Турбонагнетатель: Турбонагнетатель. Устройство и принцип работы

Содержание

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. 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.

Подшипники турбокомпрессора

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Резюме : Подшипники являются важным компонентом турбокомпрессора, который влияет на его долговечность и надежность. Современные подшипники турбокомпрессора можно разделить на два основных типа: системы гидродинамических подшипников скольжения и системы шарикоподшипников. Другие потенциальные технологии подшипников включают воздушные подшипники из фольги и активные магнитные подшипники.

Особенности конструкции
Подшипники скольжения
Шариковые подшипники

Другие системы подшипников

Системы подшипников турбокомпрессора часто упускают из виду, но это важный компонент турбокомпрессора. Правильно спроектированная система подшипников может определить разницу между конструкцией турбонагнетателя, которая работает эффективно и действенно в течение всего срока службы двигателя, и той, которая страдает от проблем с долговечностью. Системы подшипников турбонагнетателя также развиваются в условиях повышенного давления для снижения расхода топлива и выбросов двигателя. Новые двигатели часто требуют более высокой эффективности турбонагнетателя, что во многих случаях может быть частично достигнуто за счет снижения потерь из-за системы подшипников.

Система подшипников турбокомпрессора должна быть устойчива к [2538] :

Высокая осевая нагрузка.
Высокое давление наддува, воздействующее на крыльчатку компрессора, может создавать значительные осевые нагрузки. В турбинах с изменяемой геометрией тяговая нагрузка может быть еще выше из-за способности VGT управлять компрессором с более высоким давлением наддува при малых расходах. Низкий расход в VGT обычно означает малую настройку сопла и низкое статическое давление, действующее на рабочее колесо турбины, которое не может значительно компенсировать соответствующую тягу компрессора.
Масляные загрязнители. Более длительные интервалы замены моторного масла и повышенная концентрация сажи из-за контроля выбросов двигателя, например системы рециркуляции отработавших газов, могут привести к загрязнению масла, что может вызвать коррозию поверхностей подшипников.
Задержка подачи масла. Низкая температура окружающей среды и длинные трубы подачи масла могут увеличить время, необходимое смазочному маслу для достижения турбонагнетателя при запуске двигателя. Даже на низких оборотах холостого хода скорость турбонагнетателя может быть относительно высокой вскоре после запуска, что может привести к проблемам с износом подшипниковой системы.

Горячее отключение. Продолжительная работа при высокой температуре выхлопных газов с последующей немедленной остановкой двигателя без холостого хода может привести к локальному перегреву и закоксовыванию масла в корпусе подшипника и последующему повреждению поверхностей подшипника.

В эпоху повышенного давления по снижению выбросов и расхода топлива снижение трения в подшипниках может сыграть решающую роль в улучшении выбросов при холодном запуске и экономии топлива. Кроме того, по мере снижения вязкости моторного масла либо за счет использования масел с низкой вязкостью, либо за счет разбавления топливом во время довпрыска для регенерации DPF, системы подшипников турбонагнетателя должны адаптироваться для поддержания динамической стабильности ротора и предотвращения повышенного износа

[3414] .

Современные системы подшипников коммерческих турбокомпрессоров можно разделить на два основных типа: системы гидродинамических подшипников скольжения и системы шарикоподшипников. Также возможны гибридные системы, в которых сочетаются опорные и шариковые подшипники.

###

Турбокомпрессоры с фиксированной геометрией

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : В простейшей конструкции турбокомпрессора геометрия турбины и компрессора фиксирована, а давление наддува полностью определяется потоком выхлопных газов. Байпас со стороны выхлопа, или перепускной клапан, является распространенным средством достижения лучшего контроля давления наддува с турбинами с фиксированной геометрией. Вестгейт может быть встроен в турбонагнетатель со стороны турбины или может представлять собой отдельный клапан, подключенный к внешнему трубопроводу. Пневматическое срабатывание перепускной заслонки под давлением было обычным явлением, но во многих новых конструкциях используется вакуумное и электрическое срабатывание.

Введение
Байпас со стороны выхлопа (Wastegate)
Конструкция вестгейта
Перепускной клапан
Байпас со стороны впуска

Введение

Самая простая конструкция турбокомпрессора с точки зрения управления — это конструкция, в которой геометрия турбины и компрессора фиксирована и в которой не используются средства для управления давлением наддува.

Давление наддува, обеспечиваемое этим типом турбокомпрессора, полностью определяется потоком выхлопных газов двигателя и характеристиками турбокомпрессора. Турбокомпрессор оптимизирован для конкретных условий эксплуатации. Размер турбины турбонагнетателя и/или отношение A/R имеют тенденцию быть относительно большими для данного применения из-за необходимости такого размера турбонагнетателя, чтобы в условиях самого высокого расхода турбонагнетатель не превышал скорость или не создавал чрезмерное давление наддува. Хотя давление наддува, близкое к номинальным, можно выбрать с помощью размера турбонагнетателя, переходная характеристика и давление наддува при более низких оборотах двигателя могут пострадать. Кроме того, на больших высотах скорость турбонагнетателя будет иметь тенденцию к увеличению, что может привести к проблемам с помпажем и / или превышению скорости турбонагнетателя, если только это не будет объяснено увеличением размера турбонагнетателя. Однако для некоторых двигателей, работающих в основном в ограниченном числе установившихся режимов, неуправляемый турбонагнетатель с турбиной с фиксированной геометрией может оказаться вполне удовлетворительным.

Для приложений, которые испытывают широкий диапазон условий эксплуатации и которые должны обеспечивать хорошие динамические характеристики, например, для легковых автомобилей, турбонагнетатель с фиксированной геометрией без контроля давления наддува не подходит. Для контроля давления наддува турбокомпрессоров с турбинами с фиксированной геометрией в этих приложениях можно использовать два метода:

Байпас со стороны выпуска , также известный как перепускной клапан , для перепуска части потока на входе турбины, или
Байпас со стороны впуска для перепуска потока на входе компрессора.

Байпас со стороны выхлопа (Wastegate)

Добавление перепускного клапана, который позволяет части выхлопных газов обходить турбину, является более распространенным средством достижения лучшего контроля давления наддува с турбинами с фиксированной геометрией. В большинстве приложений это позволяет использовать турбину с фиксированной геометрией меньшего размера или с меньшим отношением A/R, которая способна обеспечить большую мощность для компрессора при более низком расходе выхлопных газов, для данного приложения, рисунок 1 9. 0026 [2629] . Переходная характеристика также значительно улучшается из-за улучшенной эффективности низкого расхода, а также меньшей инерции вращения турбонагнетателя.

На рисунке 1 синяя линия представляет турбокомпрессор с турбиной с фиксированной геометрией, а красная линия представляет турбокомпрессор с меньшей турбиной с фиксированной геометрией. Ни одна из турбин с фиксированной геометрией не имеет вестгейта. Обратите внимание, что турбонагнетатель с турбиной меньшего размера будет завышать скорость и форсировать двигатель при относительно низких оборотах двигателя. Добавление перепускной заслонки к турбокомпрессору с меньшей турбиной может значительно улучшить наддув на более низких оборотах двигателя, избегая при этом избыточного наддува и превышения скорости турбонагнетателя на более высоких скоростях. Количество улучшений зависит от того, насколько хорошо контролируется вестгейт.

Рисунок 1 . Влияние размера турбины и вестгейта на давление наддува и скорость турбонагнетателя

(Источник: Cummins Turbo Technologies)

На рис. 2 показан другой пример, но с точки зрения карты компрессора. Показана характеристика наддува при полной нагрузке с фиксированной геометрией и турбокомпрессором с регулируемым перепускным клапаном. Каждая турбина рассчитана таким образом, чтобы обеспечить двигателю одинаковое давление наддува, массовый расход всасываемого воздуха и скорость вращения при номинальной мощности. Турбина с фиксированной геометрией без байпаса должна иметь возможность обрабатывать весь поток выхлопных газов при номинальной мощности и, как правило, обеспечивать меньшее давление наддува при более низком расходе воздуха двигателя. Преимущество возможности использовать меньшую турбину / более низкое соотношение A / R с вестгейтом очевидно. Следует отметить, что, поскольку скорость турбонагнетателя при максимальном расходе для всех случаев одинакова, степень повышения давления при высоких оборотах двигателя на турбине с перепускным клапаном и, следовательно, насосные потери двигателя должны быть выше, чем для турбины с фиксированной геометрией без перепускного клапана.