Характеристики двигателя внутреннего сгорания (ДВС) можно описать через его выходной крутящий момент. Крутящий момент двигателя на низких оборотах оказывает значительное влияние на управляемость автомобиля, а крутящий момент двигателя на высоких оборотах определяет максимальную скорость автомобиля и расположение передаточных чисел коробки передач.
Крутящий момент двигателя можно увеличить несколькими способами:
- повысить эффективность двигателя
- увеличить объем двигателя
- увеличить плотность всасываемого воздуха
Турбонаддув — верный метод увеличения плотности всасываемого воздуха. Это требует дополнительной работы на стороне впуска воздуха, помимо насосной работы атмосферного (безнаддувного) двигателя, чтобы нагнетать дополнительную массу воздуха в цилиндры. Эта дополнительная работа осуществляется турбонагнетателем, где турбина использует энергию выхлопных газов для вращения компрессора (крыльчатки).
Исторически нагнетатели впервые устанавливались на дизельные двигатели с воспламенением от сжатия, в основном по следующим причинам:
- удельная мощность дизельного двигателя без наддува оставляет желать лучшего
- выходная мощность дизельного двигателя ограничена дымовыделением, а добавление большего количества воздуха в цилиндр может уменьшить количество дыма
- (по сравнению с бензиновым двигателем со свечами зажигания) детонация в дизельном двигателе невозможна, поскольку топливо впрыскивается в конце цикла сжатия
- (по сравнению с бензиновым двигателем со свечами зажигания) дизельные двигатели дороже в производстве, поэтому стоимость турбокомпрессора меньше влияет на общую стоимость двигателя.
На двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием (бензиновом) основной причиной установки турбонагнетателя является увеличение выходного крутящего момента / мощности за счет ограниченной (объемной) мощности двигателя. Основным ограничением бензинового двигателя с турбонаддувом с точки зрения того, насколько может повыситься давление наддува, является детонация в двигателе. Дополнительный воздух для наддува внутри цилиндров вызывает значительное повышение температуры топливовоздушной смеси в конце сгорания, что может привести к детонации в двигателе. Для предотвращения детонации двигатели с турбонаддувом обычно имеют более низкую степень сжатия, чем двигатели без наддува (атмосферные).
Турбонаддув можно охарактеризовать как особый метод наддува, при котором энергия горячих выхлопных газов используется для привода компрессора всасываемого воздуха. Преимущество заключается в том, что энергия выхлопных газов не тратится впустую, а используется для работы компрессора.
Когда турбина помещается в выпускной коллектор, давление выхлопных газов увеличивается перед турбиной. Это заставляет двигатель потреблять больше энергии для удаления сгоревших газов из цилиндров во время такта выпуска. Турбина преобразует поток и тепловую энергию выхлопных газов в энергию сжатия. Следовательно, рост давления всасываемого воздуха больше, чем рост давления выхлопных газов, а это означает, что суммарный КПД двигателя увеличивается.
Автомобильные турбокомпрессоры состоят из четырех основных частей:
- корпус компрессора
- основной (центральный) корпус
- корпус турбины
- привод перепускной заслонки
Корпус компрессора (обычно изготовленный из алюминия) содержит компрессор с осевым входом и радиальным выходом (также известный как рабочее колесо). Корпус турбины содержит турбину с радиальным притоком и осевым выпуском, соединенную с компрессором через вал.
Скорость турбокомпрессорного агрегата может легко достигать 120 000 об / мин или даже 300 000 об / мин. Чтобы выдерживать такие высокие скорости, вал вращается в подшипниках скольжения с гидродинамической масляной пленкой с низким коэффициентом трения, которые размещены в основном (центральном) корпусе.
Подшипники скольжения бывают двух типов: радиальные и осевые. Обычно это два радиальных подшипника (втулка) и один упорный подшипник (упорный). Подшипники имеют смазочные каналы, которые позволяют маслу проникать внутрь подшипников и образовывать гидродинамическую масляную пленку между подшипником и валом. Такие подшипники также называются полностью плавающими. Цепь смазки турбонагнетателя подключена к основной системе смазки двигателя внутреннего сгорания.
Температура масла может широко варьироваться от минимальной (например, -30 ° C) до номинальной рабочей температуры двигателя (около 90 ° C). Для обеспечения потока масла для охлаждения в любых температурных условиях необходимо обеспечить зазор между подшипниками и валом.
где: 1 — колесо компрессора, 2 — осевой (упорный) подшипник, 3 — радиальные (втулочные), 4 — подшипники, 5 — вал, 6 — колесо турбины.
Подшипники турбокомпрессора могут быть подшипниками скольжения (как на картинке выше) или роликоподшипниками. Турбокомпрессоры, работающие на выхлопных газах, с роликоподшипниками более эффективны, чем на подшипниках скольжения, имеют лучшие переходные характеристики (они ускоряются быстрее) и могут обеспечивать более высокое давление наддува при частичных нагрузках двигателя. Основными недостатками роликоподшипников являются надежность при длительной эксплуатации и акустические характеристики (более шумный). Роликовые подшипники в основном используются в высокопроизводительных турбокомпрессорах для мотоспорта.
Подшипники могут работать нормально, если температура выхлопных газов ниже 800 ° C, охлаждения масла достаточно для поддержания нормальных условий работы. На бензиновых двигателях, где температура выхлопных газов может превышать 1000 ° C, необходим центральный (подшипниковый) корпус с водяным охлаждением.
Корпус сердечника также содержит некоторые уплотнительные элементы, которые предотвращают попадание масла в выпускной или впускной коллектор, а также максимально сокращают попадание всасываемого воздуха и выхлопных газов (картерных газов).
Компрессор состоит из крыльчатки с осевым притоком и радиальным выпуском (крыльчатки компрессора) и литого алюминиевого корпуса. Во избежание утечки воздуха между компрессором и корпусом зазор должен быть минимальным.
Рабочее колесо компрессора (крыльчатка) обычно изготавливается из литого алюминиевого сплава. В современных турбокомпрессорах рабочее колесо фрезеровано из алюминиевого сплава. Во избежание помпажа компрессора (реверсирования воздушного потока при закрытии дроссельной заслонки) корпус компрессора оборудован продувочным (отрывным) клапаном.
В некоторых коммерческих транспортных средствах с очень долгим сроком службы компонентов крыльчатка компрессора (крыльчатка) фрезерована из титанового сплава.
Компрессоры бензиновых двигателей с турбонаддувом имеют продувочные (выталкивающие) клапаны, которые должны предотвращать скачки давления при резком падении нагрузки на двигатель (например, дроссельная заслонка переходит из полностью открытого в полностью закрытое положение за очень короткое время). Большинство современных продувочных клапанов имеют электрический привод, а события открытия и закрытия контролируются модулем управления трансмиссией (PCM).
Сторона турбины нагнетателя состоит из:
- Диффузора.
- Корпуса.
- Крыльчатки.
- Перепускной заслонки для отработанных газов.
Назначение диффузора — ускорить поток выхлопных газов и равномерно распределить его по лопаткам (колесу) турбины. Диффузор встроен в спиральный корпус турбины.
Корпус турбины должен выдерживать очень высокие температуры и сделан из высоколегированного чугуна. В зависимости от типа повышения давления выхлопных газов существует два типа кожуха турбины:
- Корпус импульсного наддува
- Корпус постоянного давления
В случае импульсного наддува трубы выхлопных газов, идущие от каждого цилиндра, проходят отдельно в корпус турбины. Корпус турбины спроектирован таким образом, чтобы максимально предотвращать смешивание потоков выхлопных газов перед входом в рабочее колесо турбины.
В случае наддува постоянного давления из выхлопных труб всех цилиндров, выхлопные трубы подключены к выпускному коллектору большого объема, который отфильтровывает отдельные импульсы давления.
Стандартное колесо турбины имеет радиально-впускную и осевую конструкции. Поскольку турбинное колесо должно работать в условиях очень высоких температур, оно изготовлено из стального сплава, содержащего большое количество никеля.
Чтобы минимизировать турболаг (задержку разгона двигателя), момент инерции массы компрессорного колеса, турбинного колеса и вала должен быть как можно меньше. По этой причине исследуются высокопрочные материалы с низкой плотностью для использования в будущих турбокомпрессорах.
Где: 1 — корпус компрессора, 2 — колесо компрессора (крыльчатка), 3 — пневматический привод, 4 — центральный (подшипниковый) корпус, 5 — рычаг управления перепускным клапаном, 6 — перепускной клапан, 7 — корпус турбины, 8 — колесо турбины.
Давление наддува регулируется путем регулирования количества выхлопных газов, проходящих через турбинное колесо. Поток выхлопных газов в турбине регулируется перепускным клапаном, который может приводиться в действие пневматическим или электрическим приводом.
Подача воздуха для управления пневматическим блоком перепускной заслонки может осуществляться за счет самого давления наддува или за счет давления вакуума (от вакуумного насоса автомобиля). Недостатком использования давления наддува является то, что управление перепускным клапаном зависит от нагрузки двигателя (давления наддува). С помощью вакуумного насоса давление наддува можно регулировать независимо от рабочего состояния двигателя.
Последние технологии турбокомпрессоров предусматривают прямое электрическое включение перепускной заслонки. Это обеспечивает более быстрое и точное срабатывание перепускной заслонки независимо от оборотов двигателя.
Высокопроизводительные турбокомпрессоры — EFRTM от BorgWarner
Где: 1 — колесо компрессора, 2 — колесо и вал турбины Gamma-Ti, 3 — корпус турбины из нержавеющей стали, 4 — перепускной клапан с высоким расходом, 5 — задний диск турбины, 6 — двухрядный шарикоподшипник с керамическими шариками и металлическим сепаратором, 7 — корпус компрессора, 8 — встроенный клапан рециркуляции компрессора (CVR), 9 — электромагнитный клапан управления наддувом (BCSV), 10 — датчик скорости.
Турбокомпрессор Continental RAAX
RAAXTM (что означает «радиально-осевой») — это новый турбокомпрессор Continental с наиболее важной инновацией в конструкции турбины. В отличие от наиболее распространенного на сегодняшний день типа бензиновых турбонагнетателей, радиального турбонагнетателя, который имеет радиальный впуск выхлопных газов, новый турбокомпрессор Continental имеет радиально-осевой (полурадиальный / полуосевой) впускной канал.
Соответствующая специальная конструкция лопастей позволяет примерно на 40% снизить крутящий момент инерции турбинных колес. Это означает, что турбокомпрессор быстрее реагирует на изменения нагрузки двигателя, поэтому давление наддува создается быстрее, а турбо задержка сводится к минимуму. В дополнение к этому значительному улучшению реакции, технология RAAXTM также приводит к повышению эффективности до 3% в соответствующем рабочем диапазоне двигателя, что приводит к снижению выбросов.
Оставьте комментарий