День: 02.02.1992

2Фев

Работа турбины видео: Принцип работы турбины на бензиновом двигателе

2 Фев 1992 alexxlab Комментировать

устройство, принцип работы системы (видео), схема дизельного двигателя с турбиной

Идея дополнительного нагнетания воздуха зародилась едва не сразу же после постройки первых полноценных двигателей внутреннего сгорания. Изначально использование энергии выхлопных газов для повышения мощности ограничивалась корабельными ДВС, позже двигатель с турбонаддувом пришел в авиастроение. И только в 1931 году первый турбокомпрессор был установлен на грузовой автомобиль. Что такое турбонаддув и как использование нагнетателей сказывается на КПД двигателя – тема сегодняшней статьи.

Теория газообмена в ДВС

Основной принцип работы 4-х тактного ДВС мы уже рассматривали, поэтому для автолюбителей, только начинающих свое изучение технической составляющей автомобиля, было бы крайне полезно ознакомиться со статьей для лучшего понимания предназначения турбонаддува.

Знание того, что двигатель внутреннего сгорания работает на воздухе, является основополагающим для понимания предназначения турбонаддува. Формулировка именно такова, поскольку подача в цилиндры топлива на современном этапе развития техники не является проблемой. Технически реализовать крайне производительный бензонасос, ТНВД и топливные форсунки очень просто. Одна из главных проблем в работе двигателя – подача в цилиндры воздуха. Чем больше окислителя мы можем подать в цилиндры, тем больший объем топливовоздушной смеси можно приготовить, а чем больший объем ТПВС мы имеем, тем большую отдачу мы получим при ее сгорании. В свою очередь, мощность, выдаваемая двигателем, напрямую зависит от работы, выполняемой при сгорании ТПВС.

Подача окислителя в цилиндры

В атмосферном двигателе всасывание воздуха происходит из-за разряжения, возникающего при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ). В теории мы имеем определенное идеальное количество воздуха, которое может поместиться в цилиндр, ограничивающееся объемом цилиндра. В действительности из-за всевозможных потерь цилиндр наполняется лишь на 70-80% своего объема. Именно в этом моменте раскрывается главное предназначение турбонаддува – принудительное нагнетание воздуха в цилиндры.

Используя турбокомпрессор, мы можем не только заполнить полностью цилиндры, но и даже превысить этот показатель, подавая воздух под давлением, что ведет к увеличению плотности на единицу объема и, как следствие, увеличению общей массы воздушного заряда.

Виды турбонаддува

Принципиальная разница заключается лишь в конструкции турбокомпрессора. Для дополнительного нагнетания воздуха могут использоваться:

  • турбина, которая приводится в действие энергией выхлопных газов. Конструктивно турбину можно представить как два вентилятора, которые расположены на одной оси. Один из вентиляторов сочленен с выхлопной системой автомобиля, второй располагается во впускном тракте. Выходящие на такте выпуска из цилиндра газы приводят в движении турбинное колесо. Поскольку оба «вентилятора» закреплены на одной оси, то колесо компрессора во впускном тракте также начинает вращаться, ускоряя тем самым прохождение воздуха. Чем выше обороты двигателя, тем большее давление выхлопных газов во впускном тракте, а чем большее давление на выпуске, тем быстрее будет вращаться турбинное колесо во впускном тракте. Соответственно, в цилиндры можно затолкнуть больше воздуха, подать больше топлива, сгенерировав больше выхлопных газов на выпуске. Подробно принцип работы рассмотрен в статье «Устройство турбины на пальцах«;
  • механический нагнетатель, известный еще как Supercharger или Kompressor. Нагнетатель раскручивается приводным ремнем от шкива коленчатого вала, поэтому выхлопные газы в работе компрессора никак не используются.

Турбина

Для контроля воздушного потока, а также сбрасывания избытка давления в горячей части используется wastegate. Избыточная скорость выхлопных газов приводит к тому, что воздушный поток срывается с лопастей колеса, снижая тем самым на ноль эффективность турбинного колеса. Также увеличение сечения выпускной системы, за которое и отвечает клапан вестгейта, уменьшает подпор выхлопных газов на высоких оборотах. Для повышения эффективности, уменьшение турбоямы и большей эластичности на авто устанавливаются турбины с изменяемой геометрией.

Интеркулер в системе турбонаддува предназначен для охлаждения воздушного потока. При повышении температуры плотность воздуха уменьшается, что ведет к уменьшению массы на единицу объема.

Характеристики системы

Особенности работы турбины:

  • наиболее эффективна в режиме высоких и средних оборотов;
  • очень низкая эффективность до момента, называемого выходом на буст. Еще больше ухудшает ситуацию уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации. Поэтому у авто с одноступенчатой системой турбонаддува присутствует турбояма, или турболаг;
  • так или иначе, но присутствует противодействие выхлопным газам на выпуске, что немного ухудшает КПД двигателя, хоть в целом турбонаддув позволяет увеличить мощность ДВС;
  • повышаются требования к качеству и периодичности замены моторного масла.

Механический нагнетатель

  • отсутствует инерционность, присущая турбине. Нагнетание дополнительного воздушного заряда увеличивается пропорционально увеличению количества оборотов ДВС и продолжается до момента срыва потока из лопастей;
  • наиболее эффективны в режиме низких и средних оборотов;
  • небольшое снижение КПД двигателя вследствие дополнительных потерь на трение.

Эксплуатация

Наибольшего распространения система турбонаддува получила на дизельных двигателях. В высокотехнологичных моторах часто применяются двухступенчатые системы наддува:

  • Biturbo – одна маленькая турбина для прибавки в мощности на низких оборотах и большая турбина для высоких оборотов;
  • Турбина + механический нагнетатель. Конструкцию и принцип работы такой системы мы рассматривали на примере двигателей TSI от Volkswagen Group.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

 

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува
— Увеличение рабочего объёма двигателя
— Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

 

 

 

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Ремонт турбин дизельных двигателей – неисправности, причины, устранение + видео » АвтоНоватор

Специалисты рекомендуют проводить ремонт турбин дизельных двигателей только в крайних случаях, если не обнаружены какие-либо другие поломки мотора. Поскольку может быть, что причина неисправности совершенно иная, а времени и сил будет потрачено много.

Ремонт турбин дизельных двигателей – изучаем устройство механизма

Турбина представляет собой крыльчатку, насаженную на вал, через который приводится в движение компрессор. Его корпус изготавливается из жаропрочного алюминиевого сплава, а вал делают из среднелегированной стали. Эти детали ремонту практически не поддаются и в случае выхода из строя их просто заменяют новыми.

Под улитку компрессора изготавливают алюминиевую отливку с местом под крыльчатку. Во время вращения компрессор затягивает через центральное отверстие воздух, после чего сжимает и по кольцевому каналу нагнетает в двигатель. Устройство данного механизма не отличается сложностью, но для его изготовления требуется высокая точность литья и минимальные допуски при подгонке деталей.

Ресурс турбины дизельного двигателя – как продлить срок?

Включение турбины происходит с первыми оборотами двигателя, а заканчивается несколько позже после его остановки. При запуске мотора выхлопные газы моментально попадают в улитку турбины, что приводит в движение вал с крыльчатками. На холостых оборотах давление выхлопных газов невелико, а потому скорость вращения турбины практически не влияет на объем воздуха, который подается в двигатель.

По мере роста оборотов происходит увеличение количества выхлопных газов, вследствие чего увеличиваются обороты турбокомпрессора, и турбина начинает работать в штатном режиме. Бытует мнение, что ресурс турбины дизельного двигателя невысок.

Это не соответствует действительности, он сравним по долговечности с ресурсом мотора. Но он немного меньше, что связано со спецификой работы (высокие обороты и жесткие температурные нагрузки).

Обычно ресурс турбокомпрессора снижается вследствие несоблюдения правил эксплуатации и нарушения рекомендаций производителей:

  1. несвоевременная замена масла;
  2. использование некачественной смазки;
  3. резкий набор оборотов на непрогретом двигателе;
  4. засор масляных каналов, в результате чего происходят перебои с подачей смазки;
  5. остановка горячего двигателя без выдержки на холостом ходу.

Еще одно заблуждение – срок службы турбины дизельного двигателя не зависит от уровня подготовки водителя. Как свидетельствует практика, в эксплуатации двигателя с турбиной нет ничего сложного. Для его бесперебойной работы необходимо соблюдать те же правила, что и при обслуживании обычного мотора. Только необходимо учитывать некоторые нюансы, которые изложены выше.


Эксплуатация дизельного двигателя с турбиной – секреты бережливости

Эксплуатация дизельного двигателя с турбиной требует регулярной проверки состояния воздушного фильтра, так как при его загрязнении создается повышенное давление на всасывании, что приводит к снижению производительности компрессора. Из-за высокой вязкости масла при запуске холодного двигателя ощущается дефицит смазки, поэтому турбинированный мотор требует основательного прогрева.

Далее рассмотрим основные признаки неисправности турбины дизельного двигателя:

  1. Черный выхлоп, двигатель не развивает максимальные обороты. Это может быть следствием недостаточного поступления воздуха, что бывает вызвано загрязнением воздушного канала или разгерметизацией выпускного коллектора. Довольно часто утечка наблюдается через неплотные соединения патрубков.
  2. О неисправности турбины может свидетельствовать синий цвет выхлопных газов. Причиной может быть попадание масла в выхлопной коллектор. В этом случае необходимо проверить целостность роторов и состояние сливной системы, идущей от турбины к двигателю. Иногда в ней образуются засоры или сужения.
  3. Иногда неисправности турбины дизельного двигателя приводят к его громкой работе. Для определения причины необходимо тщательно проверить герметичность трубопроводов, а также легкость вращения оси компрессора. Возможно, роторы повреждены, деформированы или слишком потерты. В этом случае потребуется демонтаж всего узла для осмотра и ремонта.
  • Автор: Андрей