Для чего нужен турбокомпрессор

Основы турбо-наддува. Часть 1.

Основные принципы работы турбо двигателя.

Как известно, мощность двигателя пропорциональна количеству топливо-воздушной смеси попадающей в цилиндры. При прочих равных, двигатель большего объема пропустит через себя больше воздуха и, соответственно, выдаст больше мощности, чем двигатель меньшего объема. Если нам требуется что бы маленький двигатель выдавал мощности как большой или мы просто хотим что бы большой выдавал еще больше мощности, нашей основной задачей станет поместить больше воздуха в цилиндры этого двигателя. Естественно, мы можем доработать головку блока и установить спортивные распредвалы, уеличив продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах. Мы даже можем оставить количество воздуха прежним, но поднять степень сжатия нашего мотора и перейти на более высокий октан топлива, тем самым подняв КПД системы. Все эти способы действенны и работают в случае когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора.

Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взгянем на приведенную ниже диаграмму:

Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:

— воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора (1)
— внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
— Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер (3) где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливо-воздушной смеси.
— После прохождения интеркулера воздух проходит через дросеель, попадает во впускной коллектор (4) и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.
Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
— После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллекторе (5) где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину (6)
— Проходя через турбину поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор и тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работу компрессора через вал турбины.

Ниже приведена схема внутреннего устройства турбокомпрессора:

В зависимоти от конкретного мотора и его компоновки под капотом, турбокомпрессор может иметь дополнительные встроенные элементы, такие как Wastegate и Blow-Off. Рассмотрим их подробнее:

Blow-off
Блоуофф (перепускной клапан) это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью недопустить выход компрессора на режим surge. В моменты когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, при этом турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, в виду значительной наргрузки на них в этих переходных режимах. БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины что бы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу, возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.

Wastegate:
Представляет собой механический клапан устанавленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельние моторы используют турбины без вейстгейтов. Тем не менее подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия. Основной задачей вейстгейта является обеспечивать выхлопным газам возможность выхода из системы в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии газов которое уходит через вал на компрессор и тем самым управляем давлением наддува, создаваемое компрессором. Как правило вейстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины что бы контролировать обходной поток выхлопных газов.
Встроенный вейстгейт состоит из заслонки встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора и тяги от актуатора к заслонке.
Внешний гейт представляет собой клапан устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу на спортивных автомобилях. Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину в виду отсутствия разнонаправленных потоков в компактном объеме турбинного хаузинга.

Читайте также  Как написать символ номер на андроиде

Водяное и маслянное обеспечение:
Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка маслянного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована если давление масла в вашей системе привышает 4 атм. Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно что бы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз.
Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла.
Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды. Желательно так же обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а так же несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.

Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбо-мотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность. Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливо-воздушной смеси которая через него проходит за единицу времени, опредлив целевую мощность мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха.

Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя на которых это происходит. Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выход турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.
Втулочные турбины были самыми распространенными в течении долгого времени, тем не менее новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях.
Отзывчивость турбины на дроссель очень зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику.
Шарикоподшипниковые турбины так же требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки пошипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Так же такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.

Читайте также  Как шумит подвесной подшипник

В данной статье рассмотрим такой автомобильный агрегат, как турбокомпрессор.

Излюбленная тема большинства молодых людей, так и мелькают фразы «поставлю улитку», «у меня турбо». Но от обывательских разговоров о турбинах стоит перейти к серьезному разговору в ходе, которого мы объясним вам назначение этого устройства и расскажем, как это все работает.

А зачем нужен Турбокомпрессор?

Действительно, зачем? В чем смысл его установки на автомобиль, какую функцию он выполняет? Турбокомпрессор это один из способов увеличения мощности двигателя. Мощность имеет прямую зависимость от топливной смеси сгораемой в цилиндре. Образуется она в результате смешивания топлива (бензин, дизель, газ) и воздуха. Экспериментируя с количеством оных, мы можем добиться максимальной отдачи от мотора. Воздух как смесь газов, азота и кислорода может сжиматься при создании на него давления. Тут и рождается истина, в виде системы принудительной, не атмосферной подачи воздуха в цилиндр с использованием энергии отработавших газов или с помощью механических приводов.

Турбокомпрессор – специальное устройство для агрегатного нагнетания воздуха в цилиндры. Состоит из вал ротора, на котором с одной стороны закреплено турбинное колесо, а с другой компрессорное колесо. Это основные части турбокомпрессора. Вращение этих частей происходит на огромных скоростях. Для лучшего понимания, турбинное колесо совершает около полутора тысяч оборотов в секунду. Иногда это значение доходит и до двух с половиной тысяч в секунду. При таких нагрузках материалы, из которых изготавливают корпус турбины и само колесо должны быть жаропрочными.

Колесо турбины выполнено в виде крыльчатки и именно оно передает энергию компрессору от отработавших газов. А компрессорное колесо уже затягивает воздух, сжимает и нагнетает в цилиндр. Но каким образом вал работая в таких суровых условиях остается в рабочем состоянии длительное время? Секрет в установленных на нем подшипниках. Они не обычные, в них нет шариков. Такие подшипники называются, подшипники скольжения и устроены довольно просто. Между подвижной и не подвижной частью имеется прослойка масла, которая значительно уменьшает трение. Масло подводится прямо к ним через специальные каналы, а для герметизации используются сальники.

Из уроков физики мы знаем, что при нагреве вещества расширяются, а при охлаждении сжимаются. Значит и воздух можно дополнительно охладить, тем самым увеличить его давление, при увеличившейся плотности. За это в некоторых автомобилях отвечает специальный радиатор – интеркулер. Расположен он между компрессором и впускным коллектором. Средний эффект достигаемый при использовании интеркулера будет равен 6-12% с общей мощности двигателя. Это очень хороший результат.

Еще один важный элемент в системе турбонаддува – перепускной клапан. Его звук хорошо узнаваем даже далеким от автомобилей людям. Скорее всего, вы уже догадались, как он звучит, а если нет, включите любой не очень старый фильм про уличные гонки. Задача клапана сбрасывать избыточное давление во впуске. Такой вариант принято называть «blow-off» или по простому «выпуск». Избыток выходит в атмосферу. Существует и другой «bypass» в переводе «обход». Считается наиболее предпочтительным вариантом для тюнинга, так как при срабатывании клапана сжатый воздух отправляется в обход к самому входу воздушного потока турбины. И в такой ситуации раскручивает турбину еще больше, а не разряжается в атмосферу. Поясню когда именно, создается избыточное давление во впуске. Вы отпускаете педаль газа в момент уже созданного, большого давления внутри впуска.

Используя энергию отработавших газов, турбокомпрессор раскручивает крыльчатку турбины, которая через вал ротора передает колесу компрессора полученную энергию. Для совершения действия по нагнетанию воздуха во впуск. После этого сжатый воздух попадает в интеркулер и, охладившись, отправляется в цилиндр двигателя. Полезное действие от работы турбонаддува имеет прямую зависимость от скорости вращения коленвала. Высокие показания тахометра, подразумевают сильный поток отработанных газов, а на выходе мы получаем быстрое вращение турбины и большее количество воздуха в цилиндр.

Не без негатива

Ложка дегтя есть и здесь, так как вся система построена на инерции, при резком старте вы не сможете получить всю мощность от турбокомпрессора. Для создания давления необходимо время. Такой эффект принято называть «турбояма». А после «ямы» мы будем иметь уже обратный эффект, резкое повышение давления. В некоторых ситуациях это будет создавать только неудобства.

Читайте также  Как заменить тормозной цилиндр на ваз 2109

Решить проблему удалось с помощью:

  • Турбины с интересной системой изменения геометрии
  • Параллельно работающие турбокомпрессоры
  • Две турбины установленные последовательно
  • Использование комбинированного наддува

Принцип работы

Работа турбонагнетателя предельно проста. Выхлопные газы, проходя в турбину, приводят во вращение ротор. Колесо центробежного компрессора жестко закреплено на оси ротора и вращается с той же скоростью.

