Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель
Турбонаддув представляет собой разновидность наддува, позволяющий подавать воздух в цилиндры ДВС под высоким давлением, которое обеспечивается высвобождаемой от сгорания топлива энергией выхлопных газов.
За счет турбонаддува повышается рабочая мощность двигателя, при этом не увеличивается внутренние объемы цилиндров двигателя и количество оборотов, совершаемых коленвалом. Кроме всего прочего турбонаддув позволяет снизить прожорливость двигателя, а также уменьшить токсичность газов благодаря более эффективному сгоранию топливовоздушной смеси.
Турбонаддув довольно широко используется на ДВС, работающих как на бензине так и на дизтопливе. При этом использование системы турбонаддува на дизелях считается более выгодным благодаря высокому показателю сжатия ДВС и малой частоте оборотов коленвала.
В бензиновых двигателях высока вероятность возникновения детонирующего эффекта вследствие значительного увеличения количества оборотов двигателя и высокого температурного режима газов при сгорании топлива (до 1000 °C, у дизеля лишь 600 °C).
Устройство системы турбонаддува
Система турбонаддува состоит из следующих элементов:
- воздушный заборник и фильтр;
- дроссельная заслонка;
- турбинный компрессор;
- интеркулер;
- коллектор впускной;
- соединительные патрубки;
- напорные шланги
Турбинный компрессор (нагнетатель)
Основной элемент устройства турбонаддува, который предназначен для увеличения рабочего давления воздушной массы в системе впуска. Турбокомпрессор состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу. Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах.
Турбинное колесо используется для переработки энергии, выделяемой отработанными газами. Колесо и его корпус изготавливаются из высокопрочных и жароустойчивых материалов – стальных и керамических сплавов.
Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС.
Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по канальцам, расположенным в подшипниковом корпусе.
Интеркулер
Интеркулер – воздушный или жидкостной радиатор, который применяется для своевременного охлаждения предварительно сжатого воздуха, вследствие чего происходит увеличивается давление и плотность воздушного потока.
Регулятор давления наддува
Ключевым элементом управления турбонаддувом является регулятор давления наддува, который по сути своей является перепускным клапаном. Основным назначением клапана является сдерживание и перенаправление части вырабатываемых газов в обход турбинного колеса для снижения давления наддува.
Перепускной клапан может быть оснащен приводом электрического или пневматического типа. Активация клапана происходит вследствие приема сигналов от датчика давления.
Предохранительный клапан
Клапан предохранительный используется для предотвращения скачков давления воздушной массы, которое часто возникает при быстром закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление либо стравливается в атмосферу, либо переподается на вход компрессора.
Принцип действия турбонаддува
Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.
Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.
Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.
Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.
Для устранения эффекта турбоямы используются три основных метода:
- Использование системы с двумя (и более) турбокомпрессорами. Турбины могут устанавливаться параллельно – это допускается на двигателях V-образного типа. При этом каждая турбина устанавливается на свой ряд цилиндров. Идея данного метода в том, что две турбины меньшего размера обладают более низкой инерционностью, чем одна большая турбина. Турбины так же могут устанавливаться и последовательно, причем их может быть от двух до четырех (Bugatti). Увеличение производительности и максимальная эффективность турбонаддува в этом случае достигаются за счет того, что при разных оборотах двигателя используется свой турбокомпрессор.
- Использование турбины с изменяемой геометрией. Подобный метод обеспечивает более рациональное использование энергии отработанных газов за счет изменения площади сечения входного канала турбины. Данный метод весьма часто используется на дизельных двигателях, например всем известная система TDI от Volkswagen.
- Использование комбинированного типа турбонаддува. Данный метод позволяет применять симбиоз двух систем – механического и турбинного наддува. Механический наддув эффективен на малых оборотах коленвала, при которых сжатие воздуха обеспечивается нагнетателем механического типа. Турбонаддув применяется при высоких оборотах коленвала, где функцию нагнетания воздуха берет на себя турбинный компрессор. Наиболее распространенной системой комбинированного наддува является наддув двигателя TSI от Volkswagen.
Устройство ТКР | НПО ТУРБОТЕХНИКА | ТУРБОКОМПРЕССОРЫ | ПРОИЗВОДСТВО
УСТРОЙСТВО ТУРБОКОМПРЕССОРА ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ТУРБОКОМПРЕССОР
Это лопастная машина, позволяющая использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания — наддува.
Наддув позволяет увеличить количество подаваемого в цилиндры двигателя воздуха, что позволяет сжигать в том же рабочем объёме цилиндра больше топлива. Т. е. при том же рабочем объёме двигателя увеличивается его мощность.
Также при повышении давления в цилиндре улучшаются условия сгорания топлива, растёт экономичность двигателя и уменьшается токсичность выхлопных газов.
Дополнительное снижение расхода топлива обусловлено использованием для привода компрессора избыточной энергии выхлопных газов.
Поэтому турбонаддув сегодня всё шире применяется в двигателестроении.
Конструктивно турбокомпрессор состоит из 3-х основных элементов:
ТУРБИНА
Турбина также состоит из корпуса и рабочего колеса. Колесо турбины жёстко связано с колесом компрессора валом. В автотракторном двигателестроении наиболее распространены радиально-осевые турбины.
Отработавшие газы из двигателя подаются во входной патрубок турбины, а затем в спиральный канал корпуса турбины (улитку), который обеспечивает равномерный вход газа в рабочее колесо. Проходя через межлопаточные каналы колеса, от его периферии к центру, за счёт специального профиля лопаток, газ расширяется и охлаждается, при этом тепловая энергия газа преобразуется в механическую работу вращения колеса. Мощность, развиваемая на турбине, передаётся на колесо компрессора и обеспечивает его работу.
Размеры всех элементов турбины и её рабочего колеса определяются исходя из необходимой мощности на привод компрессора и на основании анализа располагаемой энергии отработавшего газа в выхлопном коллекторе двигателя. Для каждого двигателя параметры турбины подбираются индивидуально. Так, например: при уменьшении проходного сечения канала улитки увеличивается скорость движения потока газа в ней, что способствует увеличению частоты вращения рабочего колеса и мощности турбины.
Различают турбины, работающие при постоянном давлении газа перед турбиной, и импульсные. В первом случае на двигателе применяются сравнительно простые выпускные коллектора относительно большого сечения. Во втором случае в турбине используется энергия импульсов газового потока, обусловленная импульсным характером выхода газов из цилиндров, что способствует повышению эффективности работы турбины. При этом выхлопной коллектор имеет относительно небольшое сечение и состоит из двух коллекторов, каждый из которых соединён с определённой группой цилиндров. Этим обеспечивается равномерное чередование импульсов давления и отсутствие их взаимного наложения. Улитка импульсной турбины делится перегородкой на два канала, каждый из которых соединён со своим коллектором.
С учётом высоких температур газа в турбине (до 800…9000С) корпуса турбин отливаются из чугуна специального состава. Рабочие колёса отливаются из жаропрочного сплава.
Рабочее колесо турбины соединяется со стальным валом сваркой трением и в сборе называются ротором. В месте сварки вал ротора имеет внутреннюю полость, препятствующую теплопередаче от колеса в вал.
Частота вращения ротора достигает, в зависимости от размерности ТКР и условий его работы на данном двигателе 90000…200000 об/мин и выше. Поэтому вращающиеся детали ТКР требуют очень точной балансировки. Это достигается балансировкой в три этапа:
— балансировка ротора в сборе с колесом компрессора,
— проверка дисбаланса картриджа в сборе (ротор с колесом компрессора в сборе с корпусом подшипников), дополнительная балансировка при необходимости.
Не допускается самостоятельная разборка ТКР в эксплуатации, т. к. при этом нарушается взаимное положение деталей ротора и балансировка
КОМПРЕССОР
Компрессор состоит из корпуса и колеса компрессора. В автотракторных двигателях самое широкое распространение получили компрессоры центробежного типа. При вращении колеса компрессора воздух засасывается лопатками через входной патрубок, расположенный в средней части корпуса компрессора. При прохождении через межлопаточные каналы колеса аэродинамическими и центробежными силами поток воздуха ускоряется. За колесом воздух проходит через кольцевую щель (диффузор) и через спиральный канал (улитку) корпуса компрессора, где постепенно тормозится. При этом повышается давление, достигая максимального значения на выходе из улитки.
Необходимые параметры наддува, т. е. давление и расход воздуха на входе в двигатель, определяются исходя из рабочего объёма двигателя, необходимой мощности и частоты вращения. Геометрические размеры всех элементов компрессора выбираются на основании сложных газодинамических расчётов для достижения заданных параметров наддува. Поэтому для каждого двигателя выбор компрессора индивидуален.
Как правило, колесо и корпус компрессора отливаются из алюминиевых сплавов.
КОРПУС ПОДШИПНИКОВ
Корпус подшипников служит для крепления корпусов компрессора и турбины и для размещения подшипников ротора. Ротор вращается в подшипниках скольжения (чаще всего бронзовые или алюминиевые втулки). Между наружной поверхностью подшипников и посадочной поверхностью подшипников в корпусе также имеется зазор, заполненный маслом. Этот зазор играет роль демпфера при радиальных смещениях ротора в подшипниках. Подшипники могут свободно вращаться в корпусе подшипников или зафиксированы в нём от вращения специальным элементом — фиксатором.
Осевое перемещение ротора ограничивается упорным подшипником, состоящим из собственно упорного подшипника, закреплённого в задней стенке компрессора, и двух стальных упорных шайб, закреплённых на валу ротора. Упорный подшипник изготавливается из бронзы или из спечённого материала на основе бронзографита.
Масло в подшипники подаётся под давлением из системы смазки двигателя через штуцер на корпусе подшипников и сливается через специальное отверстие в картер двигателя.
Недостаточное поступление масла в подшипники ротора приводит к мгновенному задиру подшипников. Затруднённый слив масла из корпуса подшипников приводит к заполнению внутренней полости корпуса маслом и выдавливанию его через уплотнения ротора в компрессор и турбину.
Попаданию масла из корпуса подшипников в компрессор и турбину препятствуют специальные уплотнения ротора, представляющие собой разрезные чугунные кольца, вставленные в канавки кольцедержателей на роторе. Кольца наружной поверхностью плотно, без просветов, прижимаются к уплотняемым поверхностям в задней стенке корпуса компрессора и корпуса подшипников со стороны турбины. При этом в замке колец выдерживается минимальный, по условиям собираемости, зазор. Боковые стенки колец и канавок кольцедержателей обрабатываются с высоким качеством. Между кольцами и стенками канавок также выдерживаются минимальные зазоры.
Уплотнение ротора обеспечивается за счёт гидродинамических взаимодействий между боковыми поверхностями колец и стенками канавок, а также за счёт того, что давление воздуха и газа со стороны компрессора и турбины на большинстве режимов работы двигателя больше, чем в корпусе подшипников.
На режиме холостого хода двигателя, возможно, что давление в корпусе подшипников окажется больше, чем давление перед уплотнением со стороны компрессора. В этом случае вероятна утечка масла из корпуса подшипников через уплотнение в компрессор. Поэтому не рекомендуется длительная (более 5 мин) работа двигателя на холостом ходу.
Помимо уплотнений ротора в корпусе подшипников, перед уплотнением ротора со стороны компрессора, размещён маслоотражающий экран. Экран препятствует прямому попаданию масла, сливаемого через торцы радиального подшипника ротора, на колечное уплотнение и снижает вероятность утечки масла в компрессор. Для этой же цели на роторе перед уплотнением компрессора расположен маслоотражатель, выполненный в виде диска. Масло, попадая на маслоотражатель, сбрасывается с него под действием центробежных сил.
При работе турбокомпрессора имеет место теплообмен между горячей турбиной и относительно холодным компрессором. И охлаждение турбин, и нагрев компрессора одинаково отрицательно влияют на эффективность турбокомпрессора в целом. Для снижения теплопередачи служит теплоизолирующий экран, расположенный между корпусом турбины и корпусом подшипников. Этой же цели служит конструкция крепления корпуса турбины на корпусе подшипников. В некоторых случаях используются специальные термоизолирующие прокладки между корпусами. Уменьшению тепла, передаваемого в компрессор, также способствует охлаждение корпуса подшипников маслом.
www.kamturbo.ru
Турбокомпрессор: устройство и принцип действия
Во многих устройствах используется турбокомпрессор, устройство и принцип действия которого позволяют производить нагнетание воздуха в необходимых объемах. Для того, чтобы привести его в движение, задействована энергия, получаемая из потока отработанных газов. В технической области, турбокомпрессор получил название турбонагнетателя.
Принцип действия турбокомпрессора
Работа большинства конструкций турбокомпрессора отличается простотой и надежностью. Ротор агрегата приводится в действие выхлопными газами, проходящими в турбину. На оси ротора жестко закреплено колесо центробежного компрессора. Поэтому, его вращение происходит со скоростью, одинаковой с ротором.
Конструкции компрессорной части в разных устройствах различаются между собой. Чаще всего используются варианты центробежного типа. Скорость вращения колес турбины полностью зависит от энергии, производимой выхлопными газами. Соответственно, возрастает скорость работы и самого компрессора. Таким образом, увеличивается количество воздуха, подаваемого в цилиндры. В результате, топлива сгорает больше и общая мощность двигателя возрастает. Вращение турбокомпрессора может достигать очень высокой частоты, вплоть до 150 тысяч оборотов в минуту.
Устройство турбокомпрессора
Во всей конструкции, большое значение имеет точность соединения вала с колесом турбины. Для обеспечения нормальной работы, это соединение должно быть идеально сбалансировано. В противном случае, даже небольшие биения могут гарантированно вызвать поломку. На вал от колеса турбины идет очень высокая теплоотдача. Чтобы ее снизить, конструкция вала выполняется пустотелой. Тем самым, предотвращается перегревание подшипников.
Сам подшипниковый узел смазывается от общей системы смазки двигателя. Основная функция смазки более всего заключается в отведении лишнего тепла от корпуса и подшипников. В некоторых конструкциях подшипник устанавливается неподвижно, а в масляной ванне происходит вращение ротора.
В настоящее время, многие турбокомпрессоры оборудованы механизмами, позволяющими изменять геометрию турбины. Для этого, производится установка дополнительного кольца, на котором имеются управляемые направляющие лопатки. В зависимости от числа оборотов, происходит поочередное уменьшение или увеличение сечения турбины.
Все эти мероприятия направлены на повышение эффективности турбокомпрессоров, что позволяет значительно повысить мощность обычных двигателей.
electric-220.ru
Устройство и принцип работы турбины
Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим агрегатом в деле увеличения мощности моторов.
Что такое турбина и для чего она нужна?
Турбина — устройство в автомобиле, которое направлено на увеличение давления во впускном коллекторе автомобиля для того, чтобы обеспечить большее поступление воздуха, а значит и кислорода, в камеру сгорания.
Главное назначение турбины – с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При увеличении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания попадет в два раза больше кислорода, а значит от небольшого турбового двигателя можно ожидать мощности как от атмосферника с объемом в два раза больше — грубая теоретическая арифметика не лишенная смысла…
Принцип работы турбокомпрессора
Принцип работы турбины несложен: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор поступают в горячую часть турбины, проходят через крыльчатку горячей части приводя ее и вал на который она крепится в движение. На этом же вале закреплена крыльчатка самого компрессора в холодной части турбины, эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, что обеспечивает большее поступление воздуха в камеру сгорания.
Устройство турбины
Турбина состоит из двух улиток — улитки компрессора, через которую всасывается воздух и нагнетается во впускной коллектор, и улитки горячей части, через которую проходят выхлопные газы вращая колесо турбины и выходят в выхлопной тракт. Из крыльчатки компрессора и крыльчатки горячей части. Из шарикоподшипникового картриджа. Из корпуса, который соединяет обе улитки, держит подшипники, так же в корпусе находится охлаждающий контур.
В процессе работы турбина подвергается очень большим термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень большой температуры 800-9000 °С, поэтому корпус турбины изготавливают из чугуна особого состава и особого способа отливки.
Частота вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует большой точности, подгонки и балансировки. Помимо этого в турбине высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах система смазки служит так е системой охлаждения подшипниковой части турбины.
Система охлаждения турбин
Система охлаждения турбин двигателя служит для улучшения теплоотдачи частей и механизмов турбокомпрессора.
Существует два самых распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора — охлаждение маслом, которое используется для смазки подшипников и комплексное охлаждение маслом и антифризом из общей системы охлаждения автомобилем.
Оба способа имеют ряд преимуществ и недостатков.
Охлаждение маслом.
Преимущества:
- Более простая конструкция
- Меньшая стоимость изготовления самой турбины
Недостатки:
- Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
- Более требовательна к качеству масла и к его более частой смене
- Более требовательна к контролю за температурным режимом масла
Изначально, большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались тубинами с масляным охлаждением. При прохождении через шарикоподшипниковую часть масло сильно нагревалось. Тогда, когда температура выходила за пределы нормального рабочего температурного диапазона, масло начинало закипать, коксоваться забивая каналы и ограничивая доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, заклиниванию и дорогостоящему ремонту. Причин у неполадки могло быть несколько — некачественной масло или не рекомендованное для данного типа двигателей, превышение рекомендованы сроков замены масла, неисправности в системе смазки двигателя и пр.
Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимущества:
- Большая эффективность охлаждения
Недостатки:
- Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость
При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Но данная систем охлаждения имеет более сложную конструкцию т.к. имеет раздельные масляный контур и контур охлаждающей жидкости. Масло как и прежде служит для смазки подшипников и для охлаждения, а антифриз, который используется из общей системы охлаждения двигателя, не дает перегреться и закипеть маслу. Как следствие увеличивается стоимость самой конструкции.
При работе турбины воздух под действием компрессора сжимается и, как следствие, очень сильно греется, что приводит к нежелательным последствиям т.к. чем выше температура воздуха, тем меньшее количество кислорода в нем содержится — тем меньше эффективность наддува. С этим явлением призван бороться интеркулер — промежуточный охладитель воздуха.
Нагрев воздуха не единственная проблема, с которой пытаются справиться конструкторы при проектировании турбодвигателя. Насущной проблемой является инерционность турбины (лаг турбины, турбояма) — задержка в реакции мотора на открытие дроссельной заслонки. Турбина выходит на пик своих возможностей при определенных оборотах двигателя, отсюда и появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина в большинстве случаев, работает всегда, а значение оборотов при которых ее эффективность максимальная у каждого двигателя и у каждой турбины разные. В погоне за решением этой проблемы появились системы их двух турбин (твин-турбо, twin-turbo, би-турбо, biturbo), твин-скрол (twin-scroll) турбины, турбины с изменяемой геометрией сопла и изменяемым углом наклона крыльчатки (VGT), изменяются материалы частей чтобы повысить прочность и увеличить вес (керамические лопатки крыльчатки) и пр.
Twin-turbo (твин-турбо) — система при которой используются две одинаковые турбины. Задача данной системы повысить объем или давление поступающего воздуха. Используется когда необходима максимальная мощность на высоких оборотах, например в драг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.
Такая же система, но с маленькими одинаковыми турбинами позволяет добиться прироста мощности при небольших оборотах и держать наддув постоянным до красной зоны.
Biturbo (би-турбо) — систем а с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что при низких оборотах работает маленькая турбина, обеспечивая хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув при высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить лаг двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне работы двигателя.
Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.
Турбина с изменяемой геометрией (VGT) — система при которой лопатки крыльчатки в горячей части могут изменять угол наклона к потоку выхлопных газов.
При малых оборотах двигателя пропускное сечение прохода выхлопных газов становится более узкое и «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. Когда обороты двигателя увеличиваются проходное сечение становится шире и и уменьшается сопротивление движению выхлопных газов, но при этом достаточно энергии для создания необходимого давления компрессором. Чаще систему VGT используют на дизельных двигателях т.к. там меньше тепловые нагрузки, меньшая скорость вращения ротора турбины.
Twin-scroll ( двойная улитка) — система состоит из двойного контура движения выхлопных газов энергия которых вращает один ротор с крыльчаткой и компрессором. При этом существует два типа реализации когда выхлопные газы идут по обоим контурам сразу, при этом система работает как twin-turbo в одном корпусе — выхлопные газы делятся на два потока каждый из которых идут в свой контур горячей части раскручивая ротор турбины. Второй тип реализации работает на подобии системы biturbo — горячая часть имеет два контура с разной геометрией, при низких оборотах выхлопные газы направляются по меньшему контуру, который увеличивает скорость и энергию прохождения за счет небольшого диаметра, при повышении оборотов двигателя выхлопные газы двигаются по контуру диаметр которого больше — тем самым сохраняется рабочее давление в системе впуска и не создается запора на пути выхлопных газов. Это все регулируется клапанами, которые переключают поток из одного контура в другой.
pravauto.com
Турбокомпрессор автомобильный, устройство, как он работает
Многие двигатели современных автомобилей оснащаются турбокомпрессорами. Главная задача, которую пытаются решить путем установки турбокомпрессора — это повышение мощности двигателя, повышение его эффективности и экономичности.
Установка турбокомпрессора на автомобильный двигатель позволяет повысить его мощность, более чем на 30 — 50%. Например, при установке компрессора на обычный четырехцилиндровый мотор, его мощность станет сравнима с шести или даже с восьмицилиндровым агрегатом.
В таком двигателе улучшаться условия сгорания топлива, то есть оно будет сгорать полнее, в результате возрастет экономичность двигателя и его стабильность работы.
Каким образом турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя
Что же происходит в двигателе, на котором установлен турбокомпрессор, и каким образом он увеличивает мощность? Как известно, мощность любого двигателя внутреннего сгорания в большой степени зависит от количества поступаемой в камеры сгорания топливо – воздушной смеси.
То есть, увеличив количество поступаемого в цилиндры воздуха можно увеличить и количество поступаемого топлива, не нарушая баланс соотношения «воздух – топливо».
Нельзя просто увеличить подачу топлива, без увеличения подачи воздуха, ведь для сгорания топлива необходим кислород, который содержится в воздухе.
Именно установка турбокомпрессора и позволяет увеличить количество поступающего в цилиндры воздуха, в свою очередь, обеспечивая возможность подачи большего количества топлива, в результате чего мощность двигателя возрастает.
Устройство турбокомпрессора
По конструкции автомобильные турбокомпрессоры могут различаться. Обычно турбокомпрессор состоит из турбины, вращающейся под давлением выходящих выхлопных газов, и центробежного воздушного насоса, связанного с турбиной, и подающего дополнительное количество воздуха в двигатель.
Устройство турбокомпрессора: 1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.
И турбина и центробежный насос вращаются с большой скоростью, около 100 тыс. оборотов в минуту в одном направлении. Бывают турбокомпрессоры и иных конструкций, например, приводящимися в действие не силой выхлопных газов, а путем механической связи с коленвалом двигателя. Но, такие решения встречаются редко, и их можно считать скорее экзотическими.
Видео: как работает турбина.
На какие двигатели устанавливают турбокомпрессоры
Сегодня турбокомпрессоры чаще можно встретить на дизельных двигателях, но, на самом деле, вполне возможно устанавливать их на любой автомобильный двигатель внутреннего сгорания, причем, не зависимо от его рабочего объема, количества цилиндров, а также от того, двухтактный этот двигатель или четырехтактный.
Обслуживание турбокомпрессора
По технологии производства турбокомпрессоры довольно сложны, но по конструкции эти простые устройства, и практически не требуют какого – либо особого обслуживания.
Турбокомпрессоры вполне надежны, если остальные системы двигателя, а в первую очередь система смазки, исправны. Как правило, поломки турбокомпрессоров случаются именно из-за недостаточного количества поступающей смазки.
Ремонт любого турбокомпрессора требует опыта, знаний и соответствующего оборудования. Такой ремонт должны выполнять специалисты.
Загрузка…avto-i-avto.ru
описание, принцип работы, основные элементы
Прежде чем перейти к рассмотрению непосредственно устройства турбокомпрессора, следует знать, что мощность двигателя внутреннего сгорания полностью зависит от того, какое количество воздуха и топлива в него поступает. Следовательно, если увеличить данные показатели, то получится и увеличить мощность ДВС.
Описание турбины
Устройство турбокомпрессора и его появление — это результат постоянной гонки людей за увеличением мощности двигателя. Здесь важно добавить, что такая турбина стала эффективным решением не только для бензиновых двигателей, но и для дизельных моделей. Чаще всего такие приспособления устанавливаются на те двигатели, у которых малый объем поступаемого воздуха. Здесь важно понимать следующее: чем больше сам двигатель, тем больше воздуха и топлива он потребляет и тем больше у него мощность. Для того чтобы добиться такой же мощности от двигателя меньшего объема, необходимо увеличить количество воздуха, которое умещается в цилиндрах.
Турбокомпрессор — устройство, которое предназначается для того, чтобы нагнетать большое количество воздуха в двигатель, используя выхлопные газы. У турбокомпрессора имеется два основных элемента — это турбина и центробежный насос. Между собой эти две детали связаны жесткой осью. Элементы вращаются со скоростью до 100 000 оборотов в минуту, они же и приводят в действие компрессор.
Детали турбины
Устройство турбокомпрессора включает в свой состав 8 деталей. Имеется турбинное колесо, которое вращается в корпусе, обладающим специальной формой. Основное предназначение — это передача энергии отработавших газов компрессору. Исходным материалом для сборки этих элементов являются жаропрочные материалы, к примеру, керамика.
Устройство турбокомпрессора также включает в свой состав компрессорное колесо, которое засасывает воздух. Оно также занимается его сжатием и нагнетанием в цилиндры двигателя. Располагается колесо в специальном корпусе, как и турбинное. Оба эти колеса крепятся на вал ротора, вращение которого осуществляется на подшипниках скольжения.
Устройство и действие турбокомпрессора, особенно в бензиновых двигателях, требует дополнительного охлаждения. Обычно это жидкостная система охлаждения. Кроме охлаждения самой системы, происходит также охлаждение и сжатого воздуха. Для этого турбина имеет интеркулер воздушного или же жидкостного типа. Охлаждение воздуха необходимо, так как благодаря этому увеличивается его плотность, а значит, и давление.
Данная система управляется регулятором давления. Этот перепускной клапан способен ограничивать поток отработанных газов. Таким образом, некоторое количество будет проходить мимо турбинного колеса.
Суть работы
Устройство турбокомпрессора и принцип его работы основан на использовании отработавших газов. Энергия этих газов будет приводить в движение турбинное колесо. Для передачи этой энергии турбинное колесо крепится на вал ротора, вращая его. Таким образом энергия передается компрессорному колесу. Этот элемент занимается нагнетанием воздуха в систему, а также его сжатием. Сжатый воздух проходит интеркулер, который охлаждает его. После этого вещество поступает непосредственно в цилиндры двигателя.
Дополнительные сведения
Устройство турбокомпрессора и принцип действия в некотором роде независимы, с одной стороны, от ДВС, так как не имеется жесткой связи с валом двигателя. А с другой стороны, частота вращения все же некоторым образом влияет на эффективность работы турбины. Это связано следующим образом. Чем больше оборотов делает двигатель, тем мощнее будет поток отработавших газов. Из-за этого будет увеличиваться скорость вращения вала турбины, а значит, увеличится количество воздуха, которое будет поступать в цилиндры.
Устройство и работа турбокомпрессора имеют и несколько негативных сторон. Один из недостатков называется «турбояма». При резком нажатии на педаль газа быстрое увеличение мощности будет несколько задерживаться. После прохождения «турбоямы» наблюдается резкий скачок давления, который называется «турбоподхватом».
Устранение недостатков
Появление первого недостатка обусловлено тем, что система инерционная. Из-за этого явления возникает несоответствие между производительностью турбины и мощностью, которая требуется от двигателя. Для того чтобы решить данную проблему, есть три способа. Так как устройство турбокомпрессора дизеля аналогично бензиновому, то они подойдут и для него. Вот что можно предпринять:
- Использовать турбину с изменяемой геометрией.
- Использовать два параллельных или же два последовательных компрессора.
- Использовать систему комбинированного наддува.
Что касается турбины с изменяемой геометрией, то она вполне способна решить проблему тем, что изменяется площадь входного клапана. Такая система очень часто используется в дизельных.
Описание разных систем
Назначение, устройство турбокомпрессора такие же, как и у обычной турбины. Основная разница заключается в том, что прибор имеет лишь 5 основных деталей, а не 8.
Применяется система турбин, подключенных параллельно. Такая система лучше всего подходит для достаточно мощных V-образных двигателей. В таком случае на каждый ряд цилиндров устанавливается по одному небольшому турбокомпрессору. Преимущество в том, что инерционность нескольких небольших устройств меньше, чем у одной большой турбины.
Устройство и принцип работы компрессора не отличается в зависимости от его объема, однако это играет важную роль, к примеру, при использовании последовательного подключения двух турбин. В таком случае каждый прибор будет включаться в работу при определенных оборотах.
Используется также система наддува, в которой применяется и механический и турбокомпрессор. Если обороты двигателя невысокие, то в работу включается механическое устройство для нагнетания воздуха. Если превысить определенный порог, то механический прибор отключится, а в работу вступит турбокомпрессор.
Какими преимуществами обладает турбина
Выделяются следующие преимущества при использовании компрессора:
- Широкое использование данного устройства стало возможным из-за простоты и надежности его конструкции. Кроме того, внедрение в систему ДВС данного прибора увеличивает мощность двигателя примерно на 20-35 %.
- Сам по себе компрессор не может быть причиной поломки, так как его работоспособность напрямую зависит от других систем, к примеру, от газораспределительной.
- Удается экономить от 5 до 20 % топлива. Если же установить турбину в двигатель малого объема, то процесс сжигания топлива станет эффективнее, а значит, увеличится КПД.
- Хорошее преимущество таких двигателей наблюдается на дорогах, проходящих, к примеру, в горах. Особенно это заметно, если сравнивать с атмосферными аналогами.
- Устройство и принцип работы турбокомпрессора позволяют ему выполнять функцию дополнительного глушителя шума в системе выпуска.
Особенности применения
Несмотря на то, что сам по себе компрессор практически не выходит из строя, периодически возникают ситуации, когда его работа останавливается.
В настоящее время чаще всего причиной остановки работы турбокомпрессора стало то, что центральный картридж турбины забивается маслом. Чаще всего такая неполадка возникает из-за того, что после продолжительных и серьезных нагрузок на турбонаддув его работа резко прекращается. Для того чтобы избавиться от данной неприятности, необходимо устанавливать водяную систему охлаждения. Магистрали данной системы будут создавать эффект поглощения тепла, что позволит снизить температуру в центральном картридже. Стоит заметить, что этот эффект будет происходить некоторое время и после полной остановки двигателя, а также после полного прекращения циркуляции охлаждающей жидкости.
Разновидности турбин
Что касается видов турбокомпрессора, то имеется втулочный и шарикоподшипниковый тип.
Если говорить о втулочном типе турбокомпрессора, то они использовались достаточно долгое время. Однако у них имелся ряд недостатков, который был связан с их конструктивными особенностями. Это не позволяло использовать потенциал такой системы на 100 %. Шарикоподшипниковые устройства более новые, в которых были учтены недостатки, а потому они постепенно вытесняют втулочные компрессоры.
Если сравнивать эти два вида турбин, то шарикоподшипниковая считается более экономичной, так как она расходует значительно меньше масла, чем втулочный тип. Также у компрессоров имеется показатель, который отвечает за реакцию турбины, на нажатие педали газа. У шарикоподшипниковых видов турбин данный показатель лучше, что позволяет улучшить реакцию примерно на 15 %, по сравнению с втулочными.
Неисправности прибора
Здесь стоит сказать о том, что турбокомпрессор — это единственное навесное оборудование мотора, которое тесно связано во время работы практически со всеми другими системами автомобиля. Исходя из этого становится вполне очевидно, что минимальные отклонения в работе любой системы приведут к тому, что износ компрессора увеличится в разы. На сегодняшний день есть несколько причин, которые чаще всего становятся препятствием в работе турбины:
- Возможно попадание в механизм посторонних предметов. Из-за огромной скорости вращения мотора это вполне может привести к повреждению, к примеру, крыльчаток.
- Недостаток смазочных веществ. Чем выше динамические нагрузки, тем выше шанс того, что произойдет разрушение масляной «пленки». Это, в свою очередь, приведет к «сухому» трению, что сказывается самым негативным образом на работе системы. Поводом возникновения данной неисправности может стать любая причина, из-за которой масло не доходит в полной мере. К примеру, могут засоряться масляные цилиндры, фильтры, износ масляного насоса и т. д.
fb.ru
Конструкция турбины | ТурбоМастер
Дата публикации: 2015-04-10
Содержание
Конструкция и основные функции турбокомпрессора (ТК) не претерпели принципиальных изменений с момента его изобретения швейцарским инженером Альфредом Бюхи, предложившим идею турбонаддува в 1905 году. Турбокомпрессор, как и следует из его названия, состоит из турбины и компрессора, соединенных общим валом. Турбина, приводимая в действие отработавшими газами (ОГ), передает энергию вращения на компрессор.
В автотехнике наиболее популярны центробежные компрессоры и радиально-осевые (центростремительные) турбины, которые и являются основой большинства современных ТК.
Компрессор
Входящий в состав турбокомпрессора центробежный компрессор состоит из трех основных компонентов: колеса компрессора, диффузора и корпуса. Вращающимся колесом поток воздуха всасывается в осевом направлении, разгоняется до большой скорости и затем вытесняется в радиальном направлении. Диффузор замедляет высокоскоростной поток воздуха практически без потерь, так что и его давление, и температура возрастают. Диффузор сформирован опорным диском компрессора и частью спирального корпуса (улитки). Последний, в свою очередь, собирает истекающий поток и еще больше замедляет его до выхода из компрессора.
Основные компоненты компрессора: крыльчатка (колесо компрессора), диффузор и спиралевидный корпус. Диффузор — узкий канал, сформированный опорным диском компрессора и частью корпуса.
Характеристики компрессора
Рабочие характеристики компрессора определяются картой режимов, которая отражает зависимость между степенью повышения давления и объемным или массовым расходом. Для удобства сравнения объемный и массовый расход компрессора соотносят со стандартными условиями на входе в компрессор. Рабочая область карты для центробежных компрессоров ограничивается зонами неустойчивых режимов (слева – линией помпажа, справа – линией насыщения), а также максимально допустимой частотой вращения. Компрессор для автомобильного применения должен устойчиво работать при изменении расхода воздуха в большом диапазоне. Поэтому он должен иметь карту режимов с широкой рабочей областью.
Область помпажа
Автомобильный турбокомпрессор — агрегат, состоящий из центробежного компрессора и радиально-осевой турбины, соединенных общим валом. Карта режимов слева ограничена линией помпажа. По сути, помпаж – это срыв потока воздуха на входе в компрессор. При слишком малом объемном расходе и слишком высокой степени повышения давления поток отрывается от входных плоскостей лопаток и нормальный процесс нагнетания нарушается. Поток воздуха через компрессор реверсируется до тех пор пока перепад давления не стабилизируется. Направление потока вновь становится нормальным, давление наддува восстанавливается и цикл повторяется. Эта нестабильность потока продолжается с фиксированной частотой. Возникающий из-за этого акустический шум известен как помпаж.
Линию помпажа смещают в область меньших объемных расходов путем применения лопаток с загнутыми назад кромками, так что рабочий диапазон расходов компрессора увеличивается. Обратный изгиб лопаток приводит к образованию длинных, постепенно расширяющихся каналов. Они замедляют скорость потока и производят меньше пограничных расслоений, чем в случае лопаток с радиальными кромками. «Улитка» собирает высокоскоростной поток и замедляет его, что приводит к росту температуры и давления.
Ширина диффузора также оказывает позитивный эффект на расположение линии помпажа. В общем случае компрессоры с диффузорами узкой конфигурации имеют более стабильную карту режимов.
Линия насыщения
Максимальный объемный расход центробежного компрессора обычно ограничивается величиной сечения на входе. Когда скорость потока на входе в колесо достигает скорости звука, дальнейшее увеличение расхода становится невозможным. Линию насыщения можно определить по круто снижающимся кривым максимальной частоты вращения компрессора в правой части карты режимов. Входное сечение компрессора может быть увеличено, а линия насыщения сдвинута в область больших расходов путем смещения передней кромки каждой второй лопатки (так называемые сплиттерные лопатки).
Когда увеличивается входной диаметр компрессора, возрастает так называемое хаб отношение ( hub ratio) — отношение между входным диаметром и диаметром колеса. Это приводит к росту максимального расхода. Из-за требований к прочности деталей и по соображениям аэродинамики увеличение хаб отношения возможно примерно до 0,8. По той же причине такие большие хаб отношения позволяют получить только относительно низкие значения степени повышения давления, которые требуются в пассажирских автомобилях.
Утоньшение лопаток и уменьшение их количества увеличивает площадь поперечного сечения на входе в колесо, так что линия насыщения отодвигается в сторону больших объемных расходов воздуха. Минимальная толщина лопаток лимитируется технологией литья и прочностными требованиями. Однако когда количество лопаток сокращается, степень повышения давления также уменьшается.
Таким образом, компрессорные колеса турбокомпрессоров пассажирских автомобилей характеризуются высоким хаб отношением и уменьшенным количеством тонких лопаток с сильным обратным загибом.
Компрессор — «холодная» часть ТК, функция которой — повысить давление, а, вместе с этим, и плотность воздуха, поступающего в двигатель.
Корпуса компрессоров для коммерческих дизелей, где требуются и высокая степень повышения давления, и широкая карта режимов, часто изготавливают с рециркуляционными каналами. По каналам часть всасываемого воздуха возвращается из компрессора в основной поток на входе в него. Благодаря возникающей рециркуляции течение стабилизируется и линия помпажа смещается в сторону меньших объемных расходов. Более того, тем же путем воздух можно подвести к колесу в зоне позади ограничивающего входного сечения, так что линия насыщения сдвигается в область больших расходов.
Предельная частота вращения
Частота вращения колеса компрессора ограничивается нагрузками, которые испытывают его компоненты. Максимальная частота вращения определяется допустимой скоростью кончиков лопаток и наружным диаметром колеса. Допустимая скорость кромок лопаток обычно составляет около 520 м/с. Если не принимаются никакие меры для снижения нагрузок, увеличение скорости оборачивается сокращением срока службы.
Турбина
Турбина турбокомпрессора (ТК) состоит из турбинного колеса и корпуса. Она преобразует энергию отработавших газов (ОГ) в механическую энергию для привода компрессора. Поток ОГ несет энергию в форме высокого давления и температуры. После прохождения через турбину энергия газов (давление и температура) уменьшается. Перепад давления и температуры газов между входом и выходом из турбины преобразуется в кинетическую энергию вращения турбинного колеса.
Существуют два основных вида турбин: с осевым и радиальным потоком. В случае колес диаметром до 160 мм используются только радиальные турбины. КПД маленьких радиальных турбин выше, а стоимость изготовления при больших объемах производства существенно ниже, чем осевых. Поэтому они обычно применяются в пассажирских и коммерческих дизелях, а также в индустриальных силовых агрегатах.
В улитке радиальных (центростремительных) турбин давление ОГ преобразуется в кинетическую энергию и они с постоянной скоростью направляются с периферии на турбинное колесо. Трансформация кинетической энергии в мощность на валу происходит в турбинном колесе. Оно спроектировано так, чтобы почти вся кинетическая энергия газа преобразовалась к моменту, когда он выходит из крыльчатки.
Рабочие характеристики
Устройство крыльчатки компрессора. Сплиттерные лопатки увеличивают входное сечение компрессора. Обратный изгиб лопаток на выходе из компрессорного колеса — способ борьбы с помпажем.Мощность турбины возрастает по мере роста перепада давления между ее входом и выходом, то есть, когда перед турбиной скапливается больше отработавших газов (ОГ). Это происходит в результате повышения оборотов двигателя или увеличения температуры газов вследствие их большей энергии.
Поведение турбинной характеристики определяется относительным сечением проточной части. Чем меньше относительное сечение, тем больше газов скапливается на входе в турбину (повышается давление перед турбиной). В результате увеличения перепада давления производительность турбины возрастает. Таким образом, с уменьшением относительного сечения давление наддува увеличивается.
Относительное сечение турбины можно легко варьировать путем замены ее корпуса. Большинство производителей турбокомпрессоров (ТК) для каждого типа турбины предлагает корпуса разных размеров. Это позволяет в широких пределах изменять давление наддува путем подбора нужного относительного сечения проточной части турбинного корпуса.
Помимо относительного сечения на массовый расход газов через турбину также оказывает влияние площадь отверстия на выходе из колеса. Механическая обработка литого турбинного колеса по контуру — трим (trim) — дает возможность регулировать площадь сечения а, следовательно, и давление наддува. Увеличение контура колеса выливается в большее проходное сечение для потока. В рамках одной серии ТК производители предлагают колеса турбин с разным тримом, которые изготовлены из одних литьевых заготовок.
В турбинах с изменяемой геометрией проходное сечение потока между каналом улитки и выходом из колеса варьируется. На входе в турбинное колесо оно изменяется с помощью подвижных управляемых лопаток или скользящего кольца, частично перекрывающего сечение.
На практике рабочие характеристики турбины ТК описываются картами, показывающими зависимость параметров потока ОГ от перепада давления на турбине. На карте турбины показаны кривые массового расхода и КПД турбины для разных частот вращения. Для упрощения карты зависимости расхода и эффективности могут быть представлены в виде усредненных кривых.
Материалы турбин
Поскольку при работе двигателя и после его останова турбина подвергается действию очень высоких температур, колесо и корпус турбины изготавливаются из материалов, обладающих высокой жаропрочностью. В общем случае крыльчатки турбин делают из сплавов на основе никеля, таких как Inconel 713 и GMR 235. Основные компоненты этих сплавов – никель и хром. В то время как GMR 235 работает в условиях температуры отработавших газов (ОГ) на входе в турбину до 850°С, Inconel 713 (73% никеля, 13% хрома) применяется при температурах свыше 1000°С.
Выбор материала для корпуса турбины также зависит от температуры. Сегодня серый чугун GGG40 со сферическим графитом (до 680°С) применяется реже. Для большинства дизельных агрегатов используется кремниево-молибденовый чугун GGG SiMo 5.1 (до 760°С) или GGV SiMo 4.5 0.6 (до 850 °С). Реже для температур ОГ до 850 °С используется высоколегированный никель-хромовый чугун GGG NiCrSi 20 2 2 (Niresist D2).
В большинстве турбокомпрессоров для бензиновых двигателей с температурами ОГ до 970°С применяется сплав GGG NiCrSi 35 5 2 (Niresist D5). Для самых высоких температур до 1050 °С, что потребуется в бензиновых двигателях ближайшего будущего, используется жаростойкая литьевая аустенитная сталь.
Турбины с двойным входом
Давление истекающих из двигателя отработавших газов (ОГ) не постоянное — оно пульсирует в соответствии с чередованием тактов выпуска в разных цилиндрах. Импульсные системы наддува используют пульсации давления ОГ, позволяющие кратковременно увеличить перепад давления на турбине. За счет роста перепада давления увеличивается КПД турбины, улучшая ее работу до тех пор пока через нее не пойдет большой, эффективный поток газов. В результате более полного использования энергии ОГ улучшаются характеристики давления наддува и, соответственно, поведение кривой крутящего момента, особенно на низких оборотах двигателя.
Для предотвращения взаимного влияния цилиндров при разных тактах впуска-выпуска они делятся на две независимые группы. Каждая группа объединяется в свой выпускной коллектор, который транслирует ОГ непосредственно на вход в турбину. В этом случае турбина с двойным входом позволяет утилизировать ОГ из двух групп цилиндров отдельно. В двигателях пассажирских автомобилей чаще используются неразделенные коллекторы и турбины с «однозаходным» корпусом. Это позволяет сделать коллектор компактнее и расположить турбину ближе к головке блока. Поскольку здесь сечение и длина газоподводящих каналов меньше, преимущества импульсного наддува нивелируются.
И все же в отдельных случаях турбины с двойным входом применяются в бензиновых моторах пассажирских автомобилей. Их преимущество — хорошая характеристика крутящего момента при низком давлении ОГ. В то же время им свойственны и недостатки – высокая термическая нагрузка разделяющей перегородки и дорогое производство маленьких корпусов с интегрированным байпасом, особенно, если в качестве материала нужно использовать литьевую сталь из-за больших температур.
Отклик
Для двигателей пассажирских автомобилей жизненно важную роль играют инерционные характеристики турбокомпрессора (ТК). Замедленная реакция на изменение положения педали акселератора, которую также называют «турбояма», часто воспринимается как фактор, снижающий управляемость автомобиля. В последние годы этот негативный эффект компенсирован применением ТК меньшего размера. У них меньше сечение проточной части и ниже инерция ротора как результат применения колес меньшего диаметра. Таким образом, при увеличении частоты вращения турбокомпрессора приходится раскручивать ротор меньшей массы. Момент инерции турбинного колеса также может быть снижен путем удаления сегментов опорного диска между лопатками. В еще большей степени динамические характеристики ТК могут быть улучшены применением турбин с изменяемой геометрией проточной части.
Оптимальные условия для потока и низкие потери тепла достигаются в интегрированных системах наддува с отлитыми заодно выпускным коллектором и корпусом турбины, что оборачивается улучшенными характеристиками отклика. Прочие аргументы за применение таких систем – сокращение веса до 1 кг, а также увеличение свободного пространства между двигателем и пассажирской кабиной, что часто жизненно необходимо по соображениям безопасности.
Керамические колеса турбин
В сравнении с металлическими колесами керамические турбинные колеса существенно легче, что улучшает характеристики отклика (чувствительность) турбокомпрессора. Современные керамические материалы позволили разработать такие колеса, пригодные для массового производства. Однако керамические материалы очень хрупкие и могут быть легко разрушены при попадании посторонних частиц. Более того, лопатки таких турбин толще и поэтому их эффективность ниже, так что они редко используются в автотехнике.
Алюминид титана имеет такую же плотность как керамика. Этот материал сравнительно менее подвержен разрушению, а лопатки такие же тонкие как металлические. Его недостаток – низкая температурная стойкость (максимум 700°С).
Типовая карта режимов компрессора. Рабочая область карты режимов ограничена линиями помпажа, насыщения и предельно допустимой частоты вращения.
Водоохлаждаемые корпуса
При разработке турбокомпрессоров (ТК) также должны учитываться аспекты безопасности. Например, в судовых моторных отсеках следует избегать горячих поверхностей из-за опасности пожара. Поэтому корпуса турбин ТК для морского применения изготавливаются с водяным охлаждением или с покрытием изолирующими материалами.
Система управления
Тяговые характеристики современных турбодвигателей должны отвечать таким же высоким требованиям, как и характеристики атмосферных моторов с идентичными мощностными параметрами. Это означает, что полное давление наддува должно быть доступно, начиная с минимально возможных частот вращения двигателя. Это, в свою очередь, может быть достигнуто только путем управления турбокомпрессором на турбинной стороне.
Байпасное регулирование на турбинной стороне
Установка байпасного клапана в турбинной части турбокомпрессора (ТК) – самый простой способ контроля давления наддува. Геометрические параметры турбины выбирают таким образом, чтобы обеспечить характеристику крутящего момента на низких оборотах, необходимую для достижения заданных динамических показателей автомобиля. При такой конструкции ТК уже незадолго до достижения максимального крутящего момента на турбину начинает поступать избыточное количество отработавших газов. Таким образом, как только номинальное давление наддува достигнуто, избыток отработавших газов направляется по байпасному каналу в обход турбинного колеса. Клапан «вейстгейт», который открывает и закрывает байпас, обычно приводится в действие пневматической камерой с подпружиненной диафрагмой, реагирующей на давление наддува. Так по мере дальнейшего увеличения оборотов двигателя давление наддува остается на неизменном уровне.
В этом, очень экономичном, решении на диафрагму камеры управления, предварительно нагруженную спиральной пружиной, воздействует давление наддува. Как только давление наддува преодолеет силу предварительного сжатия пружины, шток через рычаг открывает тарелку байпасного клапана и ОГ начинают перетекать вокруг турбины в систему выпуска.
В современных бензиновых и дизельных двигателях все чаще применяются электронно управляемые системы контроля наддувочного давления. В сравнении с чисто пневматическим регулированием, которое действует только как ограничитель давления на полной нагрузке, гибкое управление позволяет устанавливать оптимальное давление наддува в режимах частичной нагрузки. Электронное регулирование работает в соответствии с различными параметрами, такими как температура наддувочного воздуха, качество топлива и параметры опережения впрыска (зажигания). Также становится возможным кратковременный «перенаддув» при интенсивном ускорении.
Механический привод байпасной заслонки действует так же как и в описанном выше случае. Вместо полного давления наддува на диафрагму камеры управления подается модулированное управляющее давление. Оно меньше полного давления наддува и вырабатывается так называемым пропорциональным клапаном. Этим достигается то, что на диафрагму воздействует комбинация давления наддува и давления на выходе из компрессора в изменяющейся пропорции. Пропорциональный клапан управляется электроникой двигателя и срабатывает с частотой от 10 до 15 Гц. В сравнение с обычной системой управления усилие предварительного сжатия пружины существенно ниже, что позволяет осуществлять регулирование также и на режимах частичной нагрузки, то есть, при меньшем давлении наддува.
В электронных системах управления турбокомпрессоров дизельных двигателей пневмокамеры регулируются вакуумом.
Турбины с изменяемой геометрией
Байпасные системы регулирования управляют мощностью турбины, направляя часть отработавших газов (ОГ) в обход нее. Таким образом, «дармовая» энергия газов используется не полностью. Турбины с изменяемой геометрией позволяют варьировать сечение проточной части турбины в зависимости от режима работы двигателя. Это дает возможность полностью утилизировать энергию ОГ, оптимизируя конфигурацию канала, по которому ОГ попадают на турбинное колесо, для данного режима двигателя. Как результат, эффективность турбокомпрессора (ТК) и, соответственно, двигателя выше тех, что удается достичь при байпасном регулировании.
Сегодня турбины с РСА в виде подвижных направляющих лопаток (VNT, VTG, VGT) – самое передовое решение для современных легковых дизельных автомобилей. В результате непрерывной адаптации проходного сечения турбинного канала к рабочему режиму двигателя сокращаются потребление топлива и вредные выбросы. Высокий крутящий момент уже на низких оборотах и адекватная стратегия управления обеспечивают существенное улучшение динамических характеристик.
Подвижные направляющие лопатки между корпусом улитки и турбинным колесом влияют на протекание процесса восстановления давления и, таким образом, на выходные характеристики турбины. Это позволяет варьировать поток газов через турбину в диапазоне 1:3 при хороших уровнях эффективности. На низких оборотах сечение проточной части турбины уменьшается путем закрытия направляющих лопаток. Давление наддува и, следовательно, крутящий момент двигателя возрастают как результат увеличения перепада давления на входе и выходе из турбины. С повышением оборотов двигателя управляемые лопатки постепенно открываются. Требуемое давление наддува достигается при низком перепаде давления на турбине — так достигается сокращение расхода топлива. При ускорении машины с низкой скорости (оборотов двигателя) управляемые лопатки закрываются для получения максимальной энергии от ОГ. По мере увеличения скорости лопатки открываются и адаптируются к соответствующему рабочему режиму.
В настоящее время управление лопатками преимущественно электронное, с помощью вакуумно-регулируемой камеры управления и пропорционального клапана. В будущем все чаще будут применяться электрические приводы с положительной обратной связью, позволяющие реализовать точное и чрезвычайно гибкое управление давлением наддува.
Температура ОГ современных высокоэффективных дизельных двигателей может достигать 830°С. Точная и надежная работа управляющих лопаток в потоке горячих газов предъявляет высокие требования к материалам и точности допусков в конструкции турбины. Независимо от типоразмера турбокомпрессора направляющие лопатки должны иметь минимальные зазоры для обеспечения надежной работы в течение всего срока службы автомобиля. С уменьшением размера ТК относительные потери потока через турбину возрастают и ее эффективность падает. Поэтому цель многих разработок – отодвинуть эти ограничения области применения технологии VTG как можно дальше в сторону ТК малых размеров.
Альтернативное решение – турбины с регулирующим механизмом в виде подвижного (скользящего) кольца (VST-variable sliding turbine). Простота конструкции и исполнение многих функций небольшим количеством компонентов – преимущества для маленьких турбин или там, где требуется работа в условиях высоких температур ОГ. Это особенно применимо в компактных дизельных двигателях с рабочим объемом менее 1,4 л. Преимущества – высокая эффективность, низкая цена и сокращение установочных размеров. Для бензиновых моторов с высокой температурой ОГ технология VST – надежная возможность управления давлением наддува путем изменения геометрии проточной части турбины.
Прочный механизм VST противостоит высоким температурам ОГ значительно лучше, чем VTG с направляющими лопатками. Байпас, который для бензиновых двигателей необходим даже в ТК с изменяемой геометрией из-за большого диапазона изменения расхода, интегрирован в механизм управления.
Корпус турбины аналогичен турбинам с двойной улиткой (с двухканальным направляющим аппаратом). Перегородка, разделяющая каналы, не выходит на впускной фланец, а начинается внутри улитки. На низких оборотах двигателя открыт только один канал. Второй канал, который закрыт скользящим кольцом, постепенно открывается по мере увеличения оборотов. Затем скользящее кольцо приоткрывает и байпасный канал, ведущий от входа в турбину по внешнему контуру скользящего кольца к выходу из турбины. Это дополнительно увеличивает расход газов через турбину. Для регулирования сечения проточной части и открытия байпасного канала требуется всего один управляющий механизм. Могут быть использованы как пневматический, так и электронный приводы.
Узел подшипников
Ротор турбокомпрессора (ТК) вращается с частотой до 300 000 мин -1. Срок службы ТК должен соответствовать ресурсу двигателя, который может составлять 1 000 000 км пробега для коммерческого автомобиля. Только специально разработанные для ТК подшипники скольжения могут соответствовать таким жестким требованиям при приемлемой стоимости.
Опорные подшипники
В подшипнике скольжения вал вращается практически без трения на масляной пленке внутри втулки подшипника.
Масло подается в турбокомпрессор (ТК) от системы смазки двигателя. Подшипниковый узел спроектирован так, что между неподвижным корпусом и вращающимся валом расположены «плавающие» бронзовые подшипниковые втулки. Они вращаются с частотой, вдвое меньшей частоты вращения вала. Это позволяет высокоскоростным подшипникам адаптироваться таким образом, что на любых режимах работы ТК нет прямого контакта «металл-металл» между валом и подшипниками.
Кроме функции смазки масляная пленка в зазорах подшипника играет роль демпфера, который способствует стабилизации вала и турбинного колеса. Гидродинамическая несущая способность пленки и демпфирующие характеристики подшипника оптимизируются величиной зазоров. Таким образом, толщина смазывающей пленки для внутренних зазоров выбирается исходя из нагрузки на подшипник, в то время как толщина внешних зазоров определяется с учетом демпфирования подшипника. Зазоры в подшипниках составляют несколько сотых долей миллиметра. Увеличение зазоров приведет к более мягкому демпфированию и, одновременно, к снижению несущей способности подшипника.
Так называемый патрон — специальный вид опорного подшипника скольжения. Вал вращается в неподвижной целиковой втулке, снаружи которой прокачивается масло. Внешний зазор выбирается исключительно из условия демпфирования подшипника, так как патрон не проворачивается. Вытекающая из этого меньшая ширина подшипника позволяет создать более компактный ТК.
Упорный подшипник
Ни один из рассмотренных типов опорных подшипников, ни свободно плавающие втулки, ни фиксированный плавающий патрон, не воспринимают нагрузки в осевом направлении. Поскольку газы воздействуют на компрессорное и турбинное колеса в осевом направлении с разной силой, ротор турбокомпрессора (ТК) испытывает осевую нагрузку. Она воспринимается упорным подшипником скольжения с конической плоскостью (рабочей поверхностью). Два маленьких диска, закрепленных на валу, служат контактными поверхностями. Упорный подшипник фиксируется в центральном корпусе подшипников. Маслоотражающая пластина предотвращает попадание масла в зону уплотнения вала.
Слив масла
Масло подается в турбокомпрессор (ТК) при давлении примерно 4 бар. Поскольку масло сливается из турбины при меньшем давлении (самотеком), диаметр трубки для слива значительно больше, чем маслоподающей трубки. Проток масла через корпус подшипников должен быть по возможности вертикальным, сверху вниз. Сливная трубка должна выходить в картер выше уровня масла. Любое препятствие на пути слива масла оборачивается увеличением противодавления в корпусе подшипников. В этом случае масло начинает просачиваться сквозь уплотнительные кольца в компрессор и турбину.
Уплотнения
Центральный корпус подшипников должен быть уплотнен от прорыва в него горячих отработавших газов из турбины и от утечек масла из корпуса. Для этого в канавки на валу ротора, со стороны компрессора и турбины установлены разрезные кольца, аналогичные поршневым. Кольца не вращаются, а неподвижно расклинены в центральном корпусе. Это бесконтактное уплотнение, один из видов лабиринтного уплотнения. Благодаря многочисленным резким изменениям направления движения потока оно затрудняет утечку масла и пропускает в картер лишь небольшое количество отработавших газов.
Тепловая нагрузка на подшипники
Учитывая небольшое расстояние между центральным корпусом и горячим корпусом турбины, тепло может проникать в центральный корпус и нагревать масло до температуры коксования. Тогда масляный кокс мог бы осаждаться в зазорах и на поверхностях, засорять масляные каналы и нарушать работу подшипников и уплотнений. Большое количество углеводородных отложений может вызвать дефицит смазки и граничное трение, приводящие к ускоренному износу системы подшипников.
Тепловой экран и охлаждение разбрызгиванием масла<
Тепловой экран, расположенный позади опорного диска турбинного колеса, предотвращает контакт горячих отработавших газов с центральным корпусом. В некоторых конструкциях при работе двигателя масло распыляется на вал ротора через маленькое распылительное отверстие в опоре подшипника с турбинной стороны, охлаждая вал и уменьшая риск коксования.
Наивысшие температуры в центральном корпусе достигаются вскоре после останова двигателя. Горячий турбинный корпус нагревает систему подшипников, которая больше не охлаждается моторным маслом.
Термическая развязка
В расчете на термическую развязку правой подшипниковой опоры передача тепла от корпуса турбины к системе подшипников сокращается даже после того как двигатель был заглушен. Для этого систему подшипников располагают ниже точки подачи масла, так же как силовой агрегат размещают под крылом самолета. Правая подшипниковая опора больше не контактирует с горячей стенкой центрального корпуса, значит, передача тепла к системе подшипников ограничивается.
Водяное охлаждение
Бензиновые двигатели, у которых температура отработавших газов на 200-300°С выше чем у дизелей, обычно оснащаются турбокомпрессорами с охлаждаемыми центральными корпусами. При работе двигателя центральный корпус интегрируется в его контур охлаждения. После выключения двигателя остаточное тепло снимается посредством малого кольца циркуляции, которое задействуется электрическим насосом с термостатом.
Рециркуляционный клапан
В бензиновых турбодвигателях дроссельная заслонка, которая управляет нагрузкой двигателя, располагается после компрессора, во впускном коллекторе. В момент внезапного сброса газа заслонка закрывается, а компрессор из-за своей инерционности продолжает нагнетать воздух в почти замкнутый объем. Вследствие этого начался бы помпаж компрессора. Частота вращения турбокомпрессора (ТК) быстро упала бы.
Начиная с определенного давления, открывается подпружиненный клапан и направляет воздух обратно на вход в компрессор, ограничивая рост давления и исключая помпаж. Частота вращения ТК остается высокой, и давление наддува появится, как только будет задействован акселератор.
turbomaster.ru