному гонщику.

Почему турбонаддув дает больший прирост мощности, чем другие способы модернизации двигателя?

Потенциал повышения мощности двигателя от применения любого компрессора измеряется количеством воздуха, нагнетаемого устройством с учётом потерь мощности, затрачиваемой на привод, а так же на нагрев воздуха в процессе сжатия. Хотя может показаться, что турбонагнетатель не использует мощность двигателя, так как энергия выхлопа так или иначе будет потеряна, это далеко не так. Поток горячих выхлопных газов приводит во вращение турбину. Уменьшенные проходные сечения, свойственные ее конструкции, создают этим газам противодавление. Это вызывает некоторые потери мощности двигателя, которые не возникли бы, если бы турбонагнетатель получал энергию от другого её источника, а не от двигателя, который в нашем случае выступает в роли насоса. Потеря мощности увеличивается при уменьшении размера турбонагнетателя, потому что турбина меньшего размера создает большее противодавление. Напротив, большие турбины создают намного меньшее противодавление, и поэтому потери мощности меньше.

И всё же затраты мощности на привод нагнетателя, свойственные двигателю с турбиной, существенно меньше, чем потери, возникающие при использовании приводного компрессора с ремнем или другим механическим приводом.

То, что нагнетатель всегда нагревает сжимаемый воздух, является термодинамическим фактом, от которого мы не можем отмахнуться. Различные виды нагнетателей нагревают воздух в разной степени при одинаковых расходах газа и степенях сжатия. В значительной степени это зависит от КПД различных типов насосов. Классический компрессор типа Рутс обычно имеет КПД приблизительно 50 % при том, что турбонагнетатель имеет КПД в районе 70%. Чем выше эффективность (КПД), тем меньше нагрев воздуха. Эффективность имеет первостепенное значение для настоящих энтузиастов мощности, так как повышенная температура воздуха на впуске — враг для высоких характеристик двигателя. При высокой температуре плотность воздуха меньше, таким образом, двигатель фактически потребляет меньшее количество воздуха при более высокой температуре, даже при неизменном давлении. Второй проблемой является то, что более высокие температуры способствуют разрушительно воздействующей на двигатель детонации топливовоздушной смеси.

Как работает турбина. — DRIVE2

Когда говорят о гоночных или спортивных машинах, часто всплывает тема турбонаддува. Турбины неизменно сопровождают современные дизеля. Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного роста его веса. Это большое преимущество привело к популярности турбин!

Давайте разберемся, как турбина увеличивает мощность, выживая при этом в экстремальных условиях работы. Мы познакомимся с вестгейтами, керамическими лопастями турбин и подшипниками, которые помогают турбинам делать работу еще лучше. Турбины – системы принудительного нагнетания воздуха. Они сжимают воздух. Сжатый воздух дает преимущество по мощности: в двигатель поступает больше воздуха, а это значит, что больше топлива может быть добавлено. Следовательно, каждое сгорание смеси в цилиндре дает больше мощности. Турбированный двигатель в общем случае всегда мощнее аналогичного по объему атмосферного. Двигатель меньшей массы может выдавать больше мощности при наличии наддува.

Чтобы создать давление воздуха, турбина использует поток выхлопных газов из двигателя для раскручивания своей крыльчатки, которая в свою очередь раскручивает воздушный насос. Турбина вращается с частотой до 150,000 об/мин – это в 30 раз быстрее среднего двигателя. Так как турбина работает с выхлопными газами, ей приходится выдерживать большие термические нагрузки.Чтобы снять больше мощности с двигателя, необходимо увеличить количество топливно-воздушной смеси, которая сгорает в цилиндрах. Один из способов – добавить количество цилиндров или увеличить их объем. Часто эти изменения очень дороги. Турбина дешевле добавляет мощность, и именно поэтому она так популярна на вторичном рынке.

Турбина позволяет сгорать большему количеству топлива, увеличивая количество топлива и воздуха в цилиндрах. Типичная прибавка к давлению от турбины – 0.3 – 0.5 бар. Поскольку атмосферное давление на уровне моря 1 бар, легко подсчитать, что в камеры сгорания попадает на 50 % больше воздуха, следовательно увеличение мощности должно доходить до 50%. В действительности, эффект получается 30- 40 %.

Одна из причин этой неэффективности – сила, раскручивающая турбину, не приходит извне. Наличие турбины увеличивает сопротивление выхлопа. Это означает, что на отводе отработавших газов двигатель вынужден преодолевать возросшее обратное сопротивление, что уменьшает отдачу с цилиндров, в которых в этот момент происходит сгорание.Турбина крепится на выхлопном коллекторе двигателя. Выхлопные газы двигателя раскручивают турбину. Турбина покоится на одном валу с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор накачивает воздух в цилиндры.

Выхлопной газ из цилиндров проходит через лопатки крыльчатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее крутится турбина.

С другой стороны вала турбины устанавливают компрессор центробежного типа – он засасывает воздух в центре крыльчатки и разбрасывает его от центра из-за вращающегося вала.

Слишком много давления?Воздух закачивается в цилиндры под давление и дальше сжимается поршнями. В этом кроится опасность – детонация. Детонация происходит из-за резкого увеличения температуры воздуха, при котором топливная смесь сгорает до воспламенения свечи. Поэтому турбированные машины обычно ездят на высокооктановом топливе, чтобы не доводить дело до детонации. Если давление наддува очень высоко, компрессию двигателя можно снизать, чтобы не переходить в детонацию.

Чтобы работать на скоростях до 150,000 об/мин, вал турбины требует серьезной защиты. Большинство подшипников взрываются при таких скоростях, поэтому турбины часто используют жидкие подшипники. Этот тип подшипников создает вокруг вала постоянный тонкий слой масла, которое постоянно накачивается насосом. Это служит двум целям: охлаждение и снижение трения.В следующей главе рассмотрим компромиссы, на которые вынуждены идти инженеры при проектировании турбонаддува.Главная проблема турбины – создание давления требует некоторого времени после нажатия на педаль газа. Проходит около секунды, прежде чем турбина выйдет на рабочее давление. Водитель чувствует турбояму при нажатии на газ, потом машина резко выстреливает.Один из путей снижения турбоямы – уменьшение инерции вращающихся частей в основном снижением их веса. Это позволяет турбине и компрессору быстро ускоряться, нагнетая давление раньше. Инерция турбины преодолевается уменьшением размера турбины. Маленькая турбины выйдет на давление раньше и на более низких оборотах, но не сможет закачать достаточно воздуха на больших оборотах, когда двигателю надо действительно много воздуха. Большие обороты также опасны для маленькой турбины.Турбина создает максимальное давление на высоких оборотах.Большая турбина хорошо качает на высоких оборотах, но отличается глубокой турбоямой, так как раскручивание ее более тяжелых частей занимает больше времени. К счастью, есть способы решить это противоречие.Почти все автомобильные турбины имеют вестгейт, позволяющий использовать маленькую турбины для уменьшения турбоямы и предотвращающий турбину от слишком высоких скоростей на высоких оборотах двигателя. Вестгейт (от англ. Wastegate – ворота для мусора) – это клапан, позволяющий выхлопным газам обходить лопатки турбины. Вестгейт реагирует на давление. Если давление турбины становится слишком высоким, то турбина вращается слишком быстро. Вестгейт отводит часть отработавших газов мимо лопаток крыльчатки, замедляя тем самым скорость вращения турбины.Некоторые турбины используют шариковые подшипники, но это необычные изделия – они сделаны прецизионно из продвинутых материалов, способных выдерживать температуру в турбине. Их применение объясняется тем, что они способны еще больше снизить трение по сравнению с обычными жидкими коллегами. Еще одно преимущество – они позволяют уменьшить размер вала.Керамические лопатки турбины легче обычных стальных. Результат: турбина раскручивается еще быстрее с меньшей турбоямой.Две турбины и дополнительные части. Некоторые двигатели используют две турбины разного размера. Маленькая турбина быстро раскручивается, уменьшая турбояму, а большая нагнетает давления на больших оборотах.Когда воздух сжимается, он нагревается; нагретый воздух расширяется. То есть увеличение давления воздуха из турбины поднимает его температуру до попадания в цилиндры. Увеличение мощности происходит из-за увеличения количества молекул воздуха, попадающих в цилиндры, а необязательно из-за увеличения давления наддува.Интеркулер – дополнительный компонент системы наддува, напоминающий обычных радиатор с той разницей, что воздух проходит через него снаружи и внутри. Входящий воздух проходит через лабиринты интеркулера, внешний воздух охлаждает интеркулер.Интеркулер увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух из компрессора перед попаданием в двигатель. Например, при избыточном давлении 0.3 бар, интеркулер подаст 0.3 бара холодного воздуха, который плотнее и содержит больше молекул, чем теплый воздух.Турбина помогает в условиях высокогорья, где плотность воздуха ниже. Атмосферные двигатели испытывают снижение мощности, потому что в цилиндры поступает меньше воздуха. Турбированный двигатель тоже снижает мощность, но уменьшение мощности будет не столь критичным, так как разреженный воздух легче закачивать.

