Турбокомпрессор это: Что такое турбокомпрессор? Как работает и его самые главные преимущества.

Что такое турбокомпрессор? Как работает и его самые главные преимущества.

Не существует такого понятия, как совершенное изобретение: мы всегда можем сделать что-то лучше, дешевле, эффективнее и более экологически чистое. Возьмем к примеру, двигатель внутреннего сгорания.  Всегда есть возможность построить двигатель, который будет ехать быстрее, дальше или будет использовать меньше топлива. Один из способов улучшить характеристики двигателя – это использование турбокомпрессора. Практически каждый из нас слышал о турбокомпрессоре, но как же он работает на самом деле?

Что такое турбокомпрессор?

Всем нам очевидно, что выхлопные газы загрязняют окружающую среду, но менее очевидным является то, что это также и напрасное растрачивание энергии. Выхлоп – это смесь горячих газов, которые выходят под большим давлением, и вся энергия, которую он содержит – тепло и движение (кинетическая энергия) – исчезает в атмосфере. Было бы здорово, если бы двигатель мог использовать эти отходы, чтобы заставить ехать машину быстрее.  И это именно то, что делает турбокомпрессор!

Двигатели автомобилей создают электроэнергию за счет сжигания топлива в прочных металлических емкостях, называемых цилиндрами. Воздух попадает в каждый цилиндр, смешивается с топливом, эта смесь сгорает, чтобы устроить небольшой взрыв, который запускает поршень, вращая валы. Когда после толчка поршень возвращается на место, выхлопные газы и топливная смесь выходят из цилиндра в виде выхлопа. Количество энергии, которую может произвести автомобиль непосредственно связано с тем, как быстро он сжигает топливо. Чем больше у вас цилиндров и чем больше они по размерам, тем больше топлива сжигает автомобиль и тем быстрее (теоритически) он может двигаться.

Один из способов увеличить скорость автомобиля – это увеличить количество цилиндров! Именно поэтому большинство суперкаров и спортивных машин обычно имеют восемь и 12 цилиндров в отличии от четырех- и шестицилиндровых двигателей обычного семейного автомобиля. Другим выходом является турбокомпрессор, который нагнетает в цилиндры больше воздуха, поэтому  в двигателе сжигается больше топлива.  Турбокомпрессор – это простое, относительно дешевое приспособление, которое способно создать больше мощности без модификации самого двигателя!

Как работает турбокомпрессор?

Турбокомпрессор на машине работает по очень схожему принципу с поршневым двигателем. Он использует выхлопные газы для вращения турбины. Турбонаддув приводит в работу воздушный компрессор, который заталкивает дополнительный воздух (и кислород) в цилиндры, позволяя им сжигать больше топлива. Именно поэтому автомобили, оснащенные турбокомпрессорами, могут производить больше мощности. Механические нагнетатели (superchаrger) по принципу работы похожи на турбокомпрессор, но турбина механического нагнетателя вместо того,  чтобы использовать выхлопные газы для работы, получает питание от вращения коленвала двигателя. И вот здесь преимущество турбокомпрессора: турбокомпрессор получает энергию из отходов выхлопных газов, в то время как механический нагнетатель «крадет» энергию от источника питания автомобиля – коленчатого вала.

Основная идея заключается в том, что выхлопные газы вращают турбину которая напрямую подключена к компрессору и засасывает дополнительное количество воздуха в двигатель. Вот, в общих чертах, как все это работает:

Преимущества турбокомпрессора

Вы можете использовать турбокомпрессор на бензиновых или дизельных двигателях практически на любом виде транспорта (автомобиль, грузовик, корабль или автобус). Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получите больше мощности при одинаковых размерах двигателя (каждый рабочий ход поршня в каждом цилиндре генерирует больше энергии, чем этого можно было добиться улучшениями двигателя). Однако больше мощности значит больше выход энергии в секунду; и закон сохранения энергии говорит нам, что мы должны задействовать больше энергии, и, соответственно, необходимо сжечь больше топлива. В теории это означает, что двигатель с турбонаддувом также неэффективно расходует топливо, как и двигатель без него. Но как показывает практика, двигатель оснащенный турбокомпрессором, гораздо меньше и легче, чем двигатель, который производит такую же мощность без турбонаддува; и в такой перспективе, турбированный двигатель лучше экономит топливо!  И это главное преимущество турбокомпрессора: если он исправно работает, он способен экономить до 10% топлива. Поскольку турбокомпрессор сжигает топливо с большим количеством кислорода, то расходует он его более тщательно и экономно, производя меньше загрязнений окружающей среды.

Турбокомпрессоры: устройство и особенности эксплуатации

• Главная
• Статьи
• Турбокомпрессоры: устройство и особенности эксплуатации

17. 12.2019 г.

Чтобы в цилиндры нагнетался воздух, на двигатели внутреннего сгорания устанавливают специальный механизм – турбокомпрессор. Он запускается и работает за счет действия выхлопа (отработавших газов). Применение турбин позволяет без увеличения размеров мотора в несколько раз усилить его мощность.

Из чего состоит турбокомпрессор?

При выборе данного устройства стоит понимать, что цена турбины на КамАЗ и другие автомобили зависит от их конструкции, производителя и качества используемых материалов.

Корпус – основа любого механизма. Он защищает его внутренности от воздействия окружающей среды. Обычно выполняется из стали, которая способна выдерживать экстремально высокие температуры. Внешне представляет собой коробку в форме улитки, к которой по бокам прикреплены разнонаправленные патрубки.

Турбинное колесо – механизм-преобразователь. Он переводит энергию отработавших газов в крутящий момент, который приводит в действие вал. Обычно производится из железо-никелевого сплава, отличающегося жаропрочностью.

Компрессорное колесо нагнетает воздух в цилиндры двигателя и увеличивает его мощность. Чтобы снизить энергопотери, данный элемент часто изготавливается из алюминия. Он работает во взаимодействии с турбинным колесом.

Ось (или вал) соединяет турбинное и компрессорное колеса.

Шарикоподшипники используются для крепления вала (оси) в корпусе турбокомпрессора. Обычно их количество варьируется от одного до двух.

Перепускной клапан управляет потоком выхлопных газов. Это позволяет регулировать мощность наддува. В клапане есть пневматический привод, который регулирует его работу.

В чем особенности использования турбин?

Турбокомпрессор, в отличие от механического нагнетателя, работает на энергии отработавших газов, а не от привода коленвала. Это означает, что мощность двигателя не уменьшается. Более того, она увеличивается, а расход топлива при этом остается прежним.

Существуют турбины для дизельных и бензиновых двигателей. Они отличаются конструкцией и режимом работы. Устройства первого вида могут изготавливаться из менее жаропрочных материалов, потому что температура отработавших газов в дизелях обычно начинается от 700 ̊С, в то время как в бензиновых двигателях этот показатель равен 1000 ̊С. Это означает, что турбину для дизельного мотора нельзя устанавливать на бензиновый двигатель.

Рекомендуемые товары

Как работает турбокомпрессор?

Проще говоря, турбокомпрессор — это своего рода воздушный насос, который забирает воздух при атмосферном давлении, сжимает его до более высокого давления и подает сжатый воздух в двигатель через впускные клапаны. Для автомобилей и фургонов, как правило, турбонаддув чаще использовался на дизельных двигателях как способ повышения производительности, но, чтобы соответствовать постоянно ужесточающемуся контролю за выбросами, в настоящее время наблюдается переход к турбонаддуву серийных бензиновых двигателей.

Поскольку все двигатели зависят от воздуха и топлива, мы знаем, что увеличение этих элементов в установленных пределах увеличивает мощность двигателя, но если мы увеличим количество топлива, мы должны быть в состоянии сжечь его полностью, иначе смесь станет слишком богатый, который может иметь различные проблемы. Точно так же слишком много воздуха считается слишком бедным и может быть весьма разрушительным.

Для удовлетворения наших потребностей в энергии требуется воздух; добавление большего количества воздуха представляет гораздо больше проблем, чем добавление большего количества топлива. Воздух все время находится вокруг нас и находится под давлением (на уровне моря это давление составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм), и именно это в сочетании с тактом впуска двигателя нагнетает воздух в цилиндры. Для дальнейшего увеличения воздушного потока устанавливается воздушный насос (турбокомпрессор), и в двигатель подается сжатый воздух. Этот воздух смешивается с впрыскиваемым топливом, позволяя топливу сгорать более эффективно, что увеличивает выходную мощность двигателя.

Другая сторона турбонаддува, которая может представлять интерес, — это двигатель, который регулярно работает на больших высотах, где воздух менее плотный и где турбонаддув может восстановить часть мощности, потерянной из-за падения давления воздуха. Мощность двигателя на высоте 8000 футов составляет всего 75% от его мощности на уровне моря.

Вместо выхода через выхлопную трубу горячие газы, образующиеся при сгорании, поступают в турбокомпрессор. Цилиндры внутри двигателя внутреннего сгорания срабатывают последовательно (не все сразу), поэтому выхлоп выходит из камеры сгорания нерегулярными импульсами. Обычные турбокомпрессоры с одной спиралью направляют эти нерегулярные импульсы выхлопных газов в турбину таким образом, что они сталкиваются и мешают друг другу, уменьшая силу потока. Напротив, турбокомпрессор с двойной спиралью собирает выхлопные газы от пар цилиндров в чередующейся последовательности.

Выхлоп ударяет в лопатки турбины, раскручивая их до 150 000 об/мин. Чередующиеся импульсы выхлопа помогают устранить турбояму.

Отработав свое предназначение, выхлопные газы проходят через выпускное отверстие в каталитический нейтрализатор, где очищаются от угарного газа, оксидов азота и других загрязняющих веществ перед выходом через выхлопную трубу.

Тем временем турбина приводит в действие воздушный компрессор, который собирает холодный чистый воздух из вентиляционного отверстия и сжимает его до давления на 30% выше атмосферного, или почти 19 фунтов на квадратный дюйм. Плотный, насыщенный кислородом воздух поступает в камеру сгорания. Дополнительный кислород позволяет двигателю более полно сжигать бензин, повышая производительность двигателя меньшего размера. В результате двигатель TwinPower вырабатывает на 30 % больше мощности, чем двигатель без турбонаддува того же размера.

Турбокомпрессор и нагнетатель: в чем разница?

| How-To — Двигатель и трансмиссия

А что лучше?

По мере того, как правительственное законодательство и забота об окружающей среде способствуют переходу от прожорливых безнаддувных двигателей большого объема к более экономичным двигателям меньшего размера, автопроизводители все чаще используют турбокомпрессоры и нагнетатели, чтобы увеличить мощность при меньшем расходе топлива. Оба устройства служат «заменой рабочего объема», помогая втиснуть такое же количество воздуха, которое более крупный двигатель естественным образом вдыхает в двигатель меньшего размера, чтобы они могли вырабатывать такую ​​же мощность, когда нога водителя касается пола. Оказывается, кислород попасть в двигатель сложнее, чем топливо. (Такой же цели служат системы закиси азота на быстром вторичном рынке.) Давайте по-новому взглянем на относительные преимущества турбонаддува по сравнению с наддувом.

В чем разница между турбокомпрессором и нагнетателем?

«Нагнетатель» — это общий термин для воздушного компрессора, который используется для увеличения давления или плотности воздуха, поступающего в двигатель, что обеспечивает большее количество кислорода для сжигания топлива. Все самые ранние нагнетатели приводились в движение за счет мощности, отбираемой от коленчатого вала, обычно с помощью шестерни, ремня или цепи. Турбокомпрессор — это просто нагнетатель, который вместо этого приводится в действие турбиной в потоке выхлопных газов. Первый из них, датируемый 1915, назывались турбонагнетателями и использовались в радиальных авиационных двигателях для повышения их мощности в разреженном воздухе на больших высотах. Сначала это название было сокращено до турбокомпрессора, а затем до турбо.

Что лучше: турбо- или нагнетатель?

Каждый из них можно использовать для увеличения мощности, экономии топлива или того и другого, и у каждого есть свои плюсы и минусы. Турбокомпрессоры извлекают выгоду из некоторой части «бесплатной» энергии, которая в противном случае была бы полностью потеряна в выхлопных газах. Работа турбины действительно увеличивает противодавление выхлопных газов, что оказывает некоторую нагрузку на двигатель, но чистые потери, как правило, меньше по сравнению с прямой механической нагрузкой, связанной с приводом нагнетателя (самые большие нагнетатели, приводящие в действие драгстер с верхним топливом, потребляют 900 лошадиных сил коленчатого вала в двигателе общей мощностью 7500 лошадиных сил). Но нагнетатели могут обеспечить наддув почти мгновенно, в то время как турбокомпрессоры обычно имеют некоторую задержку отклика, пока давление выхлопных газов, необходимое для вращения турбины, увеличивается. Очевидно, что драгстер с топовым топливом, пытающийся проехать квартал за четыре секунды, не может тратить время на ожидание повышения давления в выхлопных газах, поэтому все они используют нагнетатели, в то время как транспортные средства, которым поручено повысить среднюю топливную экономичность компании (CAFE), не могут себе этого позволить. тратить драгоценную мощность на воздуходувки, поэтому они в основном используют турбины. Но с появлением мягкой гибридизации и 48-вольтовых электрических систем вы можете ожидать более широкого использования нагнетателей, приводимых в действие свободно рекуперируемым электричеством, хранящимся во время замедления и торможения. В новом шестицилиндровом двигателе M256 от Mercedes-Benz, который теперь устанавливается на такие автомобили, как CLS 450 и GLE 450, используется именно такая система, как и в топовом двигателе такого же размера и конфигурации в новом Land Rover Defender.

Сколько мощности добавляет турбонаддув или нагнетатель?

Выше мы отмечали, что количество кислорода, которым может «вдыхать» двигатель, является ограничивающим фактором мощности, которую он может производить, потому что технология топливных форсунок более чем способна обеспечить столько топлива, сколько возможно сжечь. с количеством кислорода в баллоне. Безнаддувные двигатели, работающие на уровне моря, получают воздух под давлением 14,7 фунтов на квадратный дюйм, поэтому, если турбонаддув или нагнетатель добавляют двигателю наддува на 7 фунтов на квадратный дюйм, то сами цилиндры получают примерно на 50 процентов больше воздуха и теоретически должны производить примерно на 50 процентов больше. сила. Обычно так не получается. Сжатие всасываемого воздуха добавляет тепла, что наряду с дополнительным давлением увеличивает вероятность преждевременной детонации или «пинга», повреждающей двигатель, поэтому время часто приходится несколько задерживать. Это может ограничить количество времени, в течение которого топливо должно полностью сгореть, и, следовательно, уменьшить прирост мощности. Большинство современных двигателей с турбонаддувом и/или нагнетателем также включают промежуточные охладители, помогающие отводить часть тепла, добавляемого турбонагнетателем или нагнетателем. В конце концов, обычно ожидается, что добавление на 50 % большего количества воздуха дает на 30–40 % больше мощности.

Как турбины/нагнетатели экономят бензин?

Когда они работают, турбины и нагнетатели в основном помогают сжигать больше газа, но когда они прикреплены болтами к двигателю, который в противном случае был бы слишком мал, чтобы адекватно удовлетворить потребности автомобиля с точки зрения ускорения или буксировки, и т. д., они помогают экономить бензин во время круиза с низким энергопотреблением, который составляет большую часть нашего вождения. Один из способов добиться этого — уменьшить насосные потери, возникающие, когда двигатель с большим рабочим объемом работает с дроссельной заслонкой, равной пяти процентам или меньше, — ему приходится прилагать большие усилия, чтобы всасывать воздух через почти полностью закрытую дроссельную заслонку. Для такой же мощности может потребоваться 20-процентное открытие дроссельной заслонки на двигателе меньшего размера, что приводит к меньшей работе насоса. (Вот почему многие новые автомобили не создают достаточного вакуума для работы тормозов с усилителем, дверей системы климат-контроля и т. д., и для этих элементов используются либо вспомогательные вакуумные насосы, либо электрические элементы управления.)

Почему турбины более популярны, чем нагнетатели в серийных автомобилях?

Турбины, как правило, превосходят нагнетатели с кривошипным приводом в критическом тесте на экономию топлива FTP75, который определяет количество миль на галлон на наклейке на окно и рейтинг CAFE корпорации, поэтому турбины можно найти на более популярных автомобилях, начиная от 1,0-литрового Ford EcoSport за 21 240 долларов. turbo к любому из четырех предлагаемых двигателей с турбонаддувом в пикапе Ford F-150. Между тем, как показывает этот список всех автомобилей с наддувом, доступных в США, нагнетатели в основном устанавливаются на высокопроизводительные автомобили. Конечно, все автомобили Volvo оснащены 2,0-литровыми двигателями с двойным наддувом, такие как XC60 и XC9.0 Модели T6 и T8 оснащены турбонагнетателем и нагнетателем . В этой конструкции используются сильные стороны каждого из них: наддув нагнетателя на низких оборотах обеспечивает давление до тех пор, пока не раскрутится более крупный турбонагнетатель, после чего нагнетатель отключается от коленчатого вала, чтобы не отнимать мощность.

Как насчет двигателей Twin Turbo, Biturbo, Quad Turbo и Hot Vees?

Twin-turbo просто означает наличие двух турбонагнетателей. Они могут работать либо независимо (как это часто бывает с двигателями с V-образной конфигурацией, где с каждой стороны двигателя работают отдельные турбины), либо последовательно. Когда они используются последовательно, малая и большая турбина соединяются в пару, и в этом случае меньшая быстро раскручивается, чтобы уменьшить турбозадержку, а затем, когда поток выхлопных газов увеличивается, большая турбина начинает обеспечивать наддув. Обратите внимание, что некоторые относятся к первому как к битурбированному (Mercedes маркирует многие из своих автомобилей AMG Biturbo), а второй — к твин-турбо, но мы не делаем этого различия. Естественно, квад-турбо означает, что их четыре, как в Bugatti Chiron. В его большом двигателе W-16 используются две пары последовательных турбонагнетателей. В течение многих лет большинство V-образных двигателей с турбонаддувом подвешивали турбины к выпускным коллекторам с внешней стороны двигателя, при этом всасываемый воздух поступал в долину V-образного сечения. В последнее время было стремление изменить это и подавать всасываемый воздух на внешние стороны V-образного сечения, а выхлопную трубу и турбины расположить внутри V-образного сечения. Это имеет то преимущество, что значительно уменьшает общий размер двигателя и при надлежащей вентиляции капота может привести к снижению температуры под капотом.

Какие существуют типы нагнетателей?

Из-за необходимости размещения турбонагнетателя рядом с выхлопом его форм-фактор с самого начала был склонен к центробежному (турбинному) компрессору. Также доступны центробежные нагнетатели с ременным приводом, и их также довольно легко установить в модернизированных установках послепродажного обслуживания. Пакстон популяризировал эту установку, и теперь ее дизайн продается под маркой Vortech (как показано выше). Одним из интересных вариантов этой концепции является центробежный нагнетатель с переменным передаточным отношением, который включает в себя бесступенчатый привод шкива, установленный на обычном компрессоре. Заводские нагнетатели на V-образных двигателях обычно упаковываются в V-образную долину и, следовательно, предпочтительнее более длинная, нижняя и узкая упаковка. Из них тип Roots наиболее популярен среди автомобилей с заводским наддувом, к которым относятся новые Ford Mustang Shelby GT500 и Camaro ZL1. В этой установке два вала, вращающихся в противоположных направлениях, имеют лепестки, которые нагнетают воздух через валы — обычно воздух входит в верхнюю часть устройства и выходит из нижней части. Двухвинтовые нагнетатели Lysholm нагнетают воздух с одного конца нагнетателя на другой. Этот тип использовался в винтажном Ford GT начала 2000-х годов, как и в двигателе с циклом Миллера Mazda Millenia.

Спиральный нагнетатель типа G-Lader какое-то время предпочитался Volkswagen и предлагался на Corrado здесь, в США. Эта странная конструкция включает пару запутанных спиралей, которые вызывали сильное трение и оказались проблематичными. Нагнетатель со скользящими лопастями — это еще одна конструкция, которая не использовалась в автомобильной промышленности со времен нагнетателей Powerplus, установленных на некоторых автомобилях MG в 1930-х годах. Это сложно объяснить без подробных иллюстраций, и это связано с большим количеством трений. Последний тип, о котором стоит упомянуть, — это нагнетатель волны давления, известный как система Comprex. Он имеет вращающийся цилиндр, разделенный на многочисленные камеры, открытые с обоих концов. Один конец выставлен на выхлопной поток, другой на впускной. Импульсы выхлопа толкают всасываемый воздух к стороне впуска, прежде чем труба снова запечатывается, отражая волну импульса выхлопа обратно к стороне выпуска. На обратном пути камера снова подвергается воздействию воздухозаборника, куда вслед за отступающей волной устремляется воздух. Есть некоторое смешивание газов, и это работает только при низких оборотах двигателя, поэтому лучше всего подходит для дизелей. Около 150 000 дизельных двигателей Mazda получили эту установку, но ни один из них не был продан у нас.

Могу ли я установить турбонаддув или нагнетатель на свой автомобиль?

Существуют комплекты вторичного рынка для обоих, но, как правило, немного проще прикрутить нагнетатель, для которого нужны только кронштейн, шкив коленчатого вала и ремень, а также интеграция во впускную систему, а также, возможно, добавление промежуточного охладителя. Турбина должна быть интегрирована как в выхлопную, так и в впускную системы, а также возможно добавление промежуточного охладителя. Тем не менее, такие сайты, как JEGS.com, рады продать вам все необходимое, чтобы добавить любой из них.

Смотрите полный эпизод Мастера двигателей! Сколько наддува может выдержать стоковый двигатель?

В 26-м эпизоде ​​ Engine Masters узнайте, сможете ли вы запихнуть 25 фунтов на кв.