Для чего на двигателях внутреннего сгорания применяют турбонаддув

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания широкое применение находят специальные агрегаты — турбокомпрессоры. О том, что такое турбокомпрессор, каких типов бывают эти агрегаты, как они устроены и на каких принципах основана их работа, а также об их обслуживании и ремонте читайте в статье.

Что такое турбокомпрессор?

Турбокомпрессор — основной компонент системы агрегатного наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат для повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.

Турбокомпрессор применяется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без коренного вмешательства в его конструкцию. Данный агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания увеличенного количества топливно-воздушной смеси. В этом случае сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к повышению давления на поршень и, как следствие, к росту крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.

Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более значительных доработках рост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров находят самое широкое применение на всех типах транспортных средств с ДВС.

Типы и характеристики турбокомпрессоров

Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.

По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:

Для одноступенчатых систем наддува — один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегатов, работающих на несколько цилиндров;
Для последовательных и последовательно-параллельных систем надува (различные варианты Twin Turbo) — два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на общую группу цилиндров;
Для двухступенчатых систем наддува — два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые работают в паре (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.

Наиболее широкое применение находят одноступенчатые системы наддува, построенные на основе одного турбокомпрессора. Однако такой системе может присутствовать два или четыре одинаковых агрегата — например, в V-образных двигателях используются отдельные турбокомпрессоры на каждый ряд цилиндров, в многоцилиндровых моторах (более 8) могут применяться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров. Меньшее распространение получили двухступенчатые системы наддува и различные вариации Twin-Turbo, в них используется два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые могут работать только в паре.

По применимости турбокомпрессоры можно условно разделить на несколько групп:

По типу двигателя — для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
По объему и мощности двигателя — для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности; для высокооборотистых двигателей, и т.д.

Турбокомпрессоры могут оснащаться турбиной одного из двух типов:

Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) — поток отработавших газов подается на периферию крыльчатки турбины, движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
Осевой — поток отработавших газов подается вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.

Сегодня применяются обе схемы, но на двигателях небольшого объема чаще можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это и не является правилом). Независимо от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащаются центробежным компрессором — в нем воздух подается к центру крыльчатки и отводится от ее периферии.

Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:

Двойной вход — турбина имеет два входа, на каждый из них поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
Изменяемая геометрия — турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, посредством которых можно изменять поток отработавших газов на рабочее колесо, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.

Наконец, турбокомпрессоры отличаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями. Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:

Степень повышения давления — отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, лежит в пределах 1,5-3;
Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) — масса воздуха, проходящая через компрессор за единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
Рабочий диапазон оборотов — лежит в пределах от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, при слишком высокой скорости вращения за счет центробежных сил колесо может разрушиться. В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростями 500-600 и более м/с, то есть — в 1,5-2 раза быстрее скорости звука, это и обуславливает возникновение характерного свиста турбины;
Рабочая/максимальная температура отработавших газов на входе в турбину — лежит в пределах 650-700°С, в отдельных случаях достигает 1000°С;
КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Также агрегаты отличаются размерами, типом монтажа, необходимостью применять вспомогательные компоненты и т.д.

Конструкция турбокомпрессора

В общем случае турбокомпрессор состоит из трех основных узлов:

Турбина;
Компрессор;
Корпус подшипников (центральный корпус).

Турбина — агрегат, преобразующий кинетическую энергию отработавших газов в механическую энергию (в крутящий момент колеса), которая обеспечивает работу компрессора. Компрессор — агрегат для нагнетания воздуха. Корпус подшипников связывает оба агрегата в единую конструкцию, а расположенный в нем вал ротора обеспечивает передачу крутящего момента от колеса турбины на колесо компрессора.

Разрез турбокомпрессора

Разрез турбокомпрессора

Турбина и компрессор имеют схожую конструкцию. Основой каждого из этих агрегатов выступает корпус-улитка, в периферийной и центральной части которого расположены патрубки для соединения с системой наддува. У компрессора впускной патрубок всегда находится в центре, выпускной (нагнетательный) — на периферии. Такое же расположение патрубков у осевых турбин, у радиально-осевых турбин расположение патрубков обратное (на периферии — впускной, в центре — выпускной).

Внутри корпуса располагается колесо с лопатками специальной формы. Оба колеса — турбинное и компрессорное — удерживаются общим валом, который проходит через корпус подшипников. Колеса — цельнолитые или составные, форма лопаток турбинного колеса обеспечивает максимально эффективное использование энергии отработавших газов, форма лопаток компрессорного колеса обеспечивает максимальный центробежный эффект. В современных турбинах высокого класса могут использоваться составные колеса с керамическими лопатками, которые имеют низкую массу и обладают лучшими характеристиками. Размер колес турбокомпрессоров автомобильных двигателей — 50-180 мм, мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей — 220-500 и более мм.

Оба корпуса монтируются на корпус подшипников с помощью болтов через уплотнения. Здесь располагаются подшипники скольжения (реже — подшипники качения специальной конструкции) и уплотнительные кольца. Также в центральном корпусе выполняются масляные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах и полости водяной рубашки охлаждения. При монтаже агрегат соединяется с системами смазки и охлаждения двигателя.

В конструкции турбокомпрессора могут быть предусмотрены и различные вспомогательные компоненты, в том числе детали системы рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы для улучшения смазки деталей и их охлаждения, регулировочные клапаны и т.д.

Детали турбокомпрессора изготавливаются из специальных марок стали, для колеса турбины применяются жаропрочные стали. Материалы тщательно подбираются по коэффициенту температурного расширения, что обеспечивает надежность конструкции на различных режимах работы.

Турбокомпрессор включается в систему наддува воздуха, в которую также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах — интеркулер (радиатор охлаждения наддувного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

Функционирование турбокомпрессора сводится к простым принципам. Турбина агрегата внедряется в выпускную систему двигателя, компрессор — во впускной тракт. Во время работы мотора выхлопные газы поступают в турбину, ударяются о лопатки колеса, отдавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя ее вращаться. Крутящий момент от турбины посредством вала напрямую передается на колеса компрессора. При вращении колесо компрессора отбрасывает воздух на периферию, повышая его давление — этот воздух подается во впускной коллектор.

Одиночный турбокомпрессор имеет ряд недостатков, основной из которых — турбозадержка или турбояма. Колеса агрегата имеют массу и некоторую инерцию, поэтому не могут мгновенно раскручиваться при повышении оборотов силового агрегата. Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель разгоняется не сразу — возникает короткая пауза, провал мощности. Решением этой проблемы служат специальные системы управления турбиной, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, последовательно-параллельные и двухступенчатые системы наддува, и другие.

Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров

Турбокомпрессор нуждается в минимальном техническом обслуживании. Главное — вовремя производить замену масла и масляного фильтра двигателя. Если мотор еще может какое-то время работать на старом масле, то для турбокомпрессора оно может стать смертельно опасным — даже незначительное ухудшение качества смазочного материала на высоких нагрузках может привести к заклиниванию и разрушению агрегата. Также рекомендуется периодически очищать детали турбины от нагара, что требует ее разбора, однако эту работу следует выполнять только с применением специального инструмента и оборудования.

Неисправный турбокомпрессор в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Для замены необходимо использовать агрегат того же типа и модели, что был установлен на двигателе ранее. Монтаж турбокомпрессора с иными характеристиками может нарушить работу силового агрегата. Подбор, монтаж и настройку агрегата лучше доверять специалистам — это гарантирует правильное выполнение работ и нормальную работу двигателя. При правильной замене турбокомпрессора двигатель снова обретет высокую мощность и сможет решать самые сложные задачи.

Другие статьи

#Омывающие жидкости
29.09.2023 | Статьи о запасных частях

Зима и лето, два полюса, между которыми меняется весь наш мир. И в этом мире существуют омывающие жидкости — помощники, которые обеспечивают нашу безопасность на дороге. В этой статье мы окунемся в мир омывающих жидкостей и узнаем, какие они бывают, от чего зависит их температура замерзания и как их правильно выбрать.

#Рассухариватель клапанов
21.06.2023 | Статьи о запасных частях

Замена клапанов двигателя внутреннего сгорания затрудняется необходимостью съема сухарей — для этой операции используются специальные рассухариватели клапанов. Все об этом инструменте, его существующих типах, конструкции и принципе действия, а также о его выборе и применении читайте в данной статье.

#Переключатель света с регулировкой шкалы
14.06.2023 | Статьи о запасных частях

Во многих отечественных автомобилях ранних выпусков широко использовались центральные переключатели света с реостатом, позволяющим регулировать яркость подсветки приборов. Все о данных устройствах, их существующих типах, конструкции, работе, а также об их правильном выборе и замене читайте в статье.

#Пластина распределителя зажигания
07.06.2023 | Статьи о запасных частях

Одной из основных деталей распределителя зажигания является опорная пластина, отвечающая за функционирование прерывателя. Все о пластинах прерывателя, их существующих типах и конструктивных особенностях, а также о подборе, замене и регулировках данных компонентов подробно рассказано в данной статье.

FAQ по ДВС 8(Турбо).

Существует несколько систем наддува. В первую очередь к ним следует отнести самый распространенный вид — турбонаддув — наддув за счет использования энергии выхлопных газов. Этот вид наддува более подробно рассмотрим далее.
Второй вариант наддува — это наддув от приводного нагнетателя — так называемый SUPERCHARGER. На современных двигателях данная схема применяется редко из-за сложности конструкции нагнетателя и его недостаточной надежности. Преимуществом его по сравнению с турбонаддувом является более высокое давление наддува на пониженных режимах, а также отсутствие так называемой «турбоямы», т.е. характерного «провала» мощности при резком открытии дроссельной заслонки. Это определяет область применения приводного нагнетателя — в основном на не слишком быстроходных двигателях (FORD, GM), хотя в последние годы наметилась тенденция их использования и на высокооборотных двигателях (MERCEDES).

На дизелях автомобилей MAZDA установлен волновой обменник давления COMPREX, обеспечивающий наддув за счет взаимодействия волн давления и разрежения, распространяющихся в каналах вращающегося ротора. Этот тип наддува позволяет достичь более высокого форсирования, чем другие системы наддува, но пока не получил распространения из-за сложности конструкции .

1 — форсунка подачи топлива;
2 — компрессор;
3 — регулятор давления наддува;
4 — турбина;

5 — передача клиновым ремнем;
6 — приводной компрессор;
7 — регулятор давления наддува;

Волновой обменник давления

8 — передача зубчатым ремнем;
9 — ротор волнового обменника;

Сравнение различных систем наддува по крутящему моменту двигателя на различных частотах вращения:

1. базовый двигатель без наддува;
2. двигатель с турбонаддувом;
3. двигатель с приводным нагнетателем;
4. двигатель с волновым обменником давления.

Oснова турбонаддува
Основой системы турбонаддува двигателя, и в то же время наиболее сложным ее элементом, является турбокомпрессор. Принцип работы турбокомпрессора заключается в том, что энергия оставшаяся в выхлопных газах не уходит в атмосферу, а идет на повышение давления и плотности воздуха поступающего в двигатель.

Отработанные двигателем газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины (горячая улитка). Давление газов и тепловая энергия газов вращают колесо турбины (горячая крыльчатка), которое, в свою очередь, вращает колесо компрессора (холодная крыльчатка). После этого выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.

При вращении колесо компрессора всасывает воздух через воздушный фильтр. Лопасти колеса компрессора ускоряют и выталкивают воздух в корпус компрессора (холодная улитка), где воздух сжимается и во впускной коллектор двигателя. Воздух на выходе из компрессора имеет не только повышенное давление, но и температуру, снижающую плотность заряда, что неблагоприятно отражается на наполнении и, следовательно, мощности двигателя. Поэтому на многих двигателях с турбонаддувом с целью повышения плотности воздуха и, соответственно, улучшения наполнения цилиндров применяют промежуточное охлаждение наддуваемого воздуха (intercooler). Для этого, после компрессора воздух направляют в специальный «воздухо-воздушный» радиатор, установленный рядом с радиатором системы охлаждения.

Особенности работы двигателя с наддувом

Наддув является эффективным способом повышения мощности двигателя при сохранении его объема. Если степень форсирования двигателя характеризовать литровой мощностью Nn = N/Vh, где N — максимальная мощность; Vh -рабочий объем, то у двигателей с наддувом литровая мощность достигает порядка 85-90 кВт/л (110-120 л.с./л), что на 30-40% выше, чем у современных двигателей без наддува.

Двигатели с наддувом имеют меньшую геометрическую степень сжатия. Если в двигателях без наддува (бензиновых) ее значение порядка 9,5-10,0, то с наддувом степень сжатия, как правило, не превышает 8,5. Дело в том, что при увеличении давления смеси в начале сжатия (что и дает наддув) на величину степени повышения давления в компрессоре = Рк/Ро, где Рк — давление за компрессором, пропорционально увеличивается и давление в конце сжатия. Если его не уменьшить увеличением объема камеры сгорания (т.е. уменьшением геометрической степени сжатия, то в конце сжатия давление будет больше на величину Это равносильно тому, что двигатель будет иметь степень сжатия, что при даст увеличение на 1-1,5 единицы. Такой двигатель не сможет надежно работать из-за детонации на основных рабочих режимах. Наддув, таким образом, дает увеличение мощности за счет увеличения количества топливо-воздушной смеси, поступившей в цилиндр на такте впуска при сохранении давления в цилиндре в конце сжатия приблизительно на прежнем уровне.

Поскольку количество топливовоздушной смеси увеличивается при сохранении рабочего объема, то увеличивается и количество выделившегося при сгорании тепла. Это приводит к необходимости усиливать детали двигателя, т.к. возрастает температура и давление в цилиндрах.

Когда люди говорят о гоночных машинах или мощных спортивных авто, рано или поздо всплывает тема турбин(турбо компрессоры также устанавливают на больших дизельных моторах). Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного увеличения его размеров/веса, что является основным преимуществом которое сделало турбины столь популярными.
Турбокомпрессоры — тип усиленной впускной системы. Они сжимают воздух во впускном тракте. Преимущество сжатия воздуха в том что двигатель получает возможность «запихнуть» в камеру сгорания больший объем воздуха, а большему кол-ву воздуха нужен больший объем топлива. Таким образом мы получаем больше мощности от каждого взрыва в каждом циллиндре. Турбированный двигатель производит больше мощности по сравнению с таким же НЕ турбированным двигателем. Турбина может значительно улучшить соотношение мощность/вес для вашего двигателя.

Для раскрутки/буста турбина использует поток выхлопных газов которые вращают крыльчатку турбины, которая в свою очередь соединена(находится на том же валу) с крыльчаткой аэро компрессора. Скорость вращения турбины может достигать150тыс. об./мин что почти в 30 раз быстрее скорости вращения самого двигателя. Естественно что при таких условиях работы, температура турбины тоже очень высока.

Одним из верных способов увеличения мощности двигателя является увеличение объема газо-бензиновой смеси которое он может сжечь. Этого можно достичь увеличив кол-во циллиндров, или сделать имеющиеся циллиндры больше. Иногда подобные изменения могут не дать должного эффекта, в отличие от турбины, которая является более простым, компактным решением для увеличения мощности, особенно если речь идет о производителях тюнинговых решений.

Турбины позволяют двигателю сжигать большее кол-во газо-топливной смеси путем большего нагнетания ее в имеющуюся камеру сгорания. По сравнению с обычным двигателем, турбина может нагнетать до 50% больше газотопливной смеси в камеру сгорания. Установкой турбины можно достичь 40-го % прироста мощности двигателя. Справедливо ожидать 50-ти процентного прироста мощности, но все не так замечательно, и вот почему. Установка турбины накладывает определенные ограничения на выпускную систему, тк выхлопные газы проходят через крыльчатку турбины, тем самым увеличивается сопростивление потоку выхлопных газов, что в свою очередь отнимает часть КПД от взрывов в циллиндрах которые происходят одновременно.

Турбокомпрессор и двигатель.

Турбокомпрессор устанавливается на выпускном коллекторе. Выхлопные газы раскручивают крыльчатку турбины которая работает по принципу газотурбинных двигателей. Вал турбины соединен с валом воздушного компрессора который схематически находится между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания двигателя.

Поток выхлопных газов проходящих сквозь крыльчатку турбины, разгоняет ее. Чем больше давление выхлопных газов оказываемое на крыльчатку турбины, тем быстрее она раскручивается.

На другом конце вала турбины установлен воздушный компрессор который нагнетает воздух в камеру сгорания. Компрессор работает по принципу центрифуги — он раскручивает воздух от центра к краям крыльчатки по ходу вращения.

Тк вал турбины раскручивается до огромных скоростей(150тыс об./мин.), необходимо обеспечить его надежную поддержку/закрепление. Большая часть подшипников взорвалась бы на таких скоростях, по этому в большей части турбокомпрессоров используется жидкий подшипник(маслянный клин). Данный тип подшипника поддерживает вал на тонком слое масла которое подается под давлением вокруг него(между валом и стенкой подшипника). Это делается по 2-м причинам:
1.Масло охлаждает вал и прилегающие части турбокомпрессора
2.Этот метод позволяет избежать большой силы трения между валом и стенками подшипника турбокомпрессора

Одной из главных проблем связанных с использованием турбокомпрессоров является то что они не могут моментально обеспечить рабочее давление наддува(буст) когда вы нажимаете на педаль акселератора. Проходит определенное время до того как турбина разгонится и начнет обеспечивать рабочее давление наддува. Это явление называется лаг(задержка), то есть мы ощущаем лаг когда давим на педаль акселератора, затем спустя определенное время(лаг) машина выстреливает вперед.
Для уменьшения турбо лага необходимо уменьшить силу инерции вращающихся частей, главным образом путем уменьшения их веса. Это позволит турбине и компрессору разгоняться быстрее, и раньше опеспечивать рабочее давление наддува. Одним из верных способов уменьшения силы инерции турбины и компрессора является уменьшение размера самого турбокомпрессора. Не большой турбокомпрессор обеспечит рабочее давление наддува на низких оборотах двигателя значительно быстрее, но не сможет обеспечить нормальное давление наддува на высоких оборотах, когда двигателю необходим значительно больший объем воздуха.Также для небольших турбокомпрессоров существует опасность слишком быстрого вращения на высоких оборотах двигателя, когда большой объем выхлопных газов проходит сквозь турбину.
Большие турбокомпрессоры могут обеспечить достаточное давление наддува на высоких оборотах двигателя, но им присущь больший турбо лаг тк их турбина и компрессор имеют больший вес и как следствие разгоняются дольше. К счастью есть несколько способов побороть эту проблему.
У большинства автомобильных турбокомпрессоров есть вестгейт, который позволяет использовать небольшие турбокомпрессоры для уменьшения лага, а также предотвращает их слишком быстрое вращение на высоких оборотах двигателя. Вестгейт — это клапан который позволяет проходить потоку выхлопных газов в обход крыльчатки турбины. Вестгейт распознает давление наддува.Если давление слишком высоко это может означать что турбина вращается слишком быстро, в этом случае вестгейт отводит(открывает клапан) часть потока выхлопных газов от крыльчатки турбины, что позволяет снизить скорость вращения турбины.
В строении некоторых турбокомпрессоров вместо жидких подшипников(маслянного клина) используются шарикоподшипники. Но это не обычные подшипники — это супер точные подшипники созданные с использованием передовых технологий/материалов призванных допустить их использование на таких скоростях и температурах присущих турбокомпрессорам. Такие подшипники позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем в обычных жидких подшипниках. Также шарикоподшипники позволяют использовать меньший и более легкий основной вал, что тоже положительно сказывается скорости раскручивания вала, и уменьшении турбо лага.
Керамическая крыльчатка легче стальной, используемой в большинстве турбокомпрессоров. Это тоже позволяет турбине раскручиваться быстрее, что в свою очередь помогает уменьшить турбо лаг.

В строении некоторых турбосистем используются два турбокомпрессора. Меньший турбокомпрессор раскручивается до рабочего давления наддува значительно быстрее, уменьшает лаг, пока больший турбокомпрессор раскручивается и срабатывает на высоких оборотах обеспечивая большее давление наддува.
Когда воздух сжимается — он подогревается и расширяется. Собственно часть от общего увеличения давления турбокомпрессором — результат нагрева воздуха до его попадания в камеру сгорания. Для того чтобы увеличить мощность двигателя необходимо «впихнуть» в камеру сгорания как можно больше молекул воздуха, а не просто воздух под большим давлением.
Интеркулер способствует увеличению мощности двигателя путем охлаждения сжатого воздуха который поступает из компрессора, перед его попаданием в камеру сгорания. Это означает что турбокомпрессор способен обеспечить определенное давление наддува, а та же система с интеркулером способна обеспечить то же давление наддува, но уже охлажденного сжатого воздуха(в котором больше молекул чем в НЕ охлажденном воздухе).

Основные термины:
Порог наддува(Boost threshold) — минимальные обороты двигателя при которых создается положительное давление наддува во впускном коллекторе, при максимальной нагрузке на двигатель.
Турболаг — время между «тапкавпол» и моментом когда турбокомпрессор опеспечивает рабочее давление наддува.

Какая турбина САМАЯ лучшая? Нет лучшей турбины. Как правило все тюнинговые турбины делятся на эти несколько классов:
1.Турбины позволяющие немного увеличить мощность двигателя
2.Турбины позволяющие значительно увеличить мощность двигателя
3.Быстро раскручивающиеся турбины

Что необходимо заменить для установки тюнинговой турбины? Как правило для установки тюнинговой турбины необходимо заменить топливный насос, форсунки, и программу управления двигателем.(отсебятина: и, как мне кажется — выхлопную систему)

Существует ли какой-нить метод доработки турбины, который не потребует других доработок? Существует. К стоковой турбине можно применить процедуру port&polish(шлифовка и полировка внутренней поверхности улиток турбокомпрессора). Также на короткое время можно установить буст контроллер, но по большому счет установка бустконтроллера глупая затея.

Какая турбина лучше всего подходит для небольшого увеличения мощности двигателя? Наиболее широко применяемые турбины для этих целей: VF30/VF34 и 16G

Какая турбина лучшая в классе «быстрораскручивающихся» турбин? Наиболее широко применяемые турбины для этих целей: стоковые турбины с отшлифованными и полированными внутренними поверхностями улиток.

Для того чтобы сделать правильный выбор, сначала необходимо определить какой именно ТИП турбин больше всего подходит для ваших нужд. По этому мы обсудим самые распространенные типы турбин. Собственно здесь представленна базовая информация, не стоит использовать ее как ОСНОВНОЙ источник информации для выбора турбины, тк существует еще куча факторов влияющих на подобный выбор. Для более верного выбора проконсультируйтесь с продавцом турбин, или мастерами тюнинга(в таких конторах как Плеяда, или Альпина).
Обычная турбина.
Обычная турбина в сущности насос который «запихивает» воздух под давлением во впускную систему двигателя, в результате наддув сжатого воздуха поздоляет увеличить мощность двигателя, к чему, как правило мы и стремимся. Но не стоит забывать что больше мощности даст больше тепла, и внутренние компоненты двигателя должны соответствовать уровню тюнинга. Замена стоковой турбины на большую — самый простой, быстрый, дешевый и правильный метод. Обычно для подобных замен на турбовых версиях субар используют следующие турбины: VF-30/34/22 и 16/18/20G. Подобный тюнинг еще называют Bolt-on.
Твинскролловая турбина
Твинскролловая турбина может быть установлена только с равнодлинным выпускным коллектором. Это обусловлено внутренним устройством данной турбины, а также требованием чтобы давление потока выхлопных газов на крыльчатку турбины было всегда одинаковым, что позволит твинскролловой турбине раскручиваться быстрее по сравнению с обычной турбиной такого же размера. Данное требование(установка равнодлинного выпускного коллектора) является обязательным к исполнению, не позволяйте сбить вас столку недобросовестной рекламой твинскролловых турбин. Если сравнить твинскролловую турбину в характеристике которой указано 500 CFM(Кубических футов в минуту — это характеристика воздушного потока прогоняемого в единиху времени конкретным воздушным компрессором), и обычную турбину в характеристике которой указаны те же 500CFM, твинскролловая турбина раньше обеспечит рабочее давление наддува. Ну и собственно если вы выбрали 2-е подходящие по размерам турбины, одна из которых твинскролловая, другая обычная — твинскролл будет лучшим выбором если вы готовы смириться со значительными затратами на выхлопную систему, и предпочитаете турбину которая раскручивается быстрее обычной.
В отличие от установки обычной более производительной/большей турбины — твинскролл требует больше затрат. В основном из-за необходимости использования равнодлинного выпускного коллектора, ап-пайпа другой конструкции, и возможно другого картера(тк в равнодлинном коллекторе трубы идущие от правой половины двигателя — длиннее, и если оставить стандартный картер — коллектор просто не встанет) и маслоуловителя. Куирт Крафорд из «Crawford Performance» недавно провел эксперимент, на Легасе с твинскролловой турбиной GT32. Он заменил равнодлинный коллектор на обычный, а также доработанный ап-пайп на стоковый, и замерил результаты. По ошушениям и на основе полученных результатов он обнаружил ухудшение отклика турбины на 750 об/мин, то есть увеличился лаг. Это должно послужить уроком для всех кто считает что установка твинскролловой турбины возможна и без лишних затрат на выпускную систему.
Еще одной важной особенностью установки твинскролловых турбин(и, соответственно равнодлинного коллектора) является изменение звука выхлопа. Равнодлинный коллектор сильно меняет звук выхлопа убирая столь популярное урчание опозитного двигателя. Для яростных поклонников родного звука субаровского мотора — только это может сыграть не в пользу установки твинскролла.

механический нагнетатель, имеющий механический привод от коленчатого вала. В этом их отличие от турбонагнетателя, использующего энергию выхлопных газов. Преимущество суперчарджеров перед турбонаддувом в том, что они начинают работать при холостых оборотах, а турбина начинает нагнетать воздух после того как поднимется давление выхлопных газов. На двухтактных дизелях воздуходувка строится с обязательным применением механического нагнетателя.
С помощью механического нагнетателя можно получить прибавку в мощности до 50 %, несмотря на то, что часть мощности двигателя затрачивается на сам привод нагнетателя.

Клапан вестгейт (Wastegate).

Обходной клапан вестгейт служит для защиты подшипника турбины и двигателя от разрушения. Поток выхлопных газов старается раскрутить крыльчатку до бесконечности, тем самым нагнетая всё больше и больше воздуха в двигатель. Соответственно воздух увеличивает количество рабочей смеси, увеличивая поток выхлопных газов. Турбина раскручивается ещё быстрее. Получается замкнутый цикл.
Если этот цикл не остановить, турбина набирает обороты гораздо больше максимальных 100000-150000 об/мин, выдавая большое давление наддува. Если двигатель не расчитан на такое давление, произойдёт детонация, и скорый выход из строя поршней. Так же высокие обороты турбины вызывают помпаж (Surge), это когда воздух уже идёт не в двигатель, а обратно на вход компрессора, с соответствующим звуком.
Обходной клапан бывает двух видов: встроенный и внешний. Встроенный (актуатор) крепится прямо на турбине, и имеет заслонку, которая отводит часть выхлопных газов, при достижении определённого давления, в обход турбины, в глушитель. У него ограниченные возможности, он не может отводить слишком большой поток выхлопных газов.
Внешний клапан выполняет те же функции, но крепится на выпускном коллекторе. При достиженнии заданного давления компрессора, открывается, и начинает стравливать выхлопные газы с выпускного коллектора, в обход турбины — в глушитель, не позволяя раскручиваться турбине больше положенного.

Буст контроллер.

Буст контроллер (от англ. boost — повышение) — прибор для управления наддувом на турбированном автомобиле. Основное достоинство, что можно установить требуемое давление наддува, и с такой же вернутся к штатному. Он управляет байпасным (защитным) клапаном во впускном коллекторе и служит для кратковременного повышения давления нагнетаемого воздуха. Буст контроллер «зажимает» байпасный клапан и не дает ему стравить излишки воздуха из впускного коллектора. Это позволяет увеличить мощность и крутящий момент при высоких оборотах двигателя.

Буст контроллеры бывают двух типов: механические и электронные.

В основном современные бустконтроллеры являются электронными, причём в них нередко реализованы весьма сложные алгоритмы управления, учитывающие частоту вращения вала и нагрузку ДВС (двигателя внутреннего сгорания), а также привычки конкретного водителя, благодаря чему такие бустконтроллеры способны заставить турбокомпрессор создавать максимальное давление в кратчайшие сроки.

Мощность увеличивается ненамного, а нагрузка на детали двигателя возрастает очень сильно. Поэтому установка буст контроллера имеет смысл только если участвовать в соревнованиях. Именно поэтому ставить буст контроллер на стоковый движок не целесообразно, т.к. двигатель не выдержит. Нужна существенная его доработка + замена всех прокладок.

При повседневной эксплуатации буст контроллер практически бездействует, т.к. давление воздуха, выдаваемое турбиной, ниже порога срабатывания стандартного клапана.
Прошу не путать (чувствуем разницу!)

Клапан между выпускным коллектором и выхлопной трубой (параллельно турбинной части агрегата турбонаддува), пускающий выхлопные газы в обход турбинной крыльчатки, чтобы ограничить рост наддува выше заданного значения посредством предотвращения роста скорости вращения турбины.

Клапан между впускным патрубком до компрессорной части агрегата турбонаддува и впускным патрубком после оного (т.е. параллельно его компрессорной части). Служит в основном для снижения шума впуска и некоторого снижения резонансных явлений при резком закрытии дроссельной заслонки. На многих серийных машинах не устанавливается вовсе.

• Блоуофф — ( blow off )

Клапан между выходом компрессорной части агрегата турбонаддува и атмосферой. Синеписальщики ставят его для получения пшикающеко звука при переключениях и сбросах газа.

Девайсы 2 и 3 при установке громадных тюнинговых турбин (вдвое больше стоковых) становится необходимы, так как защищают турбину от большой осевой нагрузки на вал. Ставится или девайс 2 (для машин с МАF) или девайс 3 (для машин с МАР).

ФОРУМ МОТОРИСТОВ

Сегодня разбираясь под писменным столом нашел книгу ,,Форсирование двигателей внутреннего сгорания нпддувом издательства Легион-Автодата,,Авторы -Н.Н.Патрахальцев А.А.Савастенко.Книга довольно свежая,2004год.Рассмотрены все схемы наддува-TURBO,ROOTS,LISHOLM,HYPERBAR,MAXIDYNE,COMPREX,области их применения,с формулами,выкладками и примерами.В принципе книга снимает все вопросы расмотренные в предыдущей теме.Книгу можно заказать(многие фирмы работают через интернет)а после прочтения обсудить прочитанное.

AB-Engine Гуру Сообщения: 20294 Зарегистрирован: 01 июн 2004, 20:45 Откуда: Москва-Киев-Одесса-Петах Тиква Контактная информация:

Re: турбонаддув

Сообщение AB-Engine » 08 мар 2007, 23:50

а-мотор писал(а): Сегодня разбираясь под писменным столом нашел книгу ,,Форсирование двигателей внутреннего сгорания нпддувом издательства Легион-Автодата,,Авторы -Н.Н.Патрахальцев А.А.Савастенко.Книга довольно свежая,2004год.Рассмотрены все схемы наддува-TURBO,ROOTS,LISHOLM,HYPERBAR,MAXIDYNE,COMPREX,области их применения,с формулами,выкладками и примерами.В принципе книга снимает все вопросы расмотренные в предыдущей теме.Книгу можно заказать(многие фирмы работают через интернет)а после прочтения обсудить прочитанное.

А есть ли там чего умного про наш вопрос о том, почему на дизелях только турбокомпрессоры, а на бензиновых моторах . Тот, который обсуждался так яростно в теме моторов?

С уважением,
персонал Моторного центра
АБ-Инжиниринг.

а-мотор Технический директор Сообщения: 630 Зарегистрирован: 18 окт 2005, 18:26 Откуда: МосковскаяОбл..г.Красноармейск

Re: турбонаддув

Сообщение а-мотор » 09 мар 2007, 00:20

AB-Engine писал(а):

Есть,причем расматриваются аспекты применения на дизелях объемных нагнетателей,а также наддува типа Компрекс.

Mezernitsky Моторист-профи Сообщения: 106 Зарегистрирован: 04 мар 2007, 22:57

Турбонаддув

Сообщение Mezernitsky » 18 мар 2007, 02:54

Я, в общем-то, давал ссылку на книгу. Там все подробно описано,
разжевано и в рот положено. Даже если цитировать выдержки,
уйдет слишком много времени. А вот обсудить написанное – это всегда пожалуйста. Только, думаю, до этого не дойдет, т.к. рассмотрены все аспекты применения наддува, с диаграммами, графиками, например, температура в разных точках турбины при ее работе. (а-мотор)

Однако, до ЭТОГО дошло. Техническая дискуссия не может заканчиваться призывом: давайте закончим, поскольку все правы, и начали переходить на личности. Пожалуй, все же необходимо подвести итоги и расставить все точки над И.
Поскольку всем желающим было предложено ознакомиться с книгой Н.Н.Патрахальцева и А.А.Савастенко «Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом» Москва, Легион-Автодата 2005, как с источником который «в принципе снимает все вопросы, рассмотренные в предыдущей теме», так и поступим. Внимательно ознакомившись с книгой, будем использовать именно ее, как предложенный оппонентами материал и, соответственно, будем ссылаться на него при необходимости. В принципе, наиболее ожидаемым было бы увидеть здесь анализ и выводы уважаемого а-мотор, как специалиста назвавшего источник «снимающий все вопросы», но так не получилось, и поэтому берем это на себя.
Итак, не наводя критику на те моменты дискуссии, которые можно миролюбиво назвать совершеннейшим заблуждением, надо сказать, что самым первым, достаточно полноценно и точно, ответил на поставленный вопрос ВСЕВОЛОД. Вот его самый первый ответ дословно:

1. Это сложилось исторически- механический наддув применялся на бензиновых двигателях с 30-х годов, в это время турбонаддув был еще не работоспособен.
2. Применение турбонаддува на бензиновом двигателе с его большей, чем у дизеля температурой ОГ создает дополнительные трудности с материалами ТКР.
3. Применение ТКР на карбюраторном двигателе вносит нестабильность в работу карбюратора.
4. Применение механического наддува позволяет избежать эффекта «турбоямы», что особенно важно на автомобилях с бензиновым двигателем (как правило, легковых и спортивных)
5. Применение турбонаддува позволяет достичь больших величин давлений наддува, что особенно важно для дизеля т.к давление не ограничивается детонационным порогом.

Что же написано по этому поводу в рекомендованном издании?
По пункту 1 :
–«в 1912 году испанец швейцарского происхождения Маркос Биркинг представил в Париже свое изобретение – компрессор с лопатками, имеющий привод от коленчатого вала двигателя.»Стр. 21
— «первый компрессор с утапливаемыми лопатками конструкции Уиттинга с 1923 года устанавливался на двигатели Фиат и Мерседес»Стр.22
— «газотурбинный наддув таких двигателей (с искровым зажиганием – прим. наше) начал испытывать в 1917 году Рато. Однако технические сложности отодвинули практическое применение этого метода наддува до 1939 года, когда был испытан первый авиационный двухтактный двигатель с газотурбинным наддувом и принудительным зажиганием. Стр. 137
Как видим, по пункту 1 точность ответов 100% совпадает с анализируемым источником.

По пункту 2 :
-«напряженность агрегата возрастает с ростом температур отработавших газов, которые достигли 750 градусов Цельсия» «для решения этих задач в ТК применяют все более современные материалы» Стр. 14
-«Применяемые для турбинных колес материалы имеют пределы прочности (при 20 град. Целс.) порядка 600-800 Н/мм2, а показатели текучести (длина текучести) при температурах 500-900 град. Целс. 300-700 Н/мм2.» «Выбираемые материалы ориентируются на температуру отработавших газов двигателя, а последняя у крупных двухтактных дизелей редко превышает 500 град. Целс. , в то время как у автомобильных четырехтактных с принудительным зажиганием – 1000 град и выше» Стр. 63.
-«применение турбокомпрессоров для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием стало возможным лишь тогда, когда было освоено изготовление турбинных колес способом точного литья из материалов с высокой жаропрочностью» Стр. 140
-«При условии обеспечения температуры ОГ не более 950 град и достижения максимальных мощностных показателей двигателя, одновременное управление опережением зажигания и давлением наддува имеет неоспоримое преимущество» «Обеспечение бездетонационной работы двигателя уменьшением только угла опережения зажигания неприемлемо. И это объясняется недопустимым повышением температуры ОГ» Стр. 147.
Как видим, по пункту 2 совпадение ответа тоже имеет место быть. По книге красной нитью проходит мысль об ограничениях использования турбонаддува, обусловленных температурой отработанных газов.

По пункту 3 в предложенном источнике ничего нет, кроме того, мы склонны полагать, что карбюраторных моторов с наддувом не бывает или, если и бывают, то это нам неведомо. На наш взгляд уж больно неудобно сочетать наддув с карбюратором, хотя, в принципе, мы понимаем, что это вполне возможно.

По пункту 4 :
-«Достоинством компрессора является также его прямая связь с валом двигателя. Поэтому в условиях неустановившихся режимов, например, интенсивных разгонов, вал компрессора ускоряется вместе с валом двигателя пропорционально ускорению коленчатого вала. Благодаря этому практически исключается отставание в воздухоснабжении двигателя при интенсивных разгонах, набросах нагрузки и т.п. (что происходит при применении турбокомпрессоров) Стр. 40-41.
Совпадение ответа, как видим, абсолютное.

По пункту 5:
-«Давление наддува у таких двигателей (двигатели Отто, прим. наше) должно быть ограниченно. Так как при чрезмерно высоком давлении в процессе сжатия рабочей смеси могут возникнуть проблемы с детонацией» «У дизелей такой проблемы не существует. Поэтому степень наддува, величина давления надувочного воздуха у дизелей может быть существенно, многократно выше, чем у двигателей с принудительным зажиганием и внешним смесеобразованием» Стр. 11.
Для справки — в современных дизелях давление наддува может доходить до 3-5 кг.см2 (прим. наше)
Оценивать совпадение ответа даже рука не поднимается.
Собственно этими пятью пунктами ВСЕВОЛОД, как нам представляется, полностью ответил на поставленный вопрос, если ориентироваться на предложенный нам критерий истины -«Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом». Поскольку его ответ зачтен не был, то ВСЕВОЛОД добавил:

— В бензиновых двигателях давление наддува ограничено детонационным порогом и применение механических нагнетателей допустимо, хотя с точки зрения экономических показателей (кпд) это не лучший вариант. Двигатель MB-113 5,5 compressor при мощности 500 л.с. на привод компрессора затрачивает около 70 л.с.
— Эта самая турбояма или провал при резком изменении нагрузки на двигатель в зоне низких оборотов свойственен и дизелю тоже. Это связано с низкой энергией ОГ(при низких оборотах и нагрузке) и инерционностью ТКР. Одним из способов решения данной проблемы (и впрямь как на экзамене) является применение ТКР с изменяемой геометрией турбины, которая позволяет более эффективно реагировать на потребности двигателя на этих режимах. К сожалению, из-за более высокой теплонагруженности ТКР бензинового двигателя, данную систему на нем не применяют.

Как нам кажется, комментарии излишни. Так сказать, смотри с начала. Имеем почти дословное повторение текста предложенного Вами источника. В принципе, мы в своих сообщениях писали то же самое с той лишь разницей, что не рассуждали о проблемах с детонацией у бензиновых моторов.
Повторять собственные высказывания, не считаем необходимым, при желании, все можно освежить в памяти по оригиналу на Вашей странице http://www.ab-engine.ru/phpbb/viewtopic . &start=120

Чтобы закончить теоретическую часть хотим совсем немного задержаться на спорном вопросе, поднятом коллективом AB-Engine:
-«Приводные нагнетатели (большинство) — объемного типа, закачают любое количество воздуха с любым давлением в любой мотор. Нет разницы, как отбирать мощность — от вала или от газа. В последнем случае вырастет противодавление на выпуске, что приведет к такому же падению мощности, как при непосредственном отборе»
-«Не все ли равно, где отбирать энергию — от газов или непосредственно от коленвала? Почему у бензинового двигателя отбор от вала не приводит к снижению КПД, а у дизеля — приводит?»
Мы не ожидали, что гуру-коллектив может столь глубоко заблуждаться. Можно, безусловно, продвигать науку вперед, выходить на новые уровни и, тем самым, подправлять устаревшие учебники, но отметать их вообще……пожалуй рискованно. А то ведь получится точно по Вашей, глубокоуважаемый коллектив, фразе: «по старой студенческо-кандидатской привычке предпочитаем вначале получить какой-либо результат, а уже затем смотреть, что другие натворили». Эдак до попыток создания перпетуум-мобиле всего один шаг.
Итак, мы писали о том, какая мощность необходима для привода нагнетателя. При этом мы не считали необходимым пояснять профессионалам, что на прокачку заданного количества воздуха с заданным давлением при использовании любого типа нагнетателя потребуется примерно одинаковая мощность и различаться эта мощность будет только в зависимости от КПД используемого нагнетателя. Т.е. приведя данные из учебников о мощности, потребляемой центробежными нагнетателями (кстати, имеющими самый высокий КПД), естественно мы рассчитывали, что эти же цифры будут восприняты, как некие ориентиры, демонстрирующие энергопотребление механическими нагнетателями любого типа. Мы особо хотели заострить внимание на потребляемой нагнетателями мощности потому, что в массе не только простых пользователей, но и профессиональных ремонтников прочно укоренилось непонимание того, что нагнетатель это не только средство добавления мощности двигателю, но еще и изрядный потребитель ее. Интернет наводнен разработками и предложениями продаж наддувочных агрегатов с приводом от аккумуляторного моторчика. Просто эпидемия какая-то. Пользователь мощного Паджеро с пеной у рта вещает, что после установки вентилятора на батарейках производства некой заморской фирмы (со ссылкой на сайт, обязательно), его машина преобразилась. Зверь, да и только! Господа, Слава Богу, на Вашем сайте ничего подобного не было, однако неполное понимание проблемы налицо. ВСЕВОЛОД раньше нас привел данные: «Двигатель MB-113 5,5 compressor при мощности 500 л.с на привод компрессора затрачивает около 70 л.с.». Т.е. мощность потребляемая надувочным агрегатом более или менее понятна. Несколько непонятым, однако, остался момент, связанный с потерей мощности из-за повышения сопротивления на выхлопе у турбированного мотора (не все ли равно, где отбирать энергию? – Ваши слова!).
Раз есть неясность, обратимся снова к предложенному источнику:
-«Важнейшим является то, что для привода компрессора требуется затратить часть мощности самого двигателя. В этом случае энергия отработавших газов бесполезно выбрасывается в атмосферу, в отличие от случая использования турбокомпрессора. Т.е. двигатель с турбокомпрессором всегда будет иметь более высокий КПД, в частности благодаря использованию (утилизации) части энергии отработавших газов» Стр.41
-«Благодаря турбонаддуву снижается шум выхлопа, т.к. турбина сама является хорошим глушителем шума» Стр. 21. Мы возьмем на себя смелость еще раз процитировать высказывание уважаемого гуру-коллектива: «В последнем случае вырастет противодавление на выпуске, что приведет к такому же падению мощности, как при непосредственном отборе». Полагаем, что теперь отпадут все сомнения о существенной выгоде использования турбонаддува по сравнению с механическими нагнетателями. Уточняем на всякий случай – при использовании ТКР глушитель можно делать с меньшим газодинамическим сопротивлением.
Еще один важный момент, оказавшийся не вполне проясненным, по мнению коллектива AB-Engine — это проблемы связанные с применением турбонаддува на транспортных двигателях. На наш взгляд, этот вопрос вполне полно осветили и а-мотор, и ВСЕВОЛОД и еще кто-то. Да, при турбонаддуве, за счет инерционности ротора, а также из-за того, что при разных расходах ОГ меняется КПД турбины (источник, стр.73), возникает отставание воздухоснабжения, названное кем-то «турбоямой». Названы и методы (вполне, кстати, эффективные) борьбы с этим явлением – уменьшение габаритов (инерционности) роторов ТКР, применение двух маленьких ТКР, вместо одного, и применение регулируемого соплового аппарата турбинного колеса. Мы уже несколько притомились переписывать цитаты из предложенной книги, но желающие найдут в ней подтверждение всем этим словам. То, что коллектив AB-Engine оказался не осведомленным в части этих технических решений и счел их «мифическими турбинами с мифическими поворотными сопловыми лопатками» нам не удивительно и, на наш взгляд, простительно, ведь AB-Engine имеет совершенно конкретный опыт общения с бензиновыми моторами. Равно как и мы, имея достаточно большой опыт общения с дизельными двигателями, многих тонкостей, относящихся к бензиновым моторам, тоже не знаем, что и было выявлено в ходе дискуссии и изучения предложенного источника информации.
На этом обсуждение можно было бы и закончить, если бы не один интересный абзац, опять из той же книги: «На автомобильных ДВС наибольшее распространение получили газодинамический наддув и турбонаддув. В настоящее время среди двигателей легковых автомобилей с рабочим объемом 1200-1500 см3 турбонаддув имеют больше 30 процентов общего числа моделей» Стр.141.
Мы вовсе не знакомы с мировой программой выпуска бензиновых легковых автомобилей, но, полагаясь на материалы книги, у нас возник естественный вопрос – а правомерной ли вообще была постановка обсуждения ограниченной применяемости турбонаддува на двигателях Отто? Не надо воспринимать нас в штыки, мы понимаем, что у бензиновых моторов есть определенные проблемы с турбонаддувом и понимаем отчего. Просто было забавно в книге, «в которой все разжевано» вычитать такую информацию. Удержаться от ссылки мы не нашли в себе сил.
Итак, наверное, пришла пора подводить итоги:
1- Наддув это хорошо и полезно. «Наддув может применяться не только для повышения мощности или экономичности двигателя, но и для снижения токсичности и дымности его выбросов» Стр. 6
2- Механические нагнетатели отбирают мощность от вала двигателя и притом значительную, что есть не очень полезно. Стр. 41
3- Свободные газовые турбокомпрессоры утилизируют часть энергии выхлопных газов, что есть очень полезно. Стр.41
4- Двигатели с искровым зажиганием «имеют недостатки, связанные с ухудшением протекания характеристики крутящего момента, ухудшением характеристики разгона» Стр. 139 Т.е. речь идет о тех самых «турбоямах», которые у дизельных двигателей выражены не столь остро.
5- Для преодоления проблем «турбоямы» применяют «регулируемый наддув, например, применением регулируемого соплового аппарата газовой турбины». Стр. 155
6- Регулируемый турбонаддув сопловым аппаратом вещь вовсе не экзотика и не миф, а серийно применяется в автомобильных дизелях уже около 10 лет, причем последние 4-5 лет практически всеми производителями.
7- Регулируемый сопловой аппарат – вещь довольно капризная и, даже при невысоких температурах выхлопных газов дизельного двигателя, имеет пока не очень высокий ресурс.
8- Температура выхлопных газов бензинового мотора намного выше, чем у дизельного, что накладывает особые требования к материалам или обуславливает ограничение максимального значения этой температуры. Кроме того, высокая температура выхлопных газов делает невозможным или проблематичным использование ТКР с регулируемым сопловым аппаратом на бензиновых двигателях. Уточним – пока невозможным или проблематичным.
9- Давление наддува в двигателях Отто не может быть высоким из-за опасности возникновения детонации.
10- И, наконец, вывод, который не сделал никто, но в предложенной книге мы его углядели:
— в бензиновых двигателях снижение КПД от применения механического нагнетателя менее ощутимо, чем у дизельных двигателей из-за того, что в бензиновых двигателях, из-за ограничений по возникновению детонации, конструкторы вынуждены применять более низкие степени наддува.

Ну, вот теперь, пожалуй, и все. Нам не кажется, что «ответ моторного и дизельного форумов практически совпал на 100%.» Скорее можно сказать, что различия во мнениях были более чем существенные. Надеемся, что наш анализ предложенного Моторным форумом источника внес некоторую ясность в этот вопрос.

В заключение хотим сказать, что люди мы миролюбивые и, пожалуй, даже тихие, только не любим, когда нам грубости говорят. А еще больше не любим, когда грубиянов не одергивают те, кому это, вроде как, по штату положено.
Поэтому, если в дальнейшем мы будем ограждены от недоброжелательных реплик, то с удовольствием примем участие в обсуждении вопросов, связанных, к примеру, с возникновением трещин в головках блока дизельных двигателей или каких либо еще важных дизельных проблем. Согласитесь – фразу, написанную коллективом AB-Engine :
« на самом деле, мы поддерживаем а-мотора — трещины в головках блока связаны в 1-ю очередь с недоработками в конструкции» тоже можно просто прокомментировать теми же словами, что были сказаны нам — «извините, но Вы Оба чушь написали». Противно такое читать, не правда ли? А ведь если следовать Вашей фразе, то получается, что все в мире конструкторы бензиновых двигателей знают, как надо рассчитывать ГБ бензиновых двигателей, а все конструкторы дизельных недорабатывают конструкции? Корректно ли такое утверждение? Мы готовы обсуждать эту тему, но только в рамках приличий, в противном случае — милости просим в Иркутск, где народ более доброжелателен.
В заключение мы выражаем благодарность а-мотор (без малейшего оттенка иронии)
за предложенную для ознакомления книгу. Понимая, что обсуждение не закончено, что оно повисло в воздухе, мы никак не могли решить, какой источник информации использовать для аргументации. Ведь информация из этого источника должна быть понятна читателям с самым разным уровнем подготовки. В данном случае книга «Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом» оказалась для нас просто находкой.

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021

УПРАВЛЕНИЕ ТУРБОНАДДУВОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Шаменов Б.М. 1
1 Омский автобронетанковый инженерный институт
Работа в формате PDF

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Объектом исследования являются поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Цель работы – анализ элементов конструкции поршневого двигателя внутреннего сгорания, систем наддува, разработка конструкции устройства управления наддувом поршневого ДВС.

На основании выполненного анализа обоснована конструкция устройства управления наддувом поршневого ДВС позволяющего адаптивно регулировать подачу сжатого воздуха в цилиндры.

Практическая ценность заключается в разработанной конструкции и полученного по результатам исследования патента на полезную модель по предложенному техническому решению.

Степень внедрения — основные результаты научной работы реализованы:

В материалах публикаций по результатам исследования;

В тезисах выступлений на научно-практических конференциях;

В материалах лекционных занятий по дисциплине «Энергетические установки ВГиКМ. Теория и проектирование»

По результатам работы получен патент РФ на полезную модель, подана заявка на выдачу патента на полезную модель.

Определения

Двигатель внутреннего сгорания – тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорания топлива, преобразуется в механическую.

Наддув поршневых двигателей внутреннего сгорания – это процесс, обеспечивающий увеличение массового наполнения цилиндров по сравнению с возможным их наполнением при давлении окружающей среды перед впускными органами

Обозначения и сокращения

БТВТ – бронетанковое вооружение и техника

ДВС – двигатель внутреннего сгорания

КПД – коэффициент полезного действия

Ведение

Силовые установки относятся к числу ответственных агрегатов, формирующих технико-эксплуатационные свойства автобронетанковой техники. Наиболее широкое применение в качестве силовых установок автобронетанковой техники нашли поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Непрерывно ускоряющееся развитие техники требует все более быстрого роста агрегатной мощности двигателей, уменьшения их удельных габаритов и улучшения экономичности без существенного увеличения массы при постоянно возрастающей надежности.

Увеличение мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания без изменения их размеров связано с необходимостью решения задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за один рабочий цикл. Решение этой задачи требует подачи в цилиндры большего количества воздуха (в дизелях) или горючей смеси (в двигателях с внешним смесеобразованием), т.е. увеличение количества свежего заряда

Увеличение количества свежего заряда при неизменном рабочем объеме двигателя может быть обеспечено только за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия. Этот способ, известный под названием наддува, успешно применяется в современном двигателестроении.

При сравнении же двух двигателей с одинаковой мощностью двигатель с наддувом имеет преимущество в существенном уменьшении габаритов и массы.

При использовании наддува возможно значительное (в разы) увеличение мощности и крутящего момента двигателей при сравнительно небольшом усложнении конструкции и увеличении стоимости. Однако при выборе системы наддува необходимо учитывать особенности конструкции двигателя и режимов его работы на образце БТВТ. В зависимости от этого выбирается тип системы наддува (механический, газотурбинный, комбинированный), а в особых случаях возможно применение специальных систем наддува (Гипербар, двухступенчатый наддув, силовая турбина, волновой обменник давления Компрекс).

В зависимости от назначения двигателя необходимо выбрать систему охлаждения наддувочного воздуха и способ подвода отработавших газов к турбине, зависящий от числа и расположения цилиндров, который позволяет наиболее эффективно использовать энергию отработавших газов для привода турбокомпрессора.

Практически все выпускаемые в настоящее время дизели имеют наддув, в то время как на двигателях с искровым зажиганием наддув до недавнего времени применялся ограниченно, прежде всего из-за проблемы детонации. Лишь в последнее десятилетие началось активное применение наддува на двигателях с искровым зажиганием в связи с использованием электронных систем управления, позволяющих активно бороться с детонацией.

1. Повышение среднего эффективного давления впускного воздуха двигателя

Наиболее действенным способом повышения мощности двигателя является повышение среднего эффективного давления воздуха во впускном коллекторе путем его сжатия в компрессоре перед подачей его в цилиндры двигателя.

Применение наддува является сложной технической проблемой и предусматривает обеспечение следующих задач:

— увеличения плотности заряда при минимизации механических потерь;

— впрыскивания топлива с повышенными параметрами увеличенной цикловой подачи топлива;

— качественного смесеобразования и сгорания топлива;

— долговечности и безотказности двигателя при повышенном уровне тепломеханической нагруженности деталей.

Различают два принципиально разных вида наддува: механический, когда приводной компрессор или нагнетатель приводится от коленчатого вала двигателя, и газотурбинный, когда компрессор приводится турбиной, через которую проходят отработавшие газы. Также возможны комбинированные системы наддува, объединяющие механический и газотурбинный наддув. На рисунке 1, а, б представлены схемы систем механического и газотурбинного наддува 4-тактных двигателей, а на рис. 1, в − комбинированного наддува 2-тактного двигателя.

Рисунок 1- Схемы систем наддува:

а) 4-тактного двигателя с приводным нагнетателем, б) 4-тактного двигателя с турбокомпрессором, в) комбинированного наддува 2-тактного двигателя с приводным нагнетателем и турбокомпрессором, 1 – компрессор, 2 – охладитель впускного воздуха, 3 – впускной коллектор, 4 – цилиндр двигателя, 5 − выпускной коллектор, 6 – турбина, 7 – приводной нагнетатель, 8 – впускные окна

Величина наддува определяется изменением величин коэффициента наполнения (η _v ) и плотности воздушного заряда (ρ_в, кг/м 3 ), входящих в уравнения среднего эффективного давления цикла ( p _e , МПа) (1) и эффективной мощности
( N _e , кВт) (2,3):

где Н _u – низшая теплота сгорания топлива;

α – коэффициент избытка воздуха;

₀ – количество воздуха, теоретически необходимое для полного окисления 1 кг топлива, кг воздуха/ кг топлива;

i – количество цилиндров;

η _i – индикаторный КПД;

η_м – механический КПД;

n – частота вращения коленчатого вала, мин –1 ;

Z – число тактов, приходящихся на один цикл: для четырехтактных двигателей Z = 4, для двухтактных ДВС Z = 2;

V _h – рабочий объем цилиндра, м 3 .

2. Классификация систем наддува

Наддув классифицируется по признакам: степени наддува, способу привода нагнетателя и другим.

По степени наддува или по величине давления наддува ( р _к ) и соответствующему ему повышению мощности различают низкий, средний, высокий и сверхвысокий наддув (табл. 1).

Классификация наддува по величине создаваемого давления

Тип двигателя

По способу привода нагнетателя различают механический, газотурбинный, комбинированный и газодинамический (инерционный) наддув (рис. 2).

Рисунок 2 — Способы наддува двигателей

При механическом наддуве избыточное давление на впуске создается нагнетателем, приводимым в действие от коленчатого вала двигателя механической передачей (рис. 3).

При газотурбинном наддуве для привода нагнетателя используется часть энергии отработавших газов, поступающих в газовую турбину, установленную на одном валу с нагнетателем (рис. 4,5).

Для наддува ряда танковых дизелей применяют комбинированный наддув. В этом случае первой ступенью наддува является наддув от приводного нагнетателя, а второй – наддув нагнетателем, вращающимся с помощью газовой турбины.

При газодинамическом наддуве повышение плотности заряда на впуске в двигатель осуществляется за счет использования газодинамических явлений во впускной и выпускной системах в период газообмена. Достигается это путем подбора формы и размеров впускных и выпускных систем, но возможности такого наддува ограничены (рис. 6).

Рисунок 3 — Компрессоры для механического наддува

Рисунок 4 — Газотурбинный наддув

Рисунок 5 — Турбокомпрессоры для газотурбинного наддува

По типу нагнетателейразличают объемные нагнетатели (поршневые и роторные), лопаточные нагнетатели (центробежные и осевые).

Применение поршневых нагнетателей практикуется только в стационарных условиях. Роторные нагнетатели используются, как правило, при механическом наддуве.

Центробежные нагнетатели выгодно отличаются от объемных повышенными значениями КПД, компактностью, меньшими весом и шумностью работы. Их применение возможно как при механическом, так и при газотурбинном видах наддува.

Осевые нагнетатели рассчитываются, как правило, на большие расходы воздуха, выполняются многоступенчатыми и применяются в дизелях со сверхвысоким наддувом и в газотурбинных двигателях.

Рисунок 6 — Газодинамический наддув

3. Регулирование наддува

При увеличении частоты вращения двигателя давление наддува повышается в степени 1,3. 1,5. Это связано с различием гидравлических характеристик поршневых (ДВС) и лопаточных (ТКР) машин. Поэтому ТКР можно идеально настроить только на один режим работы двигателя, при котором он будет обеспечивать заданное давление наддува и работать с наибольшим КПД. Обычно это точка внешней скоростной характеристики, расположенная на режиме максимального крутящего момента или между режимами максимального крутящего момента и номинальной мощности.

При отклонении от точки настройки в сторону снижения частоты вращения давление наддува будет падать по отношению к оптимальному, а при повышении частоты вращения − увеличиваться. И то, и другое ухудшает показатели двигателя.

При снижении давления наддува на малых частотах вращения двигателя уменьшается крутящий момент и ухудшаются динамические качества автомобиля. Для предотвращения повышения выбросов сажи из-за снижения давления наддува приходится уменьшать цикловую подачу топлива, что приводит к дополнительному ухудшению динамики автомобиля.

При чрезмерном повышении давления наддува на высоких частотах вращения возрастают механические потери (на трение и газообмен), что приводит к снижению мощности и экономичности дизеля. Также повышаются тепловые нагрузки и тепловая напряженность деталей. Кроме того, в связи с чрезмерным увеличением давления наддува увеличивается максимальное давление сгорания и достигает опасного значения частота вращения ротора ТКР, что может привести к выходу из строя как двигателя, так и ТКР.

Отклонение нагрузки двигателя от режима настройки ТКР также приводит к снижению КПД последнего и, соответственно, ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя.

Для решения данной проблемы на автомобильных двигателях применяются различные способы регулирования турбонаддува.

3.1. Внешние способы регулирования

Это наиболее простой способ, который давно применяется на быстроходных дизелях и бензиновых двигателях с турбонаддувом (рис. 7).

На входе в турбину устанавливается перепускной клапан, который при открытии направляет часть газа, минуя турбину, в выпускную систему. При этом ТКР настраивается так, чтобы обеспечивать высокое давление наддува на малых и средних частотах вращения двигателя, а на высокой частоте вращения дальнейший рост давления ограничивается путем открытия перепускного клапана. Электронный блок управления двигателем регулирует величину открытия клапана, обеспечивая оптимальное давление наддува на каждом режиме работы. Недостатком этой системы является снижение экономичности двигателя при открытом перепускном клапане, так как теряется часть энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха в компрессоре ТКР.

Рисунок 7 — Схема ТКР с регулированием перепускного газа в обход турбины: 1 − электромагнитный клапан; 2 − вакуумный насос; 3 − вакуумная камера; 4 – ТКР; 5 − клапан перепуска ОГ; 6 − вход ОГ из двигателя; 7 − выход сжатого воздуха; 8 – турбина; 9 − компрессор

3.1.1. Наддув с использованием электродвигателя

На малых частотах вращения двигателя, когда давление наддува недостаточно, можно применять подкрутку ротора ТКР электродвигателем, интегрированным в корпус ТКР (система « e — turbo »). Либо в дополнение к штатному ТКР применяется компрессор, приводимый электродвигателем (система « e — turbo »).

Показатели двигателя при использовании обеих систем получаются близкими, но система «е- turbo » получается компактнее, чем «е- charger », хотя интегрирование электродвигателя в корпус ТКР представляет собой сложную техническую задачу и возникает проблема перегрева электродвигателя.

Недостатком обеих систем является большое потребление электрической энергии на привод компрессора, что приводит к быстрому разряду аккумуляторной батареи автомобиля. Такие системы рационально применять, к примеру, на тепловозных дизелях, которые работают на генератор. В этом случае всегда имеется достаточно электроэнергии.

3.1.2. Система наддува с ТКР и отключаемым приводным нагнетателем

Возможно регулирование наддува за счет отключения ПН в системах с последовательно установленными ПН и ТКР, как показано на рис. 8. На малых частотах вращения воздушная заслонка 3 закрыта, воздух проходит через ПН и ТКР. ТКР создает малое давление наддува, а ПН − достаточно высокое, что обеспечивает хорошую динамику автомобиля в начале разгона и высокий крутящий момент на малых частотах вращения двигателя. При увеличении частоты вращения двигателя ТКР создает достаточно высокое давление наддува и ПН отключается путем перепуска воздуха за счет открытия клапана 3. Одновременно с «гидравлическим» отключением ПН может отключатся механически с помощью электромагнитной муфты сцепления в механизме ременного привода. ПН также отключается на малых нагрузках.

Рисунок 8 — Система наддува с отключаемым ПН и ТКР:

1 − приводной шкив; 2 – ПН; 3 − воздушная заслонка; 4 − вход воздуха;
5 – ОНВ; 6 − выход ОГ; 7 – ТКР; 8 − двигатель

В результате мощность, отбираемая от двигателя на привод ПН, снижается до минимума, что обеспечивает высокую топливную экономичность.

Также применяются аналогичные системы с двумя последовательно установленными ТКР, в которых вместо отключаемого ПН используется отключаемый ТКР, создающий высокое давление на малых частотах вращения двигателя. Такие системы обеспечивают нескольку худшую разгонную динамику, но лучшую топливную экономичность.

3.2. Внутренние способы регулирования

3.2.1. Поворотные лопатки в сопловом направляющем аппарате (СНА) турбины

ТКР с поворотными лопатками на входе газа в турбину показан на рис. 9, а схема регулирования за счет поворота лопаток – на рис.10.

Рисунок 9 — Регулируемый турбокомпрессор с поворотными лопатками:

1 − вход ОГ из двигателя; 2 − колесо турбины; 3 − поворотные лопатки;
4 − вакуумная трубка; 5 − поворотное кольцо; 6 − отверстие

для подвода масла; 7 − выход сжатого воздуха

При малой частоте вращения лопатки повернуты на максимальный угол, обеспечивая минимальное проходное сечение СНА турбины.

Рисунок 10 — Схема регулирования турбины путем поворота лопаток:
а − закрытое положение лопаток, макс. скорость входа газа на колесо турбины; б − открытое положение лопаток, мин. скорость входа газа на колесо турбины; 1 − колесо турбины; 2 − поворотное кольцо; 3 − поворотная лопатка; 4 − приводной рычажок; 5 − пневматический регулятор; 6 − поток отработавших газов

При этом скорость газа на входе в колесо будет увеличиваться, что повышает частоту вращения ротора ТКР и, соответственно, давление наддува. Повышение противодавления на выпуске из цилиндров в этом случае не играет большой роли, так как на малых частотах вращения у двигателей с ТКР работа выталкивания невелика. При большой частоте вращения двигателя лопатки повернуты на минимальный угол, обеспечивая максимальное проходное сечение СНА. В этом случае скорость газа на входе в колесо турбины снижается, что предотвращает повышение давления наддува.

Также снижается противодавление на выпуске из цилиндров, что приводит к снижению работы выталкивания и как следствие − повышению мощности и экономичности двигателя. Применению этого способа регулирования на малоразмерных ТКР препятствует заметное снижение КПД турбины в связи с сопротивлением, которое представляли собой лопатки в СНА на пути движения потока газа, потери, связанные с утечками через зазоры между лопатками и стенками СНА, а также трудности обеспечения работоспособности поворотных лопаток в условиях отложения сажи при малых зазорах.

С появлением аккумуляторных систем топливоподачи с электронным управлением типа Common Rail выбросы сажи дизелями снизились в разы, что позволило уменьшить зазоры между лопатками и стенками СНА и применять поворотные лопатки в ТКР, имеющих значительные размеры. ТКР с таким способом регулирования применяется на автомобильных дизелях обычно рабочим объемом больше 2 л.

3.2.2. Скользящая втулка в СНА турбины

Перемещающаяся горизонтально скользящая втулка (рис. 11) может заходить в СНА турбины, существенно изменяя его проходное сечение. Как показано на рис. 11, а, при перемещении втулки до упора влево проходное сечение СНА турбины минимально (открыт только левый канал подвода газа к турбине), что обеспечивает увеличение скорости входа газа на лопатки колеса турбины и повышение давления наддува, а при перемещении вправо (рис. 11, б) − максимально (открыты оба канала подвода газа к турбине), что обеспечивает уменьшение скорости входа газа на лопатки колеса турбины и снижение давления наддува.

Рисунок 11 — Схема регулирования турбины ТКР

с помощью скользящей втулки: а − открыт только один канал подвода газов в корпусе турбины; б − открыты оба канала, подвода газов в корпусе турбины; 1 − колесо турбины; 2 − первый канал в корпусе турбины; 3 − второй канал в корпусе турбины; 4 − скользящая втулка; 5 − перепускной канал, 6 − привод скользящей втулки

Противодавление на выпуске из цилиндров изменяется аналогично случаю поворотных лопаток в сопловом направляющем аппарате турбины, как описано выше. Огромным достоинством данного способа регулирования является возможность его применения на ТКР с самыми маленькими диаметрами колес, где невозможно использование поворотных лопаток в корпусе турбины. Это позволяет использовать такой способ регулирования на двигателях малого рабочего объема.

4. Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания

Применение турбонаддува, основанного на использовании энергии отработавших газов двигателя, приводящих во вращение турбину турбокомпрессора и установленный с ней на одном валу компрессор, который сжимает воздух и нагнетает его во входной коллектора двигателя, является весьма эффективным решением.

Известно применение турбонаддува в двигателях внутреннего сгорания (Газотурбинный наддув двигателей внутреннего сгорания. М., Машгиз, 1961. 171 с. и Байков Б.П. и др. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. М., «Машиностроение», 1975. 199 с.), направленного на увеличение выходной удельной мощности, уменьшение расхода потребляемого топлива и повышение коэффициента полезного действия двигателя.

Однако известные устройства имеют ряд негативных особенностей, характерных для двигателей с турбонаддувом, среди которых можно назвать эффект «турбоямы», под которым подразумевается запаздывание роста давления воздуха во входном коллекторе двигателя вследствие инерции нарастания давления выхлопных газов в турбине при резком нажатии на педаль акселератора. С другой стороны, после преодоления «турбоямы» имеет место резкое увеличение давления воздуха во входном коллекторе двигателя — так называемый «турбоподхват», также обусловленный инертностью турбокомпрессора.

Как известно, температура отработавших газов на выходе турбины турбокомпрессора может составлять несколько сот градусов, а их энергия используется неэффективно вследствие выброса в атмосферу. Двигатели внутреннего сгорания преобразуют приблизительно две трети энергии топлива в тепло, которое либо поглощается системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, либо выводится через выхлопную систему.

В основу разработанного технического решения положена задача создать устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, в котором за счет управления утилизацией тепла отработавших газов обеспечивалось улучшение динамики управления, в частности достигалась компенсация эффектов «турбоямы» и «турбоподхвата», и, как следствие, повышалась приемистость двигателя внутреннего сгорания, что привело бы к повышению общего коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, содержащем турбокомпрессор, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, и компрессор, выход которого через дроссельную заслонку сообщен с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, теплообменник паровой турбины, впуск которой через регулируемую паровую заслонку, аккумулятор пара, обратный клапан и сепаратор сообщен с выходом теплообменника, а выпуск через обратный клапан соединен со входом конденсатора, выход которого сообщен с входом резервуара, насос, включенный между выходом резервуара и входом теплообменника, блок управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками температуры и давления, установленными на входе компрессора, входе дроссельной заслонки, на входном и выходном коллекторах двигателя внутреннего сгорания, блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания, аккумуляторе пара и теплообменнике, управляющий вход блока управления подключен к датчику акселератора, а его управляющие выходы подключены к дроссельной заслонке, регулируемой паровой заслонке, насосу, сепаратор, соединенный с выходом теплообменника и имеющий выход конденсата и выход пара, аккумулятор пара, вход которого через обратный клапан соединен с выходом пара сепаратора, первый выход аккумулятора пара сообщен через регулируемую паровую заслонку с впуском паровой турбины, при этом паровая турбина размещена на валу турбокомпрессора, предлагаемое устройствосодержит выхлопной патрубок, внутри которого установлены форсунки подачи пара и форсунки распыла жидкости, установленный на втором выходе аккумулятора пара управляемый двухканальный электромагнитный клапан первый канал которого сообщен с конденсатором, а второй с форсунками подачи пара в выхлопном патрубке, установленный на втором выходе сепаратора управляемый двухканальный электромагнитный клапан первый канал которого сообщен с резервуаром, а второй с насосом высокого давления, управляющие выходы блока управления подключены кроме того к управляемым двухканальным электромагнитным клапанам, а также к насосу высокого давления, для пополнения устройства жидкостью к резервуару подключена емкость с заправочной горловиной.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в улучшении динамики управления, а именно минимизации эффектов «турбоямы» и «турбоподхвата», что повышает приемистость двигателя внутреннего сгорания. Названный технический результат достигается за счет организации управления турбонаддувом, функционирующего совместно с турбокомпрессором двигателя внутреннего сгорания, а также подачей жидкости или пара (или и то и другое) за турбиной турбокомпрессора, что позволяет обеспечить возрастание давления наддувочного воздуха на турбокомпрессоре и повышение частоты его вращения при резком увеличении топливоподачи акселератором.

Рисунок 12 – Устройство предлагаемой конструкции

Предложенное устройство имеет более эффективную систему регулировки потока наддувочного воздуха и использования энергии выхлопных газов.

Работа устройства поясняется чертежом. Связи, указанные между функциональными блоками, в общем случае являются многоканальными для обеспечения алгоритма работы устройства. Электропитание функциональных блоков осуществляться от бортового аккумулятора (на чертеже не показан).

Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания 34 (рис.12) содержит турбокомпрессор 33, включающий турбину 1 и компрессор 3, выход которого через последовательно включенную дроссельную заслонку 4 сообщен с входным коллектором 5 двигателя внутреннего сгорания 34. Вход компрессора 3 соединен через воздушный фильтр (на чертеже не показан) с атмосферой, а на выпуске турбины 1 установлен теплообменник 6, на выходе которого закреплен выхлопной патрубок 26 и далее сообщен с атмосферой.

Устройство содержит блок 16 управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками температуры и давления, установленными на входе компрессора 3 (датчик 17), входе дроссельной заслонки 5 (датчик 18), на входном коллекторе 5 (датчик 19), блоке цилиндров (датчики 21,22), выходном коллекторе 2 (датчик 20) двигателя 34 внутреннего сгорания, в теплообменнике 6 (датчик 24), аккумуляторе пара 9 (датчик 23).

Кроме того, устройство содержит паровую турбину 7, установленную на одном валу с турбокомпрессором 33, конденсатор 13, вход которого через обратный клапан 12 сообщен с выпуском паровой турбины 7, а выход соединен с резервуаром 14 для жидкости (теплоносителя), в качестве которой может быть использована, например, вода. Резервуар 14 для жидкости соединен с емкостью 32 с заправочной горловиной для пополнения жидкостью. Выход резервуара 14 посредством трубопровода, на котором установлен насос 15, сообщен с входом теплообменника 6, выход которого сообщен с сепаратором 11, имеющим выход конденсата, который соединен с управляемым двухканальным электромагнитным клапаном 30, один выход которого сообщен со вторым входом резервуара 14 для жидкости, а второй сообщен с насосом высокого давления 31, который соединен с форсунками распыла жидкости 28 в выхлопном патрубке 26.

Выход пара из сепаратора 11 через обратный клапан 10 сообщен с аккумулятором 9 пара, первый выход которого через регулируемую паровую заслонку 8 сообщен с впуском паровой турбины 7, а его второй выход соединен с управляемым двухканальным электромагнитным клапаном 29, один выход которого сообщен с входом конденсатора 13, а второй сообщен с форсунками подачи пара 27 в выхлопном патрубке 26. Насос 15 и насос высокого давления 31 выполнены электрически управляемыми, управление которыми осуществляется блоком управления 16.

Регулируемая паровая заслонка 8, управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30 электрически управляемые, управление которыми осуществляется блоком управления 16.

Предложенное устройство включающее паровую турбину 7, конденсатор 13, резервуар 14 для жидкости, емкость 32, теплообменник 6, сепаратор 11 и аккумулятор пара 9, выхлопной патрубок 26 с установленными в нем форсунками подачи пара 27 и форсунками распыла жидкости 28 представляет собой средство утилизации отводящего тепла от двигателя внутреннего сгорания 34.

Управление турбонаддувом, реализуемое за счет управления утилизацией отводящего тепла, осуществляется посредством блока управления 16. К блоку управления 16 подключен датчик 25 акселератора.

Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

При запуске поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 поток атмосферного воздуха поступает на вход компрессора 3 турбокомпрессора 33, где происходит сжатие воздуха, проводящее к его нагреву. Далее воздушный поток через дроссельную заслонку 4 поступает во входной коллектор 5 и далее в цилиндры поршневого двигателя внутреннего сгорания 34. Количество поступающего воздуха регулируется блоком управления 16 по сигналам датчика акселератора 25 и датчиков температуры и давления 17,18,19,20,21,22,23,24) путем управления дроссельной заслонкой 4.

Отработавшие газы, поступающие из выходного коллектора 2 поршневого двигателя внутреннего сгорания 34, направляются в турбокомпрессор 33, раскручивая установленные на общем валу турбину 1 и компрессор 3. Далее отработавшие газы, проходя через теплообменник 6, поступают в выхлопной патрубок 26 нагревая его стенки и далее в атмосферу. В теплообменнике 6 обеспечивается передача тепла от отработавших газов жидкости. По команде блока управления 16 насос 15 находится в отключенном положении, а жидкость из резервуара 14 в теплообменник 6 не поступает, который, соответственно, не генерирует пар.

Если на момент запуска поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 пар в аккумуляторе пара 9 отсутствует или его количество недостаточное, например, после длительной стоянки транспортного средства, то паровая турбина 7 свободно вращается на валу турбокомпрессора 33. Если в аккумуляторе пара 9 имеется остаточный пар, то через регулируемую паровую заслонку 8 пар поступает на лопасти паровой турбины 7, создавая крутящий момент на валу турбокомпрессора 33.

По мере прогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 и, как следствие, увеличения температуры отработавших газов, повышается температура газов, поступающих на вход теплообменника 6. При нагреве теплообменника 6 до температуры, достаточной для парообразования жидкости, по сигналу датчика 24, установленного на теплообменнике 6, блок управления 16 формирует управляющий сигнал на включение насоса 15, который обеспечивает подачу жидкости в теплообменник 6. Интенсивность подачи жидкости на начальном этапе регулируется блоком управления 16 посредством изменения уровня управляющего сигнала, подаваемого на электрически управляемый насос 15 в соответствии с текущей температурой теплообменника 6, обеспечивая оптимальный процесс парообразования. Пар, который может содержать остаточное количество жидкости, поступает в сепаратор 11, где происходит разделение на фракции — жидкость и пар, при этом пар через обратный клапан 10 поступает в аккумулятор пара 9, а жидкость возвращается в резервуар 14 через управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30 при открытом канале, сообщающем его с резервуаром 14.

В результате происходит наполнение паром аккумулятора пара 9, который через регулируемую паровую заслонку 8 подается на лопасти паровой турбины 7, создавая дополнительный крутящий момент на валу турбокомпрессора 33.

Пар с выпуска паровой турбины 7 через обратный клапан 12 поступает в конденсатор 13, где преобразуется в жидкость, которая поступает в резервуар 14. При достижении заданных значений температуры и давления пара в аккумуляторе пара 9 по сигналам датчика 23, установленного на аккумуляторе пара 9, блок управления 16 формирует управляющий сигнал, который подается на электрически управляемый насос 15 на снижение скорости перекачивания жидкости из резервуара 14 в теплообменник 6.

Таким образом, обеспечивается автоматическое поддержание температуры и давления пара в заданном рабочем диапазоне в аккумуляторе пара 9 и, соответственно, на входе регулируемой паровой заслонки 8.

Управление крутящим моментом паровой турбины 7 осуществляет блок управления 16 путем изменения положения регулируемой паровой заслонки 8 по сигналам датчика 25 акселератора, датчика 18 на выходе компрессора 3.

При резком нажатии на педаль акселератора и при наличии соответствующего сигнала с датчика акселератора 25 давление и температура отработавших газов и связанный с ними крутящий момент турбины 1 в силу тепловой инерции не может адекватно резко измениться. По управляющему сигналу с блока управления 16 в соответствии с сигналом с датчика акселератора 25 происходит практически мгновенное увеличение (от номинального значения) пропускной способности регулируемой паровой заслонки 8 и соответствующее увеличение крутящего момента паровой турбины 7, что позволяет минимизировать эффект «турбоямы» в поршневом двигателе внутреннего сгорания.

В случае недостаточной эффективности работы устройства управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания и дальнейшим поступлением сигнала с датчика акселератора 25 блок управления 16 подает сигнал на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30, который перекрывает выход сообщенный с вторым входом резервуара 14 для жидкости, и открывает выход подачи предварительно разогретой в теплообменнике 6 жидкости от сепаратора 11на насос высокого давления 31. Одновременно блоком управления 16 подается управляющий сигнал на насос высокого давления 31 который подает жидкость под высоким давлением в выхлопной патрубок 26 к форсункам распыла жидкости 28, при этом предварительно разогретая мелкодисперсная распыленная в выхлопном патрубке 26 жидкость попадая на стенки выхлопного патрубка 26 и взаимодействуя с горячими выхлопными газами испаряется устремляясь на выход из выхлопного патрубка 26, тем самым создавая разряжение в выхлопной системе поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 и понижая температуру, увлекая за собой поток выхлопных газов, дополнительно раскручивая турбину 1турбокомпрессора 33.

В случае недостаточной эффективности работы устройства управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания и дальнейшим продолжающимся поступлением сигнала с датчика акселератора 25, блок управления 16 подает сигнал на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, который перекрывает выход сообщенный с вторым входом в конденсатор 13 и открывает выход пара к форсункам подачи пара 27 в выхлопном патрубке 26, при этом пар взаимодействуя с выхлопными газами устремляются вместе с ними на выход в атмосферу тем самым понижая температуру в выхлопном патрубке 26 создавая разряжение в объёме выхлопного патрубка 26 и повышая тем самым скорость движения выхлопных газов через турбину 1 турбокомпрессора 33.

При этом блок управления 16 подает сигналы на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30 и насос высокого давления 31 только в случае наличия сигнала с датчика акселератора 25, а также при соответствующих сигналах с датчиков 23 температуры и давления газов в аккумуляторе 9, и 24 температуры и давления в теплообменнике 6. Если температура или давление пара в аккумуляторе пара 9 или производительность его образования в теплообменнике недостаточные, то блок управления 16 управляющие сигналы на управляемые двухканальные электромагнитные клапаны 29,30 и насос высокого давления 31 не подает до момента поступления соответствующих сигналов с датчиков 25 и 24.

В устройстве управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания предусмотрена некоторая потеря жидкости (пара) при работе форсунок подачи пара 27 и форсунок распыла жидкости 28, с целью обеспечения работы устройства, в устройстве установлена емкость 32 с заправочной горловиной для пополнения жидкости.

В целях снижения запаздывания реакции поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 на нажатие педали акселератора и чрезмерное увеличение скорости вращения турбины 1 турбокомпрессора 33 с последующим резким возрастанием давления наддувочного воздуха на выходе компрессора 3 в предлагаемом устройстве в соответствии с информационным сигналом с датчика 18 на выходе компрессора 3, по управляющему сигналу с блока управления 16, будет произведено практически мгновенное снижение (от номинального значения) пропускной способности регулируемой паровой заслонки 8, закрытие канала подвода пара к форсункам подачи пара 27 и закрытие канала подачи жидкости к форсункам распыла жидкости 28 в выхлопном патрубке 26, подачей управляющих сигналов с блока управления 16 на управляемые двухканальные электромагнитные клапаны 29 и 30, что приведет к уменьшению крутящего момента паровой турбины 7 и позволит практически полностью исключить эффект «турбоподхвата» в поршневом двигателе внутреннего сгорания 34.

В случае возрастания давления пара в аккумуляторе пара 9 выше заданного критического значения, о чем будет сигнализировать датчик 23, блок управления 16 подаст команду на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, через канал которого избыток пара, минуя паровую турбину 7, сбрасывается в конденсатор 13. Обратный клапан 12 исключает прохождение избытка пара к выпуску паровой турбины 7.

Для компенсации потери жидкости на распыл жидкости форсунками распыла жидкости 28 и подачу пара форсунками подачи пара 27 в выхлопной патрубок 26 к резервуару 14 подключена емкость 32 с заправочной горловиной в которую по мере необходимости заливается жидкость.

Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания представляет собой систему автоматического регулирования наддувов двигателя, что обеспечивает улучшение динамики управления наддувом, а также повышает общий коэффициент полезного действия поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Анализ устройства силовых установок автобронетанковой техники показал, что наиболее действенным способом повышения мощности двигателя является повышение среднего эффективного давления воздуха во впускном коллекторе путем его сжатия в компрессоре перед подачей его в цилиндры двигателя, то есть обеспечением наддува.

Совершенствование систем управления наддувом двигателя позволяет повысить общий КПД двигателя и эффективность его работы.

Разработанное в рамках военно-научной секции кафедры двигателей устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания позволяет обеспечить адаптивное управление наддувом, а также увеличение общего коэффициента полезного действия поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Список использованных источников

1. Бурячко, В.Р. Автомобильные двигатели: Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования. / В.Р. Бурячко, А.В. Гук. – СПб.: НПИКЦ, 2005. – 292 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. 1 кн. Теория рабочих процессов: Учеб. Для вузов / Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 2005. – 479 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под общ. ред. А.С. Орлина. Изд. 4-е. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с.

4. Кавтарадзе, Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: Учебник для вузов / Р.З. Кавтарадзе. – М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2008. – 720 с.

5. Лазарев, Е.А. Основные принципы, методы и эффективность средств совершенствования процесса сгорания топлива для повышения технического уровня тракторных дизелей / Е.А. Лазарев. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – 288 с.

6. Системы управления дизельными двигателями. Перевод с нем. – М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. – 480 с.

7. Борисов, А.О. Рабочий процесс многотопливного поршневого двигателя / А.О. Борисов, М.Д. Гарипов, Р.Д. Еникеев, А.А. Чероусов. – Уфа: Изд-во УГАТУ, 2008. – 272 с.

8. Кудряш, А.П. Надежность и рабочий процесс транспортного дизеля / А.П. Кудряш. – Киев: Наукова думка, 1981. – 135 с.

9. Чернышев, Г.Д. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей / Г.Д. Чернышов, А.С. Хачиян, В.И. Пикус. – М.: Машиностроение, 1986. – 181 с.

Для чего на двигателях внутреннего сгорания применяют турбонаддув

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Что такое турбокомпрессор?

Типы и характеристики турбокомпрессоров

Конструкция турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров

Другие статьи

FAQ по ДВС 8(Турбо).

ФОРУМ МОТОРИСТОВ

Re: турбонаддув

Re: турбонаддув

Турбонаддув

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021

УПРАВЛЕНИЕ ТУРБОНАДДУВОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Определения

Обозначения и сокращения

Ведение

1. Повышение среднего эффективного давления впускного воздуха двигателя

2. Классификация систем наддува

3. Регулирование наддува

4. Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания

Добавить комментарий Отменить ответ