Турбина какая – Для чего нужна турбина в автомобиле и как она работает

Как правильно выбрать турбину для своего автомобиля

Мощность любого автомобильного движка можно увеличить благодаря установке турбины. Только этот элемент, увеличивая плотность поступающего в цилиндры воздушного потока, обеспечивает сжигание большего объема топлива. Каждый водитель знает, что от количества сжигаемого топлива напрямую зависит величина передаваемого на коленвал момента вращения.

Преимущество работающих с турбинами моторов заключается в наличии возможности значительно увеличить уровень давления. Турбины работают по следующему принципу. Этот элемент в себя включает две составляющие: саму турбину и компрессор. Посредством проходящего сквозь выхлопного газа начинает вращаться крыльчатка, кручение которой передается на компрессор. Задачей же приведенного в действие расположенного на компрессоре вентилятора является нагнетание воздушных потоков в цилиндровые камеры мотора.

Каждый знает, что давление будет расти с увеличением поступающего в движок воздушных потоков. Отметим, что нельзя в движке бесконечно увеличивать давление, иначе, к примеру, при переводе турбонагнетателя в режим работы под высокой нагрузкой из-за возникновения проблем, связанных с обратным давлением, лишним теплом и пульсацией на корпусной поверхности турбин появляются трещинки, сократиться рабочий ресурс подшипников, возникнуть масляная протечка и повредиться сам мотор. По этой причине давление нужно увеличивать в пределах нормы.

Как заменяют турбонагнетатели

В стандартных условиях в процессе замены турбонагнетателя выполняют установку компрессора высокопоточного типа и иногда турбинной крыльчатки с большими параметрами. Делается это с целью достижения эффекта обратных процессов, заключающихся в снижении силы действия выхлопов на работу, что приводит к снижению быстроты их работы и давления вначале вращения. Для пропуска большего объема выхлопов для турбин и компрессоров предусмотрен корпус с большими параметрами.

В некоторых машинах ставится рекомендованный предприятием-изготовителем турбонагнетатель, в котором с правильными размерами выходного и входного проходов. Зачастую автомобилисты отдают предпочтение «гибридным», вырабатывающих мощность, отличную от обеспечиваемой стандартными типами мощности. Иногда выполняют замену износившегося из-за повышения давления 180-градусные подшипники упорного типа на более устойчивые 360-градусные аналоги.

Для экономных водителей отличным вариантом замены турбонегнетателей является использование японских б/у запчастей, размеры и большой ассортимент которых предлагаются на любом авторынке. При этом турбину подбирают по объему и размерам движка.

Особенности турбонегнетателей

Турбонаддув стандартного типа. Современные элементы зачастую производятся с использованием керамики, имеющей по сравнению со сталью меньшую плотность, что способствует уменьшению инерции и скорому раскручиванию детали. Производство некоторых современных турбин выполняется с использованием никелевого сплава. Выполненные из керамики турбонагнетатели улучшают возможности мотора (по сравнению с никелевыми аналогами), но использование этого чувствительного к действиям проходящих через выпусковый коллектор вредных веществ приводит к ее скорому повреждению. В турбинах снижение трения и приращение выпусковой силы достигается посредством шариковых подшипников. К примеру, роллерная или шарикоподшипникового типа Garrett, крепящаяся на шести болтах, устанавливается многими знаменитыми компаниями при изготовлении машин.

Турбонагнетатели с раздвоенным выходом. В этом виде улучшенная отдача достигается посредством предусмотренных разработчиками раздельных путей, проходящих к турбине. Этот вид турбонагнетателя устанавливается многими компаниями при оказании тюнинговых услуг.

Установка перепускных клапанов. Посредством этого элемента некоторый объем выхлопов пускается в обход. Это дает возможность ограничить быстроту оборачиваемости и давления на выпусковом коллекторе. Они устанавливают с целью обеспечения проходящего через турбину ограниченного воздушного потока во избежание повреждения мотора. Внутренние клапаны устанавливают вместе с турбиной, внешние – в отдельности от нее.

Выбор

Перед покупкой турбонагнетателя нужно определиться с тем, до какой мощности автомобилист хочет разогнать свою машину, сколько он готов за это заплатить, сможет ли система выдержать дополнительную нагрузку.

Будет ли машина участвовать в гонках, или использоваться для повседневных задач? В зависимости от этого выбирается размер интеркулера и турбины. Отметим, что производительная работа также зависит от выбора трансмиссии.

При выборе нужно также учитывать:

1. Достигаемую при установке турбины мощность. Перед установкой следует реально оценить возможности машины. Сможет ли мотор и машина выдержать установленную нагрузку?
2. Движок какого типа стоит в машине? Различия в температурном режиме эксплуатации мотора являются причиной использования разных турбин. В машинах с бензиновыми агрегатами используются турбины, при изготовлении которых применялся более жаропрочный материал (по сравнению с материалом двигателей дизельного типа).
3. Какой объем мотора? Большую можно использовать в автомобилях с силовыми агрегатами, имеющими большой объем. В моторах с объемом большим 3 литров целесообразной является установка сдвоенной.

Заключение

Следует помнить, что правильно выбранная турбина способна улучшить работу машины и мощность силового агрегата. В то же время ошибочно выбранный турбонагнетатель может привести к полному краху всех автомобильной системы. По этой причине заказ турбины лучше проводить в надежном и проверенном магазине, где детали продаются не первый год и работают специалисты с опытом.

Правильный подбор устройства способствует как открытию новых возможностей автомобиля, так и обеспечению качественной работы мотора и всей автомобильной системы в целом.

Видео

Поделитесь с друзьями!

autoiwc.ru

Что такое турбокомпрессор — YourcmcWiki

Внимание: Статья написана довольно простым языком и не очень качественна.

Что же такое Турбина/турбокомпрессор?

Когда люди говорят о гоночных машинах или мощных спортивных авто, рано или поздо всплывает тема турбин (турбокомпрессоры также устанавливают на больших дизельных моторах). Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного увеличения его размеров/веса, что является основным преимуществом которое сделало турбины столь популярными.

В данной главе вы узнаете о том как турбокомпрессор увеличивает отдачу двигателя, работая в экстремальных условиях. Также вы узнаете как вестгейты, керамические крыльчатки турбин и шарикоподшипники помогают турбокомпрессорам выполнять свою работу еще лучше. Турбокомпрессоры — тип усиленной впускной системы. Они сжимают воздух во впускном тракте. Преимущество сжатия воздуха в том что двигатель получает возможность «запихнуть» в камеру сгорания больший объем воздуха, а большему кол-ву воздуха нужен больший объем топлива. Таким образом мы получаем больше мощности от каждого взрыва в каждом циллиндре. Турбированный двигатель производит больше мощности по сравнению с таким же НЕ турбированным двигателем. Турбина может значительно улучшить соотношение мощность/вес для вашего двигателя.

Для раскрутки/буста турбина использует поток выхлопных газов которые вращают крыльчатку турбины, которая в свою очередь соединена(находится на том же валу) с крыльчаткой аэро компрессора. Скорость вращения турбины может достигать 150000 об./мин что почти в 30 раз быстрее скорости вращения самого двигателя. Естественно что при таких условиях работы, температура турбины тоже очень высока.

Основы

Одним из верных способов увеличения мощности двигателя является увеличение объема газо-бензиновой смеси которое он может сжечь. Этого можно достичь увеличив кол-во циллиндров, или сделать имеющиеся циллиндры больше. Иногда подобные изменения могут не дать должного эффекта, в отличие от турбины, которая является более простым, компактным решением для увеличения мощности, особенно если речь идет о производителях тюнинговых решений.

Турбины позволяют двигателю сжигать большее кол-во газо-топливной смеси путем большего нагнетания ее в имеющуюся камеру сгорания. По сравнению с обычным двигателем, турбина может нагнетать до 50% больше газотопливной смеси в камеру сгорания. Установкой турбины можно достичь 40-го % прироста мощности двигателя. Справедливо ожидать 50-ти процентного прироста мощности, но все не так замечательно, и вот почему. Установка турбины накладывает определенные ограничения на выпускную систему, тк выхлопные газы проходят через крыльчатку турбины, тем самым увеличивается сопростивление потоку выхлопных газов, что в свою очередь отнимает часть КПД от взрывов в циллиндрах которые происходят одновременно.

Турбокомпрессор и двигатель

Турбокомпрессор устанавливается на выпускном коллекторе. Выхлопные газы раскручивают крыльчатку турбины которая работает по принципу газотурбинных двигателей. Вал турбины соединен с валом воздушного компрессора который схематически находится между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания двигателя.

Поток выхлопных газов проходящих сквозь крыльчатку турбины, разгоняет ее. Чем больше давление выхлопных газов оказываемое на крыльчатку турбины, тем быстрее она раскручивается.

На другом конце вала турбины установлен воздушный компрессор который нагнетает воздух в камеру сгорания. Компрессор работает по принципу центрифуги — он раскручивает воздух от центра к краям крыльчатки по ходу вращения.

Т.к. вал турбины раскручивается до огромных скоростей (150тыс об./мин.), необходимо обеспечить его надежную поддержку/закрепление. Большая часть подшипников взорвалась бы на таких скоростях, по этому в большей части турбокомпрессоров используется жидкий подшипник (маслянный клин). Данный тип подшипника поддерживает вал на тонком слое масла которое подается под давлением вокруг него (между валом и стенкой подшипника).

Это делается по 2-м причинам:

• Масло охлаждает вал и прилегающие части турбокомпрессора.
• Этот метод позволяет избежать большой силы трения между валом и стенками подшипника турбокомпрессора.

Конструкция турбокомпрессора

Одной из главных проблем, связанных с использованием турбокомпрессоров является то, что они не могут моментально обеспечить

рабочее давление наддува (буст, boost), когда вы нажимаете на педаль акселератора. Проходит определенное время до того, как турбина разгонится и «выйдет на буст». Это явление называется лаг (задержка, lag), то есть мы ощущаем лаг когда давим на педаль акселератора, затем спустя определенное время (лаг) машина выстреливает вперед.

Для уменьшения турболага необходимо уменьшить силу инерции вращающихся частей, главным образом путем уменьшения их веса. Это позволит турбине и компрессору разгоняться быстрее, и раньше опеспечивать рабочее давление наддува. Одним из верных способов уменьшения силы инерции турбины и компрессора является уменьшение размера самого турбокомпрессора. Небольшой турбокомпрессор обеспечит рабочее давление наддува на низких оборотах двигателя значительно быстрее, но не сможет обеспечить нормальное давление наддува на высоких оборотах, когда двигателю необходим значительно больший объем воздуха. Также для небольших турбокомпрессоров существует опасность слишком быстрого вращения на высоких оборотах двигателя, когда слишком большой объем выхлопных газов проходит сквозь турбину.

Большие турбокомпрессоры могут обеспечить достаточное давление наддува на высоких оборотах двигателя, но им присущь больший турбо лаг тк их турбина и компрессор имеют больший вес и как следствие разгоняются дольше. К счастью, есть несколько способов побороть эту проблему. У большинства автомобильных турбокомпрессоров есть вестгейт, который позволяет использовать небольшие турбокомпрессоры для уменьшения лага, а также предотвращает их слишком быстрое вращение на высоких оборотах двигателя. Вестгейт (перепускной клапан, wastegate) — это клапан который позволяет проходить потоку выхлопных газов в обход крыльчатки турбины. Вестгейт распознает давление наддува. Если давление слишком высоко это может означать что турбина вращается слишком быстро, в этом случае вестгейт отводит(открывает клапан) часть потока выхлопных газов от крыльчатки турбины, что позволяет снизить скорость вращения турбины.

В строении некоторых турбокомпрессоров вместо жидких подшипников (масляного клина) используются шарикоподшипники. Но это не обычные подшипники — это супер точные подшипники созданные с использованием передовых технологий/материалов призванных допустить их использование на таких скоростях и температурах присущих турбокомпрессорам. Такие подшипники позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем в обычных жидких подшипниках. Также шарикоподшипники позволяют использовать меньший и более легкий основной вал, что тоже положительно сказывается скорости раскручивания вала, и уменьшении турбо лага.

Керамическая крыльчатка легче стальной, используемой в большинстве турбокомпрессоров. Это тоже позволяет турбине раскручиваться быстрее, что в свою очередь помогает уменьшить турбо лаг.

Компоненты турбокомпрессора

В строении некоторых турбосистем используются два турбокомпрессора. Меньший турбокомпрессор раскручивается до рабочего давления наддува значительно быстрее, уменьшает лаг, пока больший турбокомпрессор раскручивается и срабатывает на высоких оборотах обеспечивая большее давление наддува.

Когда воздух сжимается — он подогревается и расширяется. Собственно часть от общего увеличения давления турбокомпрессором — результат нагрева воздуха до его попадания в камеру сгорания. Для того чтобы увеличить мощность двигателя необходимо «впихнуть» в камеру сгорания как можно больше молекул воздуха, а не просто воздух под большим давлением.

Интеркулер способствует увеличению мощности двигателя путем охлаждения сжатого воздуха который поступает из компрессора, перед его попаданием в камеру сгорания. Это означает что турбокомпрессор способен обеспечить определенное давление наддува, а та же система с интеркулером способна обеспечить то же давление наддува, но уже охлажденного сжатого воздуха(в котором больше молекул чем в НЕ охлажденном воздухе).

Порог наддува (Boost threshold) — минимальные обороты двигателя при которых создается положительное давление наддува во впускном коллекторе, при максимальной нагрузке на двигатель.

Турболаг — время между «тапкавпол» и моментом, когда турбокомпрессор опеспечивает рабочее давление наддува.

Какая турбина САМАЯ лучшая?

Нет лучшей турбины. Как правило все тюнинговые турбины делятся на несколько классов:

• Турбины позволяющие немного увеличить мощность двигателя.
• Турбины позволяющие значительно увеличить мощность двигателя.
• Быстро раскручивающиеся турбины.

Что необходимо заменить для установки тюнинговой турбины? Как правило, для установки тюнинговой турбины необходимо заменить топливный насос, форсунки, и программу управления двигателем.(отсебятина: и, как мне кажется — выхлопную систему)

Существует ли какой-нить метод доработки турбины, который не потребует других доработок?

Существует. К стоковой турбине можно применить процедуру port&polish(шлифовка и полировка внутренней поверхности улиток турбокомпрессора). Также на короткое время можно установить бустконтроллер, но по большому счет установка бустконтроллера — глупая затея.

Какая турбина лучше всего подходит для небольшого увеличения мощности двигателя? Наиболее широко применяемые турбины для этих целей: VF30/VF34 и 16G.

Какая турбина лучшая в классе «быстрораскручивающихся» турбин? Наиболее широко применяемые турбины для этих целей: стоковые турбины с отшлифованными и полированными внутренними поверхностями улиток.

Выбираем турбину

Для того чтобы сделать правильный выбор, сначала необходимо определить какой именно ТИП турбин больше всего подходит для ваших нужд. По этому мы обсудим самые распространенные типы турбин. Собственно, здесь представлена базовая информация, не стоит использовать ее как ОСНОВНОЙ источник информации для выбора турбины, т.к. существует еще куча факторов влияющих на подобный выбор. Для более верного выбора проконсультируйтесь с продавцом турбин, или мастерами тюнинга (в таких конторах как Плеяда, или Альпина).

Обычная турбина

Обычная турбина — в сущности насос, который «запихивает» воздух под давлением во впускную систему двигателя, в результате наддув сжатого воздуха поздоляет увеличить мощность двигателя, к чему, как правило мы и стремимся. Но не стоит забывать что больше мощности даст больше тепла, и внутренние компоненты двигателя должны соответствовать уровню тюнинга. Замена стоковой турбины на большую — самый простой, быстрый, дешевый и правильный метод. Обычно для подобных замен на турбовых версиях субар используют следующие турбины: VF-30/34/22 и 16/18/20G. Подобный тюнинг еще называют Bolt-on.

Твинскрольная турбина

Твинскролловая турбина может быть установлена только с равнодлинным выпускным коллектором. Это обусловлено внутренним устройством данной турбины, а также требованием чтобы давление потока выхлопных газов на крыльчатку турбины было всегда одинаковым, что позволит твинскролловой турбине раскручиваться быстрее по сравнению с обычной турбиной такого же размера. Данное требование(установка равнодлинного выпускного коллектора) является обязательным к исполнению, не позволяйте сбить вас столку недобросовестной рекламой твинскролловых турбин. Если сравнить твинскролловую турбину в характеристике которой указано 500 CFM(Кубических футов в минуту — это характеристика воздушного потока прогоняемого в единиху времени конкретным воздушным компрессором), и обычную турбину в характеристике которой указаны те же 500CFM, твинскролловая турбина раньше обеспечит рабочее давление наддува. Ну и собственно если вы выбрали 2-е подходящие по размерам турбины, одна из которых твинскролловая, другая обычная — твинскролл будет лучшим выбором если вы готовы смириться со значительными затратами на выхлопную систему, и предпочитаете турбину которая раскручивается быстрее обычной.

В отличие от установки обычной более производительной/большей турбины — твинскролл требует больше затрат. В основном из-за необходимости использования равнодлинного выпускного коллектора, ап-пайпа другой конструкции, и возможно другого картера(тк в равнодлинном коллекторе трубы идущие от правой половины двигателя — длиннее, и если оставить стандартный картер — коллектор просто не встанет) и маслоуловителя. Куирт Крафорд из «Crawford Performance» недавно провел эксперимент, на Легасе с твинскролловой турбиной GT32. Он заменил равнодлинный коллектор на обычный, а также доработанный ап-пайп на стоковый, и замерил результаты. По ошушениям и на основе полученных результатов он обнаружил ухудшение отклика турбины на 750 об/мин, то есть увеличился лаг. Это должно послужить уроком для всех, кто считает, что установка твинскролловой турбины возможна и без лишних затрат на выпускную систему.

Еще одной важной особенностью установки твинскролловых турбин (и, соответственно, равнодлинного коллектора) является изменение звука выхлопа. Равнодлинный коллектор сильно меняет звук выхлопа, убирая столь популярное урчание оппозитного двигателя. Для яростных поклонников родного звука субаровского мотора — только это может сыграть не в пользу установки твинскролла.

Источник

yourcmc.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

Выбор турбины и расчёт производительности.

Выбор турбины.

Размер колеса компрессии и выбор ротора турбины для проекта, значительно влияет на степень успеха, который будет иметь система. Это никоим образом не значит, что вал турбины и колесо компрессии только этого размера будут работать при заданных условиях. Компромиссы между задержкой, порогом наддува, тепловыделением, моментом на низких оборотах и мощностью — это переменные оптимизационной модели в процессе определения соответствия турбонагнетателя предъявляемым требованиям. Эти требования могут быть уточнены путем внесения в список обязательных рабочих характеристик для данного транспортного средства.

Классический турбонагнетатель.

Цели могут быть различны в случаях автомобилей для повседневного использования, автомобилей с рекордной максимальной скоростью, автомобилей для дрэг-рейсинга, уличных супер-каров, настоящих гоночных автомобилей, и даже для транспортных средств, называемых пикапами. Определяющими критериями будут параметры вроде желательного порога наддува, пика момента и расчетной мощности. Транспортные средства с высокой максимальной скоростью требуют больших турбин, уличные автомобили более требовательны к моменту на средних оборотах, а низкоскоростные утилитарные транспортные средства нуждаются в небольших турбинах. Как выбрать подходящий турбонагнетатель в каждом конкретном случае и какие нюансы наиболее важны, мы обсудим в этой статье.
Чтобы пояснить, насколько могут различаться турбонагнетатели различного назначения, сравним эти устройства на Nissan 300ZX и на Porsche 911. Эти два автомобиля имеют сходные размеры, вес и рабочий объем двигателя, и все же их турбины существенно различаются. По размеру турбонагнетателя Porsche достаточно легко заметить, что конструкторы Porsche точно знали, что они хотели. Они установили большой турбонагнетатель на 911 по трем основным причинам:

• при работе на максимальной нагрузке большой компрессор меньше нагревает сжимаемый воздух
• большая турбина создает меньшее противодавление в выпускном коллекторе, также сокращая тепловую нагрузку
• разработчики хотели получить мощный автомобиль

Конструкторы Nissan, с другой стороны, имея намного более благоприятный с точки зрения тепловыделения двигатель с водяным охлаждением, были свободнее в выборе турбонагнетателя для почти немедленной реакции прямо с холостых оборотов. Этот небольшой турбонагнетатель дает быструю реакцию наддува в обмен на крайне высокое противодавление на выпуске и высокую температуру воздуха на впуске. Nissan, очевидно, не стремился получить серьезную мощность, поскольку они не посчитали необходимым установить какой-нибудь интеркулер для снижения этой высокой температуры. Их целью, кажется, был автомобиль, нацеленный на разгон от 0 до 60 км/ч. Конечно, они были нацелены на совершенно не такого покупателя, каким является клиент Porsche. Хотя Porsche был объявлен всеми его дорожными испытателями ярчайшим примером конструкции с высоко инерционным турбонагнетателем, этот путь был выбран из-за меньшего нагрева. Небольшие турбонагнетатели не могли быть использованы на 911 вследствие тепловых ограничений двигателя с воздушным охлаждением, и, конечно, из-за того, что целью была серьезная мощность. Porsche, тем не менее, вполне можно назвать примером замечательно выполненной работы. Nissan же выступает в качестве примера продажи большого количества автомобилей большому количеству людей.

Базовые руководящие принципы

Влияние размеров колеса компрессора и ротора турбины на характеристики системы, будет целиком следовать этим руководящим принципам:

Колесо компрессора

Колесо компрессора имеет определенную комбинацию расхода воздуха и давления наддува, при которой он является наиболее эффективным. Хитрость в выборе оптимального размера колеса компрессора состоит в том, чтобы расположить точку максимальной эффективности в наиболее используемом диапазоне оборотов двигателя. В процессе выявления наиболее полезного диапазона оборотов придется немного подумать. Не забывайте, что всегда, когда эффективность компрессора снижается, тепловыделение, производимое турбонагнетателем, увеличивается. Если был выбран такой размер турбонагнетателя, что максимальная эффективность приходится на первую треть диапазона оборотов двигателя, эффективность на максимальных оборотах и в близких к тому режимах будет настолько низкой, что температура воздуха на впуске будет просто обжигающей. В другом крайнем случае, если максимальная эффективность системы достигается ближе к предельным оборотам двигателя, температура на средних оборотах вполне способна выйти за разумные пределы. Нагнетатель такого размера был бы полезен только для двигателя, работающего на этих оборотах. Где-то в середине диапазона оборотов двигателя находится наилучшее место, чтобы расположить там точку максимальной эффективности компрессора.
Большие или малые размеры компрессора не оказывают критического влияния на инерционность турбонагнетателя или на порог наддува. Рабочее колесо компрессора — самая легкая вращающаяся часть турбонагнетателя, следовательно, его вклад в полную инерцию вращающегося ротора довольно низок. Порог наддува — главным образом функция скорости турбонагнетателя, которая управляется ротором турбины.

Когда точка максимальной эффективности находится на более высоких оборотах, это означает более низкую температуру воздуха в этом режиме. Более низкая температура даёт более плотный воздух, который облегчает пик момента на более высоких оборотах.

В конечном счете, реальная потребительская ценность выбранного оборудования будет зависеть не только от мощности, термодинамических коэффициентов или числа турбин. Скорее, это будет выражаться в том, каким образом Ваша машина ведет себя на дороге. Она в самом деле быстра, и ее скорость прекрасно Вами ощущается? Она действительно отзывчива на педаль и легко бежит? Она плавно и непринужденно разгоняется до максимальных оборотов? Она заставляет Вас улыбаться, когда никто вокруг не увидит вашей улыбки?
Начните с выбора нескольких кандидатов на роль Вашего турбокомпрессора, чьи степень повышения давления и расход воздуха, согласно их картам, находятся в требуемом диапазоне оборотов при значении эффективности не ниже 60 %. Когда Вы отсеете заведомо непригодные устройства и остановитесь на двух-трёх вариантах, необходимо будет произвести некоторые расчеты, чтобы выбрать между ними.

Ротор Турбины.

Задача ротора турбины — осуществлять привод колеса компрессора, при этом он должен раскручивать его до достаточных оборотов, чтобы он мог обеспечить требуемый расход воздуха при заданном давлении наддува. Небольшая турбина будет вращаться быстрее, чем большая при той же энергии выхлопных газов. Однако меньшая турбина является большим сужением на пути потока этих газов, что приводит к образованию обратного давления между турбиной и камерой сгорания. Обратное давление — нежелательный побочный эффект турбонагнетателя, и нужно иметь это в виду. В действительности, при выборе турбины нужно ориентироваться на обороты, достаточные для обеспечения желаемой реакции и давления наддува, воздерживаясь от минимизации обратного давления.

Выбор размера колеса компрессора.

Необходимо выработать в себе понимание требуемых степени повышения давления, расхода воздуха, его плотности и эффективности компрессора прежде, чем приступать к выбору колеса компрессора подходящего размера.

Зависимость относительной плотности от степени повышения давления. Плотность падает при увеличении температуры,
поэтому фактическая степень увеличения массы воздуха всегда меньше чем степень повышения давления.

Степень повышения давления

Степень повышения давления рассчитывается как полное абсолютное давление, произведенное турбокомпрессором, разделенное на атмосферное давление. Абсолютное давление означает давление выше ноля. Отсутствие давления это ноль, атмосферное абсолютное давление составляет 1 бар. 0,5 бара наддува создают 1,5 бара абсолютного давления, 0,8 бара наддува это 1,8 бара абсолютного давления и так далее. Таким образом, абсолютное давление — это показания манометра плюс 1 бар. Другими словами, степень повышения давления является значением произведенного давления относительно атмосферного.

Пример: Для наддува 0,5 бар:

В этом примере в двигатель с наддувом попадет приблизительно на 50 % больше воздуха , чем в двигатель без наддува.

Относительная плотность

В конечном счете, мощность, полученная от использования турбонаддува, зависит от числа молекул воздуха, упакованных в каждый кубический сантиметр объема. Это называется плотностью воздушного заряда. При прохождении через систему турбонаддува плотность немного изменяется. Когда воздушные молекулы принудительно «утрамбовываются» в нагнетателе до некоторой степени сжатия, плотность не увеличивается на то же самое значение, потому что при сжатии увеличивается температура, и воздух расширяется обратно в прямой зависимости оттого, насколько он нагрет. Хотя воздушный заряд после сжатия окажется более плотным, его плотность будет всегда меньше, чем степень повышения давления. Усилия разработчиков, направленные на использование эффективных турбокомпрессоров и промежуточных охладителей позволяют относительной плотности все ближе и ближе приблизиться к значению степени сжатия, но полное совпадение величин никогда не достигается.

Расход воздуха

Расход воздуха через двигатель обычно измеряется в кубических метрах воздуха в минуту при стандартном атмосферном давлении. Технически правильный, но реже используемый термин — килограммы в минуту. Мы будем использовать полуправильный термин «кубические метры в минуту».
Для вычисления расхода воздуха в двигателе без турбонагнетателя т.е. при отсутствии наддува:

Здесь расход воздуха выражается в м3, а объем в см3, 0,5 означает, что у четырехтактного двигателя воздух в цилиндр поступает только во время одного оброта из двух, Ev — объемная эффективность. Чисто 1000000 служит для конвертации кубических сантиметров в кубические метры.
Пример: Пусть объем двигателя = 2000 см3, частота вращения двигателя = 5500 мин-1, и Ev = 85 %.

Определив изначальный расход воздуха через двигатель, можно найти итоговый расход при работе с наддувом. Степень повышения давления, умноженная на расход воздуха через двигатель даст нам искомый расход (при пренебрежении объемным к.п.д.) . В двигателе объемом 2000 см3, работающем с наддувом 0,8 бара:
Расход воздуха = Повышение давления х Базовый расход воздуха =1,8*4,675 м3/мин = 8,415 м3/мин
Чтобы преобразовать м3/мин к более правильному термину кг/мин, м3/ мин надо умножить на плотность воздуха на высоте географического места (см. таблицу).

Значение расхода воздуха для четырех тактных двигателей. Выберите объем двигателя (ось абсцисс) и обороты в минуту, на оси ординат отсчитайте расход.

КПД колеса компрессора

Эффективность (КПД) колеса компрессора — это показатель того, как хорошо колесо компрессора может сжимать воздух, не нагревая его в большей степени, чем диктуют законы термодинамики. Термодинамика говорит, что температура воздуха должна увеличиваться пропорционально степени повышения давления. Такое увеличение температуры наблюдалось бы в идеальных условиях. Однако фактически температура всегда выше, чем в термодинамических расчетах. Измеренное увеличение температуры, конечно, является фактической температурой. Эффективность (КПД) — расчетное увеличение температуры, разделенное на её фактическое увеличение. По сути, эффективность — мера термодинамического совершенства компрессора.
Центробежные турбокомпрессоры имеют максимальный КПД порядка 70%. Выбор размера колеса компрессора становится, главным образом, вопросом того, где достигает максимума эффективность турбокомпрессора относительно характеристик расхода системы двигатель/турбина. Если Вам понятен физический смысл степени повышения давления, относительной плотности, расхода воздуха и эффективности компрессора, основная информация, необходимая для выбора компрессора под Ваши задачи, находится у Вас в руках.
Принято считать, что до 0,5 бара — низкое давление наддува, 0,5 — 0,8 бара — среднее, и более 0,8 бара — высокое давление наддува. В дальнейшем, на примере двигателя объемом 2000 см3 с несколькими вариантами компрессоров будут показаны примеры вычислений и поиска максимума эффективности.
На рисунке показано влияние эффективности компрессора на температуру впускного воздуха. Вообще, КПД компрессора без промежуточного охладителя должен составлять по меньшей мере 60%. Если система включает промежуточный охладитель, минимальный КПД может быть несколько меньше.

Высота над уровнем моря (м)	Атмосферное давление (кг\см3)	Температура (оС )	Относительная плотность
0	1.03	15	1.0
200	1.0	13.7	0.98
400	0.98	12.6	0.96
600	0.96	11.1	0.94
800	0.93	9.8	0.93
1000	0.91	8.5	0.91
1200	0.89	7.2	0.89
1400	0.87	5.9	0.87
1600	0.85	4.6	0.85
1800	0.83	3.3	0.84
2000	0.31	2.0	0.82
2200	0.79	0.7	0.8
2400	0.77	-0.6	0.79
2600	0.75	-1.9	0.77
2800	0.73	-3.2	0.75
3000	0.71	-4.5	0.74

Зависимости давления воздуха, температуры и относительной плотности от высоты места

Имея расчетные величины расхода воздуха и степени повышения давления на примере двигателя объемом 2000 см\ любой вполне способен взять в руки карты турбокомпрессоров и проверить, где расположена максимальная эффективность каждого из них, чтобы выбрать наиболее подходящий. Построим расчетные данные: расход воздуха 8,415 м³/мин и PR = 1,8 на осях карты турбокомпрессора. Пересечение этих двух линий показывает максимальный расход, который турбокомпрессор может обеспечить при выбранной степени повышения давления, и эта точка отображает эффективность в процентах на каждой карте. Таким образом, мы можем узнать КПД в этой точке, которая устанавливает пригодность того или иного турбокомпрессора для нашего конкретного применения. На рисунке  пересечение этих линий находится на линии 75 . На рисунке 2 пересечение находится фактически в точке максимальной эффективности, однако КПД будет всего около 71.На карте компрессора теперь наглядно видно, что компрессор Garreit G7255-R хотя и подходит по своей эффективности, но его максимальная эффективность меньше чем компрессора Garrett GT2S60R5.

Компрессор Garrett GT2860RS. Цифры справа — число оборотов турбины в минуту. Видно, что линия соединяющая точки PR=1 и РК=1,8 проходит за границей устойчивой работы компрессора.

Компрессор Garrett GT2557R, не смотря на КПД, меньший чем у Garrett GT2860RS, лучше подходит для заданного применения.

Характеристики переходных процессов колеса компрессора в случае конкретного применения также должны быть исследованы перед окончательным выбором. Это может быть сделано довольно простым способом. Предположим, что желаемая степень сжатия достигается на 50 % от максимальных оборотов двигателя. Отметьте эту точку на диаграмме турбокомпрессора. Выше был упомянут пример с оборотами в минуту = 2750, что соответствует точке с расходом воздуха 4,27 м^З/мин и PR = 1,8. Постройте линию от этой точки до точки, соответствующей PR = 1 и значению расхода, равному 20% от максимального, что в нашем случае составит 1,68 м³/мин. Принципиально важно, чтобы эта линия полностью располагалась справа от линии на карте компрессора, обозначенной как граница помпажа. Граница помпажа (граница устойчивой работы) не всегда подписывается на картах турбокомпрессора, но Вы можете смело полагать, что ею является крайняя левая линия. Этот пример показывает, что компрессор Garrett GT2557R, при КПД 71%, лучше подходит для выбранного применения чем Garrett GT2860RS, с КПД 75%.

Температура нагрева воздуха в компрессоре в зависимости от степени повышения давления. Вот почему все хотят обеспечишь самую высокую возможную эффективности турбокомпрессора: большая эффективность — более низкая температура.

Выбор размера ротора турбины

Предполагаемое применение системы двигатель+турбонагнетатель является также основным критерием при выборе размера ротора турбины, поскольку определяет выбор между моментом на низких, средних или максимальных оборотах двигателя. При этом выборе приходится иметь дело с двумя величинами: основной размер ротора турбины и отношение площадь/радиус (A/R).

Основной размер ротора турбины

Предполагается, что основной размер ротора турбины характеризует её способность производить мощность на валу, необходимую для привода колеса компрессора при желаемом расходе воздуха. Поэтому большие турбины, вообще говоря, обеспечивают более высокие отдаваемые мощности, чем небольшие. Для простоты картины оценивать размер турбины можно по диаметру её выходного отверстия. Строго говоря, это является упрощением теории турбин, однако на практике такой подход даёт возможность оценить способность турбины обеспечить тот или иной расход.

Диаграмма диаметра выходного отверстия ротора турбины относительно расхода воздуха на впуске — не точный инструмент для выбора, но приблизительный критерий первоначального отсеивания.

Определение диаметра выходного отверстия

Разумный метод выбора ротора турбины состоит в том, чтобы проконсультироваться с источником, у которого Вы приобретаете турбокомпрессор. Конечно, при выборе будет существовать возможность допустить ошибку в ту или иную сторону. И так как выбор происходит в пределах первоначального предназначения системы турбонаддува, имеет смысл выбирать каждый раз запас в большую сторону.

Приблизительный диаметр выходного отверстия ротора турбины, требуемый для привода колеса компрессора при заданном расходе воздуха

В то время как основной размер ротора турбины является критерием расхода газа через ротор турбины, отношение А/R даёт инструмент точного выбора из диапазона основных размеров. Чтобы легко понять идею отношения А/R, представьте кожух турбины в виде конуса, обернутого вокруг вала в виде спирали. Распрямите этот конус и отрежьте небольшой кусок на некотором расстоянии от конца. Отверстие в конце конуса -выходное сечение кожуха. Площадь этого отверстия это и есть «А» в отношении A/R. Размер отверстия существенен, поскольку он определяет скорость, с который выходят отработанные газы из улитки турбины и попадают на ее лопатки. При любом заданном расходе газов для увеличения скорости их истечения требуется уменьшение площади выходного отверстия. Эта скорость имеет существенное значение для управления частотой вращения ротора турбины. Необходимо иметь в виду, что площадь выхода влияет на побочный эффект обратного давления отработанных газов и, таким образом, оказывает влияние на процессы, протекающие в камере сгорания двигателя. «R» в отношении A/R — расстояние от центра площади сечения в конусе до оси вращения вала турбины.

Определение отношения A/R

Все «А», разделенные на соответствующие им «R», дадут одинаковый результат:

где A-площадь, R-радиус

«R» тоже оказывает сильное влияние на управление скоростью ротора турбины. Представьте, что кончики лопаток ротора турбины движутся с той же скоростью, что и газ, когда он попадает на лопатки. Отсюда легко понять, что чем меньше «R», тем выше частота вращения ротора турбины. Следует заметить, что увеличение «R» дает прирост момента на валу турбины для привода рабочего колеса компрессора, поскольку та же самая сила (поток выхлопных газов) прикладывается на большем плече рычага (R). Это позволяет приводить большее рабочее колесо компрессора, если этого требуют условия применения. Тем не менее, чаще всего при выборе турбины варьируют параметр «А», в то время как радиус остается постоянным.

Увеличение скорости вращения турбины, которая зависит от отношения А/R, почти всегда достигает с изменением площади выходного сечения кожуха турбины при остающемся неизменном радиусе.

Выбор, который кажется логичной отправной точкой для отношения A/R — это одно, а фактически полученный правильный результат — это совсем другое. Обычно неизбежны пробы и ошибки.

Эффект изменения отношения А/R,все прочие параметры неизменны.

Разумный выбор может быть обоснован количественным образом или, в некоторой степени, качественной характеристикой адекватности реакций турбо системы. Количественная оценка требует измерения давления в выпускном коллекторе или на входе турбины и сравнения его с давлением наддува. Результатом неправильного выбора отношения А/R может стать увеличение инерционности наддува, если отношение слишком велико. Отношение А/R может быть столь большое, что не позволит турбокомпрессору развить обороты, достаточные для достижения желаемого давления наддува. Если отношение, напротив, чрезмерно мало, реакция турбокомпрессора может быть столь быстра, что будет казаться нервной и трудной для управления. Результат проявится и в виде отсутствия мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя. Это будет похоже на атмосферный двигатель с небольшим карбюратором, у которого закрыта воздушная заслонка.

Разделенный выхлопной коллектор

Разделенный выхлопной коллектор позволяет импульсам выхлопных газов быть сгруппированными (или отделенными) по цилиндрам на пути к турбине. Ценная идея такого технического приёма состоит в том, чтобы донести энергию каждого импульса выхлопа к турбине нетронутой с энергией других импульсов. Это может давать ротору турбины немного больший толчок, который заставит ее вращаться. Если рассматривать случай абсолютного разделения импульсов и энергии, подводящихся по выхлопным каналам от восьмицилиндрового двигателя, то ротор турбины получит большее количество энергии, чем это необходимо почти в любой ситуации. Таким образом, разделенный выхлопной коллектор не будет давать значительного улучшения на V8 с одним турбонагнетателем. Для сравнения, четырехцилиндровый двигатель, в котором один рабочий ход происходит каждые 180° вращения коленчатого вала, нуждается во всей энергии, которую он может получить от каждого выхлопного импульса. Сохранение этих импульсов изолированными и не подверженными интерференции позволит получить некоторые улучшения.

Улитка турбины с разделенным входом теоретически дает небольшое преимущество в характеристиках, обеспечивая подачу импульсов выхлопа в плотной связке к ротору турбины. Этот эффект более заметен в случае двигателей с меньшим числом цилиндров, имеющих таким образом меньшее количество импульсов за каждый оборот двигателя

Две турбины или одна?

Существуют несколько причин для ложного предоставления о целесообразности использовании двух турбин там, где могла бы работать одна. Вероятно, наиболее популярное мифическое преимущество двух турбин взамен одной связано со снижением инерционности. Это заблуждение вообще трудно оправдать. Разделение пополам энергии выхлопа, подаваемой в каждую из двух турбин пропорционально квадрату инерции и кубу расхода газов, необязательно способствует уменьшению инерционности. Несколько турбин подразумевают большее количество мощности, которая зависит от эффективности турбокомпрессора. При прочих равных условиях, выбор турбины большой более эффективен, чем малой.

Для использования двух турбин должны существовать серьезные основания. В частности, такой вариант может быть актуальным в случае V-образных или горизонтальных оппозитных двигателей. Конструкция выпускного коллектора — один из ключей к получению большой мощности, и компоновка с двумя турбонагнетателями, вообще говоря, может сделать конструкцию более совершенной. Потери тепла в окружающую среду из перекрестной трубы в V-образных двигателях может быть значительна. Помните, что это та самая теплота, которая приводит в действие турбину.

Компоновка с двумя турбонагнетателями обычно требует двух вестгейтов. Другая, не менее важная задача — синхронизация этих двух вестгейтов, может быть достигнуто намного лучшее управление скоростью турбины при низких давлениях наддува. Стабильность давления наддува при высоких расходах газов также улучшена. Если используются внешние вестгейты, в отличии от интегрированных, фактическое проходное сечение для отработанных газов может быть увеличено, установив отдельные выхлопные трубы для вестгейтов.

Большая площадь сечения выхлопа для турбины — это всегда усовершенствование системы. Выхлопные трубы от двух турбин будут фактически всегда давать большее увеличение расхода. Например, две трубы диаметром 50 мм обеспечивают существенно большее проходное сечение, чем одна труба диаметром 75 мм.

Еще одна причина превосходства двух турбин при известных условиях то, что теплота разделяется между двумя агрегатами, позволяя каждому, работать с более низким подводом тепла. Теплота, поглощенная материалом турбонагнетателя пропорциональна температуре газов и их массовому расходу. Температура останется тот же самой, но массовый расход газа будет уменьшен вдвое. Таким образом рабочую температуру турбокомпрессора можно понизить, а его предполагаемый срок службы несколько увеличить.

Полезные детали конструкции:

Корпус турбины с жидкостным охлаждением.

Корпус турбины с жидкостным охлаждением — разновидность конструкции, которая может увеличить срок эксплуатации турбокомпрессора в среднем в два раза. Наличие потока охлаждающей жидкости существенно снижает нагрев смазочных материалов при их прохождении через подшипники. Пониженные температуры предохраняют масло от превращения в то, что называют маслом марки X в рекламе Mobil 1. Твердые отложения, накапливающиеся внутри турбокомпрессора, блокирующие, в конечном счете, поток масла и убивающие турбокомпрессор, являются страшной болезнью, названной «закоксовка среднего корпуса турбины» Жидкостно охлаждаемый корпус был создан, потому что слишком многие владельцы автомобилей не удосуживались менять масло по графику, продиктованному наличием турбокомпрессора. Как ни странно, присутствие корпуса турбины с жидкостным охлаждением не предполагает серьезное увеличение интервалов замены масла.

Поворот  улитки турбонагнетателя.

Возможность поворота одной улитки турбокомпрессора относительно другой является полезной особенностью конструкции. Хотя интегрированный весггейт предлагает ряд удобств при проектировании неспортивных систем турбонаддува, он обычно не позволяет улиткам турбокомпрессора поворачиваться на 360″ относительно друг друга. Ограничение поворота улиток может серьезно препятствовать свободе компоновки системы турбонаддува в моторном отсеке.

Соединения турбонагнетателя.

Фланцы кожуха турбины, которые соединяют турбокомпрессор с выпускным коллектором и выхлопной трубой — два наиболее вероятных места неисправностей в системе. Тепловые деформации, конструкция крепежа и прокладок — всё это нельзя сбрасывать со счетов. Вообще говоря, фланцы с большим количеством крепёжных элементов и более толстыми улитками перенесут нагрев с меньшим количеством проблем. Некоторые роторы турбины изготовлены из жаропрочных сплавов с повышенным содержанием никеля. Такие материалы дают заслуживающее внимание увеличению стойкости к высокой температуре и вследствие этого увеличивают долговечность улитке выхлопа.

Выход холодной улитки турбины почти всегда имеет соединение при помощи гибкого патрубка. Гибкость в этом соединении обычно необходима для компенсации возникающих тепловых деформаций турбокомпрессора. Системы с высоким уровнем наддува могут потребовать установки соединительного стержня на выходном патрубке для обеспечения прочности воздуховода, подверженного значительным растягивающим усилиям.

На входе улитки турбины также применяются соединения с использованием гибких патрубков. Их применение допускается в тех системах, где перед турбокомпрессором к воздуху не примешивается топливо. При расположении турбины после карбюратора (в системах с протяжкой воздуха через карбюратор), использования любых резиновых деталей между карбюратором и турбонагнетателем нужно избежать, поскольку топливо будет разрушающе воздействовать на резиновый патрубок. Патрубок большого диаметром позволяет использовать больший диаметр входа в турбину. Большой диаметр на входе обеспечивает низкие потери, а это жизненно необходимо для турбокомпрессора. Будьте уверены, что все патрубки и соединения достаточно жестки, чтобы избежать деформации от небольшого разрежения, созданного воздушным фильтром и расходомерами воздуха, если они имеются.

Выбор турбины и расчёт производительности

4.91 (98.21%) 56 голосов

remont-turbiny.ru

Зачем нужна в автомобиле турбина?

Всё большее количество производителей автомобилей устанавливают турбину или турбокомпрессор. Популярность этого агрегата в последнее время значительно возросла. Но чем обусловлен столь высокий интерес производителей машин к установке турбин?

Для чего используется турбина в автомобиле?

Турбина представляет собой технически сложный агрегат, позволяющий существенно увеличить мощность мотора машины даже с небольшим объёмом двигателя. Сегодня все производители автомобилей озадачились снижением расхода топлива ввиду его значительного подорожания.

Но установка мотора малой мощности на машину среднего и премиум диапазона со значительной массой способна превратить езду в настоящее мучение. Удовольствие от поездок на маломощном автомобиле будет сомнительным. Именно турбина своим появлением позволила решить проблему повышения мощности мотора без увеличения его объёма.

Как работает турбина?

Турбина нагнетает большое количество воздуха в цилиндры двигателя машины. Всё это даёт возможность получить обогащённую воздушно-топливную смесь, значительно увеличивающую мощность мотора. После нажатия на педаль газа автомобиль словно получает невидимый «пинок» значительно ускоряясь. Именно так работает агрегат.

С одинаковой эффективностью турбина может использоваться как на дизельном, так и бензиновом моторе. Конструктивно турбокомпрессор и двигатель транспортного средства представляют собой единое целое. Принцип работы агрегата достаточно простой. Именно поэтому ресурс эксплуатации турбины одинаков с ресурсом мотора машины при условии правильной эксплуатации и своевременного ухода.

Основные причины выхода из строя турбины?

Причины выхода из строя автомобильных турбин могут быть различные и зависят от одного или совокупности факторов:

• механическое повреждение корпуса или крыльчатки;
• люфт крыльчатки;
• недостаточный уровень моторного масла;
• коррозийные процессы;
• неправильная установка турбины;
• редкая замена моторного масла.

Турбокомпрессор автомобиля достаточно требователен к уходу и нуждается в правильной эксплуатации. Необходимо помнить, что ремонт турбины достаточно дорогое удовольствие.

Как можно определить выход из строя турбины?

Опытные водители достаточно просто могут определить неисправность турбины автомобиля. Но зачастую подобная диагностика не может установить, что именно привело к поломке агрегата.

Среди основных признаков неисправности турбокомпрессора можно выделить следующие:

• появление неприятного свиста под капотом машины при разгоне;
• значительные подтеки масла в районе установки турбины или интеркулера;
• включение значка неисправности двигателя на панели приборов;
• значительное снижение мощности мотора.

При выявлении вышеперечисленных признаков необходимо как можно быстрее обратиться за помощью к специалистам. Они, используя специальное оборудование, смогут установить причину выхода из строя турбокомпрессора. Сегодня необязательно приобретать новую турбину можно провести капитальный ремонт неисправного агрегата.

Спасибо за внимание, удачи вам на дорогах.

www.avtogide.ru

Подробное устройство турбины | Blog-Mycar.ru

Устройство турбины автомобиля выполнено так, чтобы увеличить давление топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.

Внешний вид турбины

Принцип работы и устройство турбокомпрессора

Рассмотрим, как работает турбина в автомобиле. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.

Схема работы турбины

Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:

• Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
• Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
• Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
• Шарикоподшипникового картриджа;
• Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.

Общее устройство турбины

Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют. Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.

Система охлаждения и устройство турбонаддува

Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей — масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.

Охлаждение маслом

Достоинства:

• Простая конструкция;
• Удешевление турбокомпрессора.

Недостатки:

• Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
  Высокая требовательность к составу масла;
• Необходимость часто его менять;
• Требовательность к контролированию температурного режима.

Турбина с масляным охлаждением

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.

В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:

• Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
• Превышение сроков замены масла;
• Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Комплексное охлаждение маслом и антифризом

Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток — усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.

Турбина с масляным и водяным охлаждением

Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.

Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу. Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.

Конструктивные особенности

При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер — вспомогательный охладитель воздуха.

Интеркулер для турбины

Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность — задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.

Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.

Усовершенствование турбонаддува

Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.

Конструкция турбины твин-турбо

В такой системе используются параллельно пара одинаковых турбин. Их задача — повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.

Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.

Двигатель ниссан с системой твин-турбо

В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.

Последовательное соединение разных турбин получило название Bi-turbo.

Конструкция турбины би-турбо

Конструкция устроена так, что при невысоких оборотах функционирует лишь маленькая турбина, которая обеспечивает «отзывчивость» при плавно изменяемой скорости. Если обороты резко возрастают, включается «крупная» турбина». Это позволяет машине получить значительный прирост производительности, причем в любом диапазоне функционирования двигателя. Подобная система реализована в моделях BMW biturbo, тюнинг которых вызывает восхищение.

Система би-турбо от БМВ

Инновационные разработки

В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.

Турбина с изменяемым углом наклона лопаток

Когда обороты двигателя небольшие, становится более узким пропускное сечение выхода в турбину выхлопных газов, поэтому «выхлоп» получается более быстрым. Чаще эту систему применяют для дизельных агрегатов, но есть разработки и для бензиновых двигателей.

Также к инновационным разработкам относится система Twin-scroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.

Конструкция турбины Твин-скролл

При этом имеется два варианта реализации:

1. Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twin-turbo.
2. Второй тип работает наподобие схемы biturbo — имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр — при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.

Заключение

Сейчас  выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше . Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя, чистоту его выхлопа.

blog-mycar.ru

описание, устройство, особенности :: SYL.ru

Для того, чтобы увеличить мощность и крутящий момент двигателя, человечество придумало массу устройств и агрегатов. Самый простой метод – пойти на увеличение объема камеры сгорания. Чем больше топлива попадет в цилиндр, тем больше произведется полезной работы. Но здесь возникают проблемы. Во-первых, размеры такого мотора могут быть запредельными, а во-вторых, эксплуатация такого ДВС ввиду высокого расхода топлива будет нерентабельной. Поэтому в последнее время все чаще автопроизводители оснащают свои машины турбиной. Что это за элемент. и в чем заключается принцип работы турбины? Узнаем подробно в нашей статье.

Характеристика

Турбина – это элемент впускной системы двигателя, который служит для увеличения давления воздуха за счет применения энергии отработавших газов. Благодаря ее работе, возрастает масса воздуха в камере сгорания.

Это позволяет ускорить такты работы двигателя и увеличить его крутящий момент. Также отметим, что первые турбины имели механический привод. Принцип работы такой турбины заключался в преобразовании энергии от коленчатого вала. С последним элемент соединялся путем ременной передачи. Но вскоре такие агрегаты перестали использоваться. Сейчас все производители применяют газовую турбину, принцип работы которой позволяет увеличить КПД двигателя на 80 процентов вместо 30.

Где используется

В основном, такой агрегат можно встретить на современных автомобилях. Но используется данный нагнетатель не на всех ДВС. Сдерживающим фактором применения турбины на бензиновых моторах является высокая степень детонации. Она связана с увеличением частоты вращения ДВС и огромной температурой выхлопных газов (до тысячи градусов). Ввиду этого часто используется турбина на дизельном двигателе. Принцип работы такого ДВС несколько иной. Здесь меньший риск детонации, а температура газов не превышает 600 градусов. Особенно часто компрессоры встречаются на коммерческом транспорте. Невозможно представить современный автобус или магистральный тягач, не оснащенный такой турбиной. Если говорить о марках, то турбина устанавливается на следующие авто:

• «Фольксваген».
• «Мерседес».
• «Вольво».
• «Мазда».
• «Ауди».
• «Рено».
• «Тойота».

Есть и другие сферы, где применяется подобный элемент. Например, это электростанции и ДВС кораблей. Но здесь используется уже паровая турбина, принцип работы которой мы рассмотрим немного позже.

Недостатки

Почему данный элемент присутствует не на всех двигателях внутреннего сгорания? В первую очередь, применение турбины увеличивает себестоимость производства авто. Помимо самой улитки, требуется еще ряд других элементов.

К тому же, для работы с турбиной двигателю нужна другая более крепкая поршневая система и блок. Это тоже влечет за собой дополнительные расходы. Также среди недостатков можно отметить так называемую турбояму (когда мотор не может набрать обороты за нужное время). Причинами данного явления является инерционность компрессора.

Конструкция

Итак, давайте рассмотрим устройство и принцип работы турбины. А состоит данный элемент из трех основных составляющих:

• Центрального корпуса.
• Центробежного компрессора.
• Улитки.

В конструкцию последней входит турбинное и компрессорное колеса, вал ротора, подшипники скольжения и уплотнительные кольца. Все это заключено в крепкий металлический термостойкий корпус. Поскольку принцип работы турбины двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов, горячая часть улитки может раскаляться до тысячи и более градусов Цельсия.

Вспомогательные элементы

Поскольку турбина входит в состав впускной системы, ее работа невозможна без использования воздушного фильтра, дроссельной заслонки, а также интеркулера.

Последний призван охладить кислород, который нагнетается в камеру под давлением. Чем холоднее воздух в интеркулере, тем лучше сгорает смесь в цилиндрах. Также в конструкции не обходится без соединительных и масляных шлангов.

Как работает

Стоит отметить, что принцип работы турбины на бензиновом двигателе такой же, как и на дизельном. Во время работы ДВС вырабатываются выхлопные газы. Они поступают в корпус (горячую часть улитки), где двигаются по лопаткам турбинного колеса. Последнее раскручивается до невероятных скоростей – 100 и более тысяч оборотов в минуту. Поскольку турбинное колесо жестко соединено с валом, крутящий момент передается на вторую холодную часть турбины. Та, в свою очередь, начинает захватывать кислород из атмосферы. Он проникает внутрь после того, как пройдет через фильтр. Далее воздух под давлением попадает во впускной коллектор, где смешивается с топливом и проникает в камеру сгорания. В качестве материалов для корпуса турбины используются жаропрочные марки стали и железоникелевый сплав.

Производительность компрессора зависит от ее формы и габаритных размеров. Чем больше ее диаметр, тем больше воздуха засасывается во впускной коллектор. Но нельзя постоянно увеличивать размеры компрессора. Это может привести к турбозадержке. Малая турбина раскручивается значительно быстрее до номинальной скорости. Но на пике имеет меньшую производительность. Поэтому размеры и форма элемента подбираются строго индивидуально для каждого ДВС. Нельзя установить агрегат от бензинового авто на дизельный, и наоборот. Хоть и имеет одинаковый принцип работы турбина, действовать она будет иначе на разных авто.

Важный момент: для регулирования давления наддува в конструкции предусмотрен специальный перепускной клапан. Он имеет пневматический привод, а управляется ЭБУ двигателя.

Система смазки

Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Но не стоит думать, что эта система нужна только для смазки. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому, достигается лучшее охлаждение, но такая конструкция значительно сложнее и дороже в производстве.

Дабы избавиться от турбоямы, производители постоянно совершенствуют конструкцию турбины на дизеле. Принцип работы ее остается прежним, но меняются следующие моменты:

• Масса компрессора. Турбина изготавливается из одновременно легких и прочных материалов (например, из керамики).
• Конструкция подшипников. Чем меньше потери на трение, тем выше производительность турбины. Колесо легче раскручивается до номинальных значений.

Типы турбин

На данный момент существует несколько популярных типов компрессоров:

• Раздельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Сделано это для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
• Компрессор с переменным соплом. Также он известен, как турбина с изменяемой геометрией. Применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Паровая турбина

Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

В заключение

Итак, мы выяснили принцип работы дизельной турбины, а также бензиновой и паровой. Как видите, данные элементы устанавливаются с единой целью – выработать полезный крутящий момент. В случае с автомобилями он тратится на подачу воздуха под давлением во впуск. А на электростанциях турбина необходима для работы генератора, что вырабатывает ток.

www.syl.ru