Устройство и принцип работы турбокомпрессора - МТЗ Петров

Турбокомпрессор двигателя виды, устройство и принцип работы

Турбокомпрессор (турбина) – механизм, применяемый в автомобилях для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. При этом привод турбины осуществляется исключительно за счет действия отработавших газов (выхлопа). Применение турбокомпрессора позволяет существенно увеличить мощность двигателя (примерно на 40%), сохраняя компактными его габаритные размеры и низкий уровень расхода топлива.

  1. Конструкция и принцип работы турбины
  2. Особенности эксплуатации турбин
  3. Виды и срок службы турбокомпрессоров

Конструкция и принцип работы турбины

Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:

  1. Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
  2. Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
  3. Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
  4. Вал турбины (ось) – соединяет турбинное и компрессорное колеса.
  5. Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
  6. Перепускной клапан – предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.

Принцип работы турбокомпрессора

Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:

  • Отработавшие газы направляются в корпус турбокомпрессора, где воздействуют на лопатки турбинного колеса.
  • Колесо турбины начинает вращаться и разгоняться. Скорость вращения турбины при высоких оборотах может достигать до 250 000 оборотов в минуту.
  • Пройдя через колесо турбины, отработавшие газы отводятся в систему выпуска.
  • Компрессорное колесо синхронно вращается (поскольку находится на одном валу с турбинным) и направляет поток сжатого воздуха в интеркулер и далее во впускной коллектор двигателя.

Особенности эксплуатации турбин

В сравнении с механическим нагнетателем, работающим от привода коленчатого вала, достоинствами турбины является то, что она не отнимает мощность у двигателя, а использует энергию побочных продуктов его работы. Она дешевле в изготовлении и экономичнее в эксплуатации.

Хотя технически устройство турбины дизельного двигателя практически не отличается от систем для бензиновых моторов, на дизеле она встречается чаще. Основная особенность заключается в режимах работы. Так для дизеля могут применяться менее жаропрочные материалы, поскольку температура отработавших газов в среднем составляет от 700 °С в дизельных двигателях и от 1000°С в бензиновых моторах. Это значит, что устанавливать дизельную турбину на бензиновый двигатель нельзя.

С другой стороны, для этих систем характерны и разные уровни давления наддува. При этом стоит учитывать, что производительность турбины зависит от ее геометрических размеров. Давление нагнетаемого в цилиндры воздуха складывается из двух частей: 1 атмосфера давления окружающей среды плюс избыточное, создаваемое турбокомпрессором. Оно может варьироваться от 0,4 до 2,2 и более атмосфер. Если учесть, что принцип работы турбины на дизельном двигателе предусматривает поступление большего объема выхлопных газов, конструкция для бензинового мотора также не может устанавливаться на дизелях.

Виды и срок службы турбокомпрессоров

Основным недостатком работы турбины является возникающий на малых оборотах двигателя эффект “турбоямы”. Он представляет собой временную задержку отклика системы на изменение оборотов двигателя. Для устранения этого недостатка разработаны различные виды турбокомпрессоров:

  • Система twin-scroll, или раздельный турбокомпрессор. Конструкция имеет два канала, которые разделяют камеру турбины и, соответственно, поток отработавших газов. Это обеспечивает более быстрое реагирование, максимальную производительность турбины, а также предотвращает перекрытие выпускных каналов.
  • Турбина с изменяемой геометрией (с переменным соплом). Такая конструкция чаще используется на дизеле. Она предусматривает изменение сечения входа в колесо турбины за счет подвижности ее лопастей. Смена угла поворота позволяет регулировать поток отработавших газов, благодаря чему происходит согласование скорости отработавших газов и рабочих оборотов двигателя. На бензиновом двигателе турбина с изменяемой геометрией часто устанавливается на спортивных автомобилях.
Читайте также:  Отзыв о Hyundai Genesis Coupe 2

К минусам турбокомпрессоров можно отнести и небольшой срок службы турбины. Для бензиновых двигателей он в среднем составляет 150 000 километров пробега машины. В свою очередь, ресурс турбины дизельного двигателя несколько больше и в среднем достигает 250 000 километров. При постоянной езде на высоких оборотах, а также при неправильном подборе масла сроки эксплуатации могут сократиться в два или даже в три раза.

В зависимости от того, как работает турбина, на бензиновом или дизельном двигателе, можно судить о ее исправности. Сигналом о необходимости проверки узла является появление синего или черного дыма, снижение мощности двигателя, а также появление свиста и скрежета. Для профилактики неисправностей необходимо вовремя менять масло, воздушные фильтры и регулярно проходить техобслуживание.

Турбонагнетатель

Турбонагнетатель — это устройство на нагнетания воздуха под определенным давлением, то есть, простыми словами, это компрессор. Отличие от принципа действия обычных компрессоров в том, что принцип действия основан за счет применения отработанных газов, а не приводным ремнем от коленчатого вала.

Работа турбонагнетателя

Устройство турбонагнетателя позволяет работать ему по такому принципу действия — выхлопные газы при попадании в турбину, начинают вращать ротор. На роторе жестко сидят рабочие колеса центробежного компрессора, которые вращаются с той же угловой скоростью, что и сам ротор.

Частота вращения вала и рабочих колес турбонагнетателя может быть довольно высокой и доходить до 150 000 оборотов в минуту.

Много турбонагнетателей имеют возможность менять геометрию турбины с помощью специального механизма. В конструкции этого устройства есть дополнительное кольцо с направляющими лопатками, которыми можно управлять. Они могут поддерживать поток отработанных выхлопных газов не только постоянным, но и изменять этот поток.При низких оборотах работы турбокомпрессора, при малом потоке поперечное сечение турбины уменьшается и за счет этого увеличивается скорость подачи поступающих на колесо газов. Что ведет, соответственно, к увеличению мощности.

При высоких оборотах работы поперечное сечение турбины больше, лопасти полностью открывают подачу газов. Пропускная способность движения газов больше.

Что такое РДТ? Это регулятор давления топлива, который создает нужное давление топлива на форсунки. При его неисправностях, двигатель получает топливо в беспорядочном объеме.

Такая способность регулировки площади сечения турбины позволяет уменьшать расход топлива и минимизировать вредных выхлопные выбросы. Турбонагнетатель с возможностью самостоятельно изменять геометрию турбины, повышает эффективность работы устройства как на высоких, так и на низких оборотах.

Устройство турбонагнетателя

Турбонагнетатель состоит из:

  • турбины;
  • компрессора.

Турбина состоит из:

  • рабочего колеса (1);
  • корпуса (2).

Корпус служит для направления потока движения отработавших газов (3) на рабочее колесо турбины. Отработанные газы служат приводом для рабочего колеса. Поток газов вращает рабочее колесо и выводится через зону вывода отработанных газов.

Компрессор состоит из:

  • рабочего колеса (5);
  • корпуса (6).

Принцип действия компрессора обратно противоположный принципу работы турбины. Кованый стальной вал, на котором жестко закреплено рабочее колесо, соединяется с турбиной. Рабочее колесо, при вращении турбины на высоких оборотах захватывает и сжимает воздух. Далее происходит такое явление — диффузия. То есть, поток воздуха в корпусе компрессора, который имеет низкое давление и высокую скорость преобразуется в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью движения. Далее, сжатый воздух (8) направляется в мотор, это обеспечивает сжигание большего количества топлива (чтобы топливо сгорало полностью) и увеличивает мощность ДВС авто.

  1. Рабочее колесу турбины.
  2. Корпус турбины.
  3. Выхлопные отработанные газы.
  4. Зона отведения выхлопных газов.
  5. Рабочее колесо компрессора.
  6. Корпус компрессора.
  7. Вал стальной кованый.
  8. Сжатый воздух.

Турбонагнетатели: плюсы и минусы

Принцип действия обычных компрессоров, которые приводятся в движение ременной или кривошипно-шатунной передачей в том, что устройство и принцип действия таких устройств потребляют энергию двигателя. На двигатель создается дополнительная нагрузка.

Читайте также:  Почему нужна замена термостата двигателя

Турбонагнетатели используют дармовую энергию. Такой принцип действия почти идеальный, так как отработанные газы попросту выбрасываются, а здесь они еще служат приводом ротора и сидящих на нем колес.

Турбонаддув может получить развивать мощность до 300 лс с одного литра объема.
Двигатель с установленным турбонагнетателем (турбонаддувом) может развивать мощность на 40% больше, чем ДВС без него. К тому же, турбированные движки намного экономичнее. У ДВС без турбонагнетателя низкий КПД из-за потери на трение и низкой тепловой эффективности.

Соответственно, при увеличении объема двигателя без турбированного наддува, коэффициент полезного действия еще ниже. Турбированные моторы с малым объемом эффективнее ДВС с большим объемом.

Недостатки турбонагнетателей

При эксплуатации этого устройства появляется, так называемый, эффект турбоямы. Так привод осуществляется без механического соединения с валом двигателя, а за счет физического воздействия газов, то иногда появляется несоответствие в работе турбонаддвува и самого двигателя. То есть, мощность, которую задает водитель нажатием на педаль газа не соответствует мощности компрессора. Такие проблемы в работе составных устройств мотора можно выявить, если делать диагностику авто через ноутбук.

У турбонагнетателей есть еще такие недостатки, которые присущи обычным компрессорам. Чтобы их работа была максимально эффективной, они должны вращаться на максимальной скорости. К тому же, при таком режиме работы температура некоторых деталей доходит до 1000 С, также есть сложность в смазке и отведении тепла.
Высокие температуры уменьшают качество смазки и создают очень горячий поток входящего воздуха. Охлаждение нагнетаемого воздуха — острый вопрос.
Для обеспечения эффективного охлаждения подбирается интеркулер с особой тщательностью по данным режима работы устройства.

В конструкции устройства турбонагнетателя, как и любом другом нагнетающем устройстве, должен быть вмонтирован спускной клапан (стравливающий избыточное давление). С турбиной немного сложнее. В турбине, помимо, отслеживания избыточного давления наддува нужно еще перепускать отработанные газы, чтобы обеспечить снижения излишнего давления во впускном коллекторе для исключения образования чрезмерно высокой скорости вращения ротора при больших оборотах ДВС.

Для увеличения ресурса эксплуатации турбонаддува, турбине надо дать остыть на холостом режиме работы мотора после работы на очень высоких оборотах. Достаточно дать поработать на холостых оборотах несколько минут, затем мотор можно заглушить.

Для удобства водителям, создан специальный турботаймер. Турботаймер — электронное устройство, которое после выключения замка зажигания, позволяет мотору еще некоторое время работать, чтобы эксплуатировать турбонагнетатель в щадящем режиме и не сломать его. Его можно запрограммировать на определенное время или сделать, чтобы работал в зависимости от температуры нагрева двигателя.
Если турботаймера нет, то водителю надо самостоятельно ждать несколько минут на холостом ходу и не глушить мотор сразу.

Механический нагнетатель или турбонагнетатель: что лучше?

Двигатели с турбонагнетателями выпускаются в массовом производстве, благодаря чему цены на них снижаются. Самостоятельно устанавливать его в ДВС, тюнинговать — это достаточно сложное занятие, которое без специальных навыков трудно будет сделать своими руками.

Аналоги — центробежные механические нагнетатели имеют простую конструкцию и их легче эксплуатировать. Ателье по тюнингу авто, чип-тюнингу имеют готовые решение для некоторых двигателей — готовые комплекты турбонаддувов. Турбонаддувы пользуются спросом.

Видео

В этом видео подробно и понятно рассказывается об отличиях турбноганетателя от механического нагнетателя.

Как продлить срок службы турбокомпрессора:

Полезные советы об ошибках при эксплуатации ДВС с турбонагнетателями:

Чистое надувательство. Как работает турбокомпрессор

Компрессор — это всего лишь насос, подающий в цили­н­дры двигателя дополнительный воздух для лучшего сгорания смеси

Существуют два основных типа компрессоров — с механическим приводом и «турбо». В первой конструкции необходимое давление воздуха получают за счет механической связи между коленвалом двигателя и компрессором. А в турбокомпрессоре давление воздуха обеспечивается благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.
Наибольшего успеха в области создания приводных нагнетателей добилась американская компания Roots, созданная братьями Филандером и Френсисом Рутсами. Они запатентовали свой нагнетатель еще в 1860 году, а первым на свой бензиновый двигатель его установил Готлиб Даймлер в 1900 году. Однако в первые несколько десятилетий существования автомобиля, когда мощность моторов и скорость машин была сравнительно невысокой, необ­ходимости в компрессорах не было. Развитие этому направлению, как это часто бывает, дала война. Механические нагнетатели начали устанавливать на авиационных моторах, чтобы улучшить их скоростные характеристики. Полученный в ходе Первой мировой войны опыт использования приводных нагнетателей решили использовать в автомобилестроении.

Читайте также:  Предохранители ситроен с4 с подробных описанием всех блоков

Мировую известность компрессорам принесла компания Mercedes-Benz, которая начала устанавливать механические нагнетатели в конце 20-х годов сначала на гоночные, а начиная с 30-х — и на серийные машины. Успехи компрессорных машин привлекли к себе внимание автопроизводителей и за океаном. В 30-е годы компрессорные модели появились у таких американских компаний, как Auburn, Cord и Duesenberg, а среди европейских брендов помимо уже упомянутого Mercedes-Benz в этой области делали свои успехи Alfa Romeo, Bentley, Bugatti, Fiat, Lancia и ряд других компаний. В настоящее время наибольшее распространение получили роторные компрессоры типа Roots и винтовые Lysholm.

Но, как у любого механизма, у механических компрессоров есть свои недостатки. Поскольку на привод компрессора расходуется энергия двигателя, однажды наступает такой момент, когда мощность, которую дает компрессор, уравнивается с мощностью, которую мотор расходует на привод компрессора. Кроме того, системы механического наддува занимают много места, требуют наличия привода и сильно шумят.

Twin-turbo от AMG: турбины крепятся на выпускных коллекторах

Альтернативой механическому наддуву являются турбокомпрессоры.
В двигателе, оснащенном турбонаддувом, наполнение цилиндров воздухом осуществляется за счет энергии выхлопных газов. Турбокомпрессор состоит из насосного и турбинного колес, связанных при помощи оси между собой. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они давят на лопатки турбинного колеса, разгоняя его. Вращаясь, оно приводит во вращение насосное колесо, которое засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Частота вращения турбины не зависит напрямую от оборотов двигателя и имеет некоторую инерционность, то есть сначала растут обороты двигателя, увеличивается давление отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление на впуске. Это явление называется «турбоямой». Для устранения этой проблемы есть два конструктивно отличных решения. Первое — использование турбокомпрессора с изменяемой геометрией. В нем лопатки турбинного колеса поворачиваются под углом к набегающему потоку отработавших газов, чтобы максимально эффективно использовать их энергию. Но этот путь имеет и недостатки. Такое колесо сложнее и дороже в изготовлении и проектировании, кроме того, оно тяжелее, что увеличивает инерционность турбины, ведь, чтобы раскрутить более тяжелое колесо, требуется более высокое давление. Второй вариант — использование нескольких турбин.

В зависимости от того, каким образом в схеме подачи воздуха располагаются турбокомпрессоры, эти системы могут называться Twin-Turbo или Bi-Turbo. В первом случае воздух во все цилиндры одновременно могут подавать оба турбокомпрессора. Размещаются они в такой схеме параллельно или последовательно. Используемые турбокомпрессоры, как правило, имеют разный диаметр роторов турбины и, соответственно, различную производительность. Турбокомпрессоры с меньшими роторами менее инертны, поэтому обеспечивают наполнение цилиндров на малых оборотах двигателя. Турбина с большим диаметром роторов активно вступает в работу на средних оборотах и выше, когда давления отработавших газов в выпускном тракте оказывается достаточно для эффективной работы этого компрессора.

Bi-Turbo — это две турбины, каждая из которых обеспечивает заполнение воздухом разных цилиндров. Обычно такая схема применяется в многоцилиндровых V-образных моторах, где каждая турбина отвечает за свой ряд цилиндров.

Кроме того, в настоящее время ради повышения эффективности работы двигателей ведущие автопроизводители применяют сложные комбинированные схемы, объединяя достоинства механических и турбонагнетателей, а также использование нескольких систем наддува.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector