Наверное, вы хоть раз обращали внимание на автомобили с шильдиками или наклейками «turbo». Внешне они ничем не отличаются от своих «атмосферных» собратьев, разница лишь в наличии турбонаддува под капотом. Мы постараемся дать внятное объяснение что такое турбонаддув, для чего он нужен и как работает.
Примерный вид газовой турбины
С самого своего появления, автомобили, стараниями своих создателей, претерпевают модернизации и более всего в вопросах мощности двигателей. Так как этот параметр напрямую связан с рабочим объемом мотора а также с качеством подаваемой воздушно-топливной смеси, для увеличения мощности есть два пути — либо увеличить объем агрегата (в современном массовом автомобилестроении этот способ не очень популярен), либо каким-то образом нагнетать в цилиндры больше воздуха. Первый способ не популярен по понятным причинам — вместе с увеличением объема цилиндров возрастет и расход горючего, кроме того, сам агрегат существенно прибавит в размерах и массе, что тоже не всегда приемлемо. Поэтому автомобильными инженерами был найден способ увеличить подачу воздуха в цилиндры.
Какие бывают виды турбонаддува
Есть несколько способов нагнетания большего количество воздуха в двигатель:
- резонансный наддув — реализуется без нагнетателя за счет кинетической энергии воздуха во впускных коллекторах;
- механический наддув — подача воздуха увеличивается благодаря применению механического компрессора, который, в свою очередь, приводится в движение двигателем автомобиля;
- газотурбинный наддув — турбину приводит в движение поток отработавших газов.
В первом случае наддув происходит лишь за счет особенной формы и размера впускных коллекторов без применения каких-либо нагнетателей. Поэтому мы не будем описывать его в этом материале, а остановимся подробнее на двух других вариантах, которые, на наш взгляд, заслуживают особого внимания.
Механический наддув
Некоторые современные автомобили до сих пор оснащают компрессорами
Механический наддув — способ увеличения подачи воздуха в двигатель посредством использования компрессора. Принцип работы компрессора выглядит следующим образом: когда двигатель начинает работать, его коленвал приводит в действие весь механизм. То есть механический наддув работает с первых моментов запуска мотора автомобиля.
Несомненным плюсом такой системы можно назвать, то что воздух принудительно нагнетается в цилиндры на любых оборотах двигателя (даже самых низких) и давление, соответственно возрастает с увеличением оборотов коленчатого вала. Поэтому автомобилям с механическими компрессорами не знакомо такое понятие, как «турбояма». Но такое устройство имеет и свои отрицательные стороны. Дело в том, что на приведение в движения компрессора мотор автомобиля расходует некоторую часть своей мощности, что снижает в итоге его КПД. Кроме того, для установки механического наддува нужно больше места в подкапотном пространстве. Также такое устройство создает повышенный уровень шума.
Нагнетание воздуха в мотор при помощи компрессора стало использоваться в автомобилестроении гораздо раньше, нежели применение газотурбинного механизма. Тем не менее, несмотря на некоторую устарелость, подобные устройства все еще можно встретить на современных автомобилях (ярким примером выступает компания Mercedes-Benz, на свежевыпущенных машинах которой до сих пор красуются шильдики «Kompressor»).
Газотурбинный наддув
В большинстве своем современные автомобили оснащены газотурбинными системами наддува. Принцип работы турбины сходен с компрессорным наддувом, разница лишь в том, что турбина приводится в действие потоком отработавших газов автомобиля, а не коленвалом двигателя. По ощущениям, включение турбины некоторые водители сравнивают с «пинком». Газотурбинный механизм наддува представляет собой устройство из двух крыльчаток жестко соединенных между собой валом. Каждая крыльчатка заключена в корпус, так называемую улитку.
Устройство газовой турбины
Устройство турбины достаточно несложное и состоит из:
- двух крыльчаток;
- двух улиток, внутри которых крутятся крыльчатки;
- вала, соединяющего крыльчатки;
- подшипников скольжения — двух опорных и одного упорного;
- перепускного клапана, который используется для сброса избыточного давления.
Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы из выпускного коллектора попадают в первую улитку и вращают ее крыльчатку. Через соединительный вал вращение передается второй крыльчатке, которая и нагнетает давление во второй улитке.
Плюсы и минусы турбонаддува
Главным преимуществом турбонаддува является увеличение мощности мотора без существенного увеличения расхода топлива. Чтобы объяснить это явление нужно разобраться как работает турбонаддув: турбина приводится в движение только благодаря энергии отработавших газов, а не за счет мощности мотора автомобиля. Но следует различать такие понятия, как общая и удельная экономичность мотора. Другими словами — турбированный двигатель будет иметь больший расход горючего, нежели аналогичный по объему атмосферный агрегат. Это происходит потому что увеличившийся объем воздуха, попадающего в цилиндры, позволяет сгорать большему количеству топлива. Однако у турбированного агрегата на единицу мощности приходиться меньше израсходованного топлива. Например, если взять два мотора 1,4 литра с турбиной и атмосферный 1,8 литра, оба с мощностью 130 л.с., то 1,4 будет более экономичен, за счет большего КПД.
Что касается экологичности турбомоторов: хотя среди отечественных автолюбителей еще не так развита «экологическая сознательность», не следует забывать и о том, что турбированные моторы наносят меньше вреда окружающей среде. Все потому что в камере сгорания турбированного двигателя температура несколько меньше, поэтому снижается образование оксида азота, к тому же топливо сжигается более полно.
Принцип работы газовой турбины
Впрочем, не обошлось и без недостатков. Первое о чем следует знать — турбина требует к себе бережного отношения. Пока мотор заведен на подшипники масло подается под давлением. Как только мотор заглушен масло к подшипникам поступать прекращает. Если мотор эксплуатировался под большими нагрузками, система наддува может перегреться и выйти из строя. Дабы не допустить перегрева, прежде чем глушить турбированный двигатель, ему следует дать поработать несколько минут на холостых оборотах. Многие современные автомобили оснащаются с завода специально предназначенными для этого устройствами — турботаймерами.
Есть еще один немаловажный момент — на малых оборотах мотора эффективность турбины очень мала. Также следует упомянуть об эффекте турбоямы — турбина откликается на нажатие педали акселератора с некоторой задержкой. Турбонаддув может эффективно работать только в узком диапазоне оборотов мотора, кроме того, большое значение имеет размер самой турбины. Для увеличения продуктивности этой системы многие автопроизводители устанавливают на свои автомобили две турбины разного размера или пару одинаковых турбин. Турбины разного размера позволяют существенно расширить диапазон эффективной работы турбонаддува — после того как первая турбина начинает терять продуктивность в работу вступает вторая. Две одинаковые турбины позволяют увеличить производительность, улучшить разгонную динамику и уменьшить эффект турбоямы. Для снижения этого эффекта автопроизводители прибегают к таким ухищрениям, как снижение массы движущихся частей турбины. Благодаря этому турбине нужно меньше времени чтобы раскрутиться.
Часто новички мне задают вопрос – а как работает турбина? Конечно же, это применительно к машинам (однако они применяются много где). Интерес к этому агрегату растет день ото дня, все потому что сейчас на рынок выходит все больше турбированных моторов. Обусловлено это увеличение производительности, а также экологическими нормами. Как не прискорбно, но думаю — через лет так скажем 10 – 15, обычных атмосферников уже и не останется …
Для начала небольшое определение.
Турбина автомобиля – это агрегат, который призван повысить производительность двигателя внутреннего сгорания, за счет увеличения крутящего момента – следовательно, и лошадиных сил. Даже при малом объеме такая силовая установка может обойти обычный атмосферный двигатель большего объема.
Как видите устройство «вроде как» полезное, причем оно поднимает , примерно на 10 – 20%, что очень существенно!
Если сказать простыми словами — то при малом объеме, мы получаем больше мощности!
Отличить обычный и турбированный двигатель, можно даже на слух, достаточно запустить их и послушать. Турбина издает небольшой свист, который будет все сильнее, если обороты двигателя растут. Если положить руку на сердце, турбину, возможно установить на любой обычный атмосферный двигатель, главное правильно ее настроить, поэтому для начала давайте вспомним обычный вариант.
Двигатель внутреннего сгорания – атмосферный
Принцип давно уже изучен и я бы сказал «избит»! Большинство моторов имеют четырехтактный цикл, конечно есть и двухтактные, но они на автомобилях применяются редко. Как мы можем знать, работа основана на компрессии, вот почему это такой важный показатель, и он должен быть всегда в норме.
ИТАК (4 такта):
1 такт – поршень идет вниз, открываются впускные клапана и в цилиндры поступает воздушно-топливная смесь.
2 такт — сжатие – поршень идет «максимально» вверх, сжимая смесь.
3 такт – воспламенение – сжатая смесь воспламеняется от свечей зажигания, происходит мини взрыв, который толкает поршень вниз.
4 такт — выход отработанных газов – открываются другие клапана, которые выводят эти газы, выталкивает их поршень, который также идет наверх.
Эта «классика» работает вот уже много лет, с момента основания двигателя внутреннего сгорания. Сразу хочется отметить мощность у такого классического строения – повышается за счет увеличения объема цилиндров. ТО есть двигатель объемом в 1,4 литра будет заведомо слабее, чем вариант в 2,0 литра. Но относительно недавно (если брать историю моторостроения), появились первые турбины, которые устанавливаются на этот классический двигатель, и меняют расклад сил.
Как работает турбина?
Завораживающее слово «ТУРБО», для многих мальчишек это просто предел мечтаний – некоторые так и хотят прокачать свою ПРИОРУ и «лихачить» по городу. Однако чтобы тюнинговать свой автомобиль, нужно знать устройство турбины.
Итак – основная задача, этого аппарата нагнетать в двигатель как можно больше воздуха. Я бы даже сказал нагнетать с силой!
Для чего это делается – как мы уже поговорили сверху, поршни приводятся в движение за счет сжигания воздушно – топливной смеси, которая поступает в цилиндры. Чем больше ее поступило, чем больше мощность может развить силовой агрегат. Сам мотор может засосать ограниченное количество воздуха – вот бы было хорошо, если бы кто-то его туда закачал в большем объеме!
И этим как раз и занимается турбина. Она раскручивается до безумных значений, порядка 200 – 240 000 оборотов в минуту. И под давлением подает максимально много воздушной смеси в цилиндры двигателя. Это означает что при одинаковом объеме, можно сжигать намного больше этой смеси, что напрямую передается и мощности!
Если взять строение турбины – то здесь можно выделить две крыльчатки .
Первая вращается от давления отработанных газов, которые идут через глушитель, к ней жестко подсоединен вал.
Вторая крыльчатка, также сидит на валу, только с другой стороны и ей передается это вращение. Она начинает засасывать воздух (если хотите как пылесос), и под давлением нагнетать его в двигатель.
Вал, на котором сидят две крыльчатки (условно назовем их «горячая» и «холодная»), имеет подшипники, которые смазываются маслом двигателя (помимо смазывания, оно забирает и лишнюю температуру), чтобы масло не уходило в отсеки с крыльчатками, за подшипниками есть специальные изоляторы, которые тормозят его расход.
Как видите принцип работы очень простой. Если все же не поняли, посмотрите мое видео с разъяснением.
Турбо-яма
Минусом работы турбированного агрегата, является такое явление как «турбо-яма» (). При низких оборотах турбина раскручивается не сильно, а поэтому не способна нагнетать большое количество воздуха. Если вы резко давите на педаль газа — то нужно какое-то время чтобы отработанные газы дошли до крыльчатки турбины и раскрутили ее! Однако пройдет немного времени, 1 – 2 секунды, прежде чем произойдет «выстрел» динамики.
В народе это явление называется турбо-ямой, то есть прежде чем резко ускориться, нужно подождать 1 или 2 секунды, пока раскрутится турбина.
Конечно, сейчас есть такое понятие как – к обычной турбине подсоединяют еще одну, как правило – механическую (а с недавнего времени и ), которая работает на низких оборотах, нагнетая нужное количество воздуха на низах, затем когда обороты вырастают, включается основная. Таким образом, турбо – яма побеждается.
Про него также у меня есть статья (). Воздух, который нагнетается в цилиндры, под «бешеными» оборотами крыльчатки – нагревается. А при нагреве падает плотность и концентрация кислорода. Чтобы его охладить применяется такое устройство как – интеркуллер, он охлаждает поток, делая его более плотным, что положительно сказывается на производительности.
Минусы турбин
Минусы у этого агрегата также существенны:
1) Это более частая замена масла, потому как подшипники очень требовательны к качеству смазки (все же там просто огромные обороты).
2) Ресурс не такой большой, обычно ходят по 150 000 километров.
3) Дорогостоящий ремонт, если менять на немецком автомобиле, то это примерно от 70 000 рублей.
4) Топливо – с турбиной нужно заправляться высокооктановыми бензинами, не ниже 95, что «бьет» по кошельку.
5) Охлаждение турбины – старые варианты таких устройств, нужно было правильно охлаждать. Иначе если вы просто заглушите машину, то от перепада температур, крыльчатку просто может «покоробить», далее ремонт. Поэтому, они не дают двигателю сразу заглохнуть, а несколько минут работают на низких оборотах – охлаждая крыльчатку.
Вот такой вот агрегат эта турбина, из сегодняшней статьи вы поняли – как она работает, теперь вы «подкованы».
НА этом заканчиваю, думаю было интересно.
В этой статье мы ознакомимся с ответом на вопрос, что такое турбина. Здесь читатель найдет информацию о ее характеристике, видах и способах эксплуатации человеком, а также рассмотрим исторические сведенья, связанные с развитием этого механического устройства.
Введение
Что такое турбина и как она действует? Это лопаточная система (машина), которая занимается преобразованием энергий: внутренней и/или кинетической. Этот ресурс дает рабочее тело и позволяет выполнять валу его механическое предназначение. На лопатки оказывают воздействие посредством струи рабочего тела, что закрепляют около окружностей роторов. Она же приводит к их движению.
Может находить свое применение в качестве турбины электростанций (АЭС, ТЭС, ГЭС), фрагмента приводов для различного типа транспортов, а также может служить составной частью гидронасосов и газотурбинных двигателей. Настоящая энергетическая промышленность не способна обходиться без этих устройств. Вид теплопередачи вращения турбины на тепловых электростанциях, обладает высокой производительностью, он очень энергоемкий. Это позволяет человеку использовать различные ресурсы в относительно малых количествах, в сравнение с объемом получаемого электричества.
Исторические данные
Множество попыток создать устройство, схожее с современной турбиной, было совершено еще задолго до ее полноценного вида, приобретенного ею в конце девятнадцатого века. Первая попытка принадлежит Герону Александрийскому (1 век н.э.).
И. В. Линде утверждал, что именно в XIX веке была рождена масса планов и проектов, позволивших человеку превзойти «материальные трудности», мешающие выполнению и созданию такой техники. Главными событиями тех годов являлось развитие термодинамической науки, а также металлургической и машиностроительной отраслей. В конце XIX два ученых, по отдельности и независимо, смогли создать паровую турбину, пригодную в различных отраслях промышленности. Это были Густав Лаваль родом из Швеции и Чарлз Парсонс родом из Великобритании.
Хронологические данные событий
А теперь ознакомимся с некоторыми событиями, связанными с историей изобретения турбины :
- В I в. н. э. паровую турбину попытался создать Герон Александрийский, однако несколько столетий после этого ее не изучали в силу ошибочного мнения о несостоятельности идеи.
- В 1500 г. можно найти упоминание о «дымовом зонте» - приборе, поднимающем горячие потоки воздуха от пламени через лопасти, соединенные между собой и вращающие вертел.
- Джованни Бранкой в 1629 г., было совершено создание турбины, лопатки которой поднимались за счет действия сильной струи пара.
- В 1791 г., Джоном Барбером родом из Англии было приобретено право на владение патентом, который позволил ему стать первым обладателем и создателем современной газовой турбины.
- Турбины, работающие на воде, впервые были созданы в 1832 г. французским ученым Бюрденом.
- В 1894 г. была запатентована идея о корабле, который заставляла двигаться паровая турбина, а его обладателем стал Сэр Ч. Парсонс.
- 1903 год: Эджидиус Эллинг из Норвегии сконструировал первую в своем роде турбинную систему на газе, которая смогла передавать больше энергии, чем затрачивать на внутреннее обслуживание компонентов самой турбины. Эта технология стала значительным прорывом тех времен. Проблемы обуславливались недостаточным уровнем развития термодинамических знаний, однако были преодолены.
- В 1913 году Никола Тесла стал обладателем патента на турбину, работающую на основе эффекта пограничного слоя.
- 1920 год: практическая теория протекания газового потока через каналы позволила сформулировать четкие данные для развития теоретического представления о процессе протекания, в котором газ движется вдоль аэродинамической плоскости. Эта работа была проделана доктором А. А. Грифицем.
- Для самолета турбина реактивного движения была создана Сэром Ф. Уиттлом, а сам двигатель тестировали с успехом в апреле 1937 г.
Труды Густава Лаваля
Первым создателем турбины на пару стал Густав Лаваль, изобретатель родом из Швеции. Бытует мнение о том, что к конструированию такого механизма его привело желание обеспечить собственноручно сделанный сепаратор для молока механическим действием, выполняющимся без прямого вмешательства человеком. Двигатели тех времен не позволяли создавать необходимую скорость вращения.
Рабочим телом в машине Лаваля послужил пар. В 1889 году он сделал дополнение сопла турбин, на которые поставил конические расширители. Его труд стал инженерным прорывом, и это ясно, ведь анализ величины нагрузки, которую оказывали на рабочее колесо, показывает, что она была сверхсильной. Такое воздействие даже при малейшем нарушении привело бы к сбою в удержании центра тяжести и вызвало бы незамедлительное возникновение неполадок в работе подшипников. Избежать такой проблемы изобретатель смог при помощи использования тонкой оси, прогибающейся при вращении.
Чарлз Парсонс и его работа
Чарлзу Парсонсу был присвоен патент на изобретение первой многоступенчатой турбины, а сделал он это в 1884 году. Работа механизма приводила в действие устройство электрогенератора. Годом позже, в 1885-м, он модифицировал свою же версию, начавшую масштабно распространяться и применяться на электростанциях. Устройство обладало выравнивающим аппаратом, который образовывался из венцов, с лопатами турбины, которые направлялись в обратную сторону. Сами венцы оставались неподвижными. Механизм имел 3 ступени с разными показателями силы давления и геометрическими параметрами лопаток, а также путями их установления. Турбина использовала как активную, так и реактивную силу.
Устройство турбины
Теперь мы рассмотрим вопрос, что такое турбина, углубившись в механизм ее действия.
Турбинная ступень образуется при помощи двух главных частей:
- Рабочего колеса (лопатки на роторе, непосредственно создающие вращение);
- Соплового механизма (лопатки стартера, отвечающие за поворот рабочего тела, который придаст потоку нужный угол для атаки в отношении к рабочему колесу).
В зависимости от направления движения потоков рабочие тела можно разделить на аксиальные и радиальные турбинные механизмы. У первых поток р. т. движется по направлению вдоль турбинной оси. Радиальными называют турбины, у которых поток направляется перпендикулярно валовой оси.
Количество контуров позволяет разделять такие механизмы на одно-, двух- и трехконтурные. Иногда можно встретить турбины с четырьмя или пятью контурами, но это крайне редкое явление. Многоконтурное устройство турбины дает возможность пользоваться большими скачками в тепловых перепадах энтальпии. Это обуславливается размещением большого числа ступеней с разным давлением, а также влияет на мощность турбины.
В соответствии с количеством валов можно различать одно-, двух- и иногда трехвальные турбины. Они связываются общими параметрами тепловых явлений или механизмом редуктора. Валы могут располагаться коаксиально и параллельно.
Устройство и принцип действия турбины следующие: в местах, где происходит проход вала через стенки корпуса, располагаются утолщения, которые предупреждают утечку рабочего тела наружу и засасывание воздуха в корпус.
Передний конец вала оборудован предельным регулятором, который в случае необходимости автоматически остановит турбину. Это случается, например, в результате повышения показателя вращательной частоты, которая допустима для конкретного устройства.
Преобразование энергии газа
Что такое турбина? В общем виде - это машина, предназначение которой заключается в преобразовании энергии в работу. Их существует несколько видов, и одним из таких является газовая турбина.
Устройство газовой турбины основано на переводе энергетического потенциала газа в сжатом или нагретом состоянии в работу, которую выполняет механизм вала. Главные элементы - это ротор и статор. Свое применение находит в качестве детали газотурбинного двигателя, ГТУ и ПГУ.
Механизм газовой турбины
Работа турбины осуществляется, когда сопловой аппарат пропускает газы под давлением внутрь корпуса, в те места, где оно небольшое. При этом молекулы газа расширяются и ускоряются. Далее они попадают на поверхность рабочих лопаток и отдают им процент своего кинетического заряда энергии. Происходит сообщение крутящего момента лопаток.
Механическое устройство газовой турбины может быть гораздо проще, чем поршневого двигателя внутреннего сгорания. Современные турбореактивные двигатели могут обладать несколькими валами и сотнями лопаток как на стартере, так и на валу. Примером могут служить турбины самолетов. Их характеристикой также является наличие сложной системы расположения трубопровода, теплообменников и камер, предназначенных для сгорания.
Подшипники как радиального, так и упорного типа служат критическим элементом в этой разработке. Традиционно применялись гидродинамические или охлаждаемые маслом шарикообразные подшипники, однако в скором времени их обошли воздушные. По сей день их применяют для создания микротурбин.
Тепловые двигатели
Тепловая турбина преобразовывает работу, выполняемую паром, в механическую. Внутри лопаточного аппарата происходит превращение потенциальной энергии пара в нагретом и сжатом состоянии в кинетическую форму. Последняя, в свою очередь, преобразуется в механическую и обуславливает вращение вала.
Поступление пара происходит посредством парокотельного устройства и направляется на каждую криволинейную лопатку, закрепленную по окружности ротора. Далее пар воздействует на нее, и все вместе лопатки заставляют ротор вращаться. Турбина на пару является элементом ПТУ. Турбоагрегат образуется при помощи совмещения работы паровой турбины и электрогенератора.
Основная часть парового двигателя
Паровые механизмы образуются, так же, как и газовые, при помощи ротора и статора. На первом закрепляются способные к движению лопатки, а на последнем - не способные.
Движение потока протекает в соответствии с аксиальной или радиальной формой, что зависит от типа направления потоков пара. Аксиальная форма характеризуется перемещением пара периметра оси, котором обладает турбина. Радиальная турбина обладает потоками паров, которые двигаются перпендикулярно. При этом лопатки располагают параллельно к оси, по которой происходит вращение. Могут иметь от одного до пяти цилиндров. Число валов также может варьироваться. Существуют устройства, располагающие одним, двумя или тремя валами.
Корпус - это неподвижная часть, которую именуют статором. Он обладает рядом выточек, в которые устанавливаются диафрагмы, с соответствующими плоскости разъема турбинного корпуса разъемами. По их периферии размещают ряд сопловых каналов (решеток), которые образуются посредством криволинейных лопаток, залитых в диафрагму или приваренных к ней.
Турбокомпрессор
Существует механизм, который использует отработавшую часть газов с целью увеличения показателя давления в пространстве впускной камеры. Такой агрегат называют турбокомпрессором.
Основные части представлены доцентровым или осевым компрессором и газовой турбиной, необходимой для приведения его в действие. Обладает одним валом. Главная функция заключается в повышении давления, оказываемого рабочим телом. Это становится возможным в силу нагревания газотурбинного двигателя работой самого компрессора, приобретающего мощность благодаря турбине.
В заключение
Теперь читатель располагает общими представлениями об устройстве, принципе работы, механизме действия, способах эксплуатации турбин. Здесь также были рассмотрены конкретные виды турбин, отличающиеся видом рабочего тела, и исторические сведенья, показывающие общий ход развития данных механизмов. Подведя итоги, можно сказать, что турбины - это устройства, преобразовывающие энергию. Попытки их создания были совершены еще задолго до нашей эры. В настоящее время они широко используются человеком в различных отраслях промышленности, что значительно упрощает процесс работы, усиливает производительность и позволяет совершать механические действия, ранее недоступные человечеству.
Некоторые машины отличаются от своих собратьев той же марки шильдиком «Turbo» на крышке багажника. Говорит он о том, что в таком автомобиле имеется турбонаддув двигателя. Что же это значит и для чего инженеры оснащают моторы дополнительными устройствами?
Теория турбонаддува
С самого начала эпохи автомобилестроения производители бились над задачей увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания . Мощность силового агрегата напрямую зависит от его рабочего объема и количества топливно-воздушной смеси, подаваемой в цилиндры. Таким образом, получается, что форсировать мотор можно либо, увеличив его объем (при этом нужно решить задачу, как поместить увеличившийся агрегат в автомобиле), либо, каким-то образом загнать в цилиндры большее количество воздуха и увеличить подачу топлива.
Первый способ влечет за собой значительный перерасход горючего, к тому же увеличиваются размеры и масса двигателя, что не всегда допустимо. Для решения задачи вторым способом применяются системы принудительного нагнетания воздуха в цилиндры.
Виды турбонаддува
Существует три способа увеличения подачи воздуха:
- резонансный (в данном случае используется кинетическая энергия воздуха во впускном коллекторе , нагнетатель не нужен);
- механический (воздух нагнетается при помощи компрессора, приводимого в действие от двигателя);
- газотурбинный (для работы нагнетателя используется энергия отработавших газов).
Поскольку в первом случае нагнетатель не применяется, а повышенное давление воздуха создается за счет четко выверенной формы и длины впускного коллектора, резонансный наддув в рамках данной статьи рассматриваться не будет. Гораздо интереснее два других варианта турбонаддува.
Механический наддув
Использование компрессора – это один из способов увеличить подачу воздуха в цилиндры двигателя. Принцип его работы заключается в следующем: компрессор приводится в действие от шкива коленчатого вала, и начинает нагнетать воздух с первых секунд работы мотора.
Плюсы такой системы в том, что нагнетание воздуха происходит на любых режимах работы силового агрегата, в том числе при минимальных оборотах, а давление увеличивается с ростом оборотов коленвала. Кроме того, в случае использования компрессора отсутствует такое явление, как турбояма.
Разумеется, данное устройство наддува имеет и свои минусы. Самым главным недостатком является то, что на обеспечение работы нагнетателя расходуется часть мощности двигателя автомобиля, а значит, снижается его КПД. Помимо этого, механический наддув требует больше места для монтажа, нуждается в специальном приводе (для этого используется зубчатый ремень) и является источником повышенного шума.
Данный вид наддува появился раньше газотурбинного, но, несмотря на некоторую архаичность, его до сих пор можно встретить в современном автомобиле. Наиболее ярким примером может служить Мерседес, шильдик «compressor» на багажнике некоторых моделей этой марки указывает на то, что под капотом скрывается мотор, оснащенный системой механического наддува.
Газотурбинный наддув
Устройство турбонаддува
Чаще всего моторы современных автомобилей оснащаются газотурбинными нагнетателями. Их устройство сходно с механическими компрессорами, различается лишь принцип действия – вместо зубчатого ремня работают выхлопные газы.
«Турбина включилась, и машине как будто пинка дали», — такое довольно часто можно услышать от автовладельцев, моторы машин которых имеют турбонаддув. На самом деле турбина – это только одна из составных частей всей системы, представляющая собой крыльчатку, жестко закрепленную на валу и приводящую в действие другую крыльчатку, также закрепленную на этом же валу. Устройство турбонаддува газотурбинного типа несколько сложнее.
Основными составными частями являются:
- корпус;
- две крыльчатки;
- вал, на котором располагаются крыльчатки;
- две улитки, в которых вращаются крыльчатки;
- три подшипника скольжения (один упорный и два опорных);
- перепускной клапан (необходим для стравливания избыточного давления).
Принцип работы турбонаддува
Принцип работы турбонаддува довольно прост. На одном валу расположены крыльчатка-нагнетатель и крыльчатка-турбина, каждая из которых вращается в своей улитке. Отработавшие газы из выпускного коллектора проходят через одну из улиток и вращают крыльчатку-турбину. Вращение посредством общего вала передается второй крыльчатке, которая повышает давление атмосферного воздуха, проходящего через вторую улитку.
Турбонаддув — плюсы и минусы
Плюсы
Основные плюсы турбонаддува – повышение КПД и экономичности двигателя автомобиля. Причина этого в том, что система приводится в действие за счет энергии отработавших газов, не отнимая мощность у мотора. Необходимо различать удельную и общую экономичность двигателя автомобиля.
Силовой агрегат, имеющий турбонаддув, потребляет больше топлива, чем «атмосферник» того же объема, поскольку большее количество воздуха, загнанного в цилиндры, позволяет сжечь больше топлива, но массовая доля горючего из расчета на единицу мощности в час всегда ниже, чем у мотора без турбонаддува.
Перечисляя плюсы, необходимо упомянуть лучшую экологичность «наддутых» двигателей. Турбонаддув обеспечивает более полное сгорание горючего. Кроме того, наддув понижает температуру камеры сгорания, что приводит к уменьшению образования оксида азота.
Минусы
У турбонаддува есть и свои минусы. Во-первых, такое устройство требует аккуратного обращения. Дело в том, что масло к подшипникам компрессора подается под давлением, пока работает двигатель автомобиля. После поездки, когда мотор горячий, стоит только выключить зажигание, и масло подаваться перестанет. Если двигатель работал в тяжелых режимах, то вполне вероятен перегрев компрессора и выход его из строя. Чтобы избежать поломки, необходимо дать мотору поработать некоторое время на холостых оборотах, и только потом заглушить. Некоторые автомобили оснащаются турботаймером, который берет эту заботу на себя.
Другие значительные минусы – это ограниченный диапазон эффективной работы турбокомпрессора и турбояма (замедленный отклик турбины на нажатие педали газа). Система турборнаддува эффективно работает в довольно узком диапазоне частоты вращения коленвала, который зависит от размеров турбины. Для решения данной проблемы производители часто применяют двойной турбонаддув, т.е. устанавливают две турбины с крыльчатками разного диаметра, каждая из которых эффективно работает в разных диапазонах, либо две одинаковых турбины (Би-турбо и Твин-турбо).
В первом случае система турбонаддува расширяет диапазон эффективности. Принцип действия заключается в том, что там, где первая турбина теряет эффективность, подхватывает вторая. Во втором достигается максимальная производительность системы. Устанавливается двойной турбонаддув как на рядные, так и на V-образные моторы. Для уменьшения эффекта турбоямы производители стараются максимально снизить вес валов и крыльчаток, чтобы уменьшить инерцию.
Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих. Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.
Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя. То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода. Турбокомпрессор или турбонагнетатель - устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора - турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью - около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.
Устройство турбокомпрессора
Принцип работы
В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.
Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха. При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты. Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»). После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»). Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы: использование турбины с изменяемой геометрией; применение двух параллельных или последовательных компрессоров; комбинированный наддув. Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.
Турбина с изменяемой геометрией
Преимущества и недостатки турбонаддува
1 . Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля. 2 . Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем. 3 . Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов. 4 . Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД. 5 . На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги. 6 . Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.Недостатки турбонаддува
У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки. Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения - его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.Дополнительные элементы системы турбонаддува
Blow-Off Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.
Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge. Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха. Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме. Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.
Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор. Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием. Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов. Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке. Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины
Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях. На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.
Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.
Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем. Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.