Чем большей энергией обладают выхлопные газы, тем быстрее вращаются колеса турбины и, соответственно, компрессоры. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, тем выше мощность. При этом частота вращения турбокомпрессора может быть очень и очень высокой – 150 тыс. об/мин.

Большинство турбонагнетателей имеют механизм изменения геометрии турбины. Дополнительное кольцо с управляемыми направляющими лопатками позволяет поддерживать поток выхлопных газов не только постоянным, но и управлять им. Так, на низких оборотах, когда поток невелик, поперечное сечение турбины уменьшается, что увеличивает скорость газов, поступающих на колесо, повышая ее мощность. На высоких же оборотах лопасти полностью открывают вход газам, увеличивая пропускную способность турбины.

Плюсы и минусы

Преимущество в том, что в отличие от механических нагнетателей, приводимых от коленчатого вала и отнимающих мощность непосредственно у двигателя, турбонагнетатели используют фактически дармовую энергию, которая в моторе выбрасывается из выхлопной трубы. Это делает турбонагнетатели более эффективными, чем механические.

Одновременно турбонаддув позволяет получить высокие мощности – свыше 300 л. с. с одного литра объема. Двигатель с турбонагнетателем имеет мощность на 40% выше, чем без него. Как ни странно, но турбированные двигатели более экономичны. Низкое КПД двигателя внутреннего сгорание обусловливается потерями на трение и низкой тепловой эффективностью. С увеличением размеров мотора эти потери резко увеличиваются. Небольшие турбированные моторы в этой связи более предпочтительны.

Турбонагнетатели несовершенны и обладают рядом проблемных мест. Самое заметное – эффект «турбоямы». Отсутствие механической связи между компрессором и двигателем приводит к несоответствию между требуемой мощностью, задаваемой водителем педалью "газа" и производительностью компрессора.

Турбокомпрессоры имеют те же недостатки, что и центробежные нагнетатели. Для эффективной работы они должны вращаться с очень высокой скоростью. Плюс высокий нагрев (порядка 1000 °С), сложности в смазке, отводе тепла. Повышенные температуры сказываются не только на смазке деталей турбонагнетателя, но и на нагнетаемом воздухе: его охлаждение оказывается острым вопросом. Для эффективного охлаждения интеркулер рассчитывается и подбирается с особой тщательностью.

Как и в любом нагнетательном устройстве, в турбонагнетателе необходим клапан, спускающий излишнее давление. С турбиной еще сложнее. Здесь нужно не только следить за давлением наддува, но и перепускать выхлопные газы, чтобы снизить избыток давления в выпускном коллекторе, и исключить чрезмерно высокую скорость вращения ротора на высоких оборотах двигателя.

Нужно сказать, что после работы на повышенных оборотах турбина должна «отдохнуть» на холостых оборотах. Поработав так несколько минут, турбина остывает, и ее можно остановить. Устройство, именуемое турботаймером, позволяет при выключении зажигания глушить двигатель через время, которое можно запрограммировать, либо оно определяется автоматически, исходя из температуры мотора. В отсутствие такого прибора водитель должен обеспечить «режим остывания» самостоятельно.

Механические нагнетатели или турбонагнетатели?

Сравнивая нагнетатели с механическим приводом и турбоприводом, надо отметить один факт. Массовое производство позволяет автомобильной промышленности существенно снижать себестоимость моторов с турбонагнетателями. Использование же в тюнинге сопряжено с немалыми трудностями, прежде всего в установке.

Аналогичные центробежные механические нагнетатели более просты в установке и в эксплуатации. Но достоинства турбонагнетателей приводят к тому, что их чаще используют при тюнинге двигателя. Существуют готовые комплекты для различных авто.

Источник: automotogid.ru

Автоматика