Турбонагнетатель. Устройство и принцип работы
Что такое турбонагнетатель или турбокомпрессор? Фактически это компрессор, призванный нагнетать воздух, но его привод осуществляется не от коленчатого вала через ременную передачу, а используя энергию потока отработавших газов.
В данной статье рассмотрим устройство и принцип работы турбонагнетателей.
Принцип работы турбонагнетателя
Работа турбонагнетателя предельно проста. Выхлопные газы, проходя в турбину, приводят во вращение ротор. Колесо центробежного компрессора жестко закреплено на оси ротора и вращается с той же скоростью.
Чем большей энергией обладают выхлопные газы, тем быстрее вращаются колеса турбины и, соответственно, компрессоры. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, тем выше мощность. При этом частота вращения турбокомпрессора может быть очень и очень высокой – 150 тыс.
об/мин.
Большинство турбонагнетателей имеют механизм изменения геометрии турбины. Дополнительное кольцо с управляемыми направляющими лопатками позволяет поддерживать поток выхлопных газов не только постоянным, но и управлять им. Так, на низких оборотах, когда поток невелик, поперечное сечение турбины уменьшается, что увеличивает скорость газов, поступающих на колесо, повышая ее мощность. На высоких же оборотах лопасти полностью открывают вход газам, увеличивая пропускную способность турбины.
Такое гибкое управление позволяет не только расширить диапазон эффективной работы турбонагнетателя, но и существенно снизить потребление топлива и вредные выбросы. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины обеспечивает эффективную работу не только на высоких, но и на низких оборотах двигателя.
Плюсы и минусы турбонагнетателей
Преимущество в том, что, в отличие от механических нагнетателей, приводимых от коленчатого вала и отнимающих мощность непосредственно у двигателя, турбонагнетатели используют фактически дармовую энергию, которая в обычном двигателе попросту выбрасывается из выхлопной трубы.
Это делает турбонагнетатели более эффективными, нежели механические.
Одновременно турбонаддув позволяет получить высокие мощности – свыше 300 л. с. с одного литра объема. Двигатель с турбонагнетателем имеет мощность на 40% выше, чем без него. Как ни странно, но турбированные двигатели более экономичны. Низкое КПД двигателя внутреннего сгорание обусловливается потерями на трение и низкой тепловой эффективностью. С увеличением размеров мотора эти потери резко увеличиваются. Небольшие турбированные моторы в этой связи более предпочтительны.
Турбонагнетатели несовершенны и обладают рядом проблемных мест. Самое заметное – эффект «турбоямы». Отсутствие механической связи между компрессором и двигателем приводит к несоответствию между требуемой мощностью, задаваемой водителем педалью ‘газа’ и производительностью компрессора.
Недостатком турбокомпрессоров считается невысокая эффективность работы на малых оборотах двигателя. Но и эта проблема находит свои решения.
Турбины с переменной геометрией, установка двух и более турбин, работающих параллельно (системы bi-turbo), позволяют повысить отдачу системы.
Турбокомпрессоры имеют те же недостатки, что и центробежные нагнетатели. Для эффективной работы они должны вращаться с очень высокой скоростью. Плюс высокий нагрев (порядка 1000 °С), сложности в смазке, отводе тепла. Повышенные температуры сказываются не только на смазке деталей турбонагнетателя, но и на нагнетаемом воздухе: его охлаждение оказывается острым вопросом. Для эффективного охлаждения интеркулер рассчитывается и подбирается с особой тщательностью.
Как и в любом нагнетательном устройстве, в турбонагнетателе необходим клапан, спускающий излишнее давление. С турбиной еще сложнее. Здесь нужно не только следить за давлением наддува, но и перепускать выхлопные газы, чтобы снизить избыток давления в выпускном коллекторе, и исключить чрезмерно высокую скорость вращения ротора на высоких оборотах двигателя.
Нужно сказать, что после работы на повышенных оборотах турбина должна «отдохнуть» на холостых оборотах. Поработав так несколько минут, турбина остывает, и ее можно остановить. Устройство, именуемое турботаймером, позволяет при выключении зажигания глушить двигатель через время, которое можно запрограммировать, либо оно определяется автоматически, исходя из температуры мотора. В отсутствие такого прибора водитель должен обеспечить «режим остывания» самостоятельно.
Механические нагнетатели или турбонагнетатели?
Сравнивая нагнетатели с механическим приводом и турбоприводом, надо отметить один факт. Массовое производство позволяет автомобильной промышленности существенно снижать себестоимость моторов с турбонагнетателями. Использование же в тюнинге сопряжено с немалыми трудностями, прежде всего в установке.
Аналогичные центробежные механические нагнетатели более удобны и просты в установке и в эксплуатации.
Однако достоинства турбонагнетателей приводят к тому, что их чаще используют при тюнинге двигателя. Существуют готовые комплекты для различных авто.
В заключение следует сказать: турбонагнетатели несомненно интересны, не зря большинство спортивных машин оснащаются турбинами. Высокий КПД и прочие положительные факторы делают их привлекательными как для обычных автомобилей, так и для тюнинга.
Турбонагнетатель (турбокомпрессор) — плюсы и минусы
КАТАЛОГИ:
Каталог турбины
Каталог картриджи
Турбонагнетатель хорош тем, что он не использует энергию коленвала, а работает от приходящего в турбину потока выхлопных газов. То есть, он функционирует фактически на халяву, и в этом есть основное его преимущество. Выхлопные газы вместе со своей энергией все равно улетели бы в трубу, а так и они напоследок потрудятся во благо человека.
Получается. Что турбонагнетатель более эффективен, нежели его механический аналог. Он не отбирает у силового агрегата энергию. Однако, на этом плюсы только начинаются.
Если оснастить таким турбонаддувом обычную машину, то можно получить очень высокий прирост мощности – автомобиль будет развивать целых 300 л.с., и это, конечно, не предел. Турбонагнетатель обеспечивает сорокапроцентный прирост мощности ДВС. Удивительно, но турбированный мотор при этом можно охарактеризовать как экономичный. Автомобильный ДВС традиционно имеет низкий КПД, обусловленный следующими причинами:
1. Потери на трение.
2. Низкий уровень тепловой эффективности.
Если увеличить габариты агрегата, то и данные потери резко возрастут. В таком случае гораздо предпочтительнее иметь небольшой движок с турбонагнетателем, нежели огромный агрегат без турбины.
Но идеалом совершенства турбонагнетатель назвать нельзя. Он обладает некоторым рядом сложных моментов:
1.
Турбояма. Между компрессором и мотором нет механической связи. В результате задаваемая водителем мощность не соответствует возможностям установленного компрессора. То есть, вы жмете педаль газа, а нагнетатель отвечает далеко не сразу.
2. Если у турбины нет переменной геометрии, то при малых оборотах мотора эффективность компрессора будет низкой. Повысить мощность можно путем параллельного монтажа двух таких турбин. Получится битурбированный двигатель (Bi-Turbo).
3. Чтобы от такого компрессора наступил хороший эффект, ему придется чрезвычайно интенсивно вращаться. Аналогичным недостатком обладает и механический нагнетатель.
4. Турбонагнетатель греется до 1000 С. Производители тщательно подбирают очень тугоплавкие материалы, что удорожает конструкцию. А еще работающее оборудование нуждается в хорошей смазке и отводе тепла, что сделать тоже довольно трудно.
5. Помимо деталей турбонагнетателя, сильно греется и сам воздух, так что приходится как-то его охлаждать.
Турбояма. Между компрессором и мотором нет механической связи. В результате задаваемая водителем мощность не соответствует возможностям установленного компрессора. То есть, вы жмете педаль газа, а нагнетатель отвечает далеко не сразу.
Обычно на помощь приходит установка интеркулера. При его подборе надо все особо тщательно рассчитать.Турбонагнетатель должен обладать и клапаном, спускающим излишки давления. Правда, и с этим ситуация тут сложнее. Помимо слежения за давлением наддува, тут надо еще перепускать выхлопные газы, дабы в выпускном коллекторе не формировалось избыточное давление. Также важно, чтобы ротор не вращался чрезвычайно быстро, когда двигатель развивает высокие обороты.
Именно этот вид турбины требует отдыха на холостых оборотах, когда вы откуда-то приехали. Если вы тут же заглушите мотор, турбонагнетатель перестанет смазываться и охлаждаться маслом, что грозит его скорейшим выходом из строя.
Производители советуют — перед тем как заглушить двигатель, дать ему поработать на оборотах холостого хода в течении, не менее 15 — 20 секунд.
Чтобы вы не сидели в машине, ожидая глушения движка, придуман турботаймер. Вы выключаете зажигание, но ДВС глохнет не сразу же, а спустя определенный промежуток времени.
Турбонагнетатель сложен в установке, поэтому при тюнинге автомобиля прибегают в основном к механическим разновидностям турбоаппаратуры. Но более высокий КПД турбонагнетателя никуда не денешь.
Как работает турбокомпрессор?
Проще говоря, турбокомпрессор — это 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. Для автомобилей и фургонов, как правило, турбонаддув чаще использовался на дизельных двигателях как способ повышения производительности, но, чтобы соответствовать постоянно ужесточающемуся контролю за выбросами, в настоящее время наблюдается переход к турбонаддуву серийных бензиновых двигателей.
Поскольку все двигатели зависят от воздуха и топлива, мы знаем, что увеличение этих элементов в установленных пределах увеличивает мощность двигателя, но если мы увеличим количество топлива, мы должны быть в состоянии сжечь его полностью, иначе смесь станет слишком богатый, который может иметь различные проблемы.
Точно так же слишком много воздуха считается слишком бедным и может быть весьма разрушительным.
Для удовлетворения наших потребностей в энергии требуется воздух; добавление большего количества воздуха представляет гораздо больше проблем, чем добавление большего количества топлива. Воздух все время находится вокруг нас и находится под давлением (на уровне моря это давление составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм), и именно это в сочетании с тактом впуска двигателя нагнетает воздух в цилиндры. Для дальнейшего увеличения воздушного потока устанавливается воздушный насос (турбокомпрессор), и в двигатель подается сжатый воздух. Этот воздух смешивается с впрыскиваемым топливом, позволяя топливу сгорать более эффективно, что увеличивает выходную мощность двигателя.
Другая сторона турбонаддува, которая может представлять интерес, — это двигатель, который регулярно работает на больших высотах, где воздух менее плотный и где турбонаддув может восстановить часть мощности, потерянной из-за падения давления воздуха.
Мощность двигателя на высоте 8000 футов составляет всего 75% от его мощности на уровне моря.
Захват
Вместо выхода через выхлопную трубу горячие газы, образующиеся при сгорании, поступают в турбонагнетатель. 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.
Вращение
Выхлоп ударяет в лопатки турбины, раскручивая их до 150 000 об/мин. Чередующиеся импульсы выхлопа помогают устранить турбояму.
Вентиляционное отверстие
Отработав свое предназначение, выхлопные газы проходят через выпускное отверстие в каталитический нейтрализатор, где очищаются от угарного газа, оксидов азота и других загрязняющих веществ перед выходом через выхлопную трубу.
Сжатие
Тем временем турбина приводит в действие воздушный компрессор, который собирает холодный чистый воздух из вентиляционного отверстия и сжимает его до давления на 30% выше атмосферного, 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 TwinPower вырабатывает на 30 % больше мощности, чем двигатель без турбонаддува того же размера.
Что такое турбокомпрессор и как он работает?
Что такое турбокомпрессор?
Двигатель с форсированным двигателем или двигатель с турбонаддувом использует выхлопные газы, обычно выбрасываемые в воздух обратно в двигатель через принудительные турбины, для увеличения мощности. В очередной раз Arctic Cat стала лидером, первой установив турбодвигатель на один из своих снегоходов, когда они выпустили четырехтактный двигатель T660 в 2004 году.
Теперь все больше брендов продают снегоходы с турбонаддувом. зарядное устройство и многие компании, продающие комплекты турбокомпрессора.
Прежде чем мы продолжим, я должен отметить, что Precision Boats в Айдахо-Фолс имеет комплект турбонагнетателя, сделанный Boondocker, Auto Sidekick, который сейчас имеет большую распродажную цену. Подходит для любых моделей Arctic Cat Ascender 2018-2019 гг. Если вы ищете турбокомпрессор для своего снегохода, позвоните Толлену или Тиму по телефону (208) 529-0520, и он сообщит вам текущую цену продажи.
Я отвлекся…
Как работают турбокомпрессоры?
Турбокомпрессоры создают мощность за счет повышения давления во впускном коллекторе, выдавливания и нагнетания воздуха в двигатель, тем самым увеличивая воздушно-топливную смесь, что позволяет двигателю прокачивать больше воздуха и развивать большую мощность. По сути, он просто берет воздух, выбрасываемый через выхлопную систему, и нагнетает его обратно прямо в цилиндры.
История
В 1905 году швейцарский инженер Альфред Буши первым запатентовал нагнетатель, приводимый в движение выхлопными газами. Бучи окончил Федеральный политехнический институт (ETH) в Цюрихе, а его отец был исполнительным директором швейцарской промышленной и производственной фирмы. Бучи был хорошо подготовлен к тому, чтобы стать лидером в отрасли. Именно его увлечение задачей повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания в отношении потери тепла выхлопными газами привело к тому, что мы сейчас называем турбокомпрессор . Он признал процесс выхлопа пустой тратой энергии.
Только пару десятилетий спустя его теория и изобретение наконец получили практическое применение. В 1923 году министерство транспорта Германии запросило у Бюхи постройку пассажирских лайнеров «Preussen» и «Hansestadt Danzig». его надзор.
Сегодня мы признаем его патент 1905 года «рождением эры турбонаддува», но на самом деле именно его успех с пассажирскими лайнерами вызвал удивление и привлек внимание, когда он объединил свою технологию с дизельным двигателем и увеличил его эффективность более чем на 40%.
Теперь люди слушали.
Всего несколько лет спустя, в 1930-е годы, производители автомобилей начали брать пример с его книги и добавлять турбокомпрессоры в двигатели гоночных автомобилей.
Альфред Бюхи умер 27 октября 1959.
Схема турбосистемы
Система турбокомпрессора состоит из турбонагнетателя, установленного на фланце выхлопной трубы или коллектора, воздухозаборной трубы и трубы, по которой сжатый воздух возвращается в двигатель. Тем не менее, правильно настроенная турбосистема включает в себя гораздо больше, чем просто турбокомпрессор:
Турбокомпрессор : Правильный турбокомпрессор в любом приложении будет иметь низкое системное ограничение, низкую температуру заряда; низкий порог наддува оборотов и низкое давление в выпускном коллекторе. Это нужно для того, чтобы снизить температуру.
Топливная система : Турбокомпрессор существенно увеличивает размер двигателя, потому что он нагнетает больше воздуха в цилиндр, и, поскольку размер топливной системы двигателя соответствует двигателю, систему необходимо модифицировать, чтобы она работала так, как если бы она питала двигатель большего размера.
На снегоходах с впрыском топлива это часто делается с помощью вторичного топливного контроллера, например, производства Boondocker или DynoJet.
Регулятор наддува : Давление наддува обычно регулируется вестгейтом, который настроен на сброс избыточного давления в определенной точке давления. Неконтролируемый наддув может повредить двигатель, поэтому вестгейт обычно использует подпружиненный клапан для сброса избыточного давления. В некоторых системах также используется продувочный клапан, который сбрасывает избыточное давление, которое накапливается в нагнетательной трубке после закрытия дроссельной заслонки.
Интеркулер : В некоторых турбосистемах используется интеркулер, похожий на автомобильный радиатор, только вместо охлаждающей жидкости он пропускает воздух. Когда воздух сжимается, он нагревается, поэтому работа интеркулера заключается в охлаждении всасываемого заряда. Охлажденный впускной заряд обеспечивает более плотный заряд воздуха/топлива и большую мощность!
Должен ли я турбонаддув двигателя?
Вы не заметите турбонагнетатель на низких скоростях и малом дросселе, но когда вы достигнете скорости, при которой включается турбонаддув, вы почувствуете неуклонное увеличение мощности, которое, хотя и плавно, по-прежнему представляет собой очень заметную разницу в скорости и мощности.