Частота вращения турбины автомобиля – — » BYMOTORS.info —

Турбонаддув — Энциклопедия журнала «За рулем»

В турбокомпрессоре используются центробежные насосы. Под действием центробежных сил, вызванных вращением колеса с лопатками, воздух отбрасывается к периферии колеса, а в его центре создается разрежение, что обеспечивает всасывание воздуха. Для эффективной работы турбокомпрессора частота вращения колеса компрессора должна быть очень высокой не менее 50–100 тыс. мин–1.
При работе ДВС из выпускного трубопровода под давлением выбрасываются продукты сгорания, которые имеют высокую температуру. Поток газов приводит во вращение колесо турбины, которое передается закрепленному на общем вале колесу компрессора.
Для достижения фазы наддува, т. е. момента, когда давление воздуха на впуске превысит атмосферное, необходимо, чтобы была достигнута определенная частота вращения турбины (не менее 60 000 мин–1). При малых оборотах двигателя турбокомпрессор работает в дежурном режиме (частота 5 000–10 000 мин–1). Необходимо учитывать, что наличие турбины в выпускном тракте создает сопротивление выходу отработавших газов.

Очень важный вопрос — выбор правильного размера турбины для конкретного двигателя. В первых двигателях с турбонаддувом для легковых автомобилей 1970-х гг. использовались готовые конструкции, разработанные, как правило, для дизелей больших грузовых автомобилей. Такие устройства давали хороший результат для увеличения максимальной мощности, но были неэффективными для получения большого крутящего момента в среднем диапазоне частот вращения двигателя, т. е. для получения достаточной приемистости автомобиля. Большие турбины требовали некоторого времени на «раскрутку», когда при небольших нагрузках открывалась дроссельная заслонка, что приводило к задержке нарастания давления наддува. Этот эффект получил название

турбоямы.


Схема работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией

Большинство современных турбокомпрессоров легковых автомобилей имеют небольшие размеры и высокую частоту вращения. Для того чтобы увеличить диапазон частот вращения двигателя, при которых турбонаддув обеспечивает повышение давления, применяются по два турбокомпрессора на одном двигателе. Один турбокомпрессор работает при низких оборотах, а второй при высоких. В последних поколениях наддувных двигателей стали применяться

турбокомпрессоры с переменной геометрией, которые сохраняют высокую скорость газов при малых нагрузках, так что турбина всегда вращается с нужной скоростью. В таких турбокомпрессорах поток направляемых на турбину газов управляется с помощью специальных поворачивающихся заслонок. Одновременный поворот заслонок производится с помощью штока вакуумной камеры. Разрежение в камере регулируется электромагнитным клапаном по сигналу компьютера.

При работе системы турбонаддува происходит сильный нагрев турбины, а компрессор остается сравнительно холодным. Очень важным узлом, определяющим долговечность турбокомпрессора, является узел подшипников вала. Обычно масло для смазки подшипников подается под давлением из системы смазки двигателя. Иногда для повышения работоспособности наддува применяют охлаждение корпуса турбины жидкостью из системы охлаждения двигателя. После продолжительного движения на высокой скорости автомобиля с турбонаддувом турбина может раскрутиться до высоких скоростей (сотни тысяч оборотов в минуту). После остановки двигателя турбокомпрессор останавливается не сразу, а масло уже не поступает к подшипникам. Чтобы не произошло повреждения подшипников, рекомендуется перед выключением двигателя дать ему возможность некоторое время поработать на холостом ходу.


Дизельный двигатель с турбонаддувом

Очень хорошо система турбонаддува работает в дизелях. Отработавшие газы в дизеле холоднее, чем в бензиновых двигателях, что облегчает работу турбокомпрессора, и, кроме того, в дизеле не существует опасности возникновения детонации. Поэтому неслучайно, что турбонаддув устанавливается почти на всех современных дизельных двигателях легковых автомобилей.

В многоцилиндровых двигателях с большим рабочим объемом некоторых грузовых автомобилей отработавшие газы продолжают обладать большой энергией, даже после прохождения турбокомпрессора. Эту энергию можно использовать для дальнейшего повышения мощностных характеристик двигателя, создавая так называемые турбокомпаундные двигатели. В таком двигателе часть энергии отработавших газов используется для раскручивания дополнительной турбины, которая через гидравлическую муфту связана с коленчатым валом. Такая конструкция дает возможность, увеличить крутящий момент на вале двигателя.
Подробнее о турбонаддуве — в главе Турбокомпрессор

wiki.zr.ru

Как работает турбокомпрессор

Как работает турбокомпрессор
 
Содержание статьи
 
  1. Введение
  2. Турбокомпрессоры и двигатели
  3. Устройство турбокомпрессора
  4. Детали турбокомпрессора
  5. Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
  6. Узнать больше
  7. Читайте также » Все статьи про работу двигателя
 
 
В этой статье мы узнаем, каким образом турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя в жестких условиях эксплуатации. Мы также узнаем о том, как регуляторы давления наддува, керамические лопатки турбины и шариковые подшипники улучшают работу турбокомпрессора. Турбокомпрессоры являются своего рода системой наддува. Они сжимают воздух, поступающий в двигатель (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для описания движения воздуха в обычном двигателе). Преимущество сжатия воздуха состоит в том, что при этом можно впустить больше воздуха в цилиндр, и, соответственно, больше топлива. Таким образом, при каждом взрыве в цилиндрах высвобождается больше энергии. Двигатель с турбонаддувом является более мощным по сравнению с обычным двигателем. Благодаря этому существенно увеличивается удельная мощность двигателя (для получения более подробной информации, рекомендуем прочитать статью «Как работает лошадиная сила»).
 
Для увеличения мощности двигателя, турбокомпрессор использует выхлопные газы для вращения турбины, которая, в свою очередь, вращает нагнетатель воздуха. Турбина турбокомпрессора вращается со скоростью до 150.000 оборотов в минуту (об/мин) — это примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения большинства автомобильных двигателей. В связи с тем, что выхлоп идет на турбокомпрессор, температура в турбине очень высокая.
 
Далее мы расскажем о том, как узнать, насколько увеличится мощность двигателя, если установить турбокомпрессор.

 
 
 

Система турбонаддува автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution IX.
 
Турбокомпрессоры и двигатели
 
Одним из самых эффективных способов увеличения мощности двигателя является увеличение количества сгораемого воздуха и топлива. Для этого можно установить дополнительные цилиндры или увеличить их объем. В некоторых случаях невозможно осуществить эти модификации, поэтому установка турбокомпрессора может стать более простым и компактным способом увеличения мощности, особенно для подержанных автомобилей.

 
Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха благодаря увеличению подачи смеси в цилиндры. Стандартное давление сжатия воздуха турбокомпрессором составляет 6-8 фунт/дюйм2 (0,4 — 0,55 бар). Учитывая, что нормальное атмосферное давление составляет 14,7 фунт/дюйм2 (1 бар), при помощи турбокомпрессора в двигатель поступает на 50% больше воздуха. Следовательно, можно рассчитывать на увеличение мощности двигателя на 50%. Однако, эта технология не идеальна, поэтому мощность увеличивается на 30 — 40%.
 
Одна причина недостаточной эффективности состоит в том, что энергия, которая вращает турбину, не является свободной. Турбина, установленная в потоке выхлопных газов, создает препятствие для выхода газов. Это означает, что во время такта выпуска двигатель должен преодолеть высокое противодавление. В связи с этим происходит расход энергии работающих цилиндров.
 

 
Расположение турбокомпрессора в автомобиле

 
Устройство турбокомпрессора
 
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя при помощи болтового соединения. Выхлопы из цилиндра вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, поступающий в цилиндры.
 
Отработанные газы от цилиндра проходят через лопатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит через лопатки, тем быстрее происходит вращение.

 
С другой стороны вала, который установлен на турбине, компрессор вводит воздух в цилиндры. Компрессор представляет собой своего рода центробежный насос — он втягивает воздух в центр лопаток и выпускает его под давлением во время вращения.
 
Для того, чтобы выдержать скорость вращения до 150.000 об/мин, вал турбины должен иметь надежную опору. Большинство подшипников не выдержит такую скорость и взорвется гидростатические подшипники. Такой тип подшипников поддерживает вал на тонком слое масла, которое непрерывно подается. Это обусловлено двумя причинами: Масло охлаждает вал и некоторые другие детали турбокомпрессора и позволяет валу вращаться, снижая трения.
 
Существует много различных решений, связанных с конструкцией турбокомпрессоров для автомобильных двигателей. На следующей странице мы расскажем о некоторых оптимальных вариантах и рассмотрим, как они влияют на работу двигателя.
 

Слишком сильное сжатие?

 

Когда воздух под давлением запускается в цилиндры при помощи турбокомпрессора и затем сжимается поршнями (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для наглядного описания), существует риск самовозгорания смеси. Возгорание может произойти при сжатии воздуха, т.к. при этом возрастает температура. При высокой температуре может произойти возгорание еще до срабатывания свечи зажигания. Для предотвращения раннего сгорания топлива, автомобили с турбокомпрессором рекомендуется заправлять высокооктановым бензином. Если давление наддува слишком высокое, возможно придется уменьшить степень сжатия двигателя для того, чтобы избежать раннего сгорания топлива.

 

 

Как устанавливается турбокомпрессор
 
 
 

 

Как турбокомпрессор выглядит изнутри
 

 

 
Детали турбокомпрессора
 
Одна из основных проблем турбокомпрессоров состоит в том, что они не обеспечивают мгновенный форсированный наддув по нажатию на педаль газа. Турбине требуется несколько секунд для того, чтобы набрать скорость вращения, необходимую для наддува. В результате возникает задержка между временем нажатия на педаль газа и временем начала ускорения автомобиля при срабатывании турбины.
 
Одним из способов устранения задержки является снижение

инерции вращающихся деталей, благодаря снижению их массы. Это способствует более быстрому набору скорости вращения турбины и компрессора и раннему началу наддува. Одним из наиболее надежных способов снижения инерции турбины и компрессора является уменьшение их размеров. Небольшой турбокомпрессор быстрее начнет наддув при низкой скорости работы двигателя, однако он не сможет обеспечить достаточный наддув при больших скоростях двигателя, когда в цилиндры поступает значительные объемы воздуха. Также существует риск слишком быстрого вращения на высоких скоростях двигателя, т.к. при этом через турбину проходит значительный объем выхлопа.
 
Большой турбокомпрессор может обеспечить сильный наддув при высокой скорости вращения двигателя, однако при этом может наблюдаться сильная задержка наддува, т.к. необходимо определенное время на разгон тяжелой турбины и компрессора. К счастью, существует ряд решений данных проблем.
 
В большинстве автомобильных турбокомпрессоров используется регулятор давления наддува, который позволяет уменьшить время задержки наддува небольших турбокомпрессоров, предотвращая слишком быстрое вращение при высокой скорости вращения двигателя. Регулятор давления наддува представляет собой клапан, который обеспечивает выпуск выхлопа в обход лопаток турбины. Регулятор давления наддува измеряет давление наддува. Если давление слишком высокое, это означает, что турбина вращается слишком быстро, поэтому регулятор давления наддува выпускает определенное количество выхлопа в обход лопаток для снижения скорости вращения турбины.
 
В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо гидростатических подшипников для поддержки вала. Но это не обычные шариковые подшипники – это особые подшипники, изготовленные из специального материала, которые могут выдержать скорости и температуры турбокомпрессора. Они снижают трение вала турбины при вращении, как и гидростатические подшипники. Они также позволяют использовать меньший и облегченный вал. Благодаря этому происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что, в свою очередь, снижает задержку.
 
Керамические лопатки турбины легче стальных лопаток, которые используются в большинстве турбокомпрессоров. Благодаря этому опять же происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что снижает задержку.
 

 

Турбокомпрессор обеспечивает наддув при большой скорости вращения двигателя.
 

 
Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
 
На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.
 
Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.
 
Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.
 
Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотним и содержит больше молекул, чет теплый воздух.
 
Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.
 
В старых автомобилях с карбюраторами автоматически увеличивается подачу топлива в соответствии с увеличением подачи воздуха. В современных автомобилях происходит то же самое. Система впрыска топлива ориентируется на данные датчика кислорода в выхлопе для определения необходимого соотношения топлива и воздуха, так что система автоматически увеличивает подачу топлива при установленном турбокомпрессоре.
 
При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.
 
Для получения большей информации по турбокомпрессорам, рекомендуем ознакомиться со ссылками на следующей странице.
 

 

Mazda RX-8 купе-кабриолет с установленной системой турбонаддува
 
Источник:  http://auto.howstuffworks.com/

www.exist.ru

Как работает турбокомпрессор. » Хабстаб


Турбокомпрессоры часто применяются в дизельных автомобилях. Турбина может существенно увеличить мощность автомобиля, без особого увеличения веса, этот факт делает её очень популярной. Давайте вкратце рассмотрим как это происходит.
В процессе горения участвует кислород,  а турбокомпрессор позволяет сжимать воздух,  поступающий в цилиндр. Таким образом, становится возможно больше воздуха поместить в цилиндр, а больший объём воздуха позволит большему количеству топлива сгореть. Теоретически, теперь каждый цилиндр может отдать больше мощности при сгорании топлива и увеличить соотношение мощность-вес двигателя.
Турбокомпрессор, используя энергию отработавших газов, раскручивает турбину, которая раскручивает воздушный насос. Скорость вращения турбины достигает 150 000 оборотов в минуту,  что примерно в 30 раз превышает скорость вращения двигателя автомобиля.

Работа двигателя с турбокомпрессором .
Самый простой способ увеличить мощность двигателя, это увеличить количество воздуха и топлива, поступающего в двигатель. Один из способов это добавление цилиндров, или увеличение их объёма. Иногда, внести такие изменения нет возможности и проще установить турбину.
Турбокомпрессор позволяет двигателю сжигать больше топлива,  «упаковывая» больше воздуха в уже имеющийся цилиндр. Типичное значение увеличения давления составляет от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм. При нормальном атмосферном давлении 14,7 фунта на квадратный дюйм, несложно подсчитать, что мы получаем прирост воздуха,  поступающего в двигатель, более 50%.
Теоретически мы ожидаем получить прирост мощности около 50%. В реальной жизни можно получить от 30 до 40%. Одной из причин такого несовпадения является то, что для раскрутки турбины требуется энергия.
 
Устройство турбокомпрессора.
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя. Выхлопные газы раскручивают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель.
Турбина соединена валом с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор — это тип центробежного насоса, который втягивает воздух своими лопастями и толкает его наружу. Он увеличивает давление воздуха, поступающего в цилиндр. Выхлопные газы проходят через лопасти турбины, заставляя её вращаться, и чем больше выхлопных газов проходит через лопасти, тем больше скорость вращения.
Для вращения со скоростью 150 000 об/м вал должен хорошо поддерживаться.
Большинство подшипников просто не выдержат таких скоростей и разрушатся, поэтому используются гидравлические подшипники. Это тип подшипника в котором непосредственную нагрузку от вала воспринимает тонкий слой жидкости. Таким образом, решается два вопроса:  первый — это охлаждение вала и остальных частей турбогенератора, второй — это уменьшение трения между валом и другими частями.

Основные части турбокомпрессора.
Одна из проблем связанная, с турбокомпрессором состоит в том, что он не обеспечивает мгновенное увеличение мощности при нажатии на педаль газа. Один из способов уменьшить это отставание — это уменьшить инерцию вращающихся частей,  в основном за счёт уменьшения их массы и размера. Это позволит турбине и компрессору быстрее ускоряться. Меньший турбокомпрессор будет обладать лучшей приёмистостью на низких оборотах двигателя, но не будет в состоянии дать значительный прирост на высоких оборотах. Также существует опасность разрушения турбины и компрессора на слишком больших оборотах.

Большинство автомобильных турбокомпрессоров оснащены перепускными клапанами (wastegate),  который позволяет использовать турбокомпрессор меньшего размера, сокращая задержку и предотвращая слишком быстрое вращение на высоких оборотах. Wastegate — это клапан, который позволяет выхлопным газам обходить турбину,  он чувствителен к давлению наддува. Если давление становится слишком высоким, это показатель того, что турбина вращается слишком быстро, таким образом, перепускной клапан создаёт путь для обхода выпускными газами, лопастей турбины.
Некоторые турбокомпрессоры используют шариковые подшипники для поддержки вала турбины. Но это необычные шариковые подшипники, это высоко прецизионные шариковые подшипники, сделанные из улучшенных материалов, способные справиться с высокой скоростью и температурой. Они позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем гидродинамические подшипники, применяемые в большинстве турбокомпрессоров.
Они также позволяют слегка уменьшить и облегчить используемый вал,  что позволяет турбине быстрее ускоряться,  ещё больше уменьшая отставание.
Керамические лопасти турбины легче чем металлические,  применяющиеся в большинстве турбокомпрессоров,  они тоже способствуют более быстрому ускорению и уменьшению задержки.
 
В некоторых двигателях применяют два турбокомпрессора разных размеров. Меньший раскручивается очень быстро, тем самым уменьшая отставание,  а больший схватывает на более высоких оборотах, чтобы обеспечить больший прирост мощности.
При сжатии давление воздуха увеличивается,  а температура повышается. Чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить количество молекул воздуха в цилиндре, необязательно повышая давление. Интеркулер — это система для охлаждения нагнетаемого воздуха, является дополнительным компонентом,  который выглядит как радиатор. Входящий воздух движется через герметичные проходы внутри охладителя, в то время как холодный воздух, нагнетаемый лопастями вентилятора, обдувает радиатор. Интеркулер дополнительно увеличивает мощность двигателя, охлаждая нагнетаемый турбиной воздух, прежде чем он попадёт в двигатель.
Турбокомпрессор помогает двигателю работать на высоте, где воздух менее плотный. Обычные двигатели будут иметь пониженную мощность на больших высотах, потому что в двигатель на каждом такте будет поступать меньше кислорода.
На старых авто с карбюратором, автоматически увеличивается подача топлива при увеличении воздуха,  поступающего в цилиндры. В современных инжекторных двигателях то же есть такой механизм, он основан на анализе выхлопных газов с помощью датчиков кислорода, так же известных как лямбда-зонд.
Если турбокомпрессор поставить на инжекторную машину, система топливоподачи может не обеспечить достаточное количество топлива. Причин может быть две: либо программное обеспечение не позволит сделать это, либо топливный насос.
 
А вы знаете что…
средняя температура возле турбинного колеса: в дизельных двигателях 800 градусов Цельсия, а в бензиновых 1000 градусов! Такой температуры хватит чтобы расплавить стекло!
ротор турбокомпрессорного двигателя нового поколения может вращаться со скоростью до 220000 об./мин. Для примера ротор реактивного двигателя самолёта Боинг 747 крутится со скоростью 7000 об./мин.
Турбокомпрессор раскручивается с 20000 до 150000 менее чем за 1 сек.  

hubstub.ru

Хитрости о турбине (для себя) — DRIVE2

Всё о турбинах — какие обороты у турбины
12-06-2010, 00:12

История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885 — 1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1952 г. швейцарский инженер Альфред Бюши впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 40%. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.

Сфера использования первых турбокомпрессоров ограничивалась чрезвычайно крупными двигателями, в частности, корабельными. В автомобильной сфере первыми начали использовать турбокомпрессоры производители грузовых машин. В 1938 г. на заводе «Swiss Machine Works Sauer» был построен первый турбодвигатель для грузового автомобиля.

Первыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962 — 63 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.

Нефтяной кризис 1973 г. подтолкнул исследования в области применения турбокомпрессоров на коммерческих дизельных двигателях, так как до этого развитие турботехнологий задерживалось необходимостью больших капиталовложений в развитие технологии, а также низкой стоимостью топлива. Ужесточение экологических требований по выхлопным газам в конце 80-х привело к значительному увеличению количества грузовиков, оснащенных турбокомпрессорами. На сегодняшний день уровень развития турботехнологий достиг настолько высокого уровня, что практически каждый двигатель грузового автомобиля оснащен турбокомпрессором.

Начало использования турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка «турбо» стала входить в моду. В то время почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. Задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой на первых образцах этого оборудования, что также являлось серьезным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.

Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошел с выпуском в 1978 г. Mercedes — Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes — Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel. При помощи турбокомпрессора производителям удалось увеличить эффективность работы дизельного двигателя до уровня бензинового, сохранив при этом значительно более низкий уровень выброса в атмосферу выхлопных газов.

На сегодняшний день установка турбокомпрессора на бензиновый двигатель скорее рассматривается как способ сокращения потребления топлива и, таким образом, уменьшения уровня выброса СО2 и других вредных веществ. Таким образом, турбодвигатели служат способом уменьшения расхода энергоносителей и уменьшения выбросов в окружающую среду.

Применение наддува
Применение надува. Мощность двигателя с наддувом в значительной мере пропорциональна давлению наддува. Это позволяет ориентировочно оценить значение мощности, получаемое при надуве двигателя, по формуле:

Pek = Pe x (pka / p0)

Где Pek — мощность двигателя с наддувом; Pe — мощность двигателя без наддува; pka — абсолютное давление наддува; p0 — атмосферное давление.

Применение наддува влечет за собой увеличение и тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов.

Система охлаждения также должна быть рассчитана на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением — увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.

Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность надуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначался для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают.

Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет важное значение, особенно для бензиновых двигателей. В этой связи необходимо различать степень сжатия геометрическую сжатия и эффективную.

Для пояснения здесь следует вспомнить формулу для определения геометрической степени сжатия, которая имеет вид:

E = ( Vs + Vc ) / Vc

Где Vs — рабочий объем цилиндра; Vc — объем камеры сгорания. Т.е. геометрическая степень сжатия (далее — степень сжатия) представляет собой отношение полного объема над поршнем (при положении поршня в НМТ) к объему над поршнем при положении его в ВМТ.

Компрессоры
Всякий раз, когда речь заходит о гоночных или спорти

www.drive2.ru

Интересно про турбонаддув — DRIVE2

Виды наддува

Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение — повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции. Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный — на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах — еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном — тогда воздуха в цилиндре «поместится» больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

Виды наддува

В ДВС применяют три типа наддува:

• резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)
• механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя
газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение
• потоком отработавших газов.

У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.

Резонансный наддув

Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно — достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент. Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах, при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха. Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.
Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.
Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым. Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагне

www.drive2.ru

Базовые знания о турбонаддуве (часть 2). Подбор турбины по турбокарте — DRIVE2

Привет всем неравнодушным!))

Продолжаем тему турбонаддува. Сегодня предлагаю разобрать на конкретном примере подбор турбокомпрессора на конкретный двигатель, научиться пользоваться турбокартами, ну и получить еще немного теории в вопросах турбомоторов.

Сразу оговорюсь, что расчет в итоге получится теоретическим и довольно грубым, для более точного расчета нужно вносить поправки, которые рассчитываются по-своему и займут добрую половину этой статьи, поэтому для них я выделю отдельную тему, а сейчас я вам дам теорию в вопросе подбора турбины.

Перед тем как приступать к самому интересному, я разъясню вам некоторые термины, без которых будет трудно понять о чем здесь.

Абсолютное и относительное давление.

Под термином абсолютного давления подразумевают — давление относительно полного вакуума, на земле это давление принято считать равным 1 атмосфере.

Относительное давление — это давление относительно атмосферного. Оно может быть как больше, так и меньше его.

Избыток — под понятием избытка в ДВС понимают давление свыше атмосферного.

Оперировать мы будем абсолютными величинами.

Итак, перед тем как подбирать турбину, нужно проанализировать мотор, на который она будет установлена. Если мы устанавливаем турбокомпрессор на двигатель, который был изначально атмосферным, то все довольно просто: берете ноутбук и идете снимать лог расхода воздуха. По логу отстраиваете график зависимости расхода воздуха от оборотов, и получаете что-то вроде этого.

Скорость вращения двигателя указывается в об/мин, а массовый расход на данном графике в граммах в секунду.

Если же мотор изначально турбо, то снять логи расхода воздуха без повышения давления не получится, потому что воздух будет нагнетать уже имеющаяся турбина. В этом случае можно воспользоваться расчетным методом расхода воздуха.

Расход воздуха в этом случае, высчитывается по формуле:

расход воздуха = V х RPM х 0,5 х E / 1000000

Где

V=Объем (куб./см.)

RPM= скорость вращения двигателя (об./мин.)

0,5= это добавочный коэффициент, указывающий на количество тактов впуска. (За два оборота коленчатого вала, двигатель совершает 1 такт впуска)

E= Коэффициент наполнения

1000000 служит для преобразования кубических сантиметров в кубические метры.

Здесь отдельное внимание нужно уделить коэффициенту наполнения, но это тема для совсем другой статьи, поэтому возьмем усредненное значение 0,85.

Выстраиваем график расхода воздуха, пользуясь формулой выше, для каждой тысячи оборотов свое значение расхода. Для примера возьмем двигатель 1.8.

1800 x 1000 x 0,5 x 0,85 / 1000000 = 0,76м3/мин, сразу же переводим объемный расход в массовый. Перевести его можно по формуле:

Qm=ρ*Q

где:

ρ — плотность воздуха;

Q — объёмный расход.

Плотность воздуха меняется в зависимости от его температуры и еще ряда факторов, которые мы учитывать не будем. Возьмем плотность воздуха при температуре +20 градусов и нормальном атмосферном давлении в 1 атм — 1,204 кг/м3.

1,204*0,76=0,915 кг/мин

Сразу же предлагаю конвертировать метрические единицы в американские т.к. турбокарты обычно строятся в единицах Lb/mib (фунты в минуту). Конвертируем по такому курсу 1кг/мин=2.205 lb/min

0,915 кг/мин = 2.017 lb/min

Получился вот такой график:

Стоит отметить, что в реале этот график будет более изогнут, т.к. мы не высчитывали такую переменную, как коэффициент наполнения, она будет меняться в зависимости от строения газораспределительного механизма, на высоких оборотах он будет меньше.

Теперь рассмотрим такой параметр, как pressure ratio, дословно переводится как — степень повышения давления. Этот параметр говорит нам о том, во сколько раз компрессор сжал воздух. Посчитать его можно по формуле

PR = Pcr/Pin
Где:
PR — соотношение давлений
Pcr — абсолютное давление на выходе компрессора
Pin — абсолютное давление на входе компрессора

Допустим, что мы хотим дунуть в наш двигатель 1 атм. избытка. В голове держим правило, что наддув это давление относительное, а мы оперируем абсолютными величинами, поэтому прибавляем к наддуву 1 атм. атмосферного давления и запоминаем 2 атм. абсолютного давления. Pressure ratio будет равно PR = Pcr/Pin = 2.0/1.0 = 2.0

В реальности по такой формуле рассчитать Pressure Ratio можно только для гоночного автомобиля, или для автомобиля без воздушного фильтра, т.к. параметр Pin — абсолютное давление на входе компрессора, будет меньше из-за создаваемого воздушным фильтром разряжения оно колеблется от 0.03 до 0.10 атм, но мне встречались двигатели, в которых этот параметр достигал 0.12 атм. Поэтому для расчета PR нужно вносить поправки… Предположим, что на нашем двигателе разряжение перед компрессором 0.06 атм; тогда расчет получается таким

PR = 2.0/(1.0-0.06) = 2.0 / 0.94 = 2.127

Степень повышения давления мы выяснили, осталось выяснить каков будет расход воздуха на бусте и нанести все это на turbomap. Как известно, при повышении давления масса воздуха растет пропорционально, мы не будем вносить поправки на повышение температуры при сжатии, будем считать, что интеркуллер и обдув остудят воздух до входной температуры. Из этого следует, что весь наш график надо умножить на PR, который мы получили чуть выше т.е. на 2.127.

Получается вот такая кривая

www.drive2.ru

Почему возникает турбояма? — DRIVE2

Турбояма — это провал при наборе оборотов двигателя в следствие инерции турбины. Водитель нажимает на педаль газа, а автомобиль не сразу ускоряется и делает это рывком. Почему?

Самый простой способ увеличения мощности двигателя — добавление большего количества топлива. Но! Если просто залить больше бензина в цилиндр, это приведет к его неполному сгоранию, что незамедлительно снизит потенциал лошадиных сил. Попросту будет недостаточно кислорода для ускорения процесса сгорания. Так именно для лучшего сгорания увеличенной дозы топлива и был создан турбокомпрессор, подающий большее количество кислорода в цилиндры автомобиля. Попросту он добавляет дополнительное количество воздуха.

Основные элементы турбины — две крыльчатки, находящиеся на одном валу, но расположены в отделенных друг от друга герметичных камерах. На одну крыльчатку подаются выхлопные газы, заставляя ее вращаться. Вторая же крыльчатка из-за жесткой связи через вал вращается с той же скоростью, но подает в цилиндры чистый воздух.

Как определить турбояму?

Скорость вращения турбины хоть имеет зависимость от количества оборотов двигателя, но совершенно не сопоставима с этим числом. Рабочая скорость вращения элементов турбины может достигать 150 000 об/мин. То есть чем больше газов выхлопа подается на крыльчатку турбины, тем больше ее обороты, а значит она будет поставлять больше свежего воздуха.

Перепускной клапан — важный элемент в устройстве турбины, ограничивающий количество ее оборотов. Клапан сбрасывает часть давления отработанных газов. Тем самым он уберегает двигатель от разноса. Тут и проявляется самый главный недостаток турбины. Упавшее давление и сниженные обороты за счет компенсации давления клапаном, понижают мощность, драйвер нажимает на педаль газа, а эффект нужно ждать некоторое время. Ведь, зная потенциал своего автомобиля, оснащенного двигателем с турбиной, водитель ожидает мгновенного ускорения при любом нажатии на педаль газа.

Иными словами турбояма — это задержка увеличения мощности и оборотов двигателя при резком нажатии на педаль газа. Но в большинстве случаев с проблемой турбоямы сталкиваются водители на малых скоростях и при малых оборотах двигателя. То есть, если вы движетесь с недостаточно раскрученным двигателем, в зоне малых оборотов турбины или в состоянии ее покоя, необходимо переключится на одну или несколько передач вниз. Тем самым вы повысите обороты двигателя и активируете турбину.

Можно конечно ускоряться и без перехода на низшую передачу. Но в таком случае топливо проходит путь от бака к цилиндру и в виде выхлопных газов попадает на крыльчатку с задержкой. А низшая передача мгновенно добавляет мощности мотору. Да и такой обгон будет гораздо безопаснее.


Что же делать с турбоямой?

Существует несколько проверенных и довольно эффективных способов для снижения или нивелирования эффекта турбоямы. Не стоит бежать в автомагазин в поиске другой «правильной» турбины.

• Постоянная работа коробкой передач — при переходе на низшую передачу эффект турбоямы исчезает. Но этот способ сказывается на уровне расхода топлива не лучшим образом.

• Чип-тюнинг. Очень эффективный, но и опасный спосо

www.drive2.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *