Как работает турбина на бензиновом двигателе
Содержание:
- 1 Турбокомпрессор автомобильный. Принцип работы
- 2 Турбокомпрессор автомобильный (секреты)
- 3 Плюсы и минусы турбонаддува
- 4 Как работает турбонаддув в машине
- 5 Работа — турбина
- 6 Газотурбинный наддув
- 7 Детальный взгляд
- 8 Рабочий процесс активной турбины
- 9 Принцип работы турбокомпрессорного двигателя.
- 10 Теоретические аспекты
Турбокомпрессор автомобильный. Принцип работы
Турбокомпрессор автомобильный (секреты)
Наверное, многие из вас слышали это слово «турбо», но никто толком не представляет что это такое? А это обозначение скрывает наличие либо автомобильного турбокомпрессора, либо механического компрессора. Что это такое и для чего нужен турбокомпрессор автомобильный нам предстоит с вами разобраться.
Турбокомпрессор, или газотурбинный нагнетатель — центробежный или осевой компрессор, работающий в паре с турбиной. Является основным конструктивным элементом газотурбинных двигателей. Источник
Турбокомпрессор — это устройство для увеличения мощности мотора за счет большего подаваемого воздуха в цилиндры. Принцип его в следующем, в мотор попадает топливовоздушная смесь, которая сгорая уходит в выхлопную трубу. На входе выпускного коллектора стоит крыльчатка, которая жестко соединена с другой крыльчаткой, которая находится уже впускном коллекторе. Когда, выхлопные газы выходят из мотора, то они раскручивают крыльчатку, которая находится в выпускном коллекторе. Та в свою очередь раскручивает крыльчатку в впускном коллекторе. В итоге получается, что в двигатель будет поступать больше воздуха, а соответственно и топлива. А как мы знаем, из теории двигателестроения, чем больше сгорает топлива, тем больше мощность мотора. А чтобы нам сжечь больше топлива, нам нужно больше воздуха. А турбокомпрессор автомобильный как раз поставляет в мотор больше воздуха. В итоге мы получаем существенную прибавку в мощности.
Также следует отметить, что крыльчатка турбокомпрессора может развивать до 200 000 оборотов в минуту. Вследствие этого, у турбокомпрессора имеется большая инерционность, которая получила в народе название «турбо-яма». Суть «турбо-ямы» в следующем. При резком нажатии на педаль газа, крыльчатка очень медленно набирает свои обороты и оттого приходиться ждать некоторое время, когда начнет поступать воздух в двигатель. Обычно этот эффект длиться всего несколько секунд, но все равно оставляет неопрятный осадок. Благо, сейчас все производители в той или иной степени избавились это эффекта «турбо-ямы», а именно стали устанавливать два перепускных клапана.
Первый перепускной клапан предназначен для отработавших газов, а второй чтобы перепускать излишний воздух из впускного коллектора двигателя в трубопровод до турбокомпрессора. Также в его обязанности входит следить за давлением во впускном коллекторе. Что получается в
итоге? При сбросе газа обороты крыльчатки турбокомпрессора уменьшаются очень медленно. А если будет резко нажата педаль газа, то воздух в впускной коллектор поступит в полном объеме. Получается, что эффект турбо-ямы в таком случае равен времени открытии перепускного клапана.
Встречаются такие выражения, как «битурбо» или «твинтурбо». В первом случае, они означают наличие двух турбокомпрессоров, установленных параллельно, а втором — наличие трех турбокомпрессоров. Часто «битурбо» или «твинтурбо» используют лишь на спортивных автомобилях, а также на гражданских машинах со спортивными характеристиками. Применение нескольких турбокомпрессоров выгодно из-за того, что все они отличаются размерами. Это означает, что они будет обладать большей инерцией, а другой — меньшей. В итоге, первый турбокомпрессор будет работать при малых и средних оборотах двигателя, а второй при оборотах близких к максимальным.
Ну, уж те автолюбители, которые знают что такое турбокомпрессор автомобильный и «турбо», должны догадываться, что обозначает слово «интеркулер». Он нужен для охлаждения подаваемого воздуха в впускной коллектор. Ведь мы не можем бесконечно много падать туда воздуха, т.к повышается его плотность при его нагреве. Для охлаждения поступаемого воздуха используют интеркулер — дополнительный радиатор.
На рынке представлены турбокомпрессоры различных марок и производителей. Самым популярным является автомобильный турбокомпрессор автомобильный Garrett gt17, который получил признание и любовь многих автолюбителей. Так же имеются турбины марок KKK, Mitsubishi, Holset, Schwitzer, KHD и многие другие.
Плюсы и минусы турбонаддува
Главным преимуществом турбонаддува является увеличение мощности мотора без существенного увеличения расхода топлива. Чтобы объяснить это явление нужно разобраться как работает турбонаддув: турбина приводится в движение только благодаря энергии отработавших газов, а не за счет мощности мотора автомобиля. Но следует различать такие понятия, как общая и удельная экономичность мотора. Другими словами — турбированный двигатель будет иметь больший расход горючего, нежели аналогичный по объему атмосферный агрегат. Это происходит потому что увеличившийся объем воздуха, попадающего в цилиндры, позволяет сгорать большему количеству топлива. Однако у турбированного агрегата на единицу мощности приходиться меньше израсходованного топлива. Например, если взять два мотора 1,4 литра с турбиной и атмосферный 1,8 литра, оба с мощностью 130 л.с., то 1,4 будет более экономичен, за счет большего КПД.
Что касается экологичности турбомоторов: хотя среди отечественных автолюбителей еще не так развита «экологическая сознательность», не следует забывать и о том, что турбированные моторы наносят меньше вреда окружающей среде. Все потому что в камере сгорания турбированного двигателя температура несколько меньше, поэтому снижается образование оксида азота, к тому же топливо сжигается более полно.
Принцип работы газовой турбины
Впрочем, не обошлось и без недостатков. Первое о чем следует знать — турбина требует к себе бережного отношения. Пока мотор заведен на подшипники масло подается под давлением. Как только мотор заглушен масло к подшипникам поступать прекращает. Если мотор эксплуатировался под большими нагрузками, система наддува может перегреться и выйти из строя. Дабы не допустить перегрева, прежде чем глушить турбированный двигатель, ему следует дать поработать несколько минут на холостых оборотах. Многие современные автомобили оснащаются с завода специально предназначенными для этого устройствами — турботаймерами.
Есть еще один немаловажный момент — на малых оборотах мотора эффективность турбины очень мала. Также следует упомянуть об эффекте турбоямы — турбина откликается на нажатие педали акселератора с некоторой задержкой. Турбонаддув может эффективно работать только в узком диапазоне оборотов мотора, кроме того, большое значение имеет размер самой турбины. Для увеличения продуктивности этой системы многие автопроизводители устанавливают на свои автомобили две турбины разного размера или пару одинаковых турбин. Турбины разного размера позволяют существенно расширить диапазон эффективной работы турбонаддува — после того как первая турбина начинает терять продуктивность в работу вступает вторая. Две одинаковые турбины позволяют увеличить производительность, улучшить разгонную динамику и уменьшить эффект турбоямы. Для снижения этого эффекта автопроизводители прибегают к таким ухищрениям, как снижение массы движущихся частей турбины. Благодаря этому турбине нужно меньше времени чтобы раскрутиться.
Как работает турбонаддув в машине
Энергия отработанных выхлопных газов в двигателе направляется на турбинное колесо нагнетателя, которое под воздействием газов вращается в своем корпусе, имеющем особую форму для улучшения кинематики прохождения выхлопных газов.
Температура здесь весьма высока, а потому корпус и сам ротор турбины вместе с ее крыльчаткой выполняются из жаропрочных сплавов, способных выдерживать длительное высокотемпературное воздействие. Также в последнее время для этих целей используются керамические композиты.
Компрессорное колесо, вращаемое за счет энергии турбины, осуществляет всасывание воздуха, его сжатие и последующее нагнетание в цилиндры силового агрегата. При этом вращение компрессорного колеса также производится в отдельной камере, куда попадает воздух после прохождения через воздухозаборник и фильтр.
Видео — для чего нужен турбокомпрессор и как он работает:
Как турбинное, так и компрессорные колеса, как уже говорилось выше, жестко закрепляются на роторном валу. При этом вращение вала производится с помощью подшипников скольжения, которые смазываются моторным маслом из основной системы смазки двигателя.
Подача масла к подшипникам производится по каналам, которые располагаются непосредственно в корпусе каждого подшипника. Для того, чтобы герметизировать вал от попадания масла внутрь системы, используются специальные уплотнительные кольца из жаростойкой резины.
Безусловно, основной конструктивной сложностью для инженеров при проектировании турбонагнетателей является организация их эффективного охлаждения. Для этого в некоторых бензиновых моторах, где тепловые нагрузки наиболее высоки, нередко применяется жидкостной охлаждение нагнетателя. При этом корпус, в котором расположены подшипники, включается в двухконтурную систему охлаждения всего силового агрегата.
Еще одним важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Его предназначением выступает охлаждение поступающего воздуха. Наверняка многие из читателей этого материала зададутся вопросом о том, зачем охлаждать «забортный» воздух, если его температура и так невелика?
Ответ кроется в физике газов. Охлажденный воздух увеличивает свою плотность и, как результат, возрастает его давление. При этом конструктивно интеркулер представляет собой воздушный либо жидкостный радиатор. Проходя через него, воздух снижает температуру и увеличивает свою плотность.
Важной деталью системы турбонаддува автомобиля выступает регулятор давления наддува, представляющий собой перепускной клапан. Он применяется с целью ограничить энергию отработавших газов двигателя и направляет их часть в сторону от колеса турбины, что позволяет регулировать давление наддува
Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля. Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления.
Помимо клапана, регулирующего давление наддува, в воздушном тракте непосредственно после компрессора (где давление максимально) может монтироваться предохранительный клапан. Целью его использования является защита системы от скачков давления воздуха, которые могут быть в случае резкого перекрытия дроссельной заслонки двигателя.
Избыточное давление, возникающее в системе, стравливается в атмосферу с помощью так называемого блуофф-клапана, либо направляется на вход в компрессор клапаном типа bypass.
Работа — турбина
Работа турбины при заданном числе t оборотов становится больше работы компрессора.
Работа турбины на винт на частичных режимах принципиально не отличается от условий совместной работы на расчетном режиме.
Работа турбины по электрическому графику означает, что электрическая мощность турбины и тепловая нагрузка сетевых подогревателей изменяются независимо. Конечно, хотелось бы, чтобы при любой электрической нагрузке можно было получить любую тепловую нагрузку и наоборот. Однако, поскольку теплофикационный поток пара вырабатывает электрическую мощность, то, хотя тепловая и электрическая мощности являются независимыми параметрами, диапазон возможного изменения каждого из них при фиксированном значении другого параметра оказывается ограниченным.
Работа турбины с неисправным автоматом безопасности не допускается.
Работа турбины как теплового двигателя характеризуется внутренней ( индикаторной) мощностью, развиваемой лопатками, и эффективной ( на валу мощностью.
Работа турбины сопровождается высоким уровнем шума, поэтому для их установки используются индустриального типа здания ( в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.
Работа турбин основана на совершенно ином принципе — они преобразуют в полезную мощность кинетическую энергию движущейся воды. При помощи специального направляющего приспособления вода, движущаяся с большой скоростью, вводится без удара в пространство между лопатками рабочего колеса; эти лопатки отклоняют поток воды от своего первоначального направления так, что он покидает рабочее колесо с возможно меньшей абсолютной скоростью. При такого рода движении воды вредные потери энергии получаются небольшими, следовательно, почти вся разность между кинетической энергией воды, поступающей в рабочее колесо, и кинетической энергией воды, выходящей из рабочего колеса, преобразуется в мощность на рабочем вале турбины.
Работа турбины с неиспытанным или неисправным регулятором безопасности не допускается.
Работа турбины без кавитации или с малой степенью ее развития обеспечивается в первую очередь правильным выбором высоты отсасывания. При этом при подсчете высоты отсасывания необходимо пользоваться надежными кавитационньйли характеристиками турбины, полученными испытаниями при моделировании всех элементов ее проточной части или, по крайней мере, при моделировании рабочего колеса, его камеры и отсасывающей трубы. Чтобы уменьшить повреждения от кавитации, детали турбины, больше всего подверженные кавитации, изготовляются из особо стойких мате-р ИЗЛОВ, например из нержавеющей стали, содержащей 12 — 14 % хрома, или покрывают их поверхность защитным слоем стойкого против кавитации материала.
Работа турбины с неиспытанным или неисправным регулятором безопасности не допускается.
Схема ступени турбины турбобура. |
Работа турбины происходит следующим образом. Поток промывочной ншдкости через бурильную колонну подается в первую ступень турбобура. Таким образом, статор является направляющим аппа-5 ратом турбины.
Работа турбины заключается в следующем. Сжатый и нагретый газ со скоростью с0 поступает в межлопаточные каналы соплового аппарата, где происходит частичное преобразование располагаемой энергии давления в кинетическую энергию вытекающей струи.
Работа турбины вблизи номинальной частоты вращения называется холостым ходом. При холостом ходе турбина мощности не вырабатывает, а вся энергия поступающего пара расходуется на преодоление трения в масляном слое подшипников и трение ротора турбины о пар. При таком режиме пар, протекающий через турбину, сильно разогревается, а температура выходной части повышается. Это грозит появлением расцентровок и повышением вибрации. Поэтому время холостого хода по возможности ограничивают.
Работу турбины следует контролировать в первую очередь по показаниям контрольно-измерительных приборов ( по тахометру, манометрам, вакуумметрам, термометрам, расходомерам и др.), установленных на турбоагрегате. При этом работа турбины без стационарного тахометра запрещается. Показания этих приборов нужно записывать в установленные сроки в суточной ведомости и сравнивать их с предыдущими записями. При существенных изменениях показаний следует выяснить их причину и принять необходимые меры для восстановления заданных параметров
Особенно важное значение имеют показания манометра давления пара первой регулирующей ступени, по которому можно судить об изменении нагрузки и о заносе солями проточной части турбины.
Газотурбинный наддув
В большинстве своем современные автомобили оснащены газотурбинными системами наддува. Принцип работы турбины сходен с компрессорным наддувом, разница лишь в том, что турбина приводится в действие потоком отработавших газов автомобиля, а не коленвалом двигателя. По ощущениям, включение турбины некоторые водители сравнивают с «пинком». Газотурбинный механизм наддува представляет собой устройство из двух крыльчаток жестко соединенных между собой валом. Каждая крыльчатка заключена в корпус, так называемую улитку.
Устройство газовой турбины
Устройство турбины достаточно несложное и состоит из:
- двух крыльчаток;
- двух улиток, внутри которых крутятся крыльчатки;
- вала, соединяющего крыльчатки;
- подшипников скольжения — двух опорных и одного упорного;
- перепускного клапана, который используется для сброса избыточного давления.
Принцип работы турбонаддува достаточно прост. Выхлопные газы из выпускного коллектора попадают в первую улитку и вращают ее крыльчатку. Через соединительный вал вращение передается второй крыльчатке, которая и нагнетает давление во второй улитке.
Детальный взгляд
Основным элементом, который и составляет основу принципа работы данного функционального узла, является крыльчатка, за счет которой и осуществляется вращение. Крыльчатка всегда встраивается в выпускной коллектор мотора — туда, где происходит циркуляция выхлопных газов под высоким давлением. Крыльчатка, которая встраивается в этот поток, начинает от него вращение, подобно тому, как функционирует ветряная мельница.
За счет этого крыльчатка обратной стороной начинает работать на нагнетание воздуха извне. Разумеется, этот воздух проходит систему фильтров и лишь после этого поступает в систему. Нетрудно предположить, что при столь высокой скорости вращения крыльчатки достигается недюжинное давление воздуха, который отправляется в цилиндры. Именно нагнетание большого давления, которое кратно нескольким барам, и является основой работы такого устройства, как турбина. Чем выше давление, тем выше и мощность, которую может развить двигатель, оснащенный наддувом.
Чтобы избежать каких-либо провалов мощности, производители прибегли к применению дополнительных систем, которые направлены на то, чтобы давление нагнеталось мгновенно. Одним из таких элементов являются клапаны.
Один из них соединяется с выпускным коллектором и переводит в него избыточное давление, которое уже не в состоянии раскрутить крыльчатку. Второй клапан соединяется с двигателя, и при его открытии давление мгновенно перетекает в камеры сгорания. За счет этого удается полностью нивелировать промежуток времени, направленный на нагнетание давления, и сократить время разгона и прироста мощности.
Рабочий процесс активной турбины
На (рис. 8) изображен в схематическом виде разрез простейшей активной турбины. В верхней части этого рисунка нанесены кривые, определяющие давление и скорости пара перед соплами за соплами и за рабочими лопатками.
Свежий пар с давлением р и скоростью с поступает в сопло 4 и расширяется в нем до давления р1; при этом скорость струи пара возрастает до величины с1. С этой скоростью струя подходит к рабочим лопаткам 3 и, воздействуя на лопатки, заставляет диск 2 и вал 1 вращаться, производя механическую работу.
По выходе из рабочих лопаток струя имеет скорость с2 (выходную скорость) меньшую, чем с1, так как кинетическая энергия преобразуется в механическую работу. Хотя давление в различных местах криволинейного канала, образованного рабочими лопатками, неодинаково, но при входе в канал и при выходе из него оно одинаково, так как каналы между лопатками имеют одинаковое сечение по длине и в них не происходит добавочного расширения пара.
Практически, как мы увидим ниже, сечения каналов между лопатками активных турбин приходится выполнять несколько возрастающими по направлению течения пара; это вызывается тем обстоятельством, что вследствие трения и ударов при протекании паровой струи между лопатками теплосодержание пара несколько возрастает; следовательно, для того чтобы давление его оставалось неизменным, необходимо постепенное увеличение сечений каналов. |
Отработавший пар с давлением р2=р1 уходит из турбины через выпускной патрубок 6.
Таким образом, мы видим, что активная турбина имеет следующую характерную особенность: Падение давления пара происходит только в сопле (или в соплах, если их несколько); давление пара при входе на лопатки и при выходе с них одинаково.
Принцип работы турбокомпрессорного двигателя.
- Дата
- Категория: Транспорт
Чтобы получить энергию для движения, в автомобильном двигателе сгорает смесь топлива с воздухом. Чем больше воздуха добавлено в смесь, тем мощнее работает двигатель. Обычный двигатель втягивает воздух в каждый из своих цилиндров, когда поршень в цилиндре идет вниз. Но самые лучшие двигатели втягивают в цилиндры еще и дополнительный воздух. Это делается с помощью устройства под названием турбокомпрессор.
В турбокомпрессоре есть турбина, которая приводится в движение от горячих газов, образующихся в двигателе автомобиля. Турбинный компрессор под большим давлением подает свежий воздух в цилиндры, в результате чего там происходит более полное сгорание топлива. Нагнетая дополнительный воздух в цилиндры, турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя, не меняя его размеров.
Турбокомпрессор
Турбинный компрессор двигателя (голубой диск на верхнем рисунке) принимает свежий впускной воздух (голубые стрелы) и под сильным давлением направляет его в цилиндры. Компрессор приводится в движение турбиной (красный диск), которая и дала название всему устройству. А турбина вращается под действием горячих газов, выходящих из двигателя (красные стрелы). Центральный подшипник служит общей опорой компрессору и турбине.
Мощная добавка
Установленный на двигатель автомобиля (левый рисунок), турбокомпрессор (в голубом кружке) может значительно увеличить мощность двигателя. Первые модели турбокомпрессорных двигателей имели неприятное свойство перегреваться. Но теперь такие двигатели настолько отработаны, что применяются на всех типах машин: от лучших спортивных до малолитражек.
Для большей мощности двигателя
Турбокомпрессорный двигатель (рисунок ниже) использует горячие выхлопные газы (розовые на рисунке) для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха (голубого на рисунке) в цилиндры. Выпускной клапан стравливает избыточное давление воздуха. Турбокомпрессор двигателя (в синем кружочке) представлен отдельно в увеличенном виде на среднем рисунке.
Приводится в движение энергией горячих выхлопных газов
Турбинное колесо, приводимое в движение горячими выхлопными газами двигателя (оранжевые стрелки), может вращаться с частотой до 100 000 оборотов в минуту. Компрессор вращается вместе с турбиной. Он засасывает свежий воздух (голубые стрелки) и под высоким давлением вталкивает этот воздух в цилиндры двигателя. Исполнительный механизм, состоящий из датчика и регулятора, поддерживает постоянным давление воздуха на входе в цилиндры.
Воздух под высоким давлением
Выхлопные газы (оранжевые на картинке справа) попадают на турбину и раскручивают колесо, которое находится на одном валу с колесом компрессора. Компрессорное колесо, крутясь как вентилятор (голубой), засасывает свежий воздух, сжимает его и под высоким давлением направляет в цилиндры.
Теоретические аспекты
Примерный вид газовой турбины
С самого своего появления, автомобили, стараниями своих создателей, претерпевают модернизации и более всего в вопросах мощности двигателей. Так как этот параметр напрямую связан с рабочим объемом мотора а также с качеством подаваемой воздушно-топливной смеси, для увеличения мощности есть два пути — либо увеличить объем агрегата (в современном массовом автомобилестроении этот способ не очень популярен), либо каким-то образом нагнетать в цилиндры больше воздуха. Первый способ не популярен по понятным причинам — вместе с увеличением объема цилиндров возрастет и расход горючего, кроме того, сам агрегат существенно прибавит в размерах и массе, что тоже не всегда приемлемо. Поэтому автомобильными инженерами был найден способ увеличить подачу воздуха в цилиндры.