Маленькие турбины
Storogilov › Blog › Матчасть по Компресорам, турбо, твинтурбо, и тд
Всем доброго дня, приятного аппетита.
По причинам частых вопросов мне в личный ящик, я решил произвести маленький ликбез, поехали
Сейчас у каждого производителя есть турбодвигатели. И у каждого из них есть свои плюсы и минусы — плюсы я думаю все знают, поэтому о минусах: это лаг или турбояма. Турбояма — это недостаток давления наддува при низких оборотах двигателя и, соответственно, низком количестве выхлопных газов, раскручивающих крыльчатку турбины. О компенсации такого провала мы сегодня и поговорим.
Помимо турбины (улитки) воздух так же можно нагнетать компрессором (SuperCharger), подсоединенным непосредственно к коленвалу.
Он создает сравнительно небольшое давление в цилиндрах и не способен давать такую отдачу как газотурбинная система. Основной недостаток в том, что из за конструктивных особенностей порог давления невысок и излишки воздуха попадают назад сквозь роторы. Этот эффект можно уменьшить за счет подгонки роторов или за счет громоздких многоуровневых систем. В основном компрессоры используют для увеличения мощности в зоне малых и средних оборотов. В одиночку данная система не очень эффективна и понижает КПД двигателя.
Но если применять компрессор как средство достижения оптимального давления на низких оборотах вкупе с улиткой, то они очень удачно дополняют друг друга. Скажете ненадежно? Вполне надежно) Смотрите:
Пока двигатель работает в зоне оборотов, где турбина не создает нормальное давление, за нее это делает компрессор, подавая сжатый воздух в систему еще до турбины. Но при увеличении оборотов турбина раскручивается и при достижении определенного давления компрессор выключается из системы и воздух идет в обход него сразу к турбине.
Вся система работает по следующей схеме:
здесь все наглядно представлено.
Так же я нашел информацию про наддув, про который не слышал ни разу в жизни, думаю здесь тоже мало кто знает про такую штуку как резонансный наддув.
Постоянное давление в момент впуска не обязательно — достаточно “продавить” прямо перед закрытием клапана.
Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент. Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах, при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха. Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар
Для тех кто плохо понял, что написано видео на примере двигателя Volkswagen:
Отличие biturbo от twinturbo.
Многие заблуждаются, считая эти системы турбирования принципиально разными!
Твин-турбо и БиТурбо-это лишь разные коммерческие названия системы наддува, состоящей из 2-х турбин.
Название не отображает схему работы турбин (параллельное или последовательное(секвентальное)
Например, Мицубиши 3000 VR-4 имеет название TwinTurbo, там V6 и две турбины, каждая из которых питается от своих 3 цилиндров и дует в общий коллектор. Аналогично на Ауди S4 2.7, но там уже в названии BiTurbo.Аналогично на Мазере Джибли или Кватропорте.
На Тойоте Супра TwinTurbo рядная шестерка, и турбины там работают в хитром порядке, включаясь и выключаясь с помощью специальных перепускных клапанов(последовательно-параллельная схема)
На Субару В4-там две турбины, но работают они секвентально: на низких оборотах работает одна-маленькая-турбина, на высоких к ней подключается вторая-большая.
Би-турбо (biturbo) — система турбонаддува, состоящая из двух последовательно включаемых в работу турбин. В такой системе применяют 2 турбины, одну маленького размера другую большого, сделано это потому, что маленькая турбина раскручивается значительно быстрее, и вступает в работу первой, затем, при достижении более высоких оборотов мотора, раскручивается вторая, большая турбина, идобавляет значительно больший воздушный заряд. Таким образом прежде всего минимизируется лаг, образуется достаточно ровная разгонная характеристика автомобиля без рывка, свойственного большим турбинам, и достигается возможность использовать большие турбины на двигателях устанавливаемых в автомобилях предназначенных не только для езды по гоночным трассам, но и по городским дорогам, где возможность крутить мотор постоянно есть не всегда, а получить больше мощности с мотора небольшого объема имеет смысл, по каким либо причинам, например связанным с законодательством по налогам данной страны на литраж мотора. Системы би-турбо весьма дороги, и по этому их установка, как правило в серийном производстве, производится на автомобили высокого класса, типа MASERATI или ASTON MARTIN (там компрессоры).
Такая система может быть установлена как на двигатель V6, каждая турбинабудет висеть на своей головке по выхлопу, впуск общий, так и на рядном моторе например рядная 4-ка, в этом случае турбины можно включить по выхлопу как параллельно, 2 цилиндра на одну, 2 на другую, так и последовательно — сначала большая турбина, потом маленькая. Встречаются так же варианты, когда к маленько турбине подходит выхлоп только с 2-хцилиндров, а к большой соответственно с 2-х оставшихся, и с выхода малой турбины.
Твин-турбо (twinturbo) — в данной системе в отличии от системы би-турбо, основной задачей является не снизить лаг, а добиться большей производительности по прокачиваемому воздуху либо большего давления наддува. Производительность по прокачиваемому воздуху необходима, в случаях когда мотор работая на высоких оборотах, потребляет воздух больше, чем турбина способна обеспечить, таким образом возможно падение давления наддува. В системах Twinturboприменяются две одинаковые турбины. Соответственно производительность такой системы в 2 раза больше чем системы состоящей из одной турбины, при этом если применить 2 небольших турбины которые по производительности будут равны одной большой, то можно достигнуть эффекта снижения лага, при идентичной производительности. Существуют так же ситуации, когда производительности имеющихся в наличии больших турбин, оказывается недостаточно, например при построении моторадрэгстера, тогда так же используется комбинация из 2-х турбин. Данная схема как и вариант biturbo может работать как на двигателях с Vобразным развалом головок, так и на рядных двигателях. Варианты включения турбин такие же как и в битурбо.
Существуют так же системы состоящие из 3-х и более одинаковых турбин, результат преследуется тот же что и в twinturbo. Такие системы в гражданском применении как правило не имеют распространения, и применяются как правило, для построения мощных спортивных моторов а, для автомобилей участвующих вдрагрэйсинге.
В современных турбированных двигателях (в частности RRS V8 дизель) турбины имеют изменяемую геометрию крыльчаток. Это минимизирует проблему турбоямы и даёт высокий потенциал турбонадувва уже на самых низких оборотах коленвала двигателя. Кроме того этодобавляет экономию топлива
Чем же отличаются друг от друга турбина и компрессор? Компрессор – это механический нагнетатель, который приводится в движение, как правило, ремнем (то есть так или иначе нагнетатель соединен с двигателем). Турбину же раскручивают выхлопные газы: они крутят одну крыльчатку, соединенную валом с другой, которая, собственно, и «всасывает» воздух в мотор.
Имейте в виду, что установка любого из двух типов нагнетателей в рамках тюнинг-проекта потребует серьезных изменений в моторе. Придется кардинально дорабатывать впускную систему (а в случае с турбиной – и выпускную), возросшие нагрузки на мотор заставят раскошелиться на более прочную поршневую группу, на иные клапаны и т.д. Отдача будет высокой, но если вы не готовы к серьезным финансовым вложениям, то лучше спасовать.
Механические компрессоры бывают трех основных видов: центробежный, типа Roots и типа Лисхольм (винтовый). Центробежный компрессор гонит воздух через свой корпус подобно турбине, с помощью крутящейся крыльчатки – это наиболее распространенный тип компрессоров в мире тюнинга. Компрессор типа Roots считается «объемным» нагнетателем, в нем два ротора крутятся в разные стороны, сжимая воздух на выходе из агрегата. Последний тип – винтовый – встречается довольно редко (такие агрегаты выпускает, к примеру, специализирующаяся на производстве компрессоров для двигателей Mercedes-Benz компания Kleemann). Функционирует такой компрессор почти как мясорубка, с единственной разницей, что в нем два винта, которые, соприкасаясь, двигаются в унисон. Любой компрессор заметно поднимает мощность двигателя, единственный недостаток – большие энергозатраты, турбина все-таки эффективнее.
Турбины особым разнообразием не отличаются. Они работают по принципу центробежного компрессора, не без нюансов, впрочем. Недостаток турбонаддува – «инертность» агрегата, какое-то время он «не хочет» раскручиваться и развивать требуемое давление (это явление называется турболагом, турбоямой). Борьба с турболагом привела к тому, что автопроизводители и тюнинг-ателье вместо одной большой турбины (серьезно повышающей мощность, но бесконечно долго раскручивающейся) стали применять две – одну небольшую и вторую, более крупную. Одна добавляет живости двигателю на низких оборотах, а вторая обеспечивает бурное ускорение в зоне повышенных оборотов. Кстати сказать, некоторые фирмы в целях борьбы с турболагом начали выпускать нагнетатели с изменяемой геометрией… Турбина всегда снабжена перепускным клапаном, который стравливает избыточное давление (например, при резком закрытии дроссельной заслонки), а также вейстгейтом, который позволяет регулировать давление наддува (тем самым, повышая или снижая мощность; буст-контроллер позволяет делать то же самое, не выходя из машины). Эксплуатация автомобиля с турбиной предполагает соблюдение нескольких простых правил: во-первых, нужно заливать качественное масло, а также следить за его количеством и вовремя его менять, во-вторых – нельзя сразу после остановки глушить двигатель, от 30 секунд до минуты он должен поработать на холостом ходу, иначе подшипники со временем заклинят (если совсем невмоготу, то можно установить турбо-таймер, который по прошествию определенного количества времени сам выключит двигатель, позволяя владельцу авто сразу же отправиться по делам).
кстати, у меня в гараже находится один компресорный автомобиль — альтеза и второй турбированный, это Эвик)
Супертурбо: все продвинутые системы наддува
Я предельно упростил формулировки, чтобы текст был доступен для понимания широкому кругу читателей. Но для лучшего понимания вопроса рекомендую прочитать мои прошлые публикации о видах наддува и надежности турбомоторов .
Прогресс не стоит на месте, и каждое новое поколение автомобилей должно быть быстрее, экономичнее и мощнее. Часто для повышения мощности используются комбинированные системы наддува, да и «обычные» турбины вовсе не так просты, как кажется на первый взгляд. Каким же образом инженеры научили турбомоторы быть одновременно мощными, эластичными и экономичными? Какие технологии позволяют создавать массовые двигатели с удельной мощностью в 150 л.с. на литр и отличной тягой на низах, и тысячесильных монстров?
«Обычная» турбина
Как я уже писал, турбокомпрессор прост на первый взгляд, но является высокотехнологичным устройством, которое работает в очень жестких условиях. И любое его усложнение сильно сказывается на надежности. Для примера я постараюсь подробнее описать устройство типичного турбокомпрессора без особых усложнений.
Основной частью турбокомпрессора является средний корпус, в нем расположены подшипники скольжения, упорный подшипник и седло уплотнения с кольцами. В самом корпусе есть каналы для прохождения через него масла и охлаждающей жидкости. На совсем старых конструкциях обходились только маслом и для смазки и для охлаждения, но такие турбины не применяются на серийных машинах уже давно. Для предохранения среднего корпуса от воздействия горячих выхлопных газов служит жароотражатель.
В средний корпус устанавливается турбинный вал. Эта деталь не просто вал, конструктивно он соединен с турбинным колесом неразъемным соединением, чаще всего сваркой трением или выполнен из цельного куска металла. Иногда для создания крыльчатки используется керамика-прочности и коррозийной устойчивости лучших конструкционных сталей может не хватать. Сам вал имеет сложную форму, на нем есть утолщение для уплотнения и упорный выступ, а форма цилиндрической части рассчитана с учетом теплового расширения во время работы.
На турбинный вал надевается компрессорное колесо. Оно изготовлено обычно их алюминия и фиксируется на валу гайкой.
Конструкция из среднего корпуса, установленного в него турбинного вала и компрессорного колеса называется картриджем. После сборки этот узел тщательно балансируется, ведь работает он при очень высоких оборотах и малейший дисбаланс быстро выведет его из строя.
Еще турбине нужны две «улитки» — турбинная и компрессорная. Часто они индивидуальны для каждого производителя машин, тогда как центральная часть — картридж и размеры турбинного и компрессорного колеса являются признаками конкретной модели турбины и ее модификации.
Для предохранения от слишком высокого давления наддува используется клапан сброса давления газов, он же вастегейт. Обычно он является частью турбинной улитки и управляется вакуумом. Он закрыт при обычном режиме работы турбины и открывается в случае слишком высокого давления наддува или других проблем в работе мотора, сбрасывая скорость вращения турбины.
А теперь о том, как используют турбины и какие технологии применяют, чтобы достичь самых высоких показателей моторов.
Twin-turbo и Bi-turbo
Чем больше и мощнее мотор, тем больше воздуха нужно подавать в цилиндры. Для этого нужно сделать турбину больше или быстрее. А чем больше размер турбины, тем тяжелее ее крыльчатки и тем инерционнее она получается. При нажатии на педаль газа открывается дроссельная заслонка и больше горючей смеси попадает в цилиндры. Образуется больше выхлопных газов и они раскручивают турбину до более высокой частоты вращения, что, в свою очередь, увеличивает количество подаваемой горючей смеси в цилиндры. Чтобы сократить время раскрутки турбин и сопутствующую им «турбояму», изначально испробовали способы, которые называются твин-турбо и би-турбо.
Это две разные технологии, но маркетологи компаний-производителей внесли немало путаницы. Например, на Maserati Biturbo и Mercedes AMG Biturbo на самом деле используют технологию твин-турбо. Так в чем же разница? Изначально Twin Turbo («турбины-близнецы») называлась технология, при которой выхлопные газы разделялись на два равных потока и распределялись на две одинаковые турбины малого размера. Это позволяло получить лучшее время отклика, а иногда и упростить конструкцию мотора, используя недорогие турбокомпрессоры, что очень актуально для V образных двигателей с выхлопными коллекторами «вниз».
Фото:twin turbo Nissan
Обозначение Biturbo («двойная турбина») же относят к конструкциям, в которых применяются последовательно подключенные ко впуску две турбины-маленькую и большую. Маленькая хорошо работает на малой нагрузке, быстро раскручивается и обеспечивает тягу «на низах», а потом в действие вступает большая турбина, более эффективная на большой нагрузке. Маленькая турбина в этот момент отключается системой дроссельных заслонок.
Преимуществом такой схемы является большая эффективность одной большой турбины на большой нагрузке: она обеспечивает лучшее давление и меньший нагрев воздуха при большом ресурсе. А еще вместо маленького турбокомпрессора можно использовать механический или электронагнетатель. Они нагревают воздух меньше, чем турбокомпрессор, и не инерционны.
Но как же потери мощности, которые нужны для их раскрутки? Потери на их привод при малой нагрузке не так существенны. Но расплатой за улучшение характеристик турбин является усложнение впускной системы, приходится использовать много труб и дроссельные заслонки, переключающие потоки воздуха.
Обе технологии используются до сих пор всеми производителями, но все они значительно удорожают мотор, ведь дорогих турбокомпрессоров становится в два раза больше, а система управления ими — сложнее. Для сильно форсированных моторов альтернативы этим технологиям нет или почти нет. Но иногда можно просто улучшить конструкцию стандартной турбины.
Тонкое управление вастегейтом
Wastegate – это, дословно, «ворота для сброса», то есть перепускной клапан. На первых турбинах вастегейт работает очень просто: когда давление на впуске преодолевало натяжение пружины, он открывался, стравливал газы и давление падало. Позже систему усложнили: теперь его открытием руководила не только разница давлений, но и электроника, учитывающая множество параметров — обогащение смеси, режим движения, температуру, детонацию и умеющую избегать нежелательных режимов работы самой турбины. Но управлялся он точно так же — пневматикой. Когда нужно было сбросить давление, клапан просто открывался.
Получить качественный скачок характеристик позволяла плавная регулировка степени открытия перепускного клапана. В этом случае турбина может чаще работать с максимальной отдачей, даже при малых оборотах, а на средних нагрузках уже вступает в действие регулирование и в опасные режимы турбина не переходит.
К сожалению, такой способ сложнее. Для его реализации потребовалось разместить электропривод регулировки рядом с турбиной, что понизило ее надежность: электронике приходится работать в очень жестких условиях, при высокой температуре и высокой вибрации. Но улучшение характеристик стоит того и почти все современные турбины высокофорсированных небольших моторов имеют такую конструкцию.
Более эффективное турбинное колесо. Twinscroll
В поисках повышения эффективности одиночной турбины конструкторская мысль придумала способ, который позволял увеличить эффективность работы турбины и на малых и на больших нагрузках. Турбинное колесо, на которое воздействуют выхлопные газы, разделили на две части, отсюда и название технологии – twin scroll (“двойная улитка”), одна часть турбины более эффективна на большой нагрузке, а другая — на малой, но раскручивают они одно и то же компрессорное колесо на общем валу. Турбина получается не намного сложнее, но несколько эффективнее.
Разновидности турбонаддувов (Часть 3)
Снова всем доброго времени суток!
это третий пост на эту тему, первые два можно найти по ссылкам:
ну так вот, про принцип действия системы я поведал вкратце, про основные проблемы и вопросы с ними связанные, я рассказал, теперь немного углублюсь в проблему непосредственно самих турбин.
НЕ секрет, что сейчас выбирая автомобиль, можно наткнуться на названия, которые присутствуют в хар. двигателя такие как:
0. банальный турбонаддув
1. twin-turbo
2. biturbo
3. twin-scroll
4. VTG (Variable Turbo Geometry)
если честно, то я, не знал чем 1-е от 2-ого отличается, и не слышал про 3-е, не говоря уже о 4-ом)
так вот начнем по порядку.
1. twin-turbo
Инженеры придумали устанавливать на мотор не одну, а две турбины. Одна работает на маленьких оборотах двигателя, создавая тягу на «низах», а вторая включается позже. Такое решение получило название twin-turbo и позволило убить сразу двух зайцев — и турбояму
____________________________________________________________________________________________________
Сразу, что такое турбояма:Чтобы понять, что такое турбояма, вспомните о том, что турбина – это насос. И как любому насосу ему нужно сначала наполниться, а потом начинать качать. В рабочий режим наддува турбина выходит на опреде¬ленных оборотах двигателя (при определенном количестве и скорости выхлопных газов), а при малых оборотах наблюдается эффект недостаточной мощности – так называемая турбояма. Логически, маленький насос наполняется быстрее, чем большой, но он не может прокачать столько же воздуха, сколько большой, зато он быстрее сможет принять следующую порцию воздуха. Таким образом, маленькая турбина будет более отзывчива на нажатие педали газа, в то время как большая будет производить больше мощности. Другой фактор, который следует принимать во внимание, это то, что маленькая турбина более легкая, и ее крыльчатка имеет меньше инерции, соответственно, ее проще раскрутить, но она может пропустить через себя только ограниченный объем воздуха. Максимальная мощность у маленькой турбины меньше, но и турбояма (задержка между моментами наполнения) тоже меньше.
____________________________________________________________________________________________________
, и проблему нехватки мощности. В конце минувшего века автомобили с последовательной схемой подключения турбин имели некоторую популярность, их использовали Nissan, Toyota, Mazda и даже Porsche. Однако в силу сложности конструкции век таких аппаратов оказался недолог, и распространение получили другие идеи. Такое применяется в двигателе Audi R8 
2. biturbo
ИЗ-ЗА сложности конструкции век таких аппаратов оказался недолог(но некоторые марки не будем смотреть вверх на картинку и говорить какие до сих пор используют твин, но у него есть свои плюсы. не будем судить их)))), и распространение получили другие идеи. Например, параллельный турбонаддув, или biturbo. То есть вместо одной турбины ставят две маленькие одинаковые турбины, которые работают независимо друг от друга. Идея такова: чем меньше турбина, тем быстрее она раскручивается, тем более «отзывчивым» получается двигатель. Как правило, две маленькие турбины ставили на V-образные двигатели, по одной на каждую «половинку». 
3. twin-scroll
Еще один вариант — турбины с двумя «улитками», или twin-scroll. Одна из них (чуть большего размера) принимает выхлопные газы от одной половины цилиндров двигателя, вторая (чуть меньшего размера) — от второй половины цилиндров. Обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая ее и на малых, и на больших оборотах. 
4. VTG (Variable Turbo Geometry)
Самые последние появились турбины с изменяемой геометрией VTG (Variable Turbo Geometry). Естественно, чем городить две турбины, гораздо проще обойтись одной. Надо только сделать так, чтобы турбина одинаково эффективно работала во всем диапазоне оборотов. Здесь и начинается самое интересное. В зависимости от оборотов поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всем диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причем сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый «примерил» такую турбину Porsche 911 Turbo. 
вот вобщем все по этому вопросу, что мне удалось нарыть на просторах интернета. по этой проблеме, буду раскрывать эту тему дальше, по мере возможности.
всем Мир!
З.Ы. Если что-то упустил жду ваших комментов, постараюсь дополнить пост по мере возможности. если что-то не написал.
Как работают турбины
Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного роста его веса
Когда говорят о гоночных или спортивных машинах, часто всплывает тема турбонаддува. Турбины неизменно сопровождают современные дизеля. Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного роста его веса. Это большое преимущество привело к популярности турбин!
Давайте разберемся, как турбина увеличивает мощность, выживая при этом в экстремальных условиях работы. Мы познакомимся с вестгейтами, керамическими лопастями турбин и подшипниками, которые помогают турбинам делать работу еще лучше. Турбины – системы принудительного нагнетания воздуха. Они сжимают воздух. Сжатый воздух дает преимущество по мощности: в двигатель поступает больше воздуха, а это значит, что больше топлива может быть добавлено. Следовательно, каждое сгорание смеси в цилиндре дает больше мощности. Турбированный двигатель в общем случае всегда мощнее аналогичного по объему атмосферного. Двигатель меньшей массы может выдавать больше мощности при наличии наддува.
Чтобы создать давление воздуха, турбина использует поток выхлопных газов из двигателя для раскручивания своей крыльчатки, которая в свою очередь раскручивает воздушный насос. Турбина вращается с частотой до 150,000 об/мин – это в 30 раз быстрее среднего двигателя. Так как турбина работает с выхлопными газами, ей приходится выдерживать большие термические нагрузки.
Чтобы снять больше мощности с двигателя, необходимо увеличить количество топливно-воздушной смеси, которая сгорает в цилиндрах. Один из способов – добавить количество цилиндров или увеличить их объем. Часто эти изменения очень дороги. Турбина дешевле добавляет мощность, и именно поэтому она так популярна на вторичном рынке.
Расположение турбины в машине
Турбина позволяет сгорать большему количеству топлива, увеличивая количество топлива и воздуха в цилиндрах. Типичная прибавка к давлению от турбины – 0.3 – 0.5 бар. Поскольку атмосферное давление на уровне моря 1 бар, легко подсчитать, что в камеры сгорания попадает на 50 % больше воздуха, следовательно увеличение мощности должно доходить до 50%. В действительности, эффект получается 30- 40 %.
Одна из причин этой неэффективности – сила, раскручивающая турбину, не приходит извне. Наличие турбины увеличивает сопротивление выхлопа. Это означает, что на отводе отработавших газов двигатель вынужден преодолевать возросшее обратное сопротивление, что уменьшает отдачу с цилиндров, в которых в этот момент происходит сгорание.
Турбина и ее внешние компоненты
Турбина крепится на выхлопном коллекторе двигателя. Выхлопные газы двигателя раскручивают турбину. Турбина покоится на одном валу с компрессором, который располагается между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор накачивает воздух в цилиндры.
Внутри турбины
Выхлопной газ из цилиндров проходит через лопатки крыльчатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее крутится турбина.
С другой стороны вала турбины устанавливают компрессор центробежного типа – он засасывает воздух в центре крыльчатки и разбрасывает его от центра из-за вращающегося вала.
Слишком много давления?
Воздух закачивается в цилиндры под давление и дальше сжимается поршнями. В этом кроится опасность – детонация. Детонация происходит из-за резкого увеличения температуры воздуха, при котором топливная смесь сгорает до воспламенения свечи. Поэтому турбированные машины обычно ездят на высокооктановом топливе, чтобы не доводить дело до детонации. Если давление наддува очень высоко, компрессию двигателя можно снизать, чтобы не переходить в детонацию.
Чтобы работать на скоростях до 150,000 об/мин, вал турбины требует серьезной защиты. Большинство подшипников взрываются при таких скоростях, поэтому турбины часто используют жидкие подшипники. Этот тип подшипников создает вокруг вала постоянный тонкий слой масла, которое постоянно накачивается насосом. Это служит двум целям: охлаждение и снижение трения.
В следующей главе рассмотрим компромиссы, на которые вынуждены идти инженеры при проектировании турбонаддува..
Турбонаддув
Турбонаддув – способ увеличения мощности двигателя автомобиля за счет увеличения подачи воздуха в цилиндры, не изменяя при этом его (двигателя) объема.
Основной элемент системы – турбокомпрессор, состоящий из турбины и компрессора (нагнетателя). Причем турбина начинает работать как только происходит запуск двигателя, а компрессор только с определенного числа оборотов. Роль обогащения топливо-воздушной смеси кислородом отведена компрессору (нагнетателю). Происходит этот процесс за счет использования энергии отработавших газов. Колеса («крыльчатки») турбины и компрессора закреплены на одном валу. Выхлопные газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины, раскручивая ее колесо, которое в свою очередь раскручивает колесо компрессора, вследствие чего осуществляется всасывание воздуха из атмосферы в компрессор, и уже в нем его сжатие и нагнетение во впускное отверстие.
Так как сжатие воздуха сопровождается его нагревом, что приводит к уменьшению плотности, а как следствие к снижению и эффективности наддува в системах турбоннадува применяется интеркулер – своеобразный «промежуточный радиатор» (между компрессором и цилиндрами) для охлаждения воздуха, подаваемого в цилиндры. Интеркулеры бывают двух видов: воздухо-воздушный и водо-воздушный. В автомобилях преимущественно используются воздухо-воздушные интеркулеры, располагающиеся, как правило, либо фронтально (перепендикулярно продольной оси автомобиля) – обычно пространство перед/под радиатором двигателя, либо горизонтально над двигателем.
Твин-турбо (би-турбо) – система «сдвоенного» наддува, в которой применяется два турбокомпрессора, то есть две турбины и два компрессора.
5 – литровый 10-цилиндровый TFSI двигатель Audi RS 6.
Фото Audi.
Параллельная система «сдвоенного турбонаддува» (Parallel twin-turbo). Представляет собой конфигурацию турбонаддува, в которой два идентичных турбокомпрессора в равной степени разделяют между собой работу по нагнетанию воздуха в цилиндры. Каждый из них действует на свой ряд цилиндров и функционирует за счет половины отработавших газов двигателя.
Секвентальная система «сдвоенного турбонаддува» (Sequential twin-turbo). В такой конфигурации также два турбокомпрессора – один меньшего размера, другой большего. Работают они последовательно: на низких оборотах двигателя, когда энергии выхлопных газов не хватает для раскрутки колеса большой турбины, работает маленький, на высоких подключается большой.
Турбина с изменяемой геометрией
Движение воздуха при закрытых лопастях.
Фото Porsche.
Движение воздуха при открытых лопастях.
Фото Porsche.
Уменьшение сечения на низких оборотах (при недостаточном для раскрутки колеса турбины количестве выхлопных газов) способствует увеличению мощности потока отработавших газов. Когда же двигатель работает на высоких оборотах, и мощность потока газов возрастает, сечение увеличивается так, чтобы обеспечить достаточный двигателю «наддув», избежав при этом перегрузки турбокомпрессора.
По сравнению с «традиционными» турбокомпрессорами, имеющими в своей конструкции перепускной клапан, регулирующий обороты турбины, а следовательно и производительность компрессора, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией более экономичны (естественно, относительно расхода топлива) и экологичны при более высокой мощности.
Разработка подобных систем наддува, помимо снижения затрат на топливо и выброса вредных веществ в атмосферу, направлена еще и на повышение производительности двигателей – исключения такого явления, как турбо-яма (турбо-лаг), когда на низких оборотах двигателя давления выхлопных газов недостаточно для раскрутки турбины, и только на высоких оборотах двигатель раскрывает свою истинную сущность, обозначенную «шильдиком» «turbo». «На пальцах». чтобы понять, что такое турбо-яма нужно сесть за руль автомобиля, оснащенным простым турбо-двигателем, проехать какое-то растояние на низкой скорости, а потом «утопить» педаль акселератора (газа) в пол. после небольшой паузы автомобиль довольно резким рывком устремится вперед! Упомянутая выше «небольшая пауза» и есть турбо-яма.
