Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась  на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Турбонаддув с использованием отработавших газов

В системах турбонаддува с использованием отработавших газов некоторая часть энергии отработавших газов преобразуется в механи­ческую энергию, необходимую для привода нагнетателя при помощи турбины (турбонаг­нетателя отработавших газов). Таким образом, этот процесс использует некоторую часть энтальпии, которая на безнаддувных двигателях остается неиспользованной. Однако эти си­стемы вызывают увеличение противодавле­ния отработавших газов. Для сжатия воздуха в таких системах используются исключительно гидрокинетические компрессоры.

Рис. «Сравнение кривых мощности и крутящего момента двигателей без наддува и с турбонаддувом»

Пример HTML-страницы

Турбонагнетатели отработавших газов обычно применяются для создания высокого давления наддува даже при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Другими словами, турбина турбонагнетателя рассчитана на среднюю частоту вращения. При этом следует учитывать, что при высоких частотах вращения давление наддува может возрастать до уров­ней, которые вызовут чрезмерные нагрузки на двигатель. Поэтому турбина снабжается пере­пускным клапаном, который при определенной частоте вращения начинает пропускать часть потока отработавших газов мимо турбины. При этом энергия этих отработавших газов остается неиспользованной. Значительно более удовлет­ворительные результаты (т.е. высокое давление наддува в нижнем диапазоне оборотов и в то же время возможность избежать перегрузки в верхнем диапазоне) могут быть получены при использовании турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VTG). В этих системах за счет изменения положения направляющих ло­паток осуществляется регулирование сечения потока и угла атаки рабочих лопаток (и, таким образом, давления отработавших газов, посту­пающих на турбину) (см. «Турбо­нагнетатели»).

Преимущества турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Значительное увеличение выходной мощ­ности на литр рабочего объема;
• Значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности;
• Снижение содержания токсичных продук­тов в отработавших газах;
• Сравнительно небольшой занимаемый объем;
• Может быть использован совместно с си­стемами рециркуляции отработавших га­зов низкого давления.

Недостатки турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Установка турбокомпрессора в тракте с «горячими» отработавшими газами требует применения термостойких материалов;
• Повышенная тепловая инерция в системе выпуска отработавших газов;
• Без принятия дополнительных мер сравни­тельно низкий пусковой крутящий момент в случае установки на двигателях с малым рабочим объемом.

Специальные виды турбонаддува

Пример HTML-страницы

В электрифицированных системах турбонаддува используется дополнительный электродвигатель, приводящий во вращение турбонагнетатель при отсутствии потока отработавших газов. Преиму­щество такой системы заключается в обеспече­нии турбонаддува в переходных режимах работы двигателя и при низких частотах вращения. Эти системы пока что не нашли применения в серий­ном производстве автомобилей ввиду их большой сложности и высокой потребляемой электриче­ской мощности. Применение электрифицирован­ных систем турбонаддува позволит значительно уменьшить занимаемый системой объем.

Еще один специальный вид турбонаддува — системы турбонаддува с использованием энер­гии волн сжатия, которые пока что не нашли применения в серийном производстве. Принцип действия основан на отражении волн сжатия во вращающемся секционном роторе (см. «Нагне­татели и турбонагнетатели»). Основным преи­муществом является очень высокое быстродей­ствие, обеспечивающее быстрое нарастание крутящего момента в переходных режимах. Од­нако применение таких систем связано с высо­кими затратами, а необходимость в отдельном приводе создает проблему нахождения соответ­ствующего свободного пространства.

Виды по способу создания давления

Наддув двигателя – задумка теоретически простая. Суть ее сводится к тому, что принудительная закачка позволяет существенно увеличить количество воздуха в цилиндрах по сравнению с объемом, который засасывает сам мотор, соответственно, и топлива подать можно больше. В результате удается повысить мощность силовой установки без изменения объема камер сгорания

Но это в теории все просто, на практике же возникает множество трудностей. Основная проблема сводится к определению, какая конструкция наддува является самой эффективной и надежной.

В целом разработано три типа нагнетателей, различающихся по способу нагнетания воздуха:

1. Roots
2. Lysholm (механический нагнетатель)
3. Центробежный (турбина)

Каждый из них имеет свои конструктивные особенности, достоинства и недостатки.

Roots

Нагнетатель типа Roots изначально был представлен в виде обычного шестеренчатого насоса (что-то схожее с масляным насосом), но со временем конструкция этого наддува сильно изменилась. В современном нагнетателе Roots шестеренки заменены на два ротора, вращающихся разнонаправлено, и установленных в корпусе. Вместо зубьев на роторах сделаны лопастные кулачки, которыми происходит зацепление роторов между собой.

Главной особенностью наддува Roots является способ нагнетания. Давление воздуха создается не в корпусе, а на выходе из него. По сути, лопасти роторов просто захватывают воздух и выталкивают его в выходной канал, ведущий к впускному коллектору.

Устройство и работа нагнетателя Roots

Но у такого нагнетателя есть несколько существенных недостатков – создаваемое им давление ограничено, при этом еще присутствует пульсация воздуха. Но если второй недостаток конструкторы смогли преодолеть (путем придания роторам и выходным каналам особой формы), то проблема ограничения создаваемого давления более серьезна – либо приходится увеличивать скорость вращения роторов, что негативно сказывается на ресурсе нагнетателя, либо создавать несколько ступеней нагнетания, из-за чего устройство становится очень сложным по конструкции.

Lysholm

Наддув двигателя типа Lysholm конструктивно схож с Roots, но у него вместо роторов используются спиралевидные шнеки (как в мясорубке). В такой конструкции создание давления происходит уже в самом нагнетателе, а не на выходе. Суть проста – воздух захватывается шнеками, сжимается в процессе транспортировки шнеками от входного канала на выходной и затем выталкивается. За счет спиралевидной формы процесс подачи воздуха идет непрерывно, поэтому никакой пульсации нет. Такой нагнетатель обеспечивает создание большего давления, чем конструкция Roots, работает бесшумно и на всех режимах мотора.

Нагнетатель типа Lysholm, другое название — винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

Центробежные нагнетатели – самый сейчас распространенный тип устройства. Он конструктивно проще, чем первые два типа, поскольку рабочий элемент у него один – компрессионное колесо (обычная крыльчатка). Установленная в корпусе эта крыльчатка захватывает воздух входного канала и выталкивает его в выходной.

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

Особенность работы этого нагнетателя сводится к тому, что для создания требуемого давления необходимо, чтобы турбинное колесо вращалось с очень большой скоростью. А это в свою очередь сказывается на ресурсе.

Охлаждение маслом

Достоинства:

• Простая конструкция;
• Удешевление турбокомпрессора.

Недостатки:

• Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом; Высокая требовательность к составу масла;
• Необходимость часто его менять;
• Требовательность к контролированию температурного режима.

Турбина с масляным охлаждением

Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.

В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:

• Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
• Превышение сроков замены масла;
• Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.

Турбонагнетатели: плюсы и минусы

Принцип действия обычных компрессоров, которые приводятся в движение ременной или кривошипно-шатунной передачей в том, что устройство и принцип действия таких устройств потребляют энергию двигателя. На двигатель создается дополнительная нагрузка.

Турбонагнетатели используют дармовую энергию. Такой принцип действия почти идеальный, так как отработанные газы попросту выбрасываются, а здесь они еще служат приводом ротора и сидящих на нем колес.

Турбонаддув может получить развивать мощность до 300 лс с одного литра объема.
Двигатель с установленным турбонагнетателем (турбонаддувом) может развивать мощность на 40% больше, чем ДВС без него. К тому же, турбированные движки намного экономичнее. У ДВС без турбонагнетателя низкий КПД из-за потери на трение и низкой тепловой эффективности.

Соответственно, при увеличении объема двигателя без турбированного наддува, коэффициент полезного действия еще ниже. Турбированные моторы с малым объемом эффективнее ДВС с большим объемом.

Недостатки турбонагнетателей

При эксплуатации этого устройства появляется, так называемый, эффект турбоямы. Так привод осуществляется без механического соединения с валом двигателя, а за счет физического воздействия газов, то иногда появляется несоответствие в работе турбонаддвува и самого двигателя. То есть, мощность, которую задает водитель нажатием на педаль газа не соответствует мощности компрессора. Такие проблемы в работе составных устройств мотора можно выявить, если делать диагностику авто через ноутбук.

У турбонагнетателей есть еще такие недостатки, которые присущи обычным компрессорам. Чтобы их работа была максимально эффективной, они должны вращаться на максимальной скорости. К тому же, при таком режиме работы температура некоторых деталей доходит до 1000 С, также есть сложность в смазке и отведении тепла.

Высокие температуры уменьшают качество смазки и создают очень горячий поток входящего воздуха. Охлаждение нагнетаемого воздуха — острый вопрос.
Для обеспечения эффективного охлаждения подбирается интеркулер с особой тщательностью по данным режима работы устройства.

В конструкции устройства турбонагнетателя, как и любом другом нагнетающем устройстве, должен быть вмонтирован спускной клапан (стравливающий избыточное давление). С турбиной немного сложнее. В турбине, помимо, отслеживания избыточного давления наддува нужно еще перепускать отработанные газы, чтобы обеспечить снижения излишнего давления во впускном коллекторе для исключения образования чрезмерно высокой скорости вращения ротора при больших оборотах ДВС.

Для увеличения ресурса эксплуатации турбонаддува, турбине надо дать остыть на холостом режиме работы мотора после работы на очень высоких оборотах. Достаточно дать поработать на холостых оборотах несколько минут, затем мотор можно заглушить.

Для удобства водителям, создан специальный турботаймер. Турботаймер — электронное устройство, которое после выключения замка зажигания, позволяет мотору еще некоторое время работать, чтобы эксплуатировать турбонагнетатель в щадящем режиме и не сломать его. Его можно запрограммировать на определенное время или сделать, чтобы работал в зависимости от температуры нагрева двигателя.
Если турботаймера нет, то водителю надо самостоятельно ждать несколько минут на холостом ходу и не глушить мотор сразу.

Виды турбонаддува

Существует три способа увеличения подачи воздуха:

1. резонансный (в данном случае используется кинетическая энергия воздуха во впускном коллекторе, нагнетатель не нужен);
2. механический (воздух нагнетается при помощи компрессора, приводимого в действие от двигателя);
3. газотурбинный (для работы нагнетателя используется энергия отработавших газов).

Поскольку в первом случае нагнетатель не применяется, а повышенное давление воздуха создается за счет четко выверенной формы и длины впускного коллектора, резонансный наддув в рамках данной статьи рассматриваться не будет. Гораздо интереснее два других варианта турбонаддува.

Комбинированные системы

Двухступенчатый наддув

Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень — приводной компрессор — обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая — турбонагнетатель — утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.

Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат».

Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.

Механический наддув

Некоторые современные автомобили до сих пор оснащают компрессорами

Механический наддув — способ увеличения подачи воздуха в двигатель посредством использования компрессора. Принцип работы компрессора выглядит следующим образом: когда двигатель начинает работать, его коленвал приводит в действие весь механизм. То есть механический наддув работает с первых моментов запуска мотора автомобиля.

Несомненным плюсом такой системы можно назвать, то что воздух принудительно нагнетается в цилиндры на любых оборотах двигателя (даже самых низких) и давление, соответственно возрастает с увеличением оборотов коленчатого вала. Поэтому автомобилям с механическими компрессорами не знакомо такое понятие, как «турбояма». Но такое устройство имеет и свои отрицательные стороны. Дело в том, что на приведение в движения компрессора мотор автомобиля расходует некоторую часть своей мощности, что снижает в итоге его КПД. Кроме того, для установки механического наддува нужно больше места в подкапотном пространстве. Также такое устройство создает повышенный уровень шума.

Нагнетание воздуха в мотор при помощи компрессора стало использоваться в автомобилестроении гораздо раньше, нежели применение газотурбинного механизма. Тем не менее, несмотря на некоторую устарелость, подобные устройства все еще можно встретить на современных автомобилях (ярким примером выступает компания Mercedes-Benz, на свежевыпущенных машинах которой до сих пор красуются шильдики «Kompressor»).

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Турбонаддув – назначение, устройство и принцип работы

Турбонаддув – это такой способ агрегатного наддува, при котором подача воздуха в цилиндры двигателя происходит под давлением, нагнетаемым действием энергии отработавших газов. Сегодня такой метод – самый эффективный, призванный увеличивать мощность двигателя, не повышая объёма его цилиндров и частоты вращения коленчатого вала. Кроме этого, использование турбонаддува даёт экономию топлива в соотношении расхода к мощности и уменьшает токсичность отработавших газов, осуществляя более полное сгорание топлива.

Применение система турбонаддува находит на обоих типах двигателей – и на бензиновых, и на дизельных. Однако на последних она гораздо эффективнее за счёт их более высокой степени сжатия и сравнительно небольшой частоты вращения коленчатого вала.

Использование же турбонаддува для бензиновых двигателей ограничено, во-первых, вероятностью наступления детонации, обусловленной значительным увеличением оборотов двигателя, а во-вторых, перегревом турбонагнетателя из-за повышенной температуры отработавших газов – около 1000°С, в то время как у дизелей она составляет порядка 600°С.

Устройство

Основная часть компонентов турбонаддува – это типовые элементы впускной системы. Присутствие же в системе турбокомпрессора, интеркулера и конструктивно новых элементов управления становится отличительной особенностью именно турбонаддува.

Хотя конструкции отдельных систем турбонаддува и различаются, можно обозначить их общие компоненты. Помимо вышеперечисленных турбокомпрессора, интеркулера и элементов управления это воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельная заслонка, впускной коллектор, напорные шланги и соединительные патрубки, а в некоторых системах ещё и впускные заслонки.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — главный конструктивный компонент системы турбонаддува. Он нагнетает воздух во впускную систему.

Его устройство выглядит следующим образом:

Устройство турбонагнетателя: 1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо, находясь в специальном теплоустойчивом корпусе, превращает энергию потока отработавших газов в энергию вращения и перенаправляет её на компрессорное колесо. С его помощью воздух всасывается, сжимается и подаётся в цилиндры двигателя. Оба эти колеса жёстко закреплены на роторном валу, вращающемся на подшипниках скольжения плавающего вида. Интеркулер является радиатором жидкостного или воздушного типа. Он охлаждает сжатый воздух, увеличивая его плотность и давление.

Главный элемент управления системой турбонаддува – это регулятор давления наддува, он, по сути, является перепускным клапаном (wastegate). Его задача – ограничивать энергию отработавших газов и направлять часть их потока в обход турбинного колеса. Таким образом, достигается оптимальная величина давления наддува. Привод перепускного клапана – электрический или пневматический. Для его срабатывания система управления двигателем подаёт сигнал от датчика давления наддува.

Как работает турбонаддув

Принцип работы турбонаддува берёт за основу использование энергии отработавших газов. Их струя заставляет вращаться турбинное колесо, передающее вращение через роторный вал компрессорному колесу. С помощью последнего происходит сжатие воздуха и его нагнетание в систему.

Принцип работы турбонаддува

Интеркулер охлаждает воздух, нагретый при сжатии, после чего тот подаётся в цилиндры двигателя.

Хотя система турбонаддува и не связана жёстко с коленчатым валом, её эффективность напрямую зависит от частоты оборотов двигателя. Увеличение оборотов коленчатого вала ведёт к повышению энергии отработавших газов и, соответственно, частоты вращения турбины, что влечёт за собой более интенсивное поступление воздуха в цилиндры двигателя.