ГлавнаяОбратная связьПрайс(4967) 76 27 00

статьи

Принцип работы турбокомпрессора.

       

Объемы воздуха и топлива, подаваемые в двигатель, определяют уровень мощности, развиваемый силовой установкой. Увеличение подачи того или иного составляющего, приводит к увеличению мощности. Наращивание объёма подаваемого топлива, без увеличения кол-ва подаваемого воздуха для полноценного процесса сгорания, не приведет к положительному  эффекту. Наиболее приемлемым вариантом – считается увеличение объёма подаваемого воздуха. Подача в цилиндры дополнительного кол- ва. воздуха позволит сжечь больший объём топлива, а как следствие, получить больше энергии. Согласно законам газодинамики,  для того чтоб через определенное сечение за один и тот-же период времени подать большее кол-во. воздуха, его необходимо сжать.

Существует несколько способов  нагнетания воздуха, по принципу действия. Первые   системы, работающие на энергии отработанных газов, вторые – за счет механического привода.

Мы рассмотрит оба типа, как для бензиновых, так и для дизельных двигателей.

1.1  Использование турбокомпрессора в системе нагнетания воздуха.

Итак – мощность двигателя зависит от баланса топливно – воздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания двигателя. Поэтому, для увеличения мощности двигателя не достаточно увеличить только подачу топлива, без соответствующего объема воздуха, т.к. это приводит к избытку несгоревшего топлива и как следствие перегрев двигателя  и сильная задымленность.

  Путей увеличения мощности атмосферного двигателя существует два. Первый – это увеличение рабочего объема. Как следствие увеличение габаритных размеров и массы силовой установки. Второй – увеличение количества оборотов коленчатого вала. При этом возникает множество проблем технического характера, особенно в случае с силовыми установками большого объема.

  Наиболее эффективным вариантом решения вопроса повышения мощности двигателя – является применение нагнетателя (компрессора) воздуха. Эта схема подразумевает сжатие воздуха перед подачей в камеру сгорания двигателя.

  Попросту говоря, турбокомпрессор, сжимая воздух, создает достаточное количество воздуха для полноценного сгорания увеличенного объема топлива. Это дает возможность при том же рабочем объеме и оборотах двигателя получить увеличение мощности.

 

В настоящее время применяются два типа нагнетателей, различающиеся по принципу работы:

-  с механическим приводом (вал компрессора связан с коленвалом двигателя);

- турбокомпрессор ( используют энергию отработанных газов для привода компрессора).

Существует так же комбинированные системы – турбокомпаундная.

Как упомянуто выше, механические компрессора приводятся в действие отбором мощности от коленвала двигателя. Турбокомпрессор  для привода турбины использует энергию отработанных газов.

История создания турбокомпрессоров датируется 1905годом, когда он был впервые сконструирован швейцарским инженером  Бюши. Но использовать на серийных двигателях большого объёма, его начали после доработки спустя много лет.

Принципиально,  турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, которые жестко связаны общей жесткой осью.   Колесо турбины турбокомпрессора располагается в выпускном тракте двигателя. Поток отработанных газов, вырываясь из камеры сгорания, передают всю свою кинетическую энергию лопаткам турбины, которые преобразовывают ее в механическую энергию вращения турбины( крутящий момент).  Процесс преобразования энергии сопровождается снижением температуры и давления газов.

Далее компрессор, приводимый турбиной, осуществляет сжатие и подачу воздуха в камеру сгорания.  Что в свою очередь дает возможность увеличить количество сжигаемого топлива, а как следствие увеличивает мощность силовой установки. Помимо этого более эффективное сгорание топлива улучшает характеристики двигателя в различных рабочих режимах.

Связь двигателя и турбокомпрессора осуществляется только через поток отработанных газов. Не существует прямой зависимости частоты вращения турбокомпрессора от частоты вращения двигателя. Поэтому работа турбокомпрессора характеризуется некоторой инерционностью. Схема процесса увеличения подачи воздуха через турбокомпрессор выглядит следующим образом. Вначале мы увеличиваем подачу топлива, как следствие происходит увеличение энергии отработанных газов. Это приводит к увеличению оборотов турбины, что в свою очередь увеличивает обороты компрессора и объем подаваемого воздуха. А больший объем воздуха дает возможность увеличить подачу топлива.

Давление воздуха в компрессоре, если нет регулировки, прямо пропорционально энергии отработанных газов или числу оборотов турбины.

Двигателя легковых автомобилей работают в различных диапазонах частот вращения, для них желательно высокое давление наддува даже на низких оборотах. Это достигается регулировкой давления. Именно поэтому турбокомпрессора с регулировкой давления  более перспективны. Турбокомпрессора с регулировкой давления имею меньшие массо-габаритные показатели, как следствие меньшую инерционность, позволяет турбокомпрессору быстро выходить на требуемый режим. Для исключения повреждения двигателя из-за превышения критической отметки давления наддува, существует регулировочный клапан.

 

1.2  Типы выпускных систем с турбокомпрессором.

Выпускные системы с турбокомпрессором бывают с постоянным давлением на входе в турбину и с импульсным давлением на входе в турбину. На практике применяются оба типа, иногда комбинированный вариант. Одними из критериев выбора типа выпускной системы являются: тип двигателя, количеством цилиндров, специфика использования и т.д.

В выпускных системах с постоянным давлением на входе в турбину, отработанные газы собираются в общем коллекторе, а затем направляются в турбокомпрессор. В случае с импульсной системой, отработанные газы по коллектору типа «спагетти» подаются отдельно от каждого цилиндра к турбокомпрессору, что дает возможность использования резонансных явлений в выпускном коллекторе и добиться максимальной производительности от турбокомпрессора в узком диапазоне чисел оборотов.

 

1.3  Превосходства  двигателя с турбокомпрессором.

Турбокомпрессорный двигатель имеет превосходства экономического и технического характера по сравнению с атмосферным двигателем.

  • Баланс масса/мощность у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя
  • Меньшие габаритные размеры турбокомпрессорного двигателя в сравнении с атмосферным двигателем той же мощности.
  • Кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. При этом, например, водитель тяжелого грузовика должен намного реже переключать передачи на горной дороге и само вождение будет более "мягким"

Существует возможность создания «турбированного»  двигателя на базе атмосферного, отличающегося по мощности.

Превосходства двигателя с турбокомпрессором, использующихся на технике, эксплуатируемой в высокогорных районах.  Разряженность  воздуха  дает потерю мощности атмосферного двигателя.  Использование турбокомпрессора, дает возможность увеличивать подачу воздуха, тем-самым компенсируя снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою обычную мощность.

Помимо вышесказанного

  • Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает эффективное сгорание топлива. Что подтверждается  уменьшение потребления топлива грузовиками на больших пробегах.
  • Следствие улучшения сгорания топлива - уменьшение токсичности отработавших газов.

Турбокомпрессорный двигатель отличается более стабильной работой, чем его атмосферный аналог той же мощности, а будучи меньшим, по размеру, он производит, соответственно, меньше шума. Также, турбокомпрессор играет роль своего рода  глушителя в системе выпуска

 

1.4  Потенциал применения турбокомпрессоров.

На любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный, бензиновый или работающий на газе, имеющий жидкостное или воздушное охлаждение, можно установить турбокомпрессор . Турбокомпрессоры применяются на двигателях как с большим рабочим объемом (судовых, тепловозных и стационарных), так и на двигателях грузовых и легковых автомобилей. Также нет ограничений по использованию турбокомпрессоров на  2-тактном или  4-тактном двигателе.

На данный момент подавляющее большинство  дизельных двигателей  мощностью более 150 кВт, используемые в промышленности, судостроении, на дорожно-строительных работах, оснащаются турбокомпрессорами.

При производстве автомобильного транспорта,  любой дизельный двигатель мощностью более 80 кВт стандартно оснащается турбокомпрессором.

Не стали исключением в применении турбокомпрессоров, небольшие автомобили с дизельным двигателем. Приход турбокомпрессоров на бензиновые двигатели был более трудным, но ускорился благодаря опыту их использования на кольцевых автогонках и авторалли. Расширение производства материалов, обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, электронное управление регулирующими клапанами - все это способствует тому, что турбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях, что в сочетании с впрыском и электронным зажиганием позволило достичь очень высоких характеристик.