Что такое турбонаддув
Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.
Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.
Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.
Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.
Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?
Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.
Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.
Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.
В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.
Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.
Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.
, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, , температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.
По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.
Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.
Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.
На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах
Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.
Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.
Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».
Источник статьи: http://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html
Турбонаддув
В турбокомпрессоре используются центробежные насосы. Под действием центробежных сил, вызванных вращением колеса с лопатками, воздух отбрасывается к периферии колеса, а в его центре создается разрежение, что обеспечивает всасывание воздуха. Для эффективной работы турбокомпрессора частота вращения колеса компрессора должна быть очень высокой не менее 50–100 тыс. мин –1 .
При работе ДВС из выпускного трубопровода под давлением выбрасываются продукты сгорания, которые имеют высокую температуру. Поток газов приводит во вращение колесо турбины, которое передается закрепленному на общем вале колесу компрессора.
Для достижения фазы наддува, т. е. момента, когда давление воздуха на впуске превысит атмосферное, необходимо, чтобы была достигнута определенная частота вращения турбины (не менее 60 000 мин –1 ). При малых оборотах двигателя турбокомпрессор работает в дежурном режиме (частота 5 000–10 000 мин –1 ). Необходимо учитывать, что наличие турбины в выпускном тракте создает сопротивление выходу отработавших газов.
Очень важный вопрос — выбор правильного размера турбины для конкретного двигателя. В первых двигателях с турбонаддувом для легковых автомобилей 1970-х гг. использовались готовые конструкции, разработанные, как правило, для дизелей больших грузовых автомобилей. Такие устройства давали хороший результат для увеличения максимальной мощности, но были неэффективными для получения большого крутящего момента в среднем диапазоне частот вращения двигателя, т. е. для получения достаточной приемистости автомобиля. Большие турбины требовали некоторого времени на «раскрутку», когда при небольших нагрузках открывалась дроссельная заслонка, что приводило к задержке нарастания давления наддува. Этот эффект получил название турбоямы.
Большинство современных турбокомпрессоров легковых автомобилей имеют небольшие размеры и высокую частоту вращения. Для того чтобы увеличить диапазон частот вращения двигателя, при которых турбонаддув обеспечивает повышение давления, применяются по два турбокомпрессора на одном двигателе. Один турбокомпрессор работает при низких оборотах, а второй при высоких. В последних поколениях наддувных двигателей стали применяться турбокомпрессоры с переменной геометрией, которые сохраняют высокую скорость газов при малых нагрузках, так что турбина всегда вращается с нужной скоростью. В таких турбокомпрессорах поток направляемых на турбину газов управляется с помощью специальных поворачивающихся заслонок. Одновременный поворот заслонок производится с помощью штока вакуумной камеры. Разрежение в камере регулируется электромагнитным клапаном по сигналу компьютера.
При работе системы турбонаддува происходит сильный нагрев турбины, а компрессор остается сравнительно холодным. Очень важным узлом, определяющим долговечность турбокомпрессора, является узел подшипников вала. Обычно масло для смазки подшипников подается под давлением из системы смазки двигателя. Иногда для повышения работоспособности наддува применяют охлаждение корпуса турбины жидкостью из системы охлаждения двигателя. После продолжительного движения на высокой скорости автомобиля с турбонаддувом турбина может раскрутиться до высоких скоростей (сотни тысяч оборотов в минуту). После остановки двигателя турбокомпрессор останавливается не сразу, а масло уже не поступает к подшипникам. Чтобы не произошло повреждения подшипников, рекомендуется перед выключением двигателя дать ему возможность некоторое время поработать на холостом ходу.
Очень хорошо система турбонаддува работает в дизелях. Отработавшие газы в дизеле холоднее, чем в бензиновых двигателях, что облегчает работу турбокомпрессора, и, кроме того, в дизеле не существует опасности возникновения детонации. Поэтому неслучайно, что турбонаддув устанавливается почти на всех современных дизельных двигателях легковых автомобилей.
В многоцилиндровых двигателях с большим рабочим объемом некоторых грузовых автомобилей отработавшие газы продолжают обладать большой энергией, даже после прохождения турбокомпрессора. Эту энергию можно использовать для дальнейшего повышения мощностных характеристик двигателя, создавая так называемые турбокомпаундные двигатели. В таком двигателе часть энергии отработавших газов используется для раскручивания дополнительной турбины, которая через гидравлическую муфту связана с коленчатым валом. Такая конструкция дает возможность, увеличить крутящий момент на вале двигателя.
Подробнее о турбонаддуве — в главе Турбокомпрессор
Источник статьи: http://wiki.zr.ru/%D0%A2%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%B4%D0%B4%D1%83%D0%B2
Основы турбонаддува. Часть 3.
В этой части нам придется заняться инженерными расчетами, эта информация является краеугольной в турбостроении. Вы узнаете, что представляет из себя компрессорная карта, научитесь рассчитывать массовый расход воздуха и соотношение давлений, а также потренируетесь правильно подбирать параметры турбокомпрессора, отмечая точки на компрессорной карте.
Для начала определимся с некоторыми терминами, которые необходимы для понимания протекающих в турбокомпрессоре процессов.
Абсолютное и относительное давление.
Под абсолютным давлением понимается давление в условиях полного (абсолютного) вакуума. То есть такое давление, которое показывал бы прибор в космическом (безвоздушном) пространстве, или, например, на Луне. Естественно, такое давление (как и абсолютная температура) может быть только положительным или нулевым. Так как на Земле мы практически всегда находимся в атмосфере, то абсолютное давление атмосферы на уровне моря так и назвали «атмосферой», или сокращенно «атм».
Под относительным принято считать давление воздуха относительно атмосферного. Соответственно, относительное давление может быть положительным и отрицательным, но не менее -1 атм. Перевести один тип давления в другой можно по нехитрым формулам:
Ратм=Рабс-1;
Рабс=Ратм+1, где:
Ратм – атмосферное давление,
Рабс – абсолютное давление.
(Р – общепринятое обозначение давления от английского слова Pressure – «давление»).
Например, измерим давление во впускном коллекторе двигателя. Используем для этого прибор, показывающий величину наддува. Подобные приборы применяются для измерения относительного давления. Двигатель, работающий в режиме холостого хода, будет создавать разрежение от 0,65 до 0,75 атмосфер (то есть показывать значения -0,65 . -0,75). На наддуве показания такого прибора будут лежать в диапазоне 1 — 2 атм.
Все подобные измерения показывают относительное давление (относительно атмосферы). Чтобы получить значения абсолютного давления, к полученным показаниям необходимо прибавить единицу, если давление измеряется в атмосферах, или ее эквивалент в других единицах измерения.
Таким образом, абсолютное давление на двигателе будет +0,25 — +0,35 атмосфер, а на наддуве от 2-х до 3-х атм.
Параметры компрессорной карты
Компрессорная карта это графическое представление работы компрессора в различных режимах. При этом отображаются следующие основные характеристики компрессора:
— эффективность компрессора;
— скорость вращения вала турбины;
— диапазон массового расхода воздуха;
— допустимость работы при различных давлениях наддува.
Ниже приведена стандартная компрессорная карта с названиями ее характеристик:
Рассмотрим их подробнее:
По вертикали показано значение параметра Pressure Ratio (отношение давлений), величина, равная отношению абсолютного давления на выходе к абсолютному давлению на входе компрессора:
PR = Pcr/Pin
Где:
PR — отношение давлений,
Pin — абсолютное давление на входе
Pcr — абсолютное давление на выходе компрессора.
Проще говоря, величина PR показывает степень сжатия воздуха компрессором.
Пример расчета Pressure Ratio:
Пусть нам необходимо рассмотреть работу компрессора при 0.6 атм наддува в коллекторе. Сначала вспомним, что под «наддувом» подразумевается относительное давление, а нам для расчетов необходимо абсолютное. Поэтому, согласно вышеприведенным формулам, добавляем к нему единицу атмосферного давления и получаем в коллекторе 1,6 атм абсолютного давления.
В данном случае, при нормальном давлении атмосферы на входе, отношение давлений будет следующим:
PR = Pcr/Pin = 1,6/1,0 = 1,6.
Однако, на практике все немного сложнее. Из-за наличия в системе воздушного фильтра давление на входе компрессора обычно меньше атмосферного. Падение давление в зависимости от качества и размера фильтра может быть от 0,02 до 0,10 атм. Предположим, что в нашем случае оно меньше атмосферного на 0.06 атм.
Тогда формула станет следующей:
PR = 1,6/(1,0-0,06) = 1,7 / 0,94 = 1,81
Итак, для расчета Pressure Ratio нам необходимо знать величину наддува, для которого считается PR и разрежение воздуха на впуске перед компрессором. Затем остается воспользоваться следующей формулой:
PR = (1,0 + «давление воздуха на выходе компрессора») / (1,0 – «разрежение на впуске перед компрессором»).
Для спортивного автомобиля без воздушного фильтра, формула становится еще проще, так как делитель можно принять равным единице и считать:
PRспорт = 1 + «давление воздуха на выходе компрессора».
Расход воздуха или Air Flow
По горизонтальной оси графика у нас указывается «массовый расход воздуха».
Этот параметр показывает массу воздуха, которая проходит через компрессор (и через двигатель) за единицу времени. Традиционно эта величина выражается на компрессорных картах в фунтах воздуха, прошедшего за минуту времени (lb/min). Для перевода в более привычную (интернациональную) систему единиц измерения фунт принимается равным 0,45 кг (минута — 60 секунд).
Так как мощность двигателя прямо зависит от количества проходящей через него топливовоздушной смеси, то массовый расход воздуха является главной характеристикой компрессорной карты. Так, при прохождении через двигатель одного фунта воздуха в минуту, современный мотор вырабатывает порядка 10 лошадиных сил мощности. Поэтому, достаточно даже просто взглянуть на компрессорную карту, чтобы оценить потенциальную мощность двигателя с такой турбиной. Например, согласно вышеприведенному графику область работы компрессора завершается примерно на 52 фунтах. Значит, такую турбину можно оценить примерно в 500 л.с.
Граница помпажа (Surge)
Границей помпажа на компрессорной карте называется крайняя левая линия. Левее этой границы работа компрессора становится нестабильной, приводящей к резким колебаниям интенсивности воздушного потока. При длительной работе в таких условиях компрессор быстро выходит из строя в связи с большой нагрузкой на крыльчатку и подшипники.
Турбина переходит в режим помпажа в двух случаях:
— при резком закрытии дросселя. При этом расход воздуха резко падает, но турбина все еще продолжает очень быстро вращаться. На компрессорной карте это выглядело бы как резкое смещение влево, в зону помпажа. Избежать этого явления помогает своевременное срабатывание клапана Blow Off. При этом восстанавливается расход проходящего через турбины воздуха, а излишек наддутого воздуха выбрасывается в атмосферу.
— в режиме полной нагрузки. Как правило, на низких оборотах, в процессе выхода турбины в режим наддува. Такой переход еще более опасен (чем первый вариант), так как может продолжаться сравнительно долго (часто на высоких передачах). Это явление обычно связанно со слишком высокой скоростью вращения турбины и, соответственно, большим давлении в компрессоре (при этом расход воздуха через двигатель остается на сравнительно невысоком уровне). Как правило, такое случается на гибридах с маленьким соотношением A/R горячей части, маленькой горячей частью и большой компрессорной частью.
Уменьшить вероятность попадания компрессора в режим помпажа (Surge) можно с помощью установки компрессорного хаузинга (корпуса турбины) с «Ported Shroud» — обводными воздушными каналами, встроенными в компрессорный хаузинг (корпус турбины):
Использование этих каналов позволяет сдвинуть границу помпажа (на компрессорной карте) левее за счет перенаправления части воздуха из компрессора обратно во впуск. При прочих равных условиях такая конструкция дает возможность использовать больший компрессор при меньшей турбинной части без нежелательных эффектов помпажа. Ниже сравниваются две компрессорных карты: со встроенными обводными каналами и со стандартным компрессорным хаузингом (корпусом турбины):
Как видно на приведенном графике, имеется довольно значительная область карты, выделенная красным цветом, которая подходит для турбин с портированным компрессорным хаузингом (корпусом турбины), однако обычный хаузинг (выделенный синим цветом) при этом попадает в нерабочую зону.
Как выглядят портированные и непортированные турбины видно на приведенных ниже фотографиях:
Турбина 3071 без антипомпажных отверстий.
Турбина 3076 с заводскими антипомпажными отверстиями.
В принципе, возможно портирование заводского компрессорного хаузинга если он не был изготовлен в заводских условиях. Например для GT3582R это будет выглядеть так:
Теперь рассмотрим последние три составляющих нашей компрессорной карты: «Предельная граница эффективности», «Скорость вращения турбины» и «Зоны эффективности компрессора»:
Предельная граница эффективности компрессора.
Граница эффективности компрессора ограничивает карту справа (так же, как линия помпажа ограничивает ее слева. Так, например, Garrett указывает на своих картах область до 60-58% эффективности работы компрессора. Все режимы, находящиеся правее этой границы, будут иметь эффективность менее 58% и приводят лишь к излишнему нагреву сжимаемого компрессором воздуха и недопустимой скорости вращения турбины.
Скорость вращения турбины
Для оценки скорости вращения турбины служат специальные линии так и обозначенные на карте — «скорость вращения турбины». Как нетрудно догадаться, эти линии показывают скорость, с которой будет вращаться вал турбины в этой области карты. Значения скорости приведены в оборотах вала за одну минуту. При возрастании скорости вращения турбины увеличивается давление, а также расход проходящего через компрессор воздуха. Как видно на карте, эти линии сходятся на границе зоны эффективности. Как уже было отмечено выше, за границей этой области скорость вращения турбины резко увеличивается и выходит за пределы допустимого.
Зоны эффективности компрессора
Концентрические замкнутые линии, выходящие из центральной области карты, представляют собой срезы значения эффективности компрессора. Эффективность работы компрессора внутри области, очерченной такой линией, не ниже указанного на линии значения. Маленькая область, расположенная в центральной части карты соответствует максимально возможной эффективности работы компрессора. При удалении от центра карты эффективность уменьшается, пока не дойдет до крайних значений, ограниченных режимом помпажа слева и пределом по производительности справа.
Источник статьи: http://clubturbo.ru/inter/osnovy_turbonadduva_chast_3/