Что такое турбина — принцип работы в авто

Первый турбонагнетатель был установлен на мотор биплана Lepere. Запатентовать идею использования энергии выхлопных газов для раскручивания крыльчатки и подачи увеличенного количества сжатого воздуха в цилиндры получилось у швейцарца Бюши в 1905 году. С тех пор автомобильные инженеры-конструкторы постоянно пытаются повысить мощность ДВС за счет турбин.

Сейчас же турбокомпрессорами оснащены уже практически все моторы. Даже агрегаты с небольшими объемами получаются мощными и экономными. Однако из-за некачественного масла, а также несвоевременного обслуживания система наддува может быстро выходить из строя, провоцируя поломки смежных узлов. Разберемся, как работает турбина, из каких комплектующих она состоит и как самостоятельно проверить ее на предмет поломок.

Содержание:

1. Что такое турбина
   • Из чего состоит автомобильная турбина
   • Где расположена турбина в авто
   • Какие бывают виды турбин
   • Когда включается турбина на дизельном и бензиновом двигателе
   • Что дает турбина автомобилю и насколько она повышает мощность
2. Как работает турбина на автомобиле
   • Принцип работы турбокомпрессора
   • Технологии Twin-turbo и Biturbo
3. Как проверить работает ли турбина на автомобиле
4. Как правильно ездить на дизеле с турбиной
5. Плюсы и минусы турбонаддува

Что такое турбина

Современный турбокомпрессор – это такое устройство, которое способно сделать мотор более мощным. При этом увеличения габаритов самого силового агрегата не требуются. Турбина позволяет повысить мощностные характеристики двигателя в среднем на 40 %.

Мощность увеличивается за счет сгорания большего количества бензина или дизтоплива. Но подача горючего должна быть грамотной. Без дополнительной порции воздуха процесс горения не состоится. Недогоревшие излишки топлива будут накапливаться, провоцируя образование повышенной дымности, перегрев двигателя и прочие неполадки. Структура оптимальной топливно-воздушной смеси состоит из 1 части горючего и 14,7 частей воздуха, зависит от типа мотора, а также режима работы.

До эпохи турбин, американцы пытались повысить мощность за счет увеличения объема цилиндров, чтобы в двигатель могло затягиваться из атмосферы большее количество воздуха. Их силовые агрегаты имели огромные размеры и недопустимый расход топлива.

Двигатель Chrysler Hemi V8, объем 5,4 л. / 1952 г.

В 1885 году Готтлиб Вильгельм Даймлер придумал первый нагнетатель, принудительно загоняющий воздух в цилиндры. Это был компрессор (в виде вентилятора), привод которого осуществлялся от вала двигателя. Бюши в 1905 году качественно переработал конструкцию, что позволило уменьшить размеры и вес дизельных двигателей. В качестве движителя энергии стал использоваться выхлоп. В общем, так был придуман турбонаддув и турбина.

Альфред Бюши запатентовал первый турбокомпрессор в 1905 г.

Из чего состоит автомобильная турбина

Сейчас выпускается несколько типов турбин для авто. Они различаются комплектующими, типом управления и прочими характеристиками. Рассмотрим составные части классической модели исполнения турбины.

Структура турбины:

• Общий корпус – деталь должна быть изготовлена из жаропрочной стали. По своей форме она напоминает улитку с 2-мя патрубками, направленными в разные стороны. Крепление в системе принудительного наддува осуществляется посредством фланцев.
• Турбинное колесо – производится из железоникелевых сплавов и других жаропрочных материалов. Сами крыльчатки турбины зафиксированы на валу. Раскручиваясь они преобразовывают энергию выхлопных газов во вращение оси. Количество лопастей бывает от 9-12 шт.
• Компрессорное колесо – чаще всего эту комплектующую изготавливают из алюминия. Материал выбран не случайно, он помогает снижать потери энергии полученные от колеса турбины. Во время своего вращения компрессорное колесо нагнетает сжатый воздух в цилиндры дизеля или бензинового двигателя.
• Вал турбины – металлическая ось, с одной стороны которой расположено турбинное колесо, с другой – компрессорное.
• Шарикоподшипники (подшипники скольжения) – в зависимости от модели турбины в конструкции может быть 1-2 таких подшипников. Они используются для фиксации вала внутри корпуса турбокомпрессора. Смазка деталей обеспечивается общей системой смазки силового агрегата.
• Перепускной клапан – с помощью узла производят управление мощностью турбонаддува. Клапан имеет пневматический привод и регулируется посредством системы ЭБУ мотора.

Это стандартная структура турбины. Бывают также модели с изменяемой геометрией. Отличаются они механизмом управления и приводом. Лопатки в таких системах поворотные – позволяют регулировать проходное сечение для потока выхлопа под особенности работы двигателя.

Клапан управления или актуатор турбины бывает вакуумным или электронным. Кроме того, некоторые турбокомпрессоры оснащены интеркулером, который охлаждает сжатый воздух перед подачей в цилиндры.

Несмотря на конструктивные отличия, все турбины выполняют одну и ту же задачу – повышают мощность мотора.

Где расположена турбина в авто

В машине турбина стоит в непосредственной близости к мотору. Но место расположения турбины зависит от двигателя и типа турбокомпрессора: одинарные, двойные и т. д.

Одинарная классическая турбина обычно устанавливается на силовые устройства с рядным размещением цилиндров. Где происходит использование энергии отработанных газов абсолютно от всех цилиндров мотора. Воздух подается во все цилиндры сразу.

На двигатели с цилиндрами, размещенными V-образным образом, обычно ставят двойные турбины. Когда два турбокомпрессора, увеличить мощность силового агрегата легче. В таких моделях турбин может быть установлен перекрестный выпускной коллектор. В нем аккумулируются выхлопные газы из всех цилиндров, что дает возможность повысить мощность энергии выхлопа. В результате газы быстрее раскручивают крыльчатку турбины и увеличивают давление в ней.

Двигатель с турбиной VW (с разных сторон)

В общем, в автомобиле турбокомпрессор размещают между впускным и выпускным коллекторами. У переднеприводных машин турбина будет расположена слева от двигателя, заднеприводных – справа.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией работает по особой технологии. Она дает возможность создать мощные воздухопотоки уже на низах и перенаправить геометрию сопла турбины. Место расположения турбины, как и у классических вариантов, зависит от привода авто.

Какие бывают виды турбин

Существует несколько типов турбокомпрессоров. Условно их можно разделить на три группы: электрические, механические или компрессор, а также турбины, работающие от выхлопных газов. Они отличаются материалами изготовления, мощностью и другими параметрами.

Кроме того, выпускается большое количество подтипов турбин, например, с изменяемой геометрией, последовательная Twin Turbo и прочие. Работает каждая модель турбины по своему особому алгоритму. Пройдемся по конструкции основных групп.

Механические компрессоры

Механический компрессор

Нагнетатель компрессорного типа подключают непосредственно к двигателю через ременную передачу – соединяют вал компрессора и вращающий коленчатый вал. Работает агрегат, только когда запущен мотор автомобиля. Диапазон оборотов в минуту от 18-20000.

Во время функционирования механического вида нет запредельных температур и не появляется эффект турбоямы. Такое оборудование требует минимум ухода и имеет довольно надежную конструкцию. Однако мощность компрессор способен повысить всего на 5-10 %. Да и найти такой агрегат в продаже сейчас довольно сложно. Турбины практически вытеснили конструкцию из обихода.

Стандартные турбины

Турбокомпрессор

Приводом для турбины являются отработанные газы. Они раскручивают крыльчатки с валом до 200000 об/мин. В общем, улитка нужна, чтоб нагнетать большое количество воздуха в цилиндры для обогащения топливно-воздушной смеси. На сегодняшний день это самый производительный вариант системы наддува, он способен повысить мощность силового агрегата до 30-50%.

Турбокомпрессор работает с сильно нагретыми выхлопными газами, температура может доходить вплоть до 950 °C. Эта особенность отражается на ресурсе устройства. Бывает, что уже через 20-50 тыс. км. пробега свистит турбина или появляются другие признаки поломок. Но при своевременном обслуживании таких неприятностей можно избежать и ТКР будет служить столько же, как и двигатель.

К слабым сторонам классических турбин можно отнести требовательность к качеству топлива, возможность возникновения эффекта «турбоямы» и масложор, появляющийся в результате неправильной эксплуатации. Производительность у агрегатов большая, но они требуют бережного отношения к себе.

Автоконцерны пытаются продлить ресурс систем турбонаддува, постоянно модернизируя турбины. Возможно, уже скоро появятся модели, которые будут служить значительно дольше.

Электрический тип турбин

Электрическая турбина

Электротурбины сочетают в себе свойства классических улиток и механических компрессоров. Разработкой гибридных устройств сейчас занимается большое количество компаний. Например, Garett делает свои турбины с небольшим электродвигателем. Он принудительно подкручивает колесо, если есть вероятность возникновения турбоямы. Обычно такое случается на низких оборотах.

Сама технология электрических турбин разрабатывается уже давно. В Garrett продвигают турбину, которая совмещена с электродвигателем. Именно такими системами надува хотят оснастить свои автомобили Mercedes-Benz. Электрический двигатель тут может функционировать в качестве генератора, и как мотор. VAG же, наоборот, разрабатывает агрегаты с раздельным электрокомпрессором и турбиной. Под зарядку АКБ схема не подходит.

К достоинствам электрических турбин относят мгновенное раскручивание, отличную производительность и долгий ресурс. Однако есть и недостаток – нужно много энергии.

Когда включается турбина на дизельном и бензиновом двигателе

С экономической точки зрения турбины очень выгодно устанавливать на автомобили. Это проще, чем повысить объем цилиндров или увеличить их количество. Поэтому уже половина выпускаемых моделей авто оснащены турбокомпрессорами: 20% бензиновые агрегаты, 80% — дизельные двигатели.

В работу турбина включается после запуска турбомотора. Даже на холостом ходу отработанные газы потихоньку раскручивают лопасти турбины. Когда обороты повышаются, производительность системы наддува увеличивается.

Показатель номинального давления турбины зависит от типа машины: спортивные варианты в пределах 3,4 бар, обычные легковые – от 1,4-2,5 бар. Если при проверке манометром, включенным в цепь управления ТНВД, полученные значения выше или ниже допустимых, значит, имеют место поломки системы турбонаддува. Проблемы могут крыться в ограничивающем клапане или засоренном воздушном фильтре, а возможно пора уже почистить геометрию турбины. При наличии отклонений нужна качественная диагностика турбокомпрессора.

Максимальная эффективность наддува дизелями доступна при 1800-4000 оборотах коленчатого вала. В это время турбинное колесо раскручивается до 150000 об/мин. Самая верхняя точка производительности достигается на 3000-4000 об/мин. Все что выше может спровоцировать перегрузку, поэтому в конструкции системы наддува имеется перепускной клапан, сбрасывающий лишнее давление.

Что дает турбина автомобилю и насколько она повышает мощность

Турбину устанавливают, чтобы повысить мощность на высоких и средних оборотах – до 30-50 %, в зависимости от модели двигателя. На скорость автомобиля она не влияет, но динамику разгона улучшает прилично.

Итак, что же дает турбина:

• Экономию топлива — чтобы разогнать атмосферник до таких показателей потребуется на 30-40 % больше горючего.
• Турбина позволяет добиться высоких показателей мощности без увеличения размеров мотора.
• Турбина уменьшает количество вредных веществ в выхлопе.
• Работает тише атмосферных двигателей без турбины.
• Турбина оптимизирует свойства автомобиля: исключает вероятность переключения передач во время движения в пробках, улучшает крутящий момент.
• Турбина делает машину более безопасной, так как воздушно-топливная смесь сгорает полностью.

Топливо турбина экономит, а вот расход масла увеличивает. Все дело в том, что турбокомпрессор требует качественной смазки и низкосортное масло тут применять нельзя.

В среднем ресурс турбины на дизеле составляет 250 000 км, на бензиновом моторе немного меньше – до 150000 км. Но срок «жизни» системы напрямую зависит от особенностей езды и обслуживания.

Как работает турбина на автомобиле

Турбина в автомобиле находится в непосредственной близости к двигателю, но жесткой связи с коленвалом силового агрегата она не имеет. Эффективность работы системы и скорость вращения крыльчаток турбины зависит от числа оборотов мотора.

Принцип работы турбокомпрессора

Работает турбокомпрессор от энергии выхлопных газов. Когда в моторе сгорает топливно-воздушная смесь образуются отработанные газы, которые выходят через выхлопную трубу. В выпускном коллекторе размещена крыльчатка, соединенная валом с другой крыльчаткой, установленной во впускном коллекторе.

Принцип работ турбокомпрессора

Выходящий выхлоп раскручивает колесо турбины, приводящее в движение вал ротора с компрессорным колесом. А уже компрессорное колесо сжимает воздушный поток, направляет его в интеркулер (если он есть) и далее в цилиндры. Так в турбомотор попадает больше воздуха и больше топлива. Такая топливно-воздушная смесь лучше сгорает, увеличивая мощность силового агрегата.

От количества выхлопных газов, попадающих в турбину, зависит скорость вращения крыльчаток. Чем их больше, тем больше воздуха будет попадать в цилиндры. Но сами по себе отработанные газы очень горячие, они способны перегревать турбокомпрессор и чрезмерно нагревают воздух. Поэтому во многих моделях в конструкцию турбонаддува включен интеркулер – радиатор охлаждения. Попадая внутрь этого радиатора воздушный поток остывает до нужной температуры и только тогда направляется в цилиндры. Это значительно повышает КПД и дает возможность минимизировать риск закипания двигателя.

В общем, турбина позволяет снять даже с малого рабочего объема приличную мощность. При этом нет необходимости увеличивать вес двигателя. Потери на трение также минимальны. Эти преимущества делают турбомоторы очень востребованными. Они более экономны, если сравнивать с атмосферниками такой же мощности.

Технологии Twin-turbo и Biturbo

Классические турбины не лишены и недостатков. Их крыльчатка способна разогнаться до 200000 об/мин. Большая инерционность агрегата способствует образованию «турбоямы» — задержка увеличения мощности мотора, появляющаяся при резком нажатии на педаль газа. А после выхода из «турбоямы» имеет место чрезмерное увеличение давления наддува, так называемый турбоподхват.

Чтобы уменьшить инерционность и избежать негативных последствий турбокомпрессоров были разработаны новые технологии для создания турбин — «Битурбо», а также «Твинтурбо». И в первом, и во втором варианте используется две небольшие турбины. Особых отличий в конструкциях устройств нет. Производители просто по-разному называют сдвоенную турбину.

Технология Twin-turboТехнология Biturbo

Двойные турбины позволяют избежать «турбоямы». Помогают снизить расход топлива и увеличить мощность мотора. Различаются комбинированные турбокомпрессоры схемами подключения.

Вариации подключения наддува:

• Параллельная схема – обе турбины работают параллельно друг другу. Воздушный поток сначала нагнетается во впускной коллектор, смешивается с горючим, а после подается в камеру сгорания и цилиндры. Схема используется для дизелей.
• Последовательно-параллельная схема – одна турбина все время функционирует, вторая включается только при увеличении нагрузки. За управление и переключение режимов отвечает специальный клапан, работу которого контролирует ЭБУ мотора. Такая схема обеспечивает плавный разгон, хороший подхват без задержек, что исключает вероятность возникновения «турбоямы».
• Ступенчатая схема – установлены турбины разного размера. Они имеют последовательное соединение с выпускным, а также впускным коллекторами. Внутри каналов расположены перепускные клапаны, регулирующие поток отработанных газов и воздуха. Работает система в 3 режимах. При небольшой нагрузке клапаны закрыты и выхлоп проходит по каналам обеих турбин, но лопасти большого компрессора практически не вращаются. С ростом оборотов турбомотора открывается один клапан, и большая улитка начинает активно вращаться, сжимая воздух и передавая его на малое колесо. На максимальных оборотах происходит 100 % открытие обоих клапанов. Выхлопные газы попадают сразу же в большую турбину, а далее нагнетаются в цилиндры. Ступенчатый тип идеален для дизельных двигателей.

Турбины Twin-turbo или Biturbo устанавливаются на дизели, а также бензиновые моторы. В бензиновых агрегатах системы более требовательны к заливаемому топливу. Использовать стоит бензин с высоким октановым числом, иначе появится детонация, а также нестабильная работа турбомотора.

К достоинствам технологий «Битурбо», а также «Твинтурбо» следует отнести отсутствие явления «турбоямы», отличную динамику, более экологичный выхлоп и существенную прибавку мощности. Недостатков у турбин не так много, но они есть: сложная конструкция, стоят дороже классических турбин, относительно дорогой ремонт.

Как проверить работает ли турбина на автомобиле

Зачем нужно периодически проверять исправна ли турбина? Потому что агрегат сам по себе не ломается. Если наблюдаются изменения в работе агрегата, то в большинстве случаев это результат выхода из строя соседних узлов. Хотя внутренние детали турбокомпрессора тоже могут изнашиваться и требовать замены.

Невозможно не заметить сбои в работе турбины. Сразу же меняются ходовые качества — куда бы вы не поехали автомобиль нормально разогнать не получается. Особенно ухудшение динамики наблюдается при движении на подъем. Мотор очень плохо набирает обороты. Появляются и другие неприятные признаки выхода из строя системы турбонаддува: выхлоп меняет цвет, масложор и т. д.

Точную диагностику неисправностей турбины делают в сервисе на специальном оборудовании. Чтобы выполнить такую проверку турбокомпрессор нужно демонтировать, что не всегда удобно. Однако есть способы, помогающие проверить турбонагнетатель без снятия с мотора.

Самостоятельная диагностика турбины:

1. Послушайте, как работает турбина на холодном двигателе – скрежет, звук разбитого подшипника, свист или даже громкая работа свидетельствуют о поломках.
2. Проверьте динамику авто на прогретом двигателе – медленный набор скорости и «провалы» тяги также являются признаками неисправностей.
3. Проверьте масло – открутите крышку заливной горловины, если она черная и вся в саже, пора в ремонт.
4. Обратите внимание на расход масла – в норме до 1 л на 3-4 тыс. км.

Кроме того, при поломках турбины на панели приборов загорается значок «Check engine».

Проверить турбину на дизеле можно и с помощью патрубка, соединяющего улитку и впускной коллектор. Для проведения диагностики понадобится помощник. Следует запустить двигатель, пережать этот патрубок и отпустить его. Второму человеку нужно погазовать около 3-х секунд. В исправном турбокомпрессоре патрубок раздуется под действием давления.

При осмотре узлов системы турбонаддува следуете помнить, что крыльчатки турбины должны быть без зазубрин и прочих повреждений. Если имеет место дефект лопаток, нужно решать, как лучше поступить: ремонтировать или купить новую турбину.

Некоторые поломки невозможно обнаружить без снятия турбокомпрессора. После демонтажа турбины проверяют наличие люфта: радиального и осевого. В первом варианте допускается не более 1 мм, осевой люфт – 0,05 мм.

Тщательно обследовать следует и корпус турбины, а также проверить на герметичность все патрубки. Если в системе имеется интеркулер, его также необходимо осмотреть. Внутри радиатора не должно быть масла (допускается до 30 мл).

Чтобы турбина долго не ломалась и смогла отработать заявленный производителями ресурс нужно вовремя ее обслуживать. На срок службы влияет и манера вождения.

Как правильно ездить на дизеле с турбиной

Слишком активная езда без охлаждения может быстро вывести турбину из строя. Поэтому после интенсивных «покатушек» нужно постоять несколько минут на холостых и только потом глушить мотор. За это время циркулирующее масло охладит конструкцию турбины до нормальной температуры.

Чтобы долго не ждать остывания турбомотора, рекомендуется перед парковкой ехать в спокойном режиме. А если надолго попали в пробку, то не стоит резко ускоряться. Иначе можно спровоцировать критический перегрев, ведь двигатель с турбиной и так будут слишком нагреты от длительного простоя без движения.

Турбина постоянно подвергается высоким нагрузкам. В процессе езды лучше придерживаться средних оборотов. Иногда необходимо разгонять двигатель до очень высоких оборотов, чтобы в системе турбонаддува активировался естественный процесс очистки.

В зимнее время нужно мотору и турбине дать немного прогреться и только потом трогаться. Нельзя допускать перегазовок. Особое внимание должно уделяться качеству масла и горючего. Вовремя нужно менять моторное масло и фильтры.

Ну и, конечно же, следует часто проверять уровень моторного масла, а не только перед дальней поездкой. Если уровень падает, подшипники недополучают необходимого количества смазки. Это приводит к быстрому износу деталей турбины. Тут уже нужно разбираться, куда уходит масло. Возможно сломался масляный насос или масляная система разгерметизировалась.

Бережная езда и своевременное обслуживание уберегут турбину от выхода из строя. При своевременном обнаружении поломок возможен ремонт турбины своими руками. Иногда достаточно лишь подтянуть хомуты или заменить ремкомплект.

Плюсы и минусы турбонаддува

Неоспоримым достоинством двигателей с турбиной является повышенная мощность. С таким же объемом цилиндров атмосферник будет слабее на 30-50 %, зависит от модели. Однако в автомобилях с турбонаддувом есть и слабые стороны. Разберемся с преимуществами и возможными недостатками подробнее.

Преимущества турбины:

• Небольшие размеры двигателя – турбина дает возможность повысить мощность без увеличения габаритов силового агрегата. К примеру, 2-3-цилиндровый турбодвигатель по мощности сопоставим 4-цилиндровому атмосфернику.
• Экономия топлива – благодаря оптимизации структуры топливно-воздушной смеси и более эффективному процессу горения снижается расход горючего, если сравнивать с обеспечением таких же лошадиных сил на атмосферном моторе.
• Экологичность – в выхлопе машин с турбинами меньше вредных веществ, поскольку в цилиндрах происходит практически 100 % сгорание смеси. С утверждением новых Евро норм выпуск автомобилей с бензиновыми турбодвигателями увеличился на 25 %.
• Низкий уровень шума – во время движения автомобиля нет никаких вибраций. Исправная турбина работает очень тихо.

Недостатки турбины:

• Уменьшение ресурса двигателя – работа в режиме форсирования и повышенного давления провоцирует более быстрый износ деталей и узлов силовой установки.
• Чувствительность к топливу – бензиновые турбодвигатели требуют горючего с высоким октановым числом. Если заливать АИ-92, мотор быстро выйдет из строя.
• Турбины требуют частой замены масла – в смазке нуждается не только двигатель, но и узлы турбины. Поэтому масло быстрее израсходуется и загрязняется. К тому же, использовать нужно только дорогую качественную синтетику. Нарушение регламента замены смазочных материалов приводит к быстрой поломке турбокомпрессора.
• Дорогой ремонт – капремонт мотора необходим на пробеге от 200 тыс. км. Качественно починить двигатель с турбиной смогут не в каждой автомастерской. Чтобы проводить такой ремонт требуются вложения в специализированное оборудование, потому цена не может быть низкой.
• Заморочки с эксплуатацией – нужно правильно заводить авто, нельзя сразу глушить мотор после остановки и т. д.
• Эффект «турбоямы» — при резком нажатии на педаль газа автомобиль слабо реагирует, случаются так называемые провалы. То есть на низких оборотах машине с турбиной резко тронуться проблематично.

Турбины имеют много достоинств, но и минусов предостаточно. Хотя при правильной эксплуатации растраты на ремонт системы наддува будут минимальными. А от эффекта «турбоямы» помогают избавиться турбокомпрессоры с изменяемой геометрией и модели Biturbo/Twin-turbo.

зачем нужна, принцип работы и советы по эксплуатации. Турбояма.

 

Турбина двигателя является частью системы турбонадува, которая предназначена для дополнительной подачи воздуха в цилиндры двигателя.   Для работы двигателя необходимо определенное количество топливно-воздушной смеси. Чем больше смеси сгорает в двигателе, тем выше его мощность.

В обычном двигателе без системы турбонадува воздух в цилиндры всасывает поршень. Проблема состоит в том, что объем воздуха, который поступает в цилиндр, ограничен размерами самого цилиндра. И чтобы протолкнуть туда больше воздуха, нужно подавать его под высоким давлением.

Вывод: система турбонадува создана для того, чтобы подавать воздух в цилиндр двигателя под давлением.

Интересный факт: если на двигатель установить систему турбонадува, то его мощность увеличится на 30%.

 

 

Основной деталью системы турбонадува является компрессор. Это устройство сжимает воздух и подает его под давлением в цилиндры двигателя. Визуально компрессор представляет собой что-то наподобие вентилятора, который вращается и засасывает на себя воздух. Если снять крышку компрессора, то можно увидеть его крыльчатку. Крыльчатка работает как винт. Она как бы вкручивается в воздух и притягивает его на себя.

Как же заставить крыльчатку компрессора вращаться? Существует два типа привода, которые раскручивают крыльчатку:

• • Механический.  В таком случае компрессор вращается от двигателя через систему ремней.
• • Энергия выхлопных газов. Такое устройство по-научному называется турбокомпрессор (турбина).

Принцип работы турбокомпрессора основан на том, что выхлопные газы, которые выходят из цилиндра двигателя вращают, другую крыльчатку, которая называется турбина. Это крыльчатка находится на одном валу вместе с компрессором. Поэтому когда выхлопные газы закручивают нашу турбину, то вращается соответственно и компрессор, который нагнетает свежий воздух в цилиндры двигателя.

 

Турбояма: почему возникает и решение.

 

В конструкции турбокомпрессора есть один существенный недостаток. На низких оборотах двигателя энергия выхлопных газов слишком маленькая и не позволяет разогнать компрессорное колесо до необходимой частоты вращения.

К сведению: частота вращения колес достигает 150 тыс. оборотов в минуту и выше!

Есть такое понятие как турбояма. Она возникает, когда двигатель работает на низких оборотах и турбокомпрессор еще не работает. На практике это происходит следующим образом: вы стартуете с перекрестка и какое-то время машина, так скажем, тупит, а затем, когда обороты достигают нужного момента, включается турбокомпрессор и машина начинает резко ускоряться.

Первым решением для исключения турбоямы является использование двух турбокомпрессоров. Это решение называется Битурбо. Один турбокомпрессор работает на низких оборотах, второй – на высоких оборотах. Таким образом, когда вы разгоняетесь, работает одна из двух турбин.

Вторым способом борьбы с турбоямой является использование турбины и механического нагнетателя на низких оборотах. В таком случаем компрессор работает от механического привода, т. е. от двигателя. А на повышенных оборотах работает классический турбокомпрессор. Такое решение называется система двойного турбонадува

и широко используется в двигателях TSI концерна Фольксваген.

Третьим способом, чтобы исключить турбояму является использование турбокомпрессоров, в которых можно изменять геометрию направляющего аппарата.

Советы по эксплуатации турбины

В конструкции турбокомпрессора есть подшипники, на которых вращается сам вал. Т.к. частота вращения этого вала достигает 200 тыс. оборотов в минуту, то здесь не используются классические шариковые подшипники, а используются гидромеханические (скольжения). Такие подшипники требуют подачи масла под определенным давлением. Поэтому к подшипникам турбокомпрессора подводится масло под давлением. Использование масла в подшипниках турбокомпрессора накладывает определенные обязательства:

• • Необходимо вовремя менять моторное масло и масляный фильтр.
• • Прогревать двигатель перед поездкой, для того чтобы масло разогрелось и поступало на подшипники уже разогретым, т.е. с определенной вязкостью.
• • В конце поездки необходимо дать остыть турбине, т.е не выключать двигатель 2-3 минуты. Особенно в зимнее время. После остановки автомобиля турбина еще некоторое время вращается, и если вы сразу выключите двигатель, то прекратиться подача масла в эти подшипники и будет происходить их повышенный износ.

 

Основной причинной неисправностей турбокомпрессоров является износ подшипников скольжения, а также уплотнений, которые препятствуют выбросу масла.

 

Быстрый подбор турбины у нас в каталоге.

 

 

Вернуться назад

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Вы здесь: Домашняя страница > Транспорт > Турбокомпрессоры

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 29 сентября, 2022.

Идеального изобретения не бывает: всегда можно сделать что-то лучше, дешевле, более эффективным или более экологичным. Возьмите внутреннюю двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может швырнуть вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать в противном случае. Но это всегда можно построить двигатель, который будет двигаться быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать

турбокомпрессор —а пара вентиляторов, которые используют мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, доставляя больше «крутости», чем в противном случае получать. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте посмотри внимательнее!

Фото: Безмасляный турбокомпрессор, разработанный НАСА. Фото предоставлено Исследовательский центр Гленна НАСА (НАСА-GRC).

Содержание

1. Что такое турбонагнетатель?
2. Как работает турбокомпрессор?
3. Как работает турбокомпрессор — более подробно
4. Откуда берется дополнительная мощность?
5. Сколько дополнительной энергии вы можете получить?
6. Преимущества и недостатки турбокомпрессоров
7. Кто изобрел турбокомпрессор?
8. Узнать больше

Что такое турбокомпрессор?

Вы когда-нибудь наблюдали, как мимо вас проносятся машины, из выхлопных труб которых вырываются сажевые выхлопы? Очевидно, что выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше. очевидно, что они тратят энергию впустую в то же время. Выхлоп смесь горячих газов, выбрасываемых со скоростью и всей энергией, содержит — тепло и движение (кинетическую энергию) — бесполезно исчезает в атмосфере. Было бы неплохо, если бы двигатель можно ли как-то использовать эту ненужную мощность, чтобы машина ехала быстрее? Это именно то, что делает турбокомпрессор.

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор использует пару вентиляторов в форме улитки, как этот. Здесь вы видите Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора предоставлено ВМС США.

Автомобильные двигатели вырабатывают энергию, сжигая топливо в прочных металлических банках, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр, смешивается с топливом и сгорает с небольшим взрывом который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень вдавливается обратно, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в виде выхлопа. Количество энергии автомобиль может производить напрямую зависит от того, как быстро он сжигает топливо. у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее она можешь идти.

Один из способов увеличить скорость автомобиля — добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндров в обычном семейном автомобиле. Другим вариантом является использование турбокомпрессор, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, поэтому они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простая, относительно дешевая дополнительная немного комплекта, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Рекламные ссылки

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию работы турбокомпрессора автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, выдавливает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух сзади. Как горячий воздух уходит, он ревет мимо турбины (немного похожей на очень компактный металлический ветряк), который приводит в действие компрессор (воздушный насос) спереди двигателя.

Это часть, которая нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть правильно.

Турбокомпрессор автомобиля очень аналогичный принцип работы поршневого двигателя. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, что позволяет им сжигать больше топлива каждый раз. второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше энергии (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»). А 9Нагнетатель 0027 (или «механический нагнетатель», если дать ему полное название) очень похож на турбокомпрессор, но вместо выхлопных газов с помощью турбины он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отработанной энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию из собственного источника энергии автомобиля (коленчатый вал), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор) установлены на одном валу. Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Как работает турбонаддув на практике? Турбокомпрессор фактически представляет собой два небольших вентилятора (также называемых крыльчатками). или бензонасосы) сидят на одном металлическом валу так, что оба крутятся вокруг вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в поток выхлопных газов из цилиндров. Когда цилиндры продувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, к которому они подключены (технически называется вращающимся узлом центральной ступицы или CHRA) так же вращается. Второй вентилятор называется компрессор а, так как он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже крутится. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому при вращении втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Здесь небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, вы делаете его горячее (вот почему велосипедный насос прогревается, когда вы начинаете накачивать шины). горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и менее эффективно помогает топливу гореть, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, выходящий из компрессора, охлаждался перед поступлением цилиндры. Для его охлаждения выход компрессора проходит над теплообменником, удаляющим дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбонагнетатель — более подробно

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен к компрессору (и питает его) (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух и снова выдувает его.
4. Горячий сжатый воздух из компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он производит энергию быстрее и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выпускной патрубок.
8. Горячие выхлопные газы, обдувая вентилятор турбины, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (здесь показана бледно-оранжевой линией). Таким образом, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, затрачивая меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было бы соединить примерно так. Турбина (красная, справа) всасывает выхлопной воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который всасывает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленого цвета) между турбиной и компрессором.

Художественное произведение: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США №7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданного Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Изображение предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры дают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступает непосредственно из отработанных выхлопных газов, и это иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для привода компрессора. что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — это дополнительная мощность автомобиля. происходит от. Все, что делает выхлопной газ, это приводит в действие турбокомпрессор и, поскольку турбонагнетатель не соединен с коленчатым валом или колесами автомобиля, он не напрямую каким-либо образом увеличивает мощность автомобиля. Это просто позволяет тот же двигатель, чтобы сжигать топливо с большей скоростью, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной энергии вы можете получить?

Если турбокомпрессор придает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это еще больше силы. Теоретически вы могли бы продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более и более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры настолько велики, что столько топлива они могут сжечь. Через впускное отверстие определенного размера вы можете нагнетать в них столько воздуха, сколько вы можете выпустить выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для привода турбонагнетателя. Другими словами, в игру вступают другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; вы не можете просто турбонаддувом свой путь к бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Преимущества

Фото: Типовой автомобильный турбокомпрессор. Вы можете ясно видеть два вентилятора/воздуходувки (один над другим) и их впускные/выпускные отверстия. Фото предоставлено армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и на более или менее любых тип транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).

Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность при том же размере двигателя (каждый ход поршня в каждом отдельном цилиндре генерирует больше мощности, чем в противном случае). Однако больше мощности означает больше энергии выход в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что это означает, что вы также должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать соответственно больше топлива.

Теоретически это означает, что двигатель с турбокомпрессором не более экономичен по топливу, чем двигатель без него. Однако на практике двигатель, оснащенный турбокомпрессором, намного меньше и легче, чем двигатель той же мощности без турбокомпрессора, поэтому автомобиль с турбокомпрессором может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Теперь производителям часто удается установить на тот же автомобиль двигатель гораздо меньшего размера (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: работая хорошо, они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива. Поскольку они сжигают топливо с большим содержанием кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, загрязняя воздух меньше.

“ Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, продаваемых в США, будут оснащены им. »

Нью-Йорк Таймс, 2018 г.

Недостатки

Большая мощность при том же объеме двигателя звучит замечательно, так почему же не все двигатели оснащены турбонаддувом?

Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбонагнетателями, не всегда оказывались такими впечатляющими, как хотели заявлять производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом перед своими конкурентами). Одно исследование, проведенное Consumer Reports в 2013 году, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом обеспечивают значительно меньшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические достоинства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. экономить топливо, включая гибриды, дизели и другие передовые технологии».

Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще несколько вещей, которые могут пойти не так. Это может значительно удорожить обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны подвергаться более высоким давлениям и температурам, что может привести к более раннему выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом не служат так долго.

С турбонаддувом даже вождение может быть другим: поскольку турбокомпрессор приводится в действие выхлопными газами, часто возникает значительная задержка («турбо-лаг») между нажатием педали газа и включением турбонагнетателя, что может делают автомобили с турбонаддувом очень разными (а иногда и очень сложными) в управлении. В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, усердно разрабатывали частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Garrett называется E-Turbo, а предложение Borg — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бюхи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в компании Gebrüder Sulzer Engine Company в Винтертуре, Швейцария. Подобно турбонагнетателю, который я проиллюстрировал выше, его первоначальная конструкция использовала вал турбины с приводом от выхлопных газов для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя. Первоначально он разработал турбокомпрессор еще до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1919 году.05, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя. Однако

Бючи был не единственной важной фигурой в этой истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением стадий сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это работало как наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое можно было сжечь. Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Произведение: Один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бюхи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро разобраться. Вы можете видеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопной газ из цилиндра проходит по трубе (зеленая), которая приводит в движение турбину. Он подключен к оранжевому «зарядному вентилятору» (компрессор) и охладителю (синяя коробка), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубку. Есть и другие запутанные детали, но я не буду вдаваться во все детали; если вам интересно, взгляните на патент США № 1,9.55 620: двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через патенты Google). Работа предоставлена ​​Управлением по патентам и товарным знакам США.

Подробнее

На этом сайте

• Оси и колеса
• Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
• Компрессоры и насосы
• Шестерни
• Турбины

Книги для читателей постарше

• Turbo: Real World High-Performance Turbocharge Systems by Jay K. Miller. Cartech Voyageur, 2008. Отличное общее введение.
• Турбокомпрессор: Справочник по производительности Джеффа Хартмана. Motorbooks International, 2007.
• Sport Compact Turbos & Blowers от Джо Петтитта. CarTech, 2004. Более практичное практическое руководство по установке и использованию турбокомпрессоров.
Турбокомпрессоры
• от Хью Макиннеса и Бетти Макиннес. Книги HP, 1987.
• Porsche Turbo: Полная история Питера Ванна. Motorbooks International, 2004. Первая глава включает общую историю турбокомпрессоров.

Книги для юных читателей

• Car Science by Richard Hammond. Дорлинг Киндерсли, 2007 г. Объясняет науку, которая заставляет вашу машину работать (9–12 лет).

Артикул

• Создание лучшего турбокомпрессора, Дэн Карни, Design News, 19 октября 2029 г. Короткое, но интересное интервью с техническим директором Borg Warner смотрит, куда движется технология.
• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 г.. История новых электрических турбин Garrett.
• Прыжки с турбонаддувом с ипподрома в тупик Стивена Уильямса. The New York Times, 25 октября 2018 г. Как турбокомпрессоры стали важным компонентом двигателя современного автомобиля.
• Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора, Алекс Дэвис. Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как повысить эффективность двигателей с турбонаддувом? Просто добавь воды, Ник Чап. Нью-Йорк Таймс, 29Сентябрь 2016 г. Bosch возрождает идею распыления воды в цилиндры с турбонаддувом, чтобы сделать их более холодными и менее хаотичными.
• Автопроизводители считают, что турбины — это мощный путь к эффективности использования топлива, Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад турбокомпрессор был прорывной технологией Джима Коска. The New York Times, 19 декабря 2014 г. Как ранние турбокомпрессоры в конечном итоге преодолели свои первые проблемы.
• «Если ты не водишь турбо, скоро будешь», Чак Скуатриглиа. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 г. количество автомобилей с установленными турбонагнетателями удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует свою зеленую репутацию от Йорна Мэдслиена. BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «более экологичными» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробное техническое описание того, как что-то работает, лучше всего начать с патентов. Здесь Вот несколько недавних патентов на турбокомпрессоры, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США № 1 955 620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бюхи, выданный 17 апреля 1934 г. Ранний турбодвигатель, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
• Патент США № 2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод Ричарда Дж. Ллойда, The Garrett Corporation, выданный 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных скоростях двигателя.
• Патент США № 4,083,188: Система турбонагнетателя двигателя, разработанная Эмерсоном Куммом, The Garrett Corporation, выдана 11 апреля 19 г.78. Современный турбокомпрессор для дизеля с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданный Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком корпорации BorgWarner Inc.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2010/2020) Турбокомпрессоры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Средства связи
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда


• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и инструменты
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Вы здесь: Домашняя страница > Транспорт > Турбокомпрессоры

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 29 сентября 2022 г.

Идеального изобретения не бывает: всегда можно сделать что-то лучше, дешевле, более эффективным или более экологичным. Возьмите внутреннюю двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может швырнуть вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать в противном случае. Но это всегда можно построить двигатель, который будет двигаться быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —а пара вентиляторов, которые используют мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, доставляя больше «крутости», чем в противном случае получать. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте посмотри внимательнее!

Фото: Безмасляный турбокомпрессор, разработанный НАСА. Фото предоставлено Исследовательский центр Гленна НАСА (НАСА-GRC).

Содержание

1. Что такое турбонагнетатель?
2. Как работает турбокомпрессор?
3. Как работает турбокомпрессор — более подробно
4. Откуда берется дополнительная мощность?
5. Сколько дополнительной энергии вы можете получить?
6. Преимущества и недостатки турбокомпрессоров
7. Кто изобрел турбокомпрессор?
8. Узнать больше

Что такое турбокомпрессор?

Вы когда-нибудь наблюдали, как мимо вас проносятся машины, из выхлопных труб которых вырываются сажевые выхлопы? Очевидно, что выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше. очевидно, что они тратят энергию впустую в то же время. Выхлоп смесь горячих газов, выбрасываемых со скоростью и всей энергией, содержит — тепло и движение (кинетическую энергию) — бесполезно исчезает в атмосфере. Было бы неплохо, если бы двигатель можно ли как-то использовать эту ненужную мощность, чтобы машина ехала быстрее? Это именно то, что делает турбокомпрессор.

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор использует пару вентиляторов в форме улитки, как этот. Здесь вы видите Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора предоставлено ВМС США.

Автомобильные двигатели вырабатывают энергию, сжигая топливо в прочных металлических банках, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр, смешивается с топливом и сгорает с небольшим взрывом который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень вдавливается обратно, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в виде выхлопа. Количество энергии автомобиль может производить напрямую зависит от того, как быстро он сжигает топливо. у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее она можешь идти.

Один из способов увеличить скорость автомобиля — добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндров в обычном семейном автомобиле. Другим вариантом является использование турбокомпрессор, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, поэтому они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простая, относительно дешевая дополнительная немного комплекта, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Рекламные ссылки

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию работы турбокомпрессора автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, выдавливает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух сзади. Как горячий воздух уходит, он ревет мимо турбины (немного похожей на очень компактный металлический ветряк), который приводит в действие компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это часть, которая нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть правильно.

Турбокомпрессор автомобиля очень аналогичный принцип работы поршневого двигателя. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, что позволяет им сжигать больше топлива каждый раз. второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше энергии (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»). А 9Нагнетатель 0027 (или «механический нагнетатель», если дать ему полное название) очень похож на турбокомпрессор, но вместо выхлопных газов с помощью турбины он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отработанной энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию из собственного источника энергии автомобиля (коленчатый вал), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор) установлены на одном валу. Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Как работает турбонаддув на практике? Турбокомпрессор фактически представляет собой два небольших вентилятора (также называемых крыльчатками). или бензонасосы) сидят на одном металлическом валу так, что оба крутятся вокруг вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в поток выхлопных газов из цилиндров. Когда цилиндры продувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, к которому они подключены (технически называется вращающимся узлом центральной ступицы или CHRA) так же вращается. Второй вентилятор называется компрессор а, так как он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже крутится. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, поэтому при вращении втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Здесь небольшая проблема. Если вы сжимаете газ, вы делаете его горячее (вот почему велосипедный насос прогревается, когда вы начинаете накачивать шины). горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и менее эффективно помогает топливу гореть, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, выходящий из компрессора, охлаждался перед поступлением цилиндры. Для его охлаждения выход компрессора проходит над теплообменником, удаляющим дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбонагнетатель — более подробно

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен к компрессору (и питает его) (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух и снова выдувает его.
4. Горячий сжатый воздух из компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он производит энергию быстрее и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выпускной патрубок.
8. Горячие выхлопные газы, обдувая вентилятор турбины, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (здесь показана бледно-оранжевой линией). Таким образом, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, затрачивая меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было бы соединить примерно так. Турбина (красная, справа) всасывает выхлопной воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который всасывает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленого цвета) между турбиной и компрессором.

Художественное произведение: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США №7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданного Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Изображение предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры дают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступает непосредственно из отработанных выхлопных газов, и это иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для привода компрессора. что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — это дополнительная мощность автомобиля. происходит от. Все, что делает выхлопной газ, это приводит в действие турбокомпрессор и, поскольку турбонагнетатель не соединен с коленчатым валом или колесами автомобиля, он не напрямую каким-либо образом увеличивает мощность автомобиля. Это просто позволяет тот же двигатель, чтобы сжигать топливо с большей скоростью, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной энергии вы можете получить?

Если турбокомпрессор придает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это еще больше силы. Теоретически вы могли бы продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более и более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры настолько велики, что столько топлива они могут сжечь. Через впускное отверстие определенного размера вы можете нагнетать в них столько воздуха, сколько вы можете выпустить выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для привода турбонагнетателя. Другими словами, в игру вступают другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; вы не можете просто турбонаддувом свой путь к бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Преимущества

Фото: Типовой автомобильный турбокомпрессор. Вы можете ясно видеть два вентилятора/воздуходувки (один над другим) и их впускные/выпускные отверстия. Фото предоставлено армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и на более или менее любых тип транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).

Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность при том же размере двигателя (каждый ход поршня в каждом отдельном цилиндре генерирует больше мощности, чем в противном случае). Однако больше мощности означает больше энергии выход в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что это означает, что вы также должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать соответственно больше топлива.

Теоретически это означает, что двигатель с турбокомпрессором не более экономичен по топливу, чем двигатель без него. Однако на практике двигатель, оснащенный турбокомпрессором, намного меньше и легче, чем двигатель той же мощности без турбокомпрессора, поэтому автомобиль с турбокомпрессором может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Теперь производителям часто удается установить на тот же автомобиль двигатель гораздо меньшего размера (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: работая хорошо, они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива. Поскольку они сжигают топливо с большим содержанием кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, загрязняя воздух меньше.

“ Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, продаваемых в США, будут оснащены им. »

Нью-Йорк Таймс, 2018 г.

Недостатки

Большая мощность при том же объеме двигателя звучит замечательно, так почему же не все двигатели оснащены турбонаддувом?

Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбонагнетателями, не всегда оказывались такими впечатляющими, как хотели заявлять производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом перед своими конкурентами). Одно исследование, проведенное Consumer Reports в 2013 году, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом обеспечивают значительно меньшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические достоинства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. экономить топливо, включая гибриды, дизели и другие передовые технологии».

Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще несколько вещей, которые могут пойти не так. Это может значительно удорожить обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны подвергаться более высоким давлениям и температурам, что может привести к более раннему выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом не служат так долго.

С турбонаддувом даже вождение может быть другим: поскольку турбокомпрессор приводится в действие выхлопными газами, часто возникает значительная задержка («турбо-лаг») между нажатием педали газа и включением турбонагнетателя, что может делают автомобили с турбонаддувом очень разными (а иногда и очень сложными) в управлении. В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, усердно разрабатывали частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Garrett называется E-Turbo, а предложение Borg — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бюхи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в компании Gebrüder Sulzer Engine Company в Винтертуре, Швейцария. Подобно турбонагнетателю, который я проиллюстрировал выше, его первоначальная конструкция использовала вал турбины с приводом от выхлопных газов для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя. Первоначально он разработал турбокомпрессор еще до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1919 году.05, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя. Однако

Бючи был не единственной важной фигурой в этой истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением стадий сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это работало как наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое можно было сжечь. Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Произведение: Один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бюхи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро разобраться. Вы можете видеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопной газ из цилиндра проходит по трубе (зеленая), которая приводит в движение турбину. Он подключен к оранжевому «зарядному вентилятору» (компрессор) и охладителю (синяя коробка), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубку. Есть и другие запутанные детали, но я не буду вдаваться во все детали; если вам интересно, взгляните на патент США № 1,9.55 620: двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через патенты Google). Работа предоставлена ​​Управлением по патентам и товарным знакам США.

Подробнее

На этом сайте

• Оси и колеса
• Автомобильные двигатели (бензиновые двигатели)
• Компрессоры и насосы
• Шестерни
• Турбины

Книги для читателей постарше

• Turbo: Real World High-Performance Turbocharge Systems by Jay K. Miller. Cartech Voyageur, 2008. Отличное общее введение.
• Турбокомпрессор: Справочник по производительности Джеффа Хартмана. Motorbooks International, 2007.
• Sport Compact Turbos & Blowers от Джо Петтитта. CarTech, 2004. Более практичное практическое руководство по установке и использованию турбокомпрессоров.
Турбокомпрессоры
• от Хью Макиннеса и Бетти Макиннес. Книги HP, 1987.
• Porsche Turbo: Полная история Питера Ванна. Motorbooks International, 2004. Первая глава включает общую историю турбокомпрессоров.

Книги для юных читателей

• Car Science by Richard Hammond. Дорлинг Киндерсли, 2007 г. Объясняет науку, которая заставляет вашу машину работать (9–12 лет).

Артикул

• Создание лучшего турбокомпрессора, Дэн Карни, Design News, 19 октября 2029 г. Короткое, но интересное интервью с техническим директором Borg Warner смотрит, куда движется технология.
• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 г.. История новых электрических турбин Garrett.
• Прыжки с турбонаддувом с ипподрома в тупик Стивена Уильямса. The New York Times, 25 октября 2018 г. Как турбокомпрессоры стали важным компонентом двигателя современного автомобиля.
• Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора, Алекс Дэвис. Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как повысить эффективность двигателей с турбонаддувом? Просто добавь воды, Ник Чап. Нью-Йорк Таймс, 29Сентябрь 2016 г. Bosch возрождает идею распыления воды в цилиндры с турбонаддувом, чтобы сделать их более холодными и менее хаотичными.
• Автопроизводители считают, что турбины — это мощный путь к эффективности использования топлива, Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад турбокомпрессор был прорывной технологией Джима Коска. The New York Times, 19 декабря 2014 г. Как ранние турбокомпрессоры в конечном итоге преодолели свои первые проблемы.
• «Если ты не водишь турбо, скоро будешь», Чак Скуатриглиа. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 г. количество автомобилей с установленными турбонагнетателями удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует свою зеленую репутацию от Йорна Мэдслиена. BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «более экологичными» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробное техническое описание того, как что-то работает, лучше всего начать с патентов. Здесь Вот несколько недавних патентов на турбокомпрессоры, на которые стоит обратить внимание:

• Патент США № 1 955 620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бюхи, выданный 17 апреля 1934 г. Ранний турбодвигатель, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
• Патент США № 2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод Ричарда Дж. Ллойда, The Garrett Corporation, выданный 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных скоростях двигателя.
• Патент США № 4,083,188: Система турбонагнетателя двигателя, разработанная Эмерсоном Куммом, The Garrett Corporation, выдана 11 апреля 19 г.78. Современный турбокомпрессор для дизеля с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбокомпрессора с электрическим управлением, выданный Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, 24 мая 2011 г. Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком корпорации BorgWarner Inc.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.