Принцип работы турбонаддува: описание и принцип работы, плюсы и минусы

Принцип работы двигателя с турбонаддувом

В природе не существует такой вещи, как идеальное изобретение: мы всегда можем сделать что-то лучше, дешевле, эффективнее и экологически более чистым. Возьмите двигатель внутреннего сгорания. Вы думаете, что это невероятно, что автомобиль, работающий на жидкости, может ускорить ваше путешествие из пункта А в пункт B в разы. Но всегда существует возможность создать двигатель, который будет работать быстрее, на большие расстояния, или использовать меньше топлива. Одним из способов улучшить двигатель является использование турбонаддува – пары вентиляторов, которые направляют выхлопные газы из задней части двигателя в его переднюю часть, тем самым предоставляя двигателю больше мощности. Мы все слышали о турбированных движках, но как именно это работает? Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее!

Турбонаддув. Что это?

Вы когда-нибудь видели автомобили, которые проезжали мимо вас в облаке зловонного дыма, источником которого была их выхлопная труба? Для всех является очевидным тот факт, что выхлопные газы загрязняют окружающую среду, но менее очевидным остается тот факт, что это так же и пустая трата драгоценной энергии. Выхлопные газы являются смесью горячих газов, которые выходят из двигателя на приличной скорости и вся энергия, которая в них содержится – температуры и движения (кинетическая энергия) – бесполезно рассеивается в атмосфере. Разве не было бы замечательно, если бы двигатель мог использовать энергию выхлопных газов для собственного ускорения? Именно этим и занимается турбонаддув.

Автомобильные двигатели получают свою мощность от сгорания топлива в крепких металлических емкостях, которые называются цилиндрами. Воздух поступает в каждый цилиндр, смешивается там с топливом, и сгорает, при этом происходит небольшой взрыв, который приводит в движение поршень, а тот в свою очередь приводит в движение валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень возвращается в первоначальное положение, он выталкивает отходы воздушно-топливной смеси из цилиндров. Это и есть выхлопные газы. Количество энергии, которую может произвести автомобиль, напрямую связано с тем, как быстро он сжигает топливо. Чем больше цилиндров в двигателе и чем больше они в объеме, тем больше топлива он может сжечь каждую секунду и (по крайней мере, теоретически) тем быстрее сможет ехать автомобиль.

Из урока приведенного выше мы уяснили, что одним из способов сделать автомобиль гораздо быстрее, это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили, как правило, оснащены восьмью или двенадцатью цилиндрами, а не четырьмя шестью, как стандартные семейные транспортные средства. Другой способ заключается в использовании турбонаддува, который нагнетает больше воздуха в цилиндры, чтобы двигатель мог сжигать топливо с большей скоростью. Турбонаддув является простой, относительно дешевой, дополнительной конструкцией, которая помогает извлечь из двигателя больше мощности. Это изобретение вошло в ТОП 10 улучшений в конструкции двигателя со времен его создания (об этом, а также о многом другом, более подробнее здесь).

Как работает турбонаддув?

Если вы знакомы с принципом работы реактивного двигателя, то вы на полпути к пониманию принципа работы автомобильного турбонаддува. Реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камере, где он сгорает с топливом, а затем выпускает горячий воздух с обратной стороны двигателя на большой скорости. Когда горячий воздух покидает двигатель, он проходит мимо турбины (которая внешне немного похожа на очень компактную металлическую лестницу), что приводит в движение компрессор (воздушный насос) в передней части двигателя. Этот компрессор толкает воздух в двигатель, чтобы сжечь топливо должным образом. Принцип работы турбонаддува в автомобиле практически точно такой же. Он использует выхлопные газы для приведения турбины в действие. Она вращает воздушный компрессор, который нагнетает дополнительный воздух в цилиндры, чтобы сжигать больше топлива каждую секунду. Вот почему автомобили с турбонаддувами обладают большей мощностью.

Как это работает на практике? Фактически турбокомпрессор – это два небольших вентилятора (так называемые лопастные колеса или газовые насосы), которые размещены на одном металлическом валу, так что оба вращаются в одну сторону. Один из этих вентиляторов, который называется турбиной, расположен на пути потоков выхлопных газов из цилиндров двигателя. Как только цилиндры выпускают горячий газ, он вращает лопасти вентилятора, что приводит в движение вал, на котором размещен вентилятор. Второй вентилятор, который называется компрессором, также начинает вращаться, так как расположен на одном валу с турбиной. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому, как только он начинает вращаться, он засасывает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Но на этом этапе возникает небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, вы повышаете его температуру. Горячий воздух имеет меньшую плотность, а это уменьшает его эффективность в помощи при сгорании топлива. Так что, было бы намного лучше, если бы воздух, поступающий из компрессора, охлаждался до того, как он попадет в цилиндры. Для того, чтобы решить эту проблему и охладить воздух, выход из турбокомпрессора проходит через теплообменник, который забирает лишнюю температуру себе и направляет ее в более подходящие места.

Существует ряд мнений, что турбины ненадежны, что они часто ломаются и требуют полной замены. Мы не совсем согласны с этим утверждением. Почему? Об этом читайте в нашей статье: Есть ли недостатки у двигателей с турбонаддувом?

Схема работы турбонаддува с картинкой

Основная идея заключается в том, что выхлопные газы приводят в движение турбину (красный вентилятор), который непосредственно подключен (и питает) к компрессору (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты, мы показываем только один цилиндр. Давайте рассмотрим весь принцип работы пошагово.

1 . Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется в компрессор.

2 . Вентилятор компрессора помогает засасывать воздух внутрь.

3 . Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух и выдувает его снова.

4 . Горячий, сжатый воздух из компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.

5 . Охлажденный, сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре с большей скоростью.

6 . Так как в цилиндре сжигается больше топлива, он быстрее производит энергию и может отправлять больше мощности на колеса через поршни, валы и шестерни.

7 . Выхлопные газы из цилиндра выходят через выпускные трубы.

8 . Горячие выхлопные газы проходят мимо турбины и заставляют ее вращаться с высокой скоростью.

9 . Вращающаяся турбина установлена на том же валу, что и компрессор (на нашей картинке вал изображен оранжевым цветом). Таким образом, если вращается турбина, то и компрессор тоже.

10 . Выхлопные газы выходят из автомобиля, но при этом тратиться меньше ценной энергии, чем, если бы двигатель был без турбонаддува.

Устройство и принцип действия турбокомпрессора авто

Устройство и принцип действия турбокомпрессора направлены на увеличение давления топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.

Турбонаддув – принцип работы

Рассмотрим, принцип работы турбины на авто. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.

Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:

• Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
• Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
• Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
• Шарикоподшипникового картриджа;
• Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.

Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют. Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.

Система охлаждения и устройство турбокомпрессора автомобиля

Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей — масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.

Охлаждение маслом

Достоинства:

• Простая конструкция;
• Удешевление турбокомпрессора.

Недостатки:

• Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
  Высокая требовательность к составу масла;
• Необходимость часто его менять;
• Требовательность к контролированию температурного режима.

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.

В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:

• Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
• Превышение сроков замены масла;
• Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Комплексное охлаждение турбины антифризом и маслом

Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток – усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.

Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.

Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу.

Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.

Что такое интеркулер на авто?

При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер – вспомогательный охладитель воздуха.

Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность – задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.

Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения.

Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.

Отличия твин турбо и битурбо

Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.

Твинтурбо – это система, в которой несколько одинаковых турбин соединены параллельно. Их задача – повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.

Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.

В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.

Последовательное соединение разных турбин получило название «битурбо».

Конструкция сделана так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина». Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.

Инновационные разработки

В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.

Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.

Также к инновационным разработкам относится система twinscroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.

При этом имеется два варианта реализации:

1. Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twinturbo.
2. Второй тип работает наподобие схемы biturbo – имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр – при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.

Сейчас  выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше .

Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя, чистоту его выхлопа.

ТУРБОКОМПЕНСАТОР: КОМПОНЕНТЫ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ТИПЫ

Турбокомпрессор — это устройство, которое используется для увеличения мощности двигателя или, можно сказать, эффективности двигателя за счет увеличения количества воздуха, поступающего в камеру сгорания. Чем больше воздуха в камеру сгорания, тем больше топлива попадет в цилиндр и, как следствие, будет больше мощности от того же двигателя, если в нем установлен турбокомпрессор.

Проще говоря, турбокомпрессор представляет собой своего рода воздушный насос, который забирает воздух при атмосферном давлении, сжимает его до более высокого давления и подает сжатый воздух в двигатель через впускные клапаны.

В настоящее время турбонаддувы используются в основном на дизельных двигателях, но сейчас наблюдается тенденция к турбонаддуву серийных бензиновых двигателей.

Количество двигателя, которое фактически входит в цилиндр двигателя, по сравнению с теоретическим количеством, если бы двигатель мог поддерживать атмосферное давление, называется объемным КПД, и целью турбонагнетателя является улучшение объемного КПД двигателя за счет увеличения плотности впускной газ.

Турбокомпрессор забирает воздух из атмосферы и сжимает его с помощью центробежного компрессора перед подачей во впускной коллектор под повышенным давлением. Это приводит к тому, что большее количество воздуха поступает в цилиндры при каждом такте впуска. Центробежный компрессор получает энергию от кинетической энергии выхлопных газов двигателя.

КОМПОНЕНТЫ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ

Турбокомпрессор состоит из трех основных компонентов
1. Турбина, которая представляет собой почти радиальную турбину с всасыванием.
2. Компрессор почти центробежный.
3. Узел вращения центральной ступицы.

Турбокомпрессор состоит из двух основных частей: турбины и компрессора.

Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины. Задача корпуса турбины — направлять выхлопные газы в турбинное колесо. Энергия выхлопных газов вращает колесо турбины, после чего газ выходит из корпуса турбины через выпускное отверстие выхлопных газов.

Компрессор также состоит из двух частей: колеса компрессора и корпуса компрессора. Принцип работы компрессора противоположен турбине. Колесо компрессора прикреплено к турбине валом из кованой стали, и когда турбина вращает колесо компрессора, высокоскоростное вращение втягивает воздух и сжимает его. Затем корпус компрессора преобразует высокоскоростной воздушный поток низкого давления в низкоскоростной воздушный поток высокого давления посредством процесса, называемого диффузией. Сжатый воздух нагнетается в двигатель, позволяя двигателю сжигать больше топлива для производства большей мощности.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Турбокомпрессор в основном состоит из двух основных частей: турбины и компрессора. Турбина состоит из турбинного колеса и корпуса турбины, назначение которого состоит в том, чтобы направлять выхлопные газы в турбинное колесо. Кинетическая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую после удара о лопатки турбины. Выходное отверстие помогает выхлопным газам выйти из турбины. Колесо компрессора в турбокомпрессоре прикреплено к турбине с помощью стального вала, и когда турбина вращает колесо компрессора, оно втягивает высокоскоростной поток воздуха низкого давления и преобразует его в воздух высокого давления и низкой скорости. транслировать. Этот сжатый воздух подается в двигатель с большим количеством топлива и, следовательно, производит большую мощность.

Отработанные выхлопные газы двигателя используются для привода турбинного колеса, которое валом соединено с компрессорным колесом. Компрессор или воздушное колесо всасывает воздух через воздушные фильтры и подает его в двигатель.
Когда выхлопные газы выбрасываются из двигателя, они направляются на турбину или горячее колесо турбонагнетателя и таким образом завершают цикл.

1. Захват

Вместо выхода через выхлопную трубу горячие газы, образующиеся при сгорании, поступают в турбокомпрессор. Цилиндры внутри двигателя внутреннего сгорания срабатывают последовательно (не все сразу), поэтому выхлоп выходит из камеры сгорания нерегулярными импульсами.
Обычные турбокомпрессоры с одной спиралью направляют эти нерегулярные импульсы выхлопных газов в турбину таким образом, что они сталкиваются и мешают друг другу, уменьшая силу потока. Напротив, турбокомпрессор с двойной спиралью собирает выхлопные газы от пар цилиндров в чередующейся последовательности.

2. Вращение

Выхлоп ударяет в лопатки турбины, раскручивая их до 150 000 об/мин. Чередующиеся импульсы выхлопа помогают устранить турбояму.

3. Вентиляционное отверстие

Выполнив свою задачу, выхлопные газы проходят через выпускное отверстие в каталитический нейтрализатор, где они очищаются от угарного газа, оксидов азота и других загрязняющих веществ перед выходом через выхлопную трубу.

4. Сжатие

Между тем, турбина приводит в действие воздушный компрессор, который забирает холодный чистый воздух из вентиляционного отверстия и сжимает его до давления, превышающего атмосферное на 30 процентов, или почти 19 фунтов на квадратный дюйм. Плотный, насыщенный кислородом воздух поступает в камеру сгорания.

Дополнительный кислород позволяет двигателю более полно сжигать бензин, повышая производительность двигателя меньшего размера. В результате двигатель Twin Power вырабатывает на 30% больше мощности, чем двигатель того же размера без турбонаддува.

Процедура следующая:

1. Воздухозаборник двигателя всасывает холодный воздух и направляет его в компрессор.
2. Компрессор сжимает поступающий воздух и нагревает его. Затем выдувает горячий воздух.
3. Горячий воздух охлаждается при прохождении теплообменника и поступает в воздухозаборник цилиндра.
4. Холодный воздух сгорает внутри камеры сгорания быстрее из-за переноса большего количества кислорода.
5. Из-за сжигания большего количества топлива выработка энергии будет больше, и двигатель сможет передавать больше мощности на колеса.
6. Горячие отработанные газы выходят из камеры и проходят мимо турбины на выпускном отверстии.
7. Турбина вращается с высокой скоростью и также вращает компрессор, так как оба они установлены на одном валу.
8. Выхлопные газы покидают автомобиль через выхлопную трубу. Они тратят меньше энергии, чем двигатель без турбонагнетателя.

ТИПЫ ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕЙ

1. Одинарные турбонагнетатели

Одиночные турбонагнетатели имеют безграничное разнообразие. Различия в размерах крыльчатки компрессора и турбины приведут к совершенно разным характеристикам крутящего момента. Большие турбины обеспечат высокую максимальную мощность, но меньшие турбины обеспечат лучшее рычание на низких оборотах, поскольку они вращаются быстрее. Существуют также одинарные турбины на шарикоподшипниках и опорных подшипниках. Шариковые подшипники обеспечивают меньшее трение для вращения компрессора и турбины, поэтому они быстрее раскручиваются (при увеличении стоимости).

Преимущества
• Экономичный способ увеличения мощности и эффективности двигателя.
• Простой, как правило, самый простой вариант установки турбонаддува.
• Позволяет использовать меньшие двигатели для производства той же мощности, что и более крупные безнаддувные двигатели, которые часто могут уменьшить вес.

Недостатки
• Одиночные турбины, как правило, имеют довольно узкий эффективный диапазон оборотов. Это делает выбор размера проблемой, так как вам придется выбирать между хорошим крутящим моментом на низких оборотах или лучшей мощностью на высоких.
• Реакция Turbo может быть не такой быстрой, как альтернативные настройки Turbo.

2. Twin-Turbo

Как и в случае с одинарными турбонагнетателями, при использовании двух турбонагнетателей существует множество вариантов. У вас может быть один турбокомпрессор для каждого ряда цилиндров (V6, V8 и т. д.). В качестве альтернативы можно использовать один турбонагнетатель для низких оборотов и использовать байпас для более крупного турбонагнетателя для высоких оборотов (I4, I6 и т. д.). У вас может быть даже две турбины одинакового размера, одна из которых работает на низких оборотах, а обе — на более высоких. На BMW X5 M и X6 M используются турбины с двойной спиралью, по одной с каждой стороны V8.

Преимущества
• Параллельные двойные турбины на V-образных двигателях имеют преимущества (и недостатки) очень похожи на одинарные турбины.
• Для последовательных турбонаддувов или использования одного турбонагнетателя на низких оборотах и ​​обоих на высоких оборотах это позволяет получить гораздо более широкую и пологую кривую крутящего момента. Лучший крутящий момент на низких оборотах, но мощность не будет уменьшаться на высоких оборотах, как с небольшим одинарным турбонаддувом.

Недостатки
• Стоимость и сложность, так как вы почти удвоили количество турбокомпонентов.
• Существуют более легкие и эффективные способы достижения аналогичных результатов (см. ниже).

3. Турбина Twin-Scroll

Турбина приводится в действие выхлопными газами, которые перенаправляются на вращение лопаток турбины и нагнетают воздух в двигатель. Теперь цилиндры двигателя срабатывают по очереди, а это означает, что выхлопные газы поступают в турбину импульсами. Как вы, вероятно, можете себе представить, эти импульсы могут легко перекрываться и мешать друг другу при включении турбонаддува, и турбокомпрессор с двойной спиралью решает эту проблему, используя корпус турбины с разделенным входом и специальный выпускной коллектор, который соединяет правильные цилиндры с каждым. прокрутить. В четырехцилиндровом автомобиле у вас может быть первый и четвертый цилиндры, приводящие в действие одну спираль, а два и три — другую. Это означает меньшее перекрытие импульсов и меньшее запаздывание.

Преимущества
• Больше энергии передается на выхлопную турбину, что означает увеличение мощности.
• Возможен более широкий диапазон оборотов эффективного наддува за счет различных конструкций спиральных валов.
• Возможно большее перекрытие клапанов без ущерба для продувки выхлопных газов, что означает большую гибкость настройки.

Недостатки
• Требуется особая компоновка двигателя и конструкция выхлопа (например: I4 и V8, где 2 цилиндра могут подаваться на каждую спираль турбонаддува через равные промежутки времени).
• Стоимость и сложность по сравнению с традиционными одинарными турбинами.

4. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT)

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) — это дорогое и сложное решение для повышения мощности, которое особенно распространено в дизельных двигателях. VGT имеет кольцо лопаток аэродинамической формы в корпусе турбины, которое может изменять отношение площади к радиусу в соответствии с оборотами двигателя. На низких оборотах отношение площади к радиусу создает большее давление и скорость для более эффективного раскручивания турбонаддува. При более высоких оборотах передаточное отношение увеличивается, чтобы пропустить больше воздуха. Результатом является более широкий диапазон наддува и меньшее отставание.

Преимущества
• Широкая, плоская кривая крутящего момента. Эффективный турбонаддув в очень широком диапазоне оборотов.
• Требуется всего один турбонаддув, что упрощает установку последовательного турбонаддува в нечто более компактное.

Недостатки
• Обычно используется только в дизельных двигателях, где количество выхлопных газов меньше, поэтому лопасти не повреждаются под воздействием тепла.
• Для бензиновых двигателей стоимость обычно не позволяет использовать их, поскольку для обеспечения надежности необходимо использовать экзотические металлы. Технология была использована на Porsche 9.97, хотя существует очень мало бензиновых двигателей VGT из-за связанных с этим затрат.

5. Турбокомпрессор с регулируемой двойной спиралью

Турбокомпрессор с регулируемой двойной спиралью сочетает в себе VGT с настройкой с двойной спиралью, поэтому при низких оборотах одна из спиральных турбин полностью закрывается, нагнетая весь воздух в другую. Это приводит к хорошему отклику турбо и низкой мощности. Когда вы ускоряетесь, клапан открывается, пропуская воздух в другую спираль (это полностью переменный процесс, то есть клапан открывается с небольшим шагом), вы получаете хорошую производительность высокого класса. Вы получаете производительность с одним турбонаддувом, которую обычно можно получить только с установкой с двойным турбонаддувом.

Преимущества
• Значительно дешевле (теоретически), чем VGT, что делает возможным использование бензинового двигателя с турбонаддувом.
• Обеспечивает широкую и плоскую кривую крутящего момента.
• Более прочная конструкция по сравнению с VGT, в зависимости от выбора материала.

Недостатки
• Стоимость и сложность по сравнению с использованием одинарной турбины или традиционной двойной прокрутки.
• С этой технологией уже экспериментировали (например, быстродействующий золотниковый клапан), но, похоже, она не прижилась в мире производства. Вероятно, есть дополнительные проблемы с технологиями.

6. Электрические турбонагнетатели

Совсем недавно появились турбины с электрическими компрессорами. Примером может служить бустер BorgWarner, представляющий собой компрессор с электрическим приводом. Компрессор обеспечивает мгновенный наддув двигателя до тех пор, пока турбокомпрессор не раскрутится достаточно. Похожую версию можно найти в Audi SQ7. С мгновенным ускорением лаги уходят в прошлое, но опять же, система дорогая и сложная. Компрессору нужен двигатель, который, в свою очередь, нуждается в питании, поэтому реализовать эту систему непросто.

Преимущества
• Благодаря прямому подключению электродвигателя к колесу компрессора турбо-задержка и недостаточное количество выхлопных газов могут быть практически устранены за счет вращения компрессора с помощью электроэнергии, когда это необходимо.
• Подключив электродвигатель к выхлопной турбине, можно восстановить потерянную энергию (как это делается в Формуле 1).
• Очень широкий эффективный диапазон оборотов с равномерным крутящим моментом.

Недостатки
• Стоимость и сложность, так как теперь вы должны учитывать электродвигатель и следить за тем, чтобы он оставался холодным, чтобы предотвратить проблемы с надежностью. Это касается и добавленных контроллеров.
• Упаковка и вес становятся проблемой, особенно с добавлением встроенной батареи, которая будет необходима для обеспечения достаточной мощности турбонагнетателя, когда это необходимо.
• VGT или Twin-Scrolls могут предложить очень похожие преимущества (хотя и не совсем на том же уровне) при значительно более низкой цене.

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Вы здесь: Домашняя страница > Транспорт > Турбокомпрессоры

• Дом
• Индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 29 сентября 2022 г.

Идеального изобретения не бывает: всегда можно сделать что-то лучше, дешевле, более эффективным или более экологичным. Возьмите внутреннюю двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может швырнуть вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать в противном случае.

Но это всегда можно построить двигатель, который будет двигаться быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —а пара вентиляторов, которые используют мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, доставляя больше «крутости», чем в противном случае получать. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте посмотри внимательнее!

Фото: Безмасляный турбокомпрессор, разработанный НАСА. Фото предоставлено Исследовательский центр Гленна НАСА (НАСА-GRC).

Содержание

1. Что такое турбонагнетатель?
2. Как работает турбонагнетатель?
3. Как работает турбокомпрессор — более подробно
4. Откуда берется дополнительная мощность?
5. Сколько дополнительной энергии вы можете получить?
6. Преимущества и недостатки турбокомпрессоров
7. Кто изобрел турбокомпрессор?
8. Узнать больше

Что такое турбокомпрессор?

Вы когда-нибудь наблюдали, как мимо вас проносятся машины, из выхлопных труб которых вырываются сажевые выхлопы? Очевидно, что выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше. очевидно, что они тратят энергию впустую в то же время. Выхлоп смесь горячих газов, выбрасываемых со скоростью и всей энергией, содержит — тепло и движение (кинетическую энергию) — бесполезно исчезает в атмосфере. Было бы неплохо, если бы двигатель можно ли как-то использовать эту ненужную мощность, чтобы машина ехала быстрее? Это именно то, что делает турбокомпрессор.

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор использует пару вентиляторов в форме улитки, как этот. Здесь вы видите Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора предоставлено ВМС США.

Автомобильные двигатели вырабатывают энергию, сжигая топливо в прочных металлических банках, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр, смешивается с топливом и сгорает с небольшим взрывом который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень вдавливается обратно, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в виде выхлопа. Количество энергии автомобиль может производить напрямую зависит от того, как быстро он сжигает топливо. у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее она можешь идти.

Один из способов увеличить скорость автомобиля — добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндров в обычном семейном автомобиле. Другим вариантом является использование турбокомпрессор, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, поэтому они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простая, относительно дешевая дополнительная немного комплекта, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Рекламные ссылки

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию работы турбокомпрессора автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, выдавливает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух сзади. Как горячий воздух уходит, он ревет мимо турбины (немного похожей на очень компактный металлический ветряк), который приводит в действие компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это часть, которая нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть правильно.

Турбокомпрессор автомобиля очень аналогичный принцип работы поршневого двигателя. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, что позволяет им сжигать больше топлива каждый раз. второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше энергии (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»). Нагнетатель (или «механический нагнетатель», если дать ему полное название) очень похож на турбокомпрессор, но вместо выхлопных газов с помощью турбины он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отработанной энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию из собственного источника энергии автомобиля (коленчатый вал), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор) установлены на одном валу. Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Как работает турбонаддув на практике? Турбокомпрессор фактически представляет собой два небольших вентилятора (также называемых крыльчатками). или бензонасосы) сидят на одном металлическом валу так, что оба крутятся вокруг вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в поток выхлопных газов из цилиндров. Когда цилиндры продувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, к которому они подключены (технически называется узел вращения центральной ступицы или CHRA) так же вращается. Второй вентилятор называется компрессор и, так как он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже крутится. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому при вращении втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Здесь небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, вы делаете его горячее (вот почему велосипедный насос прогревается, когда вы начинаете накачивать шины). горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и менее эффективно помогает топливу гореть, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, выходящий из компрессора, охлаждался перед поступлением цилиндры. Для его охлаждения выход компрессора проходит над теплообменником, удаляющим дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — более подробно

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен к компрессору (и питает его) (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух и снова выдувает его.
4. Горячий сжатый воздух из компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он производит энергию быстрее и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выпускной патрубок.
8. Горячие выхлопные газы, обдувая вентилятор турбины, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (здесь показана бледно-оранжевой линией). Таким образом, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, затрачивая меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было бы соединить примерно так. Турбина (красная, справа) всасывает выхлопной воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который всасывает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленого цвета) между турбиной и компрессором.

Художественное произведение: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США №7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданного Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Изображение предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры дают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступает непосредственно из отработанных выхлопных газов, и это иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для привода компрессора. что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — это дополнительная мощность автомобиля. происходит от. Все, что делает выхлопной газ, это приводит в действие турбокомпрессор и, поскольку турбонагнетатель не соединен с коленчатым валом или колесами автомобиля, он не напрямую любым образом увеличивает мощность автомобиля. Это просто позволяет тот же двигатель, чтобы сжигать топливо с большей скоростью, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной энергии вы можете получить?

Если турбокомпрессор придает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это еще больше силы. Теоретически вы могли бы продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более и более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры настолько велики, что столько топлива они могут сжечь. Через впускное отверстие определенного размера вы можете нагнетать в них столько воздуха, сколько вы можете выпустить выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для привода турбонагнетателя. Другими словами, в игру вступают другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; вы не можете просто турбонаддувом свой путь к бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Преимущества

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор. Вы можете ясно видеть два вентилятора/воздуходувки (один над другим) и их впускные/выпускные отверстия. Фото предоставлено армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и на более или менее любых тип транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).

Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность при том же размере двигателя (каждый ход поршня в каждом отдельном цилиндре генерирует больше мощности, чем в противном случае). Однако больше мощности означает больше энергии выход в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что это означает, что вы также должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать соответственно больше топлива.

Теоретически это означает, что двигатель с турбокомпрессором не более экономичен по топливу, чем двигатель без него. Однако на практике двигатель, оснащенный турбокомпрессором, намного меньше и легче, чем двигатель той же мощности без турбокомпрессора, поэтому автомобиль с турбокомпрессором может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Теперь производителям часто удается установить на тот же автомобиль двигатель гораздо меньшего размера (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: работая хорошо, они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива. Поскольку они сжигают топливо с большим содержанием кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, загрязняя воздух меньше.

“ Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, продаваемых в США, будут оснащены им. »

Нью-Йорк Таймс, 2018 г.

Недостатки

Большая мощность при том же объеме двигателя звучит замечательно, так почему же не все двигатели оснащены турбонаддувом?

Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбонагнетателями, не всегда оказывались такими впечатляющими, как хотели заявлять производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом перед своими конкурентами). Одно исследование, проведенное Consumer Reports в 2013 году, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом обеспечивают значительно меньшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические достоинства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. экономить топливо, включая гибриды, дизели и другие передовые технологии».

Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще несколько вещей, которые могут пойти не так. Это может значительно удорожить обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны подвергаться более высоким давлениям и температурам, что может привести к более раннему выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом не служат так долго.

С турбонаддувом даже вождение может быть другим: поскольку турбокомпрессор приводится в действие выхлопными газами, часто возникает значительная задержка («турбо-лаг») между нажатием педали газа и включением турбонагнетателя, что может делают автомобили с турбонаддувом очень разными (а иногда и очень сложными) в управлении. В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, усердно разрабатывали частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Garrett называется E-Turbo, а предложение Borg — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бюхи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в компании Gebrüder Sulzer Engine Company в Винтертуре, Швейцария. Подобно турбонагнетателю, который я проиллюстрировал выше, его первоначальная конструкция использовала вал турбины с приводом от выхлопных газов для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя. Первоначально он разработал турбокомпрессор еще до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1919 году.05, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя. Однако

Бючи был не единственной важной фигурой в этой истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением стадий сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это работало как наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое можно было сжечь. Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Произведение: Один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бюхи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро разобраться. Вы можете видеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопной газ из цилиндра проходит по трубе (зеленая), которая приводит в движение турбину. Он подключен к оранжевому «зарядному вентилятору» (компрессор) и охладителю (синяя коробка), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубку. Есть и другие запутанные детали, но я не буду вдаваться во все детали; если вам интересно, взгляните на патент США № 1,9.55 620: двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через патенты Google). Работа предоставлена ​​Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнать больше

На этом сайте

• Оси и колеса
• Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
• Компрессоры и насосы
• Шестерни
• Турбины

Книги для читателей постарше

• Turbo: Real World High-Performance Turbocharge Systems by Jay K. Miller. Cartech Voyageur, 2008. Отличное общее введение.
• Турбокомпрессор: Справочник по производительности Джеффа Хартмана. Motorbooks International, 2007.
• Спортивные компактные турбины и воздуходувки Джо Петтитта. CarTech, 2004. Более практичное практическое руководство по установке и использованию турбокомпрессоров.
Турбокомпрессоры
• от Хью Макиннеса и Бетти Макиннес. Книги HP, 1987.
• Porsche Turbo: Полная история Питера Ванна. Motorbooks International, 2004. Первая глава включает общую историю турбокомпрессоров.

Книги для юных читателей

• Автомобильная наука Ричарда Хаммонда. Дорлинг Киндерсли, 2007 г. Объясняет науку, которая заставляет вашу машину работать (9–12 лет).

Артикул

• Создание лучшего турбокомпрессора, Дэн Карни, Design News, 19 октября 2029 г. Короткое, но интересное интервью с техническим директором Borg Warner смотрит, куда движется технология.
• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 г. . История новых электрических турбин Garrett.
• Прыжки с турбонаддувом с ипподрома в тупик Стивена Уильямса. The New York Times, 25 октября 2018 г. Как турбокомпрессоры стали важным компонентом двигателя современного автомобиля.
• Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора, Алекс Дэвис. Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как повысить эффективность турбодвигателей? Просто добавь воды, Ник Чап. Нью-Йорк Таймс, 29Сентябрь 2016 г. Bosch возрождает идею распыления воды в цилиндры с турбонаддувом, чтобы сделать их более холодными и менее хаотичными.
• Автопроизводители считают, что турбины — это мощный путь к топливной экономичности, Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад турбокомпрессор был прорывной технологией Джима Коска. The New York Times, 19 декабря 2014 г. Как ранние турбокомпрессоры в конечном итоге преодолели свои первые проблемы.
• Если вы не водите турбо, вы скоро будете, Чак Скуатриглиа. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 г. количество автомобилей с установленными турбонагнетателями удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует свою зеленую репутацию от Йорна Мэдслиена. BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «более экологичными» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вам нужны подробные технические описания того, как что-то работает, патенты — это хорошее место для начала. Здесь Вот несколько недавних патентов на турбокомпрессоры, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бюхи, выданный 17 апреля 1934 г. Ранний турбодвигатель, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
• Патент США № 2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод Ричарда Дж. Ллойда, The Garrett Corporation, выданный 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных скоростях двигателя.
• Патент США № 4,083,188: Система турбонагнетателя двигателя, разработанная Эмерсоном Куммом, The Garrett Corporation, выдана 11 апреля 19 г.78. Современный турбокомпрессор для дизеля с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданный Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.