Устройство турбокомпрессора, основные конструктивные элементы, выбор турбины. Преимущества и недостатки турбированных бензиновых и дизельных двигателей.
Принцип работы турбины на дизельном двигателе и ее устройство
Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать дизельный двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом и увеличить его мощность на 40-50%. Это при том, что при работе в штатном режиме выброс газов сопровождается снижением КПД в пределах 30 — 40%.
Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, который смешивается с топливом и поступает в камеру сгорания. За тот же период времени и при одинаковом размере цилиндров двигатель с турбонаддувом может сжечь больше топлива, чем двигатель, не оснащенный таким устройством. А это значит, что его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастут.
Рассмотрим конструкцию турбины дизеля, как она работает и как достигаются такие показатели.
Конструктивные элементы системы
Для выполнения возложенных на него функций система турбонаддува состоит из двух основных частей:
Компрессор используется для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, засасывает воздух. Чем выше скорость его вращения, тем больший объем получаемого воздуха. Работа турбины способствует увеличению скорости.
Он также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), который приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят по специальному каналу в форме улитки, что позволяет увеличить их скорость.
Такой вывод следует из того, что автомобили проходят испытания в идеальных условиях, без учета посторонних факторов. Выпуск автомобилей с системой SkyActive показал, что она может потреблять меньше топлива, чем 1,4-литровый турбированный мотор.
Что ещё входит в систему турбонаддува
Турбина — сложный узел, инженерам понадобилось несколько десятков лет, чтобы запомнить систему. Только на первый взгляд решение о компенсации потери эффективности из-за выхлопных газов кажется простым. Даже после создания устройства у него долгое время были определенные проблемы.
Например, не удалось решить проблему турбо лага — лагов после нажатия на педаль акселератора и запуска ротора. Решение было найдено в виде использования двух вентилей. Один из них использовался для удаления лишнего воздуха, а второй предназначался для выхлопных газов. Также современные турбины имеют измененную геометрию лопаток, что серьезно отличает их от аналогичных устройств второй половины 20 века.
Можно выделить еще одну проблему, которой была чрезмерная детонация – с ней также успешно справились современные инженеры. Проблема заключалась в том, что температура в рабочих секторах цилиндров резко возрастала при впрыске воздуха, особенно на последней стадии цикла. Решение было найдено в установке интеркулера (интеркулера).
Интеркулер: устройство для охлаждения наддувочного воздуха. Он выполняет сразу две функции: предотвращает детонацию и препятствует уменьшению плотности воздуха. В результате удалось сохранить работоспособность всей системы.
Стоит отметить и другие важные компоненты турбины.
Регулирующий вентиль. Отвечает за поддержание заданного уровня давления, избыточное давление поступает в водосточную трубу.
Байпасный клапан Используется для возврата избыточных масс воздуха во впускные патрубки; это необходимо для снижения мощности при ее превышении.
Продувочный клапан. При закрытой дроссельной заслонке и отсутствии датчика массового расхода воздуха клапан будет возвращать лишний воздух в атмосферу.
Отводы труб. Секции герметичных труб. Один используется для подачи воздуха, другой для подачи смазочного масла.
Выпускные коллекторы. Он должен быть совместим с турбокомпрессором.
Принцип работы
Сначала вам нужно понять два термина.
Турбозахват — это состояние, при котором быстро вращающийся ротор увеличивает подачу воздуха в цилиндры, тем самым увеличивая отдачу силового агрегата.
Турбо-лаг — это короткая задержка в работе турбины, возникающая, когда количество подаваемого топлива увеличивается при нажатой педали акселератора. Задержка возникает из-за того, что ротору нужно время, пока газы не разгонят его.
Турбокомпрессор увеличивает давление выхлопных газов за счет более интенсивной работы двигателя, но одновременно увеличивает и давление наддува. При достижении критических значений может произойти поломка, поэтому этот процесс необходимо контролировать. Клапаны отвечают за регулировку давления, а мембрана и пружина следят за максимально допустимыми значениями. При достижении определенного значения мембрана открывает клапан для сброса давления.
Работа турбины в дизеле требует регулирования давления, которое осуществляется следующими процессами:
- если вошло слишком много воздуха, компрессор (через клапан) выпускает лишний;
- клапан сбрасывает давление в тех случаях, когда поступило слишком много воздуха, при этом агрегат работает стабильно и забирает ровно столько воздуха, сколько необходимо.
Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки, и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве всасываемого воздуха.
Устройство системы турбонаддува
Система турбокомпрессора состоит из двух частей: турбины и турбокомпрессора. Турбина используется для преобразования энергии выхлопных газов, а компрессор непосредственно для подачи многосжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Основными частями системы являются два рабочих колеса, турбина и компрессор (так называемые «рабочие колеса»). Турбокомпрессор представляет собой технологически совершенный воздушный насос, приводимый в действие вращением ротора турбины. Его единственная задача — нагнетать сжатый воздух в цилиндры под давлением.
Чем больше воздуха поступает в камеру сгорания, тем больше дизельного топлива можно сжечь в конкретную единицу времени. Результатом является значительное увеличение мощности двигателя без необходимости увеличения объема его цилиндров.
Компоненты турбонаддувного устройства:
- корпус компрессора;
- компрессорное колесо;
- вал или вал ротора;
- корпус турбины;
- турбинное колесо;
- корпус подшипника.
Основой системы турбонаддува является ротор, закрепленный на специальном валу и заключенный в специальный термостойкий кожух. Постоянный контакт всех деталей турбины с чрезвычайно горячими газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлических сплавов.
Рабочее колесо и вал турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает сильное прижатие одного элемента к другому. Поток отработавших газов сначала попадает в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, который находится в корпусе турбокомпрессора. Форма тела напоминает раковину улитки. Пройдя через эту «улитку», выхлопные газы с ускорением подаются на ротор. Это обеспечивает поступательное вращение турбины.
Вал турбокомпрессора закреплен на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки предотвращают утечку масла, а также проникновение и смешивание воздуха и выхлопных газов. Конечно, полностью исключить попадание выхлопных газов в сжатый атмосферный воздух не представляется возможным, но и большой необходимости в этом нет…
Как работает турбина дизельного двигателя
Мощность любого двигателя и производительность его работы зависят от разных причин. А именно: о рабочем объеме цилиндров, о количестве подаваемой топливовоздушной смеси, об эффективности ее сгорания, а также об энергетической части топлива. Мощность двигателя увеличивается пропорционально увеличению количества сжигаемого в нем топлива за определенную единицу времени. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличить подачу сжатого воздуха в рабочие полости двигателя.
То есть, чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем больше воздуха надо будет «протолкнуть» в двигатель (не очень красивое слово «протолкнуть» тут, впрочем, очень подходит, так как сам двигатель не справляется с попаданием лишнего сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления вам в этом не помогут).
В этом, повторимся, основная цель турбонаддува — увеличить подачу топливовоздушной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается за счет нагнетания в цилиндры сжатого воздуха, происходящего при постоянном давлении. Он производится в результате преобразования энергии выхлопных газов, то есть из отработанной и потерянной в полезную. Для этого перед сбросом выхлопных газов в выхлопную трубу и затем, соответственно, в атмосферу их поток направляют через систему турбонаддува.
Этот процесс обеспечивает вращение турбинного колеса («крыльчатки»), снабженного специальными лопатками, до 100-150 тысяч оборотов в минуту. На одной оси с рабочим колесом закреплены и лопатки компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Мощность, получаемая от преобразования энергии выхлопных газов, используется для значительного повышения давления воздуха. За счет этого можно впрыскивать в рабочие полости цилиндров значительно большее количество топлива за фиксированное время. Это дает значительное увеличение как мощности, так и экономичности дизельного двигателя.
Дизельная турбина в разрезе
В двух словах, турбосистема содержит два лопастных «импульса», установленных на общем валу. Но при этом они находятся в отдельных камерах, герметично отделенных друг от друга. Одно из рабочих колес вынуждено вращаться, так как на его лопатки постоянно попадают выхлопные газы двигателя. Так как второе рабочее колесо жестко связано с ним, то оно также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.
Вы всегда должны соблюдать правила эксплуатации агрегата; это снизит вероятность отказа и продлит срок службы устройства. Вы должны соблюдать несколько простых правил:
Устройство компрессора
Компрессор имеет корпус и колесо (ротор). Корпус компрессора изготовлен из алюминия. Ротор установлен на валу турбины так же, как и рабочее колесо. Колесо компрессора имеет лопасти, материал которых также алюминий. Задача компрессорного колеса — забирать воздух, проходящий через его центр.
Форма лопаток заставляет воздух отбрасываться к стенкам корпуса компрессора, тем самым сжимая его. Затем поток сжатого воздуха подается во впускной коллектор двигателя.
Ось турбокомпрессора
Вал является центральной частью турбокомпрессора и закреплен внутри корпуса на подшипниках скольжения. Смазка мостов осуществляется подачей моторного масла из системы смазки двигателя. С обеих сторон установлены специальные прокладки и уплотнительные кольца.
Эти элементы предотвращают утечки тяжелого масла, чтобы смазка не попала в зону компрессора и турбины. Сами сальники не обеспечивают полной герметизации. Эти решения представляют собой уплотнения, работающие за счет разницы давлений, возникающей при работе турбокомпрессора.
Уплотнения также сводят к минимуму проникновение воздуха компрессора и газов турбины в корпус вала. Стоит отметить, что полностью исключить забор отработанного и сжатого воздуха компрессором не представляется возможным. Излишки удаляются по маслопроводу вместе с маслом и попадают в картер дизеля.
Также рекомендуем прочитать статью об интервалах замены моторного масла в дизеле. В этой статье вы узнаете, почему в двигателях этого типа нужно чаще менять масло по сравнению с бензиновыми агрегатами.
Турбо-лаг — это короткая задержка в работе турбины, возникающая, когда количество подаваемого топлива увеличивается при нажатой педали акселератора. Задержка возникает из-за того, что ротору нужно время, пока газы не разгонят его.
Минусы использования турбокомпрессора
Казалось бы, установка турбодизеля несет сплошные преимущества, но это не так. Устройство имеет определенные недостатки:
- увеличивается расход топлива, что особенно ощущается при плохой настройке системы;
- при сжатии повышается температура, что может привести к детонации. Чтобы избежать подобных неприятностей, необходимо установить регуляторы, охладители и ряд других элементов.
Турбированный мотор: правила эксплуатации
Чтобы дизельная турбина работала с максимальной эффективностью и как можно дольше не выходила из строя, при эксплуатации автомобиля необходимо соблюдать определенные правила:
- придерживаться графика замены масла, что предотвратит засорение маслопровода абразивами;
- использовать качественное моторное масло, соответствующее характеристикам в паспорте мотора;
- не запускать сразу после запуска двигателя; двигатель должен прогреться;
- сразу после прекращения движения не глушить двигатель, дав ему поработать на холостом ходу не менее 10 секунд.
Когда и зачем необходимо регулировать привод турбокомпрессора. Принцип работы устройства, особенности и доступные способы настройки нагнетательного клапана.
Применения турбины в автомобилях Мазда
Японский производитель решил отказаться от выпуска двигателей с турбинами. Сотрудники компании считают, что любой турбодвигатель за время своей эксплуатации не достигает тех параметров бережного отношения к окружающей среде и экономии топлива, которые они декларируют в своих презентациях.
Такой вывод следует из того, что автомобили проходят испытания в идеальных условиях, без учета посторонних факторов. Выпуск автомобилей с системой SkyActive показал, что она может потреблять меньше топлива, чем 1,4-литровый турбированный мотор.
Эти параметры достигаются за счет использования высокой степени сжатия бензиновых атмосферных установок автомобилей. Недостатком по сравнению с турбированными установками являются низкие динамические качества, но в наше время это не так важно.
Работа турбокомпрессора на дизельном двигателе
Работа проводится по следующей схеме:
- Компрессор перекачивает сжатый атмосферный воздух.
- Масса воздуха смешивается с топливом и поступает в цилиндры.
- Образовавшаяся смесь топлива и воздуха воспламеняется, приводя в движение поршни.
- Параллельно с этим процессом появляются выхлопные газы, которые направляются в выпускной коллектор.
- Накопившиеся в организме газы значительно увеличивают скорость.
- Вращение переходит (по оси) на ротор компрессора, засасывает новую порцию воздуха.
Это интересное взаимодействие. Ротор вращается быстрее: поступает больше воздуха. Чем больше воздуха поступает, тем быстрее вращается ротор.
Продувочный клапан. При закрытой дроссельной заслонке и отсутствии датчика массового расхода воздуха клапан будет возвращать лишний воздух в атмосферу.
Устройство компрессора
Компрессор имеет корпус и колесо (ротор). Корпус компрессора изготовлен из алюминия. Ротор установлен на валу турбины так же, как и рабочее колесо. Колесо компрессора имеет лопасти, материал которых также алюминий. Задача компрессорного колеса — забирать воздух, проходящий через его центр.
Вал является центральной частью турбокомпрессора и закреплен внутри корпуса на подшипниках скольжения. Смазка мостов осуществляется подачей моторного масла из системы смазки двигателя. С обеих сторон установлены специальные прокладки и уплотнительные кольца.
Эти элементы предотвращают утечки тяжелого масла, чтобы смазка не попала в зону компрессора и турбины. Сами сальники не обеспечивают полной герметизации. Эти решения представляют собой уплотнения, работающие за счет разницы давлений, возникающей при работе турбокомпрессора.
Уплотнения также сводят к минимуму проникновение воздуха компрессора и газов турбины в корпус вала. Стоит отметить, что полностью исключить забор отработанного и сжатого воздуха компрессором не представляется возможным. Излишки удаляются по маслопроводу вместе с маслом и попадают в картер дизеля.
Турбояма и турбоподхват
Рабочее колесо турбины и колесо компрессора закреплены на общем валу. По этой причине существует определенная зависимость, заключающаяся в увеличении подачи воздуха компрессором только при увеличении частоты вращения турбины. Специалисты выделяют понятие турболаг (турболаг), означающее задержку увеличения мощности дизеля при резком нажатии на педаль акселератора.
Выхлопные газы вращают крыльчатку турбины, создавая эффективное давление наддува от турбонагнетателя. При определенных условиях турбина может вращаться с очень высокой частотой, что зависит от конструктивных особенностей корпуса устройства и интенсивности потока выхлопных газов.
Самопроверка турбокомпрессора дизельного двигателя. Проверка нагнетателя без разборки. Наличие масла в корпусе турбины, люфте вала, рабочем колесе.
Когда и зачем необходимо регулировать привод турбокомпрессора. Принцип работы устройства, особенности и доступные способы настройки нагнетательного клапана.
От чего зависит срок службы турбокомпрессора дизельного двигателя. Характеристики и рекомендации по эксплуатации и ремонту турбин с изменяемой геометрией.
Устройство турбокомпрессора, основные конструктивные элементы, выбор турбины. Преимущества и недостатки турбированных бензиновых и дизельных двигателей.
Что такое двигатель с наддувом и чем он отличается от двигателя без наддува. Основные преимущества и недостатки турбированных двигателей внутреннего сгорания. Какой двигатель выбрать.
Выбор механического нагнетателя или турбокомпрессора. Конструкция, основные преимущества и недостатки решений, установка на атмосферный тюнинговый двигатель.