Старые карбюраторные машины автоматически увеличивали подачу топлива при увеличении входящего воздуха. Современные инжекторные машины делают это до определенного момента. Инжекторная система полагается на датчики кислорода в выхлопной системе, чтобы определить правильность соотношения топливо-воздух, при добавлении турбины автоматически увеличится подача топлива.

Турбина — бортжурнал Subaru Impreza WRX Конструктор Lego 1994 года на DRIVE2

Когда говорят о гоночных или спортивных машинах, часто всплывает тема турбонаддува. Турбины неизменно сопровождают современные дизеля. Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного роста его веса. Это большое преимущество привело к популярности турбин!

Давайте разберемся, как турбина увеличивает мощность, выживая при этом в экстремальных условиях работы. Мы познакомимся с вестгейтами, керамическими лопастями турбин и подшипниками, которые помогают турбинам делать работу еще лучше. Турбины – системы принудительного нагнетания воздуха. Они сжимают воздух. Сжатый воздух дает преимущество по мощности: в двигатель поступает больше воздуха, а это значит, что больше топлива может быть добавлено. Следовательно, каждое сгорание смеси в цилиндре дает больше мощности. Турбированный двигатель в общем случае всегда мощнее аналогичного по объему атмосферного. Двигатель меньшей массы может выдавать больше мощности при наличии наддува.

Чтобы создать давление воздуха, турбина использует поток выхлопных газов из двигателя для раскручивания своей крыльчатки, которая в свою очередь раскручивает воздушный насос. Турбина вращается с частотой до 150,000 об/мин – это в 30 раз быстрее среднего двигателя. Так как турбина работает с выхлопными газами, ей приходится выдерживать большие термические нагрузки.Чтобы снять больше мощности с двигателя, необходимо увеличить количество топливно-воздушной смеси, которая сгорает в цилиндрах. Один из способов – добавить количество цилиндров или увеличить их объем. Часто эти изменения очень дороги. Турбина дешевле добавляет мощность, и именно поэтому она так популярна на вторичном рынке.

Турбина позволяет сгорать большему количеству топлива, увеличивая количество топлива и воздуха в цилиндрах. Типичная прибавка к давлению от турбины – 0.3 – 0.5 бар. Поскольку атмосферное давление на уровне моря 1 бар, легко подсчитать, что в камеры сгорания попадает на 50 % больше воздуха, следовательно увеличение мощности должно доходить до 50%. В действительности, эффект получается 30- 40 %.

Одна из причин этой неэффективности – сила, раскручивающая турбину, не приходит извне. Наличие турбины увеличивает сопротивление выхлопа. Это означает, что на отводе отработавших газов двигатель вынужден преодолевать возросшее обратное сопротивление, что уменьшает отдачу с цилиндров, в которых в этот момент происходит сгорание.

Турбина крепится на выхлопном коллекторе двигателя. Выхлопные газы двигателя раскручивают турбину. Турбина покоится на одном валу с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор накачивает воздух в цилиндры.

Выхлопной газ из цилиндров проходит через лопатки крыльчатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее крутится турбина.

С другой стороны вала турбины устанавливают компрессор центробежного типа – он засасывает воздух в центре крыльчатки и разбрасывает его от центра из-за вращающегося вала.

Слишком много давления?Воздух закачивается в цилиндры под давление и дальше сжимается поршнями. В этом кроится опасность – детонация. Детонация происходит из-за резкого увеличения температуры воздуха, при котором топливная смесь сгорает до воспламенения свечи. Поэтому турбированные машины обычно ездят на высокооктановом топливе, чтобы не доводить дело до детонации. Если давление наддува очень высоко, компрессию двигателя можно снизать, чтобы не переходить в детонацию.

Чтобы работать на скоростях до 150,000 об/мин, вал турбины требует серьезной защиты. Большинство подшипников взрываются при таких скоростях, поэтому турбины часто используют жидкие подшипники. Этот тип подшипников создает вокруг вала постоянный тонкий слой масла, которое постоянно накачивается насосом. Это служит двум целям: охлаждение и снижение трения.В следующей главе рассмотрим компромиссы, на которые вынуждены идти инженеры при проектировании турбонаддува.Другие элементы турбонаддува

Главная проблема турбины – создание давления требует некоторого времени после нажатия на педаль газа. Проходит около секунды, прежде чем турбина выйдет на рабочее давление. Водитель чувствует турбояму при нажатии на газ, потом машина резко выстреливает.

Один из путей снижения турбоямы – уменьшение инерции вращающихся частей в основном снижением их веса. Это позволяет турбине и компрессору быстро ускоряться, нагнетая давление раньше. Инерция турбины преодолевается уменьшением размера турбины. Маленькая турбины выйдет на давление раньше и на более низких оборотах, но не сможет закачать достаточно воздуха на больших оборотах, когда двигателю надо действительно много воздуха. Большие обороты также опасны для маленькой турбины.

Турбина создает максимальное давление на высоких оборотах.Большая турбина хорошо качает на высоких оборотах, но отличается глубокой турбоямой, так как раскручивание ее более тяжелых частей занимает больше времени. К счастью, есть способы решить это противоречие.

Почти все автомобильные турбины имеют вестгейт, позволяющий использовать маленькую турбины для уменьшения турбоямы и предотвращающий турбину от слишком высоких скоростей на высоких оборотах двигателя. Вестгейт (от англ. Wastegate – ворота для мусора) – это клапан, позволяющий выхлопным газам обходить лопатки турбины. Вестгейт реагирует на давление. Если давление турбины становится слишком высоким, то турбина вращается слишком быстро. Вестгейт отводит часть отработавших газов мимо лопаток крыльчатки, замедляя тем самым скорость вращения турбины.

Некоторые турбины используют шариковые подшипники, но это необычные изделия – они сделаны прецизионно из продвинутых материалов, способных выдерживать температуру в турбине. Их применение объясняется тем, что они способны еще больше снизить трение по сравнению с обычными жидкими коллегами. Еще одно преимущество – они позволяют уменьшить размер вала.

Керамические лопатки турбины легче обычных стальных. Результат: турбина раскручивается еще быстрее с меньшей турбоямой.

Две турбины и дополнительные частиНекоторые двигатели используют две турбины разного размера. Маленькая турбина быстро раскручивается, уменьшая турбояму, а большая нагнетает давления на больших оборотах.

Когда воздух сжимается, он нагревается; нагретый воздух расширяется. То есть увеличение давления воздуха из турбины поднимает его температуру до попадания в цилиндры. Увеличение мощности происходит из-за увеличения количества молекул воздуха, попадающих в цилиндры, а необязательно из-за увеличения давления наддува.

Интеркулер – дополнительный компонент системы наддува, напоминающий обычных радиатор с той разницей, что воздух проходит через него снаружи и внутри. Входящий воздух проходит через лабиринты интеркулера, внешний воздух охлаждает интеркулер.

Интеркулер увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух из компрессора перед попаданием в двигатель. Например, при избыточном давлении 0.3 бар, интеркулер подаст 0.3 бара холодного воздуха, который плотнее и содержит больше молекул, чем теплый воздух.Турбина помогает в условиях высокогорья, где плотность воздуха ниже. Атмосферные двигатели испытывают снижение мощности, потому что в цилиндры поступает меньше воздуха. Турбированный двигатель тоже снижает мощность, но уменьшение мощности будет не столь критичным, так как разреженный воздух легче закачивать.Старые карбюраторные машины автоматически увеличивали подачу топлива при увеличении входящего воздуха. Современные инжекторные машины делают это до определенного момента. Инжекторная система полагается на датчики кислорода в выхлопной системе, чтобы определить правильность соотношения топливо-воздух, при добавлении турбины автоматически увеличится подача топлива.

Если установленная на инжекторную машину турбина нагнетает слишком большое давление, система может не подать достаточное количество топлива – или программа блока управления двигателем не позволит, либо топливный насос и форсунки не способны выдавать необходимое количество топлива. В этом кроется главная трудность установки турбин на современные машины: часто требуется замена блока управления двигателем с настройкой программы под механические изменения.

Турбина или суперчарджер?

Турбонаддув - это не что иное, как слово, обозначающее процесс работы центробежного нагнетателя с турбоприводом (который в России часто называют просто турбиной), имеющий своей целью увеличение объема вентиляции двигателя. Конечный результат сходен с результатом действия любого нагнетателя – увеличение массы потока воздуха к двигателю и связанный с ним прирост мощности. Мощность, как известно, напрямую зависит от того, сколько воздуха попадет в двигатель.

Принципиальная разница между турбонагнетателем и традиционным нагнетателем с механическим приводом (также, возможно, известным читателю под словом «суперчарджер») состоит в способе, которым он приводится в действие. Все нагнетатели по сути своей – насосы. Они качают воздух и все они, естественно, требуют какого-то источника энергии, чтобы выполнять эту свою функцию. Нагнетатели с механическим приводом (центробежные, винтового типа или объемные нагнетатели Рута) работают благодаря энергии, получаемой ими от коленвала через механическое соединение – ремень, зубчатую передачу и т.п. Турбонагнетатели же извлекают энергию для своей работы из того, что вообще-то предназначено для выброса наружу – из потока выхлопных газов. Забавно, но в итоге турбина, работающая на таком «отработанном материале», способна дать любому двигателю более высокий прирост мощности – просто потому, что она не требует дополнительных энергозатрат от этого самого двигателя.

Кстати, эти энергозатраты намного более высоки, чем многие думают. Возьмем, к примеру, механический нагнетатель, который теоретически добавляет к мощности двигателя 100 лошадиных сил. До этого он «скушает» 25-35 л.с. (если двигатель не очень объемный). Эта величина, кстати, зависит от КПД самого нагнетателя, но это уже тема для другой статьи :) Так вот, «отъев» от поставляемой им самим мощности те самые 25-35 л.с., механический нагнетатель оставит двигателю соответственно только 65-75 «лошадей». В то же время турбина, которая раскручивается выхлопными газами, а никак не коленвалом, даст двигателю 90-95 л.с. дополнительной мощности. При этом, конечно, 5-10 «лошадей» тоже потеряются - из-за противодавления в выпускном тракте, - но масштаб все равно не тот, не правда ли? В итоге при прочих равных двигатель с турбонаддувом получит мощности на 30-40 процентов больше, чем тот же двигатель с механическим нагнетателем.

Однако многие считают работу турбонагнетателей некой «черной магией». Свою долю в восхищенное недоумение, которое кто-то наверняка испытывает перед турбинами, вносит распространенное заблуждение касательно того, что поток выхлопных газов от двигателя недостаточно силен для того, чтобы привести в действие нагнетатель (компрессор). Однако это не так. Энергетический потенциал выхлопа любого двигателя внутреннего сгорания огромен. Он почти равен тому, что передается через маховик. А все благодаря тому, что энергия горения в ДВС высвобождается почти в одинаковых долях тремя путями: вращение коленвала, выделение тепла и сила выхлопа. Эта последняя сила как раз и заставляет вращаться целые газотурбинные двигатели, что уж говорить о турбочарджерах (а они представляют собой те же ГТД, только маленькие, и используют двигатель внутреннего сгорания как топку). Хороший повод задуматься о том, сколько энергии мы тратим впустую, позволяя ей просто утекать в атмосферу, хотя она могла бы добавить нам немного дополнительных лошадей под капот :)

Теперь вспомним школьный курс математики и немного поупражняемся на гипотетическом драгстере, который, допустим, оснащен суперчарджером и имеет мощность в 1000 л.с. Предположим, 500 л.с. из этой тысячи получены как раз благодаря суперчарджеру. Немного отмотав текст назад и взяв оттуда соотношение 65/100, с которым механические нагнетатели выдают реальную прибавку к мощности, а потом разделив 500 на 0,65, мы получим 769 л.с. Именно такую мощность должен реально выдавать суперчарджер, чтобы двигатель получил в итоге 500 л.с. в плюс. А теперь посчитаем, сколько «лошадей» потребуется от турбины, чтобы получить такой же результат. Взяв выше соотношение 95/100, получим 526 л.с. Из этого следует, что двигатель с механическим нагнетателем должен вырабатывать мощность в 1269 л.с. (500 + 769), чтобы сравняться с турбированным двигателем мощностью в 1026 л.с. (500 + 526) – при прочих равных условиях, безусловно.

Впрочем, 35 л.с., которые теряет суперчарджер и 5 л.с., которые теряет турбонагнетатель – значения максимальные. Возьмем другое соотношение: 25 л.с. теряет суперчарджер и 10 л.с. – турбонагнетатель. Соотношение сил здесь все равно не в пользу механического привода. 1056 л.с. должен будет выдать турбодвигатель и 1167 л.с. – его собрат с суперчарджером. При этом турбодвигатель, к слову, намного меньше износится, что тоже порой имеет значение. (Примечание: все приведенные здесь соотношения, конечно, не идеально точны для двигателей внутреннего сгорания, но близки к реальности). Так что, подводя итог, можно сказать, что «черная магия» турбонаддува – не магия вовсе, а просто более эффективное использование энергии, которую выделяет двигатель. Однако пока изложенные выше вещи удалось донести до конструкторов и разработчиков моторов, прошли десятилетия – и это не преувеличение. Однако сейчас можно наблюдать огромную популярность турбонаддува. Значит, кто-то все-таки не побоялся «черной магии», что не может не радовать.

Источник: http://the-racer-edge.narod.ru

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости