Схема впускной системы

Схема турбокомпрессора (турбонагнетателя)

Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных материалов (сплавы, керамика).

Компрессорное колесо всасывает воздух, сжимает и нагнетает его в цилиндры двигателя. Компрессорное колесо также вращается в специальном корпусе.

Турбинное и компрессорное  колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца.

В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения  охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников  турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждения двигателя.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может  устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).

Принцип работы турбонаддува

Работа системы турбонаддува основана на использовыании энергии  отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое  через вал ротора вращает компрессорное  колесо. Компрессорное колесо сжимает  воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается  в интеркулере и поступает  в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув  не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность  работы системы во многом зависит  от числа оборотов двигателя. Чем  выше частота вращения коленчатого  вала двигателя, тем выше энергия  отработавших газов, быстрее вращается  турбина, больше сжатого воздуха  поступает в цилиндры двигателя.

В силу конструкции, турбонаддув  имеет ряд негативных особенностей:

• задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag);
• резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена  инерционностью системы (для повышения  давления наддува при резком нажатии  на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и  производительностью компрессора. Существует несколько способов решения  данной проблемы:

• применение турбины с изменяемой геометрией;
• использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
• комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя TDI от Volkswagen.

Система с двумя  параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора - triple-turbo (BMW) и даже четыре турбокомпрессора - quad-turbo (Bugatti).

Комбинированный наддув (twincharger) объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Турбокомпрессор  

 

 

Турбокомпрессор (turbocharger) обеспечивает повышение давления во впускной системе за счет использования энергии отработавших газов. В результате его работы увеличивается масса воздуха в камерах сгорания. Турбокомпрессор является более эффективным устройством наддува в сравнении с механическим нагнетателем, т.к. не использует мощность двигателя для привода.

Но использование турбокомпрессора все же приводит к определенным потерям  мощности. Находясь в выпускном тракте, турбокомпрессор создает препятствие  для движения отработавших газов  из цилиндров. Создаваемое противодавление  заставляет двигатель выполнять  большую работы по очистке цилиндров  от продуктов сгорания, соответственно тратить на это мощность. Но в  сравнении с приростом мощности от применения турбокомпрессора на 30-40%, данные потери незначительны.

Основная проблема применения турбокомпрессора заключается в  отставании изменения выходной мощности в ответ на изменение давления отработавших газов, т.н. турбозадержка или турбояма (turbolag). Основными причинами турбоямы являются инерционность, силы трения и нагрузки турбокомпрессора.

Схема турбокомпрессора (турбонагнетателя)

Турбокомпрессор состоит  из трех основных элементов: турбины, центробежного  компрессора и центрального корпуса. Турбина преобразует кинетическую энергию отработавших газов во вращательное движение компрессора. Она объединяет турбинное колесо, помещенное в корпус специальной формы – улитку.

Отработавшие газы поступают  в корпус, двигаются по его каналу и направляются на лопатки турбинного колеса. Колесо раскручивается до высокой  скорости (до 250000 об/мин). Колесо приварено  к валу, который передает вращение на колесо компрессора. Проходя через  лопасти турбинного колеса, отработавшие газы покидают турбину через центральное  отверстие и отводятся в выпускную  систему.

Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому ее элементы изготавливаются из жаропрочных  материалов: турбинное колесо - из железоникелевого сплава, корпус – из стали.

Производительность турбокомпрессора во многом определяется размером и  формой турбины. В общем виде, чем  больше турбина, тем выше производительность компрессора. Большой турбокомпрессор  воспринимает большее давление отработавших газов и соответственно обеспечивает больший прирост мощности. Но при  низких оборотах двигателя в нем  наиболее остро наблюдается турбозадержка. Маленький турбокомпрессор раскручивается до номинальной скорости значительно  быстрее, но имеет меньшую производительность.

Для регулирования давления наддува  в корпусе турбины устанавливается перепускной клапан (wastegate). Клапан имеет пневматический привод и регулируется системой управления двигателем.

Центральный корпус служит для размещения вала, позволяя ему вращаться с максимальной скоростью и минимальным трением. Вал вращается в одном или двух подшипниках. В качестве подшипников используются различные конструкции подшипников скольжения, реже – шарикоподшипники.

Смазка подшипников и  вала производится системой смазки двигателя. Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и охлаждает нагретые детали. В турбированных двигателях с искровым зажиганием центральный корпус включен в систему охлаждения двигателя, чем достигается лучшее охлаждение.

Центробежный  компрессор непосредственно создает дополнительное давление во впускной системе. Конструкция его аналогична соответствующему механическому нагнетателю и включает корпус с компрессорным колесом. Движение воздуха в компрессоре осуществляется от центра колеса к периферии корпуса. Диффузор преобразует кинетическую энергию воздуха в давление за счет резкого снижения скорости потока. Сжатый воздух поступает через впускной коллектор в двигатель. Компрессорное колесо и корпус компрессора изготавливаются из алюминия.

Для снижения последствий  турбозадержки, повышения производительности конструкция турбокомпрессора постоянно  совершенствуется. Наиболее востребованными  техническими решениями являются:

• снижение массы турбины за счет применения более легких и прочных материалов (керамика и др.);
• применение новых конструкций подшипников, обеспечивающих снижение потерь на трение;
• раздельный турбокомпрессор (twin-scroll);
• турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина).

Раздельный турбокомпрессор имеет два входа для отработавших газов и два сопла, рассчитанных на каждую пару цилиндров. Одно сопло предназначено для быстрого реагирования. Другое сопло обеспечивает максимальную производительность. Помимо высокой производительности конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой разделяет выпускные каналы, предотвращая их перекрытие при выпуске отработавших газов.

хема турбины  с изменяемой геометрией (VNT-турбины)  

 

 

Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG

1. направляющие лопатки
2. кольцо
3. рычаг
4. тяга вакуумного привода
5. турбинное колесо

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)

Турбина с изменяемой геометрией (другое наименование – турбина с переменным соплом) широко используется в дизельных двигателях, например в двигателе TDI от Volkswagen. В турбокомпрессоре установлено девять подвижных лопастей для регулирования потока отработавших газов к турбине. Угол наклона лопастей регулируется приводом, который блокирует или увеличивает поток отработавших газов. Изменение положения лопастей позволяет согласовать скорость отработавших газов и давление нагнетаемого воздуха с оборотами двигателя.

В ряде конструкций турбонаддува используется несколько турбокомпрессоров: два (twin-turbo), три (triple-turbo) и даже четыре (quad-turbo). Турбокомпрессоры устанавливаются последовательно, при этом один работает при низких оборотах двигателя, другой – при высоких оборотах. На V-образных двигателях практикуется параллельная схема установки турбокомпрессоров (на каждый ряд по компрессору). Резон данной схемы – два небольших турбокомпрессора эффективнее одного большого.

 

 

 

 Интеркулер 

 

 

В двигателях, оборудованных  турбонаддувом, всасываемый воздух сжимается с увеличением плотности. Вместе с тем, термодинамический  эффект от сжатия воздуха приводит к увеличению температуры до 200°С. Этому способствует и сам турбокомпрессор, нагреваемый отработавшими газами. При нагреве плотность воздуха  снижается и соответственно снижается  давление наддува. В бензиновых двигателях, кроме этого, горячий воздух увеличивает  вероятность наступления детонации, а в отработавших газах в большом  количестве образуются оксиды азота.

Для охлаждения, поступающего от турбокомпрессора воздуха, применяется интеркулер (intercooler, дословно – промежуточный охладитель, другое название – охладитель наддувочного воздуха). Интеркулер обеспечивает охлаждение воздуха до 50-60°С, чем достигается  лучшее наполнение цилиндров и соответственно увеличивается мощность двигателя.

Как показывает практика, снижение температуры наддувочного воздуха  на 10°С дает около 3% прироста мощности. При этом горение топливно-воздушной  смеси становится более эффективным, повышается топливная экономичность  и снижение вредных выбросов. В  целом эффект от использования интеркулера  составляет порядка 20% повышения мощности двигателя.

Но не все так гладко с применением интеркулера. Охлаждая наддувочный воздух, интеркулер создает  препятствие для этого воздуха, а значит, снижается давление наддува. Поэтому интеркулер в системе  турбонаддува это всегда компромисс эффекта и потерь для достижения этого эффекта.

По принципу охлаждения наддувочного воздуха различают два типа охладителей: воздушного охлаждения и водяного охлаждения. Благодаря своей простоте наибольшее распространение получили промежуточные охладители воздушного типа. Интеркулер устанавливается между компрессором и впускным коллектором. Конструктивно охладитель представляет собой теплообменник, состоящий из системы труб и находящихся между ними пластин.

Трубы изменяют свое направление  по длине, чем достигается увеличение общей длины теплообменника и  лучшее охлаждение воздуха. С другой стороны каждый изгиб трубы представляет собой препятствие для воздуха  и приводи к снижению давления наддува. Пластины увеличивают площадь  поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу. В качестве материала  для труб и пластин используется алюминий, обладающей высокой теплопроводностью. Реже применяется медь.

Интеркулер воздушного типа устанавливается в свободном  месте в подкапотном пространстве:

• в центральной части за передним бампером (в бампере выполняется соответствующий вырез);
• над двигателем под капотом (в капоте выполняется воздухозаборник специальной формы);
• в боковой части передних крыльев слева и справа (в крыльях выполняются воздухозаборники специальной формы).

Создание интеркулера  для нужд конкретного двигателя  заключается в определении множества  конструктивных параметров: фронтальная  площадь теплообменника, внутреннее проходное сечение, внутренний объем, толщина теплообменника, направление  потока в теплообменнике и ряд  других